玄武岩纤维-风积沙混凝土抗冲击试验研究

解国梁，申向东，姜 伟，张 斌

(1.黑龙江八一农垦大学 土木水利学院，黑龙江 大庆 163319；2.内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

0 引言

随着城市化进程的加快，我国建筑行业发展势头迅猛，各类基础设施规模迅速扩大，混凝土需求日益激增。作为混凝土用细骨料河砂资源再生缓慢，逐渐不能满足当今基础建设的需求[1]。而在我国西北地区储藏着丰富的风积沙资源，这对当地生态环境造成了巨大破坏[2]。若将风积沙取代普通河砂制备风积沙混凝土(Aeolian Sand Concrete，ASC)，对经济、生态环境和可持续发展具有重大意义。目前，诸多学者对ASC的力学性能、耐久性能及其工程应用展开了大量试验研究[3-5]。结果表明：适量风积沙掺入混凝土中可以增强混凝土的力学性能，但在应用中也暴露出一系列问题。风积沙只能在一定界限范围内代替工程用砂，且配制的ASC和普通混凝土性能相近，具有易收缩开裂、韧性差等缺点，使其在实际施工中应用困难。如何改善ASC韧性，提高其阻裂能力成为研究人员探索的关键问题之一。

将一定体积掺量的纤维均匀掺入混凝土中可以抑制内部裂缝的产生和发展，进而改善混凝土脆性，提高抗拉、抗冲击性能[6-9]。玄武岩纤维(Basalt Fibre，BF)作为一种新型无机环保材料，具有优良的相容性、稳定的化学性能、耐高温、耐酸碱且价格低廉等优点，是较为理想的增强、增韧材料，将其用于改良ASC具有一定的实际价值[10-11]。纤维的阻裂效应可以提高混凝土的整体性，但掺量较大时纤维会在混凝土中出现“抱团”，且纤维-水泥基界面区成为混凝土破坏的薄弱层。因此，纤维对混凝土性能的改善存在合理掺量。董伟[12]等配制BF掺量为0，1.0，1.5，2.0，2.5 kg/m3的ASC(风积沙掺量为20%)，研究了5组混凝土的抗冲击性能，并通过扫描电镜分析了纤维阻裂增韧机理，结果表明：BF掺量为1.0～1.5 kg/m3时，纤维与水泥基之间的锚固作用可以较大幅度地提高ASC的抗冲击性能。朱涵[13-14]等对同一直径下长6 mm和18 mm 的两种BF在不同体积掺量下(0，1%，2%)进行低温环境下的抗冲击试验。结果表明：BF可以有效提高混凝土在低温环境下的抗冲击次数；相同BF体积掺量和失效概率条件下，18 mm长纤维较6 mm短纤维对混凝土的抗冲击性能改善作用更加明显。付敏[15]运用Weibull分布模型对钢纤维再生混凝土落锤冲击试验的冲击寿命进行统计分析，结果表明：在不同失效概率下，冲击寿命估计值与试验所得结果增长趋势基本保持一致。

综上，合理掺量的纤维对混凝土抗冲击性能的提升有显著效果。BF对混凝土抗冲击性能改善作用多集中于定性研究，针对玄武岩纤维混凝土的抗冲击寿命和失效概率规律的研究报道较少，且纤维阻裂增韧机理报道甚少，缺乏相应的理论指导。本研究对不同BF体积掺量下的ASC进行抗冲击试验，研究BF对ASC的初裂和终裂冲击次数以及冲击性能的变化规律，并采用Weibull分布模型对各组混凝土的冲击次数进行拟合，得出不同失效概率规律及不同玄武岩纤维掺量下ASC的抗冲击寿命。

1 试验

1.1 试验原材料

水泥：某品牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥，各项性能指标均符合《通用硅酸盐水泥》(GB175—2007)规范要求。粉煤灰：II级粉煤灰。河砂：Ⅱ区中砂，颗粒级配良好；风积沙：库布齐沙漠，主要颗粒粒径0.075～0.25 mm；碎石：5～25 mm连续级配。骨料物理性能见表1。外加剂：萘系高效减水剂，减水率24%。水：自来水。玄武岩纤维：短切BF，性能指标见表2。

表1 骨料物理性能指标

表2 玄武岩纤维性能参数

1.2 试验配合比

已有文献研究表明风积沙等质量取代普通河砂取代率为20%时，可以优化混凝土内部孔隙结构，对混凝土的各项力学性能有促进作用[4]。本试验以20%的风积沙等质量取代普通河砂，在此基础上将BF分别以0，0.05%，0.1%，0.15%和0.2%的体积掺入ASC中。经试配确定外加剂为胶凝材料的2%，水胶比为0.45，砂率为40%。混凝土配合比和基本性能见表3。

表3 混凝土配合比及基本性能

1.3 试验设计

混凝土抗冲击试验参照美国混凝土协会(ACI544)推荐的混凝土落锤冲击试验方法并结合环境条件采用自制落锤冲击装置进行，见图1。将混凝土拌和物制备成100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件，并在试件正中间对立面位置粘贴应变片，便于数据采集。落锤采用1.5 kg的实心钢球，自由下落高度为300 mm，为了防止冲击过程中荷载过于集中，在试件顶面中间放置一块钢垫板。以落锤开始至落锤冲击铁板后静止计1次冲击次数，当试件下部的应变片数值发生突变，试件出现第1条可视裂缝，此时为混凝土初裂冲击次数并记录N1；当试件断裂或者裂缝上下贯穿时结束试验，并记录终裂次数N2。混凝土试件初裂和终裂冲击耗能可由公式(1)计算，同时将混凝土材料在冲荷载下遭受破坏时所吸收能量的能力表示为韧性，可由延性比μ和韧性系数C作为评价混凝土试件韧性的指标[16-17]，见式(2)和式(3)。

图1 混凝土落锤抗弯冲击试验

W=Nmgh，

(1)

μ=(N2-N1)/N1，

(2)

C=Wi/W0，

(3)

式中，W为冲击功；N为冲击次数；m为落锤质量；h为落锤自由下落高度；g为自由落体加速度，取9.8 N/kg；Wi为掺玄武岩纤维风积沙混凝土破坏时的冲击功；W0为A0组混凝土破坏时的冲击功。

2 结果与讨论

2.1 玄武岩纤维风积沙混凝土抗冲击性能试验结果

图2和图3分别为玄武岩纤维风积沙混凝土抗冲击次数和冲击韧性指标。由图2可知：基准组A0(不掺入纤维)的初裂和终裂次数基本相等，表明试件的初裂和终裂几乎同时发生，反映了普通混凝土明显的脆性破坏特征。掺入BF后，玄武岩纤维风积沙混凝土试件抗冲击次数明显增加，并随纤维掺量的增加呈先增大后减少的变化规律，且终裂冲击次数N2与初裂冲击次数N1的差值也有所增加。由此表明掺入BF可以显著提高ASC的延性和韧性。A10组混凝土(BF体积掺量为0.1%)抗冲击次数达到最大，初裂次数N1与终裂次数N2较A0组混凝土分别提高了0.93倍和1.75倍。由图3可知：随着BF掺量的增加，试件延性比μ和韧性系数C与抗冲击性次数的变化规律一致。当BF体积掺量为0.1%时，玄武岩纤维风积沙混凝土试件延性比μ和韧性系数C达到最大，其值分别为基准组A0的4.41倍和2.75倍。当BF掺量大于0.1%时，试件的冲击性能和冲击韧性指标均有所下降，这是由于BF比表面积较大，水泥砂浆相对不足，无法更好地包裹纤维，致使纤维与基体界面黏结强度降低，从而使混凝土内部产生大量微裂缝，试件吸收冲击能减少，冲击韧性指标下降。

图2 玄武岩纤维风积沙混凝土抗冲击次数

图3 玄武岩纤维风积沙混凝土韧性指标

2.2 玄武岩纤维风积沙混凝土抗冲击性能微观分析

采用扫描电镜对冲击破坏后的A10组混凝土微观形貌进行分析。由图4可观察到纤维较好地分散在混凝土基体中，呈现空间乱向分布。当受到外界荷载冲击时，纤维的“微加筋”作用将冲击功传输给周围的混凝土结构，骨料和水泥基体共同消耗冲击能，同时三维乱向分布的纤维改变了裂缝的走向，避免应力集中。由图4可见纤维与基体界面区连接不再紧密，甚至出现了纤维被拔出现象，且界面区结合处孔洞增大，有部分水泥石脱落。当混凝土发生初裂后，纤维在混凝土基体两端形成桥接，约束了裂缝的继续扩展，提高了混凝土延性。随着荷载的不断进行，冲击能不断累积，最终在混凝土基体最薄弱处释放，导致新裂缝产生，纤维间距增大，桥接作用减弱，微裂缝扩展形成宏观裂缝。由此可知，玄武岩纤维对ASC的增强、增韧主要是依靠纤维与水泥基体之间的摩擦力和机械咬合力实现，破坏主要发生在纤维被拔出及纤维与水泥石界面区水化产物的脱落。

图4 玄武岩纤维风积沙混凝土微观形貌

2.3 玄武岩纤维风积沙混凝土冲击次数分布特征

混凝土材料本身存在多相性和不均匀性，内部存在许多不规则微裂缝和微孔隙，在同一冲击荷载作用下，试验数据仍存在很大的随机性[18]。因此，只有明确混凝土冲击次数的概率分布，才能更为准确地预测混凝土抗冲击性能分布规律及寿命。混凝土冲击破坏与弯曲疲劳破坏具有一定的相似性[19]，因此，本试验参考文献[20]中Weibull分布对疲劳的描述，对冲击次数采用双参数Weibull分布理论分析。

假设混凝土抗冲击次数N服从Weibull分布，Weibull分布的概率密度函数可表示为：

(N0≦N≦∞)

(4)

式中，N0为最小抗冲击寿命；Na为尺度参数；b为形状参数。

取混凝土材料最小抗冲击次数N0=0，式(4)可简化为双参数Weibull分布：

(N0≦N≦∞)

(5)

依据可靠度分析，混凝土冲击寿命N的累积失效规律可用函数表示为：

(6)

对两边进行恒等变形且取对数可得：

(7)

令Y=ln{ln[1/R(N)]}，X=ln(N)，C=-bln(Na)

则：

Y=bX+c。

(8)

将每1组的6个混凝土试件的抗冲击次数N1和N2按照从小到大的顺序依次排列，记下秩序数i。则对应的生存概率R(N)可以表示为：

(9)

根据式(6)～(8)，对各组混凝土的初裂和终裂冲击次数N1与N2进行Weibull分布拟合，拟合结果见表4，图5为各组混凝土冲击次数的Weibull分布拟合图。

由表4可知，采用Weibull分布线性回归拟合后，相关系数R2的最小值为0.827，最大值为0.968。由图5可以发现，各组混凝土试件冲击破坏次数N1和N2的各试验数据点基本分布在1条直线上，说明Weibull分布可以描述玄武岩纤维风积沙混凝土抗冲击次数的分布规律。

表4 混凝土抗冲击次数的Weibull分布线性回归分析结果

图5 各组混凝土冲击次数的Weibull分布拟合

2.4 不同失效规律下玄武岩纤维风积沙混凝土冲击寿命评估

根据式(6)～(8)对不同玄武岩纤维体积掺量下的风积沙混凝土建立抗冲击次数N和不同失效概率P之间的关系，如下：

(10)

式中b和bln(Na)为Weibull分布回归参数，可由表4中获得。根据式(10)可以求出不同失效概率下玄武岩纤维风积沙混凝土的初裂次数N1和终裂次数N2。本试验选取3种失效概率0.1，0.2，0.3进行寿命评估，建立各组混凝土试件不同失效概率下的lnN-VX(VX为玄武岩纤维掺量)曲线关系，如图6所示。

图6 不同失效概率下混凝土抗冲击次数与玄武岩纤维体积掺量关系

由图6可知，不同失效概率下，混凝土的抗冲击次数随着玄武岩纤维体积掺量的增加呈先增大后减少的趋势，且当纤维体积掺量为0.1%时，抗冲击次数最大。这说明玄武岩纤维可以有效提高风积沙混凝土的抗冲击寿命。

3 结论

(1)玄武岩纤维可以有效提高风积沙混凝土的抗冲击性能，纤维体积掺量为0.1%时，混凝土的抗冲击性能和韧性指标均达到最大，其终裂冲击次数、延性比和韧性系数分别为普通风积沙混凝土的1.75倍，4.41倍和2.75倍。

(2)采用Weibull双参数分布模型对混凝土抗冲击次数进行数理统计分析，结果表明玄武岩纤维风积沙混凝土冲击次数N1和N2试验数据点基本分布在1条直线上，试验数据拟合相关性较好。

(3)玄武岩纤维风积沙混凝土抗冲击次数随着失效概率的增加而增大，随纤维掺量的增加呈先增大后减小的变化规律。玄武岩纤维体积掺量为0.1%时，抗冲击次数最大，抗冲击性能最优。