玄武巖纖維混凝土(BFRC)以普通混凝土為基材，同樣存在尺寸效應問題，以下是小編蒐集整理的一篇探究短切玄武巖纖維混凝土基本力學性能的論文範文，歡迎閲讀參考。
摘要：為了研究短切玄武巖纖維混凝土試件尺寸變化對其基本力學性能的影響，對不同纖維長度(15，25 mm)、纖維體積摻量(0.1%，0.2%)、基體混凝土強度等級(C30，C40)的330個短切玄武巖纖維混凝土(BFRC)試件分別進行了立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度、彎曲抗拉強度試驗並對試驗數據處理，以尺寸效應度反映尺寸效應規律。研究結果表明：玄武巖纖維混凝土立方體抗壓強度試件的尺寸換算係數受混凝土的強度等級、纖維長度、纖維體積摻量的影響較小;軸心抗壓強度的尺寸效應隨混凝土強度等級、纖維長度、纖維體積摻量的增大均有所提高;劈裂抗拉強度隨混凝土強度等級變化，其尺寸效應不明顯，但隨纖維長度的減小及纖維體積摻量的增加，尺寸效應有增大趨勢;混凝土強度等級和纖維長度的改變對混凝土彎曲抗拉強度的尺寸效應影響不大，但隨纖維體積摻量的增加，尺寸換算係數先減小後變大。
關鍵詞：玄武巖纖維;混凝土;力學性能;尺寸效應
1、引言
混凝土是土木工程的主導材料，但傳統混凝土的抗拉強度較低，耐久性較差，使得很多結構物由於混凝土性能不良而過早破壞，造成嚴重的經濟損失[1]。在混凝土中摻入細的、短切亂向均勻分佈的纖維，可起到防裂、增強和增韌的效果。纖維主要通過物理力學作用改善混凝土內部結構，而不改變混凝土中各種材料本身的化學性能。玄武巖纖維(Basalt Fiber)作為一種原料廣泛且擁有優良性價比的無機纖維材料，具有與混凝土天然的相容性、耐化學腐蝕性、熱穩定性等性能，使得玄武巖纖維增強混凝土有廣泛的應用前景，已經成為各國學者研究的熱點[27]。
對混凝土這類準脆性材料而言，尺寸效應是其固有特徵，材料的尺寸效應是指隨着結構尺寸變化，其強度的試驗測試值呈現出有規律的下降或上升的現象[8]。鋼纖維混凝土複合材料的尺寸效應換算係數已經有相關的文獻規範給出，其尺寸效應換算係數較普通混凝土(NSC)的尺寸效應換算係數有較明顯的變化[9]，聚丙烯纖維混凝土複合材料的尺寸效應換算係數研究資料相對缺乏，並沒有給出相應換算係數[10]。
玄武巖纖維混凝土(BFRC)以普通混凝土為基材，同樣存在尺寸效應問題。通過改變基體混凝土強度等級、纖維體積摻量、纖維長度等重要參數，研究試件不同尺寸對混凝土的抗壓、軸壓、劈拉、彎拉強度等力學性能的影響;玄武巖纖維混凝土基本力學性能尺寸效應的相關研究尚未見系統報道，且強度尺寸換算係數取值尚未有明確規範可查，因而有必要進行玄武巖纖維混凝土基本力學性能尺寸效應試驗研究。基於試驗數據，尋找這種纖維混凝土各強度指標的尺寸效應影響規律，獲得這種纖維混凝土不同試件尺寸間的換算關係。通過電鏡掃描(SEM)，分析不同參數變化試件的微觀結構和裂縫發展狀況。
2、材料與試驗方法
1.1 原材料
水泥選用哈爾濱水泥有限公司生產的天鵝牌普通硅酸鹽水泥(P.O 42.5)，物理力學性能見表1;中砂，物理性能見表2;碎石為連續級配，物理性能見表3;減水劑為遼寧省鵬源混凝土外加劑公司生產的PC1型聚羧酸系高效減水劑，減水率為35%;玄武巖纖維選用四川拓鑫玄武巖實業有限公司生產的短切玄武巖纖維[11]，物理力學性能見表4。
每組拌和物進行纖維含量試驗2次，試驗結果取平均值。2種纖維摻量情況下，纖維體積摻量為0.1%的實際質量為2.65 kg・m-3，玄武巖纖維的實測結果分別為2.48 kg・m-3和2.62 kg・m-3。纖維體積摻量為0.2%的實際質量為5.3 kg・m-3，玄武巖纖維的實測結果分別為5.28 kg・m-3和5.33 kg・m-3。從實測結果可知計算纖維摻量與實測的纖維摻量差別不大。
3、試驗結果與分析
3.1 試驗現象及尺寸效應評定
3.1.1 試驗現象
短切玄武巖纖維的摻入使得混凝土的受力特徵及其破壞形態有所變化。
立方體抗壓強度試驗中，普通混凝土試件破壞時呈現沿角部斜向破壞，最終的破壞形式為“沙漏狀”;摻入玄武巖纖維的混凝土試件，開裂後表面僅有少量混凝土剝落，裂縫寬度明顯比普通混凝土減小，直到極限荷載時，邊界區混凝土開裂破壞，但試件內部的完整性較好，脆性明顯減弱。
軸心抗壓強度試驗中，普通混凝土試件受壓達到開裂荷載時，有清脆的試件開裂聲音，形成對角裂縫且寬度明顯，直到達極限荷載時，裂縫貫通，從試件中部破壞;摻入玄武巖纖維的混凝土試件，破壞時僅是試件中部表層的混凝土剝落，試件最終的完整性較好。
劈裂抗拉強度試驗中，當達到開裂荷載時，普通混凝土試件立即破壞;摻入玄武巖纖維的混凝土試件，開裂後在繼續受荷的情況下，仍能夠保持裂而不壞，通過應力重分佈，將能量轉移到裂縫兩側試件，繼續受荷。
彎曲抗拉強度試驗中，當達到開裂荷載時，普通混凝土試件裂縫迅速貫通，隨即破壞;摻入玄武巖纖維的混凝土試件，開裂後有一段裂而不壞的持續現象，能夠繼續承受部分荷載。
玄武巖纖維混凝土各類型試件破壞形態見圖1，試驗結果見表7。
3.1.2 尺寸效應評定
尺寸效應評定是通過纖維混凝土與普通混凝土尺寸換算係數的差值體現。該差值在一定的'區間範圍內，這一區間是在以普通混凝土尺寸換算係數為基點的某一定值的一維座標軸上。理想化分析的差值應在單側區間，小尺寸纖維混凝土試件的尺寸換算係數比普通混凝土試件尺寸換算係數的規範值越小，相應的偏離程度越大，則尺寸效應就越顯著。相反，大尺寸纖維混凝土試件的尺寸換算係數比普通混凝土試件尺寸換算係數的規範值越大，相應的偏離程度越大，則尺寸效應就越顯著。實際情況存在影響因素較多，數值只要偏離基點程度不大，出現在異側區間內亦可接受。
為清晰表述，把各類尺寸換算係數用符號表示，見表8。
引入尺寸效應度γ對混凝土各類試件尺寸效應進行定量描述。以邊長150 mm的混凝土立方體試件為基準尺寸試件，定義非標試件強度和基準試件強度的差值與基準試件強度的百分率為尺寸效應度。立方體抗壓強度尺寸效應度計算公式為
由尺寸效應度的概念界定可知，混凝土立方體抗壓強度尺寸效應度值越大，表明立方體抗壓強度的尺寸效應現象越顯著。
3.2 立方體抗壓強度尺寸效應
通過試驗結果計算得到邊長為100，200 mm的αfcu分別為：fcu，15/fcu，10=0.952，fcu，15/fcu，20=1.053，fcu，10，fcu，15，fcu，20分別為邊長100，150，200 mm試件的普通混凝土立方體抗壓強度。與《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[15]中給出的0.95和1.05相差不多。
當其他參數相同，隨着混凝土強度等級的提高，玄武巖纖維混凝土邊長為100 mm非標準試件的αffcu略有減小，而200 mm邊長試件的αffcu則有所增大，如圖2所示;當僅改變纖維長度時，對玄武巖纖維混凝土立方體抗壓強度尺寸變化關係影響不明顯，如圖3所示;當僅改變纖維體積摻量時，對試件尺寸效應略有改善，但隨纖維體積摻量的增加改善效果並不理想，如圖4所示。
為與規範[15]相吻合，將所有變化參數均考慮在內，取表7中摻入玄武巖纖維的各組試件尺寸換算係數平均值，得到邊長為100，200 mm立方體試件的αffcu分別為0.941和1.069，若取95%的保證率，則可分別取值為0.935和1.061，普通混凝土和玄武巖纖維混凝土試件立方體抗壓強度尺寸效應度見表9，試件尺寸大小對玄武巖纖維混凝土尺寸效應度均較普通混凝土有所增大。
3.3 軸心抗壓強度尺寸效應
經試驗結果計算基體混凝土稜柱體試件軸心抗壓強度尺寸換算係數為0.952，與規範吻合良好[15]。
由於稜柱體受壓時橫向變形大於立方體受壓的橫向變形，短切玄武巖纖維的摻入可以有效起到增強混凝土抗拉能力，抑制混凝土的開裂作用，纖維的亂向分佈對混凝土軸心抗壓強度的提高作用更為明顯。當其他參數相同時，αffc隨混凝土強度等級提高而減小，表明基體混凝土強度等級較高時，試件軸向受壓橫向變形對尺寸效應有增強作用;當僅改變纖維長度時，lf=25 mm較lf=15 mm的αffc表現出纖維長度越長，尺寸效應有增大趨勢;當僅改變纖維摻量時，αffc隨摻量增加而減小，尺寸效應現象更顯著，相關數據見表10。
為與規範相吻合，考慮所有變化參數，αffc在0.945～0.892範圍變化。通過計算得αffc為0.921，取95%的保證率，則其值為0.892，由此得抗壓強度尺寸效應度γf為8.65%，較試驗所得普通混凝土抗壓強度尺寸效應度5.15%有所提高，表明玄武巖纖維混凝土尺寸效應較普通混凝土更為顯著。
3.4 劈裂抗拉強度尺寸效應
經計算，邊長為100，200 mm立方體試件的αft分別為0.851和1.10，與規範值相差不大[15]。
由於玄武巖纖維對混凝土抗拉增強作用較抗壓增強作用更為突出，從而使得玄武巖纖維混凝土劈裂抗拉強度顯著提高。同時，由於玄武巖纖維體積摻量增大使單位體積內玄武巖纖維數量增多，分佈更加均勻、廣泛，能進一步使玄武巖纖維混凝土劈裂抗拉強度增大。
由表7可以看到，玄武巖纖維混凝土立方體試件劈裂抗拉強度均有所提高，但不同尺寸試件強度增長程度不同。當其他參數相同時，玄武巖纖維混凝土的劈裂抗拉強度隨混凝土強度等級變化，反映出無論試件尺寸大小，αfft都比αft有所降低，如圖5所示，其中，fft，10，fft，15，fft，20分別為邊長100，150，200 mm試件普通混凝土的劈裂抗拉強度;當僅改變纖維長度時，2種纖維長度均使αfft減小，但lf=15 mm對尺寸效應影響顯著，如圖6所示;當僅改變纖維體積摻量時，隨纖維體積摻量增大，尺寸效應提高明顯，如圖7所示。
普通混凝土和玄武巖纖維混凝土試件劈裂抗拉強度尺寸效應度見表11，小尺寸試件的玄武巖纖維混凝土尺寸效應度較普通混凝土增大更為明顯。
3.5 彎曲抗拉強度尺寸效應
經試驗結果計算普通混凝土試件的αftm為0.855，略高於規定值[15]。
提高玄武巖纖維混凝土強度等級，αfftm有所增大，但增量微小;當僅改變纖維長度時，玄武巖纖維長度lf=15，25 mm的αfftm分別為0.851和0.859，表明纖維長度的改變對彎曲抗拉強度尺寸換算係數影響不大;當僅改變纖維摻量時，αfftm隨着纖維體積摻量的增加有先減小後增大的變化，表明低纖維摻量下，彎曲抗拉強度尺寸效應顯著，見表12。
計算得αftm為0.860，若取95%的保證率，則其值為0.845，所得纖維混凝土彎曲抗拉尺寸效應度為16.24%。
3.6 機理分析
由於混凝土強度等級變化的幅度相對較低，硬化後的水泥砂漿基體與骨料變形協調良好，從而使得試件的均質度和整體性較好，因此，混凝土基體強度等級的改變對立方體抗壓與稜柱體軸心抗壓強度尺寸效應影響不大。區別於立方體抗壓試驗試件受套箍作用的影響，稜柱體軸壓試驗試件中部為純壓力作用區段，試件破壞時，中間部位橫向變形較明顯，故混凝土基體強度等級變化對稜柱體軸心抗壓強度尺寸效應影響顯著。荷載作用下，大尺寸試件受到夾箍作用較小，同時，在試件內部，以骨料和水泥砂漿之間的粘結帶抗拉強度最低，故易出現由粘結帶開裂。試件尺寸越大，骨料含量越多，粘結帶形成的薄弱面亦越多，越容易受荷開裂。因此，立方體劈拉強度尺寸效應隨混凝土基體強度等級變化表現為小尺寸試件尺寸效應顯著。
玄武巖纖維作為一種不連續的分散相，摻入混凝土後會使界面增多，相應的微缺陷也隨之增加，受荷後纖維與基體混凝土產生滑移，從而導致立方體抗壓強度試驗受纖維長度的改變並沒有達到預期的效果。由於纖維與基體混凝土粘結錨固區段較短，當試件受荷後，纖維變形不足以耗散此部分能量，為尋求新的穩定平衡狀態，纖維斷裂，呈現出拔斷破壞，或纖維與基體混凝土兩端粘結情況相差較大，粘結性能較小一側產生滑移，呈現出拔出破壞，致使試件強度降低程度較明顯。因此，短纖維對立方體劈裂抗拉強度尺寸效應影響較大。相反，長纖維使稜柱體軸心抗壓和彎曲抗拉強度的強度值較大，從而尺寸效應較好。
纖維摻量的改變使得玄武巖纖維混凝土立方體抗壓強度尺寸效應比普通混凝土提高顯著，但纖維摻量的變化未引起尺寸效應改變，是由於纖維摻量的增加致使基體混凝土中產生眾多的薄弱界面，未能形成整體空間網架導致的。稜柱體軸心抗壓、立方體劈裂抗拉和彎曲抗拉強度尺寸效應均隨纖維摻量的增加而更加優良，這是因為單位體積內能夠承擔試件受拉應力的纖維較多，顯著提高混凝土的韌性，從而強度的增幅更顯著。
考慮工程實際應用，對試驗試件實測強度值取95%保證率獲得標準值，考慮相關因素得到設計值，從而建立試驗試件與工程設計的關係。通過統計分析對軸壓比公式中的係數進行修正得
4、結 語
(1)玄武巖纖維的摻入使混凝土軸心受壓強度的尺寸效應現象最為明顯，尺寸效應係數為0.892，其尺寸效應度為8.65%。立方體抗壓強度的尺寸效應度略有提高。
(2)玄武巖纖維的摻入對混凝土劈裂抗拉和彎曲抗拉強度的尺寸效應均有影響，尺寸效應係數分別為0.817，1.076和0.845，影響程度較好。
(3)對混凝土強度等級分別為C30和C40的玄武巖纖維混凝土，立方體抗壓尺寸換算係數分別為0.935，1.061，軸心抗壓尺寸換算係數為0.892，劈裂抗拉尺寸換算係數分別為0.817，1.076，彎曲抗拉強度尺寸換算係數為0.845。
(4)玄武巖纖維混凝土複合材料的軸壓比αc1取值為0.83，略高於普通混凝土的0.76。
參考文獻：
[1] 湯寄予.纖維高強混凝土基本力學性能的試驗研究[D].鄭州：鄭州大學，2003.
[2]胡顯奇.我國純天然玄武巖纖維異軍突起[N].中國建材報，20060817(3).
[3]王興舟，鮑亞文，房 園，等.纖維對混凝土的阻裂和增強作用性能研究[J].吉林交通科技，2008(1)：1014 .
[4]CARMISCIANO S，DE ROSA I M，SARASINI F，et lt Woven Fiber Reinforced Vinylester Composites：Flexural and Electrical Properties[J]rials and Design，2011，32(1)：337342.
[5]DIAS D P，THAUMATURGO ture Toughness of Geopolymeric Concretes Reinforced with Basalt Fibers[J]nt and Concrete Composites，2005，27(1)：4954.
[6]RAMAKRISHNAN V，TOLMARE N S，BRIK V ormance Evaluation of 3D Basalt Fiber Reinforced Concrete & Basalt Rod Reinforced Concrete[R]son：Transportation Research Board，1998.
[7]SIM J，PARK C，MOON D acteristics of Basalt Fiber as a Strengthening Material for Concrete Structure [J]osites Part B：Engineering，2005，36(6/7)：504512.
[8]錢覺時，黃煜鑌.混凝土強度尺寸效應的研究進展 [J].混凝土與水泥製品，2003(3)：15.
[9]趙順波，錢曉軍，杜 暉.鋼纖維混凝土基本力學性能的尺寸效應試驗研究[J].港工技術，2007(6)：3437.
[10]徐 磊，趙 軍，周曉革.聚丙烯纖維混凝土的尺寸效應係數[J].河南科學，2009，27(4)：455457.
[11]張 野.短切玄武巖纖維混凝土基本力學性能研究[D].哈爾濱：東北林業大學，2011.
[12]JGJ 55―2011，普通混凝土配合比設計規程[S]. JGJ 55―2011，Specification for Mix Proportion Design of Ordinary Concrete[S].
[13]GB/T 23265―2009，水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維[S]. GB/T 23265―2009， Chopped Basalt Fiber of Cement，Cement Mortar and Concrete[S].
[14]CECS 13：2009，纖維混凝土試驗方法標準[S]. CECS 13：2009，Standard Test Methods for Fiber Reinforced Concrete [S].
[15]GB/T 50081―2002，普通混凝土力學性能試驗方法標準[S]. GB/T 50081―2002， Standard for Test Method of Mechanical Properties or Ordinary Concrete[S].