2.7 玄武岩纤维水工混凝土的轴心抗拉强度
2.7.1 混凝土轴心抗拉强度试验
2.7.1.1 原材料与配合比
与上述玄武岩纤维混凝土抗剪强度试验的混凝土原材料与配合比相同,即0.50和0.60两种水灰比,玄武岩纤维掺量为其水泥体积比分别为0%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9%等六种体积掺量,长度为10mm和20mm的两种短切成品玄武岩纤维[86]。
2.7.1.2 试模选择
《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2006)中所述混凝土轴心抗拉强度试验的四种试模,如图2.14所示。
图2.14 混凝土轴向拉伸试件与埋件(单位:mm)
图2.14中的试模(a)和(c),由于试件的中间部位截面均变小,呈变截面的三维形状,因此对模具要求很高,并且混凝土浇筑成型的难度也很大。图2.14(a)的拉环和图2.14(b)的预埋拉杆在试验时,对中要求非常精确,在经过浇筑和振捣后,很难保证完全在同一轴线上的要求。图2.14(d)类试件制作相对方便,对中环节也可以在粘贴拉板时调整,可行性较好;但是通过试做的试验发现,此类试件在破坏时,很容易发生在混凝土与拉板处的受力影响区,对结果影响较大。试做的试验及试件破坏如图2.15所示。
图2.15 图2.14(d)类试件的破坏形式
文献[90]在已有的轴向拉伸试验装置[91]基础上,对混凝土轴向拉伸试验装置进行了改进:将装置两端各150mm长度设计成截面渐变区(由端部宽度的170mm值渐变为100mm),并在此区域中配置了不同长度的8根细螺杆,以防止试件在受拉时,在渐变区(受力影响区)内断裂。由此设计出的装置和试模既方便又合理(见图2.16),经试验证明,效果比较好,因此本节的混凝土轴向拉伸试验采用该装置进行。
图2.16 混凝土轴向拉伸试验所用试模、试件与试验破坏部位
2.7.1.3 试验方法与试验结果的处理
试验参照《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2006)的方法,试件尺寸170mm×100mm×600mm,最小截面处(中间段)的面积为100mm×100mm,变截面长度150mm。按《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2006)要求,一次成型4个试件,养护与普通混凝土条件一致。
以万能试验机测试轴心抗拉强度,拉伸时的荷载速度应控制在0.4MPa/min。试验结束时,记录破坏荷载与断裂位置。根据试验测得的数据,按照《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2006)计算公式计算轴向抗拉强度值。
2.7.2 混凝土轴心抗拉强度试验结果与分析
2.7.2.1 轴心抗拉强度试验结果
拉伸试验结束后,以计算所得混凝土4个试件的轴心抗拉强度值的算术平均数作为该组的结果,列于表2.31中(其中A0,B0为对比组)。
表2.31 混凝土的轴心抗拉强度 单位:MPa
上述试验混凝土的轴心抗拉强度与玄武岩纤维的体积掺量之间关系见图2.17。
图2.17 玄武岩纤维混凝土轴心抗拉强度与其掺量的关系
由图2.17可知,掺入玄武岩纤维使混凝土的轴心抗拉性能有较显著的提高,与相应的对比组混凝土相比,玄武岩纤维混凝土的轴心抗拉强度值提高的最大幅度为65.7%。
2.7.2.2 纤维掺量对混凝土轴心抗拉性能的影响
试验混凝土轴心抗拉强度值与玄武岩纤维体积掺量变化如图2.18和图2.19所示。
图2.18 长度10mm玄武岩纤维混凝土轴心抗拉强度与掺量
在图2.18和图2.19中,玄武岩纤维体积掺量从0～0.9%,0.50水灰比混凝土的轴心抗拉强度值在对比组混凝土的基础上,分别增加了28.9%、25.0%、39.2%、45.1%和43.6%,以及16.6%、33.3%、47.1%、65.7%和62.3%;0.60水灰比的玄武岩纤维混凝土的轴心抗拉强度也有类似规律。因此,在1%体积掺量以内,玄武岩纤维混凝土的轴心抗拉强度随着纤维掺量的增加逐步增大。
图2.19 长度20mm玄武岩纤维混凝土轴心抗拉强度与掺量
玄武岩纤维体积掺量与单丝长径比对玄武岩纤维混凝土抗压、劈拉、抗折强度以及抗断裂性能的影响研究结果也表明,在混凝土中掺加均匀的短切玄武岩纤维,混凝土的强度和抗断裂性能等都得到了明显改善[54],上述试验结果与已有结论是一致的。
2.7.2.3 纤维长度对混凝土轴心抗拉性能的影响
根据上述试验结果,水灰比0.50混凝土的轴心抗拉强度与纤维长度之间的关系见图2.20;水灰比0.50混凝土的轴心抗拉强度与纤维长度之间的关系见图2.21。
图2.20 水灰比0.50混凝土的轴心抗拉强度
图2.21 水灰比0.60混凝土的轴心抗拉强度
在图2.20中,纤维长度20mm混凝土的轴心抗拉强度的增强趋势比长度为10mm的要大些,但在图2.21中,则是掺加10mm长度的增强效果更好些。因此,混凝土中掺入不同长度的玄武岩纤维,都能提高其抗拉能力,但是纤维长度的变化对混凝土的抗拉性能的规律并不明显,原因可能是纤维在混凝土中的相对不均匀性,导致试验结果有一定的离散性。
2.7.2.4 水灰比对纤维混凝土轴心抗拉强度的影响
根据上述试验,分别计算各组玄武岩纤维混凝土与对比组混凝土的抗拉强度增加效果(与对比组的轴心抗拉强度值相比),结果见表2.32。
表2.32 混凝土的轴心抗拉强度增强效果
上述结果说明,当混凝土中纤维长度及掺量不变时,混凝土的轴心抗拉强度随水灰比增大而减小。水灰比0.50的混凝土轴心抗拉强度均比水灰比0.60的大,混凝土轴心抗拉强度的增加效果也随着混凝土水灰比的减小而增大。另外,水灰比对玄武岩纤维混凝土的轴心抗拉强度影响较大。水灰比从0.60降低为0.50时,其与对比组混凝土的轴心抗拉强度值相比,增加的最大值从1.42倍提高到了1.66倍。因此,较低水灰比混凝土中掺加玄武岩纤维,可以更加有效地提高其轴心抗拉强度。
2.7.2.5 混凝土轴心抗拉强度与轴心抗压强度的关系
为分析比较玄武岩纤维混凝土的轴心抗拉与轴心抗压性能之间的关系,在轴心抗拉强度试验时,每组试验混凝土均同时增加了3块150mm×150mm×150mm立方体标准试块,用于测定混凝土的28d轴心抗压强度值。
每组试验混凝土的轴心抗拉强度和28d轴心抗压强度见表2.33。
表2.33 混凝土的轴心抗拉强度和抗压强度 单位:MPa
表2.33的结果说明,混凝土的轴心抗压、抗拉强度总体上都随着纤维的体积掺量增加而增大,部分抗压强度值存在离散性;混凝土轴心抗压强度值越大,其相应的抗拉强度也增加。试验玄武岩纤维混凝土的轴心抗拉强度是其抗压强度的5.02%～7.13%(即混凝土的轴心抗拉强度是抗压强度的1/14～1/20),这与已有的研究结论一致(混凝土的轴抗拉强度是轴抗压强度的1/10～1/20[92-93])。