纤维长度和体积对玄武岩纤维增强钢筋混凝土材料性能和抗裂性能的影响外文翻译资料

 2022-08-27 10:16:28

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纤维长度和体积对玄武岩纤维增强钢筋混凝土材料性能和抗裂性能的影响

Xinzhong Wang,1 Jun He , 2,3 Ayman S. Mosallam,4 Chuanxi Li,2 and Haohui Xin 5

1 湖南城市学院土木工程学院，湖南城市学院，中国益阳

2 长沙科技大学土木工程学院，中国长沙

3 英国爱丁堡赫瑞瓦特大学基础设施与环境研究所

4 加州大学欧文分校土木 与环境工程系，美国加州大学

5 荷兰代尔夫特代尔夫特大学土木工程与地球科学系，代尔夫特大学技术学院，荷兰代尔夫特

玄武岩纤维混凝土(BFRC)以其优异的物理力学性能和较低的生产成本，在建筑、大型工业楼板、高速公路等各种建筑中得到了广泛 的应用。为了研究纤维体积分数(0.05ー0.40%)、纤维长度(12ー36mm)、混凝土抗压强度(30、40 和 50mpa)等基本参数对 BFRC 物 理力学性能(抗压强度、抗拉抗弯强度、工作性能和抗干缩断裂模数)的影响，进行了一系列标准材料试验。实验结果表明，纤维聚集 可能发生在相对较高的纤维体积分数，导致混合和铸造问题。基于 BFRC 的力学性能和抗干缩开裂性能的实验值，确定了合理的玄 武岩纤维长度和纤维体积分数。添加少量玄武岩短纤维可显著提高 BFRC 的抗压强度和抗折强度，纤维长度和含量分别为 12.0 mm 和 0.10% ー0.15% 。随着玄武岩纤维长度的增加，早期收缩裂纹的发展先减小后缓慢增大，最佳纤维长度为 18.0 mm。研究结果还 表明，随着纤维体积分数的增加，早期收缩裂纹减少，当体积分数为 0.20% 时，无裂纹产生。本研究的所有结果可为 BFRC 的材料 配比设计提供参考。

  1. 简介

混凝土作为一种传统的、广泛使用的建筑材料，具有经济性、耐 久性、构件可用性、使用环境性能好、抗压强度高等优点。然而， 普通混凝土(PC)是一种脆性材料，拉伸性能差，延性低。因 此，素混凝土在拉伸应力下易于开裂。当纤维掺入混凝土时，随 机分布的纤维能够弥合这些裂缝并阻止其发展，因此，纤维的加 入可以提高普通混凝土的力学性能，如流变性、抗拉强度、弯曲强度、疲劳和耐磨性、冲击性， 以及延性、能量吸收、韧性和断裂模数。

不同类型的纤维，如石棉、纤维素、钢、碳、玄武岩、 芳纶、聚丙烯和玻璃，已被用于加固水泥制品，以及在土木工程、基础结构和军事应用中加固混凝土和钢 结构，因为它们具有高强度重量比、良好的疲劳性能和优 异的耐久性能。

尽管存在各种纤维增强材料，但钢纤维是纤维增强混凝土 (FRC)在结构应用中最常用的类型之一。然而钢筋纤维混凝土(SFRC)强重比低，耐腐蚀性能差，高掺量时纤维球化。玻璃纤维是一个不错的选择。玻璃纤维增强钢筋混凝土(GFRC)已被广泛用于生产薄而轻的结构元件。但是GFRC在混凝土的碱性环境中可能很容易降解。虽然碳纤维在化学上是惰性的并且更加坚硬，但是它的成本对于一般的工程应用来说太高了。就像聚合物纤维这样的合成纤维而言，它们的低弹性模量、低熔点以及与无机基质的界面结合差限制了它们的应用。

玄武岩纤维(BF)是从熔融的玄武岩岩石中挤压出来的，具有环境友善和无害的性质，目前可在商业上获得。具有更BFS好的拉伸强度，但比 E-glass 纤维便宜。此外，与碳纤维相比，BFS具有良好的抗化学攻击，冲击负荷和火灾，以及更大的失效应变。与聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维等合成纤维相比，BFS具有更高的弹性量。总之，BFS具有优良的物理和机械性能，包括高化学稳定性,不可燃和非爆炸性，耐高温，高强度和耐久性。这些有利的特性使得BFS成为比钢、玻璃、碳纤维或芳纶纤维更好增强普通混凝土力学性能的替代材料。此外，过剩原材料的可用性和玄武岩纤维的低生产成本增大了其作为混凝土增强材料的使用范围。

在过去的十年左右，大多数已发表的与玄武岩纤维增强钢筋混凝土(BFRC)的使用有关的研究主要集中在确定基本的物理力学性能 。Borhan、Zeynep和Mustafa研究了玄武岩纤维的使用对混凝土工作性能的影响，他们的结论是，纤维体积百分比的增加导致坍落度的降低，从而导致混凝土工作性能的降低，这与其他类型的纤维混凝土相同。

考虑到 BFRC 的抗拉强度和抗裂性能，研究了不同玄武岩纤维长度、夹杂物用量和不同类型(分散纤维束和微型钢)对 BFRC 抗裂性能的影响。研究结果表明，玄武岩纤维的长度和纤维用量的增加会导致其抗拉强度的提高，两种类型的玄武岩纤维都会提高预裂强度，但只有微型钢才会提高后裂行为。

在断裂模量和强度方面，玄武岩纤维的加入可以提高断裂强度，特别是当纤维体积分数较大时，也可以提高断裂韧性。

近年来，人们广泛研究了玄武岩纤维对普通混凝土和高强混凝土的静态抗压强度以及对混凝土动态抗压强度的影响。Borhan表明，混凝土的抗压强度随着混凝土抗压强度的增加而增加。将玄武岩纤维的含量提高到 0.3% ，随着纤维体积分数的进一步增加，这种提高作用逐渐减弱。然而，Maetal强调，玄武岩纤维的含量在(0.1-0.3%)和长度的变化不会引起混凝土抗压强度的增加。研究结果还表明，纤维添加量在(0.02-0.1%;0.04-0.4%;0.1-0.3%; 0.1%)对混合料抗压强度和弹性模量的影响不显著。相比之下，Kabay 发现玄武岩纤维(0.07ー0.14%)掺入混凝土后，混凝土抗压强 、度下降。因此，基于多项研究得出的结论，玄武岩纤维对抗压强度的影响尚不清楚。

基于文献综述可以看出，研究玄武岩纤维体积分数和玄武岩纤维长度等基本参数对 BFRC 物理力学性能的影响，以及玄武岩纤维长度与纤维含量之间的定量关系和 BFRC 抗早期收缩开裂性能的研究是有限的。因此，本研究的主要目的是研究玄武岩纤维体积分数和玄武岩纤维长度等基本参数对 BFRC 力学性能的影响，并与普通混凝土进行比较。此外，这项研究旨在确定合理的玄武岩纤维长度和纤维含量，可以显着提高普通混凝土的力学性能。对 BFRC的坍落 度、抗弯强度、抗压强度、劈裂抗拉强度和早期收缩抗裂模数等 基本性能进行了评价和分析。

  1. 材料和样品准备

2.1材料。在这项研究中，普通硅酸盐水泥(po42.5)被用于制造在这项研究中评估的试验样品。表1列出了波特兰水泥的化学成分和一些物理性质。直径5-10毫米和10-25毫米的砾石按2:3的比例混合，破碎值为10.5。混合物中使用的细集料以砂子的形式存在，细度模量为 2.85在所有的混合物中，使用不含任何减水剂的自来水。本文选择了不同长度(l)的短切玄武岩纤维，包括12.0 mm、18.0 mm、24.0 mm、30.0 mm 和 36.0 mm，由郑江GBF玄武岩纤维有限公司提供 。本研究所用的玄武岩纤维直径为17mu;m，密度为 2,650kg/m3，拉伸强度为3000mpa，杨氏模量为90.0GPa。

2.2混合比例和测试样品。为了研究不同纤维体积分数和玄武岩纤维长度对不同设计抗压强度(30.0、40.0 和 50.0 MPa)的普通混凝土(PC)力学性能的影响，设计并评价了几种不同的试验配合比。玄武岩纤维是非金属纤维，当使用高纤维体积分数，它很容易团聚。不同纤维长度(l12.0、18.0、24.0、30.0和36.0 mm)的玄武岩纤维体积分数在0.075% -0.40%之间变化。表列出设计抗压强度分别为30.0、40.0 及 50.0 N/mm2 的 PC 混合比例。

1e 测试矩阵如表 3 所示。对 BFRC 的坍落度(s)、抗压强

度(CS)、抗弯强度(FS)、断裂模数(ST)和抗干缩开裂性能(AC)

进行了 5 组系列的力学性能试验。研究了纤维体积分数(0.05%

ー0.4%)、高炉长度(12ー36mm)、混凝土抗压强度(30、40

和 50mpa)等基本参数对 BFRC 力学性能的影响，并与普通

混凝土(PC30 和 PC40)进行了比较。每个样本类型被分配到

一个与纤维类型、混凝土抗压强度(CS)、纤维长度和纤维体

积分数有关的指定代码，以便鉴定。例如，BF 30-12-0.10，

BF 指的是玄武岩纤维类型，而下一个数值代码(30)表示的是

设计抗压混凝土强度，在这种情况下是 30mpa。1e 后面的

数字 12 是指纤维的长度是 12 毫米，0.10 表示纤维的体积分

数，在这个样品中是 0.10% 。标记为 PC30 和 PC40 的试样

表明，它们是设计 CS 为 30 和 40 MPa 的普通混凝土试样;

因此，它们没有纤维，这些试样用作”对照”或”参考”，用于比

较目的。所有的测试样品都满足相关标准的要求，详细情况

在下一节中描述。

测试矩阵如表3所示。对 BFRC的坍落度(s)、抗压强度(CS)、抗弯强度(FS)、断裂模数(ST)和抗干缩开裂性能(AC) 进行了5组系列的力学性能试验。研究了纤维体积分数(0.05% -0.4%)、BF长度(12-36mm)、混凝土抗压强度(30、40 和 50mpa)等基本参数对 BFRC 力学性能的影响，并与普通混凝土(PC30和PC40)进行了比较。每个样本类型被分配到一个与纤维类型、混凝土抗压强度(CS)、纤维长度和纤维体积分数有关的指定代码，以便鉴定。例如，BF 30-12-0.10， BF指的是玄武岩纤维类型，而下一个数值代码表示的是设计抗压混凝土强度，在这种情况下是 30mpa。后面的数字12是指纤维的长度是12毫米，0.10 表示纤维的体积分数，在这个样品中是 0.10% 。标记为 PC30 和 PC40 的试样表明，它们是设计CS为 30 和40 MPa 的普通混凝土试样; 因此，它们没有纤维，这些试样用作“对照”或参考”，用于比较目的。所有的测试样品都满足相关标准的要求，详细情况在下一节中描述。

3. 实验方案

3.1坍落度测试。为了监测塑料混凝土混合料的工作性，进行了 坍落度试验。根据 ASTM C143标准试验要求，采用基径为100毫米的黄铜锥形模具，在15秒内用25次滴落台确定了混合物的可加工性。对于每个坍落值，两个样本研究结果表明，随着混合工作性的提高，混合料的流动值增大。

3.2 抗压强度测试。按照中国标准(JTG E51-2009)[51]的规定，制作了不同年龄(7天和28天)、侧长 150.0 mm 的标准立方体， 并进行了抗压强度标准试验。制作了两系列试样:（i）纤维长度相同(12 或 24mm)但纤维体积分数不同(0.075% 至 0.40%) 的 BFRC 试样，以确定提高抗压强度的最佳纤维体积; (ii)纤维体积分数相同(0.075% 或 0.10%)但纤维长度不同(12.0 mm 至 36.0 mm)的 BFRC 试样，以确定提高抗压强度的最佳纤维体积分数。所有样品均使用校准的压缩试验机进行测试，最大负载能力为 1000.0kN。所有抗压强度测试采用0.1和0.2kN/s的加载速率。

3.3断裂模数测试。为了确定梁的抗弯强度，制备了尺寸为 150 times; 150 times; 550mm (宽 times; 深 times; 跨)的 28 天龄梁试件，并对试件的断裂模数进行了实验研究。弯曲试验方案采用三点加载的形式， 按照以下标准试验程序: CSA A23.2(CSA 2009) ，ASTM C78(ASTM 2010)，和中国标准(JTG E30-2005) ，以确定每个试样的28天断裂模量(MoR)。此外，两系列试样: (i)纤维长度相同(12 或 24 毫米)但纤维体积分数不同(0.075% 至 0.30%)的 BFRC 试样;（ii）纤维体积分数相同(0.10% 或 0.15%)、纤维长度不同(12.0-36.0 mm)的 BFRC 试样，分别制备出最佳纤维体积分数和纤维长度，以获得最高 MoR 值。

3．4劈裂抗拉强度测试。采用中国标准(JTG E51-2009)推荐的尺寸为 150 times; 150 times; 150mm 的立方体试件，测定了的劈裂拉伸强度。裂解拉伸强度试样(也是两个系列) 的制备和制造与前面描述的抗压强度相同。裂解试验使用校准的压缩试验机进行，加载速率为 0.1 kN/s。利用实验结果，得出以下表达式计算每个样品的分裂拉伸强度: f= 2P/ pi;a2

3．5ꢀ早期抗干缩开裂试验。根据不同纤维长度(12.0 mm -36.0mm)、不同纤维体积分数(0%-0.15%)、不同混凝土强度值(30、40 和 50mpa)，设计、制备了10个试件，并进行了试验，以确定每个 BFRC 的早期抗裂性能。按照中国标准(GBT50082-2009)进行了 1 项测试。在这些测试中使用的标准样品是尺寸为 800mm times; 600mm times; 100mm 的平板。图3显示了成形过程用于制造早期抗干缩的模具裂缝试验标本。

(1)模具成型前，在模具底板上涂上聚氯乙烯薄膜隔离层， 然后将 BFRC 放入模具中。值得注意的是，在这个步骤中平面应该比模具侧稍微高一点。

(2)将模具放置在振动机上，并控制振动时间，以防止振动过大或过小。在振动过程之后，每个试样的表面被压平，以确保聚集体不暴露。

(3)每个样品成型后 1 小时，开始空气干燥过程。 使用电风扇进行空气干燥过程，以确保风速不小于 5 米/秒。在这个过中，风扇应该将空气直接吹向试样表面，风向调 整为与试样表面平行。

(4)采用 1.0 mm 的高精度钢尺，以裂纹两端的直线距离为裂纹长度，测量了成形 24 小时后的 裂纹长度。裂纹宽度用精度为 0.01 mm 的裂纹规测量。

为了准确评价玄武岩纤维掺量对混凝土抗裂性能的影响， 提出了中国标准

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