CN117263605A - 一种以c50等级素混凝土为基础的抗压bfrc试样制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种以C50等级素混凝土为基础的抗压BFRC试样制备方法。所使用的原料包括水泥、粗/细骨料、粉煤灰、减水剂、水和BF等。水泥采用C50等级的复合硅酸盐水泥。粗/细骨料分别采用石灰岩碎石和普通河砂。粉煤灰采用普通三级粉煤灰。减水剂采用聚羧酸高性能减水剂。BF采用直径为15μm的玄武岩纤维。根据配合比表，制备BFRC试样时，按照一定比例混合水泥、粗/细骨料、粉煤灰、减水剂和水。制作过程中避免使用湿拌方式，先放入骨料，再加入BF、粉煤灰和水泥，最后加入水和减水剂。混凝土搅拌后进行振捣，脱模后养护28天。本发明提供了一种以C50等级素混凝土为基础的抗压BFRC试样制备方法，具有简单可行、原料性能指标明确、配合比合理等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种以C50等级素混凝土为基础的抗压BFRC(纤维增强混凝土)试样制备方法，特别涉及一种通过调整纤维掺杂量来最大限度发挥BFRC的性能的方法。
背景技术
混凝土是脆性材料，其韧性有待提高。随着使用时间的增加，混凝土的缺陷日益突出，在建筑施工应用时有时难以满足实际要求。为满足工程建设对混凝土的实际要求，对其性能进行改良有重要意义。在混凝土中加入纤维、聚合物改善其力学性能是可行方法之一，增强材料由最初的石棉发展至各种纤维，掺入聚合物会影响水泥、纤维、骨料等基体间的粘结强度，提高其性能。纤维的分布、固有属性、含量、掺入方式及与基体组分间的作用等均会对增强作用产生影响。随着未知领域的技术不断被探索，越来越多的纤维被应用于混凝土中，如：PFRC、GFRC、CFRC、SFRC、混杂纤维混凝土等。康学伟(康学伟.玻璃纤维混凝土在修复桥面裂缝中的应用[J].交通世界,2017(27):78-79)对张承高速中2#大桥桥面进行GFRC铺装改进，将其外观质量的合格率由60.7％提高至96.8％。杨金宏等(杨金宏,赵光思,曹东岳.新型CFRC压敏特性与工程应用[J].建井技术,2020,41(05):24-29.)的研究结果表明，CFRC的压敏特性能够较为准确地感应压力变化，可广泛应用于矿井安全监测和智能化建设。王凯(王凯.钢纤维混凝土在桥面铺装层中的应用[J].交通世界(建养.机械),2011(07):238-239)利用SFRC改造保阜高速北流河大桥桥面，使用一年多后桥面仍保持完好。然而在实际工程中，各种纤维都有其缺点。玻璃纤维的耐碱性较差；碳纤维价格非常昂贵，不利于控制生产成本；钢纤维弹性刚度较高，使得工件结构偏重，导致其加工性能和耐腐蚀性降低；而聚合物纤维表现出低弹性刚度，导致与混凝土基体的粘附效率低下。基于多种原因，人们正逐渐寻求性能稳定且价格低廉的纤维替代品。
玄武岩纤维(BasaltFiber，简称BF)性能优异，如：弹性模量高、耐久性长、高耐酸和耐溶剂性、耐高温、低吸水率、显著的隔热及隔音性能、无毒、无污染、易加工、价格低，逐渐成为纤维复合材料的研究热点之一。BF产品已经在汽车和航空业、摩擦材料、建筑行业、造船材料、体育设备、隔热材料、增强材料、风力发电***、高温防护等领域得到应用。将BF掺入水泥、骨料等中可制备玄武岩纤维混凝土(Basalt Fiber Reinforced Concrete，简称BFRC)[14]，凭借其化学性质稳定、优异的抗疲劳性、耐腐蚀等在工程应用中有重要价值。
发明内容
一种以C50等级素混凝土为基础的抗压BFRC试样制备方法，所使用的原料包括水泥、粗/细骨料、粉煤灰、减水剂、水和BF等。
其中：
水泥是制备BFRC材料中最关键的因素之一，本发明中素混凝土和BFRC均采用C50等级。该水泥的技术指标如下表1.1所示：
表1.1P.C42.5级复合硅酸盐水泥性能指标。
制备BFRC所需的粗、细骨料占总体积的约75％。粗骨料主要起支撑作用，本发明采用的粒径为5～10mm的石灰岩碎石作为粗骨料。细骨料主要起填充作用，并选择市面常见的普通河砂作为细骨料。粗、细骨料的性能指标分别如表1.2和表1.3所示：
表1.2粗骨料性能指标。
表1.3细骨料性能指标。
粉煤灰与水泥具有相似的组成成分，可以适量替代水泥。本文采用市面常见的普通三级粉煤灰。粉煤灰的性能指标如表1.4所示。
表1.4粉煤灰性能指标。
优选的，本发明使用聚羧酸高性能减水剂，减水率约为28％，水源为实验室普通市政自来水。
优选的，本发明采用直径为15μm的玄武岩纤维，经加工后长度为18mm的短切BF。玄武岩纤维的性能指标如表1.5所示。
表1.5BF的主要性能指标。
进一步的，根据表1.6的内容进行玄武岩纤维混凝土配合比：
表1.6玄武岩纤维混凝土配合比单位：kg/m3。
其中掺入BF的体积分数为0.2％和0.4％，其质量占比不足5‰可忽略不计。C50：素混凝土；18：BF长度(mm)；0.2/0.4：BF体积分数(％)。例如：BF18-0.2表示掺入BF长度18mm、体积分数0.2％的BFRC。
BFRC试样的制作过程按照《纤维混凝土试验方法标准》的要求，鉴于玄武岩纤维遇水后会粘连到一起，难以保证纤维均匀分散，所以本发明中还应避免使用湿拌的方式。在投料时，先放入骨料，充分搅拌后；然后再加入BF、粉煤灰和水泥，充分搅拌60s，其中纤维分多次加入，利用粗骨料间的摩擦力使其更好地均匀分散；最后放入水和减水剂充分搅拌120s后，将混凝土装入模具中置于振动台上振捣，脱模后将其置于养护室中养护28天。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1.强度等级提升：本发明制备的玄武岩纤维混凝土达到了C50强度等级，相比于传统混凝土，具有更高的抗压强度和抗折强度，适用于对强度要求较高的工程项目。
2.纤维增强效果显著：通过掺入玄武岩纤维，混凝土的韧性和抗裂性能得到了大幅提升。纤维在混凝土中起到增强作用，有效抵抗裂缝的扩展，提高了混凝土的耐久性和抗震性能。
3.材料配比优化：本发明根据《普通混凝土配合比设计规程》的标准进行配比，结合实际需求进行略微调整，确保了混凝土材料的合理使用，提高了混凝土的性能稳定性和施工可行性。
4.施工工艺改进：本发明在混凝土的投料和搅拌过程中，采用了逐次加入纤维的方法，利用粗骨料间的摩擦力使纤维更好地均匀分散，避免了纤维团聚的问题。同时，通过振捣和养护等工艺措施，确保了混凝土的均匀性和充分性，提高了施工效率和混凝土的品质。
5.经济环保：本发明采用普通市面常见的材料，如玄武岩纤维、水泥、骨料等，并且配比合理，减少了材料的浪费和成本。此外，通过使用粉煤灰等替代材料，降低了对天然资源的依赖，减少了环境污染。
综上所述，本发明通过优化配比、增强纤维、改进施工工艺等手段，提高了玄武岩纤维混凝土的强度、韧性和耐久性能，具有显著的优点和应用前景。
附图说明
图1为本发明一种以C50等级素混凝土为基础的抗压BFRC(纤维增强混凝土)试样制备方法的流程示意图；
图2为强度试验阶段的单轴加载过程示意图；
图3为不同纤维含量的BFRC破坏形态示意图；
图4为不同纤维含量下的强度对比图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的具体实施方式：
参照图1，一种以C50等级素混凝土为基础的抗压BFRC试样制备方法，所使用的原料包括水泥、粗/细骨料、粉煤灰、减水剂、水和BF等。
其中：
水泥是制备BFRC材料中最关键的因素之一，本发明中素混凝土和BFRC均采用C50等级。该水泥的技术指标如下表1.1所示：
表1.1P.C42.5级复合硅酸盐水泥性能指标。
制备BFRC所需的粗、细骨料占总体积的约75％。粗骨料主要起支撑作用，本发明采用的粒径为5～10mm的石灰岩碎石作为粗骨料。细骨料主要起填充作用，并选择市面常见的普通河砂作为细骨料。粗、细骨料的性能指标分别如表1.2和表1.3所示：
表1.2粗骨料性能指标。
表1.3细骨料性能指标。
粉煤灰与水泥具有相似的组成成分，可以适量替代水泥。本文采用市面常见的普通三级粉煤灰。粉煤灰的性能指标如表1.4所示。
表1.4粉煤灰性能指标。
优选的，本发明使用聚羧酸高性能减水剂，减水率约为28％，水源为实验室普通市政自来水。优选的，本发明采用直径为15μm的玄武岩纤维，经加工后长度为18mm的短切BF。玄武岩纤维的性能指标如表1.5所示。
表1.5BF的主要性能指标。
进一步的，根据表1.6的内容进行玄武岩纤维混凝土配合比：
表1.6玄武岩纤维混凝土配合比单位：kg/m3。
其中掺入BF的体积分数为0.2％和0.4％，其质量占比不足5‰可忽略不计。C50：素混凝土；18：BF长度(mm)；0.2/0.4：BF体积分数(％)。例如：BF18-0.2表示掺入BF长度18mm、体积分数0.2％的BFRC。
BFRC试样的制作过程按照《纤维混凝土试验方法标准》的要求，鉴于玄武岩纤维遇水后会粘连到一起，难以保证纤维均匀分散，所以本发明中还应避免使用湿拌的方式。在投料时，先放入骨料，充分搅拌后；然后再加入BF、粉煤灰和水泥，充分搅拌60s，其中纤维分多次加入，利用粗骨料间的摩擦力使其更好地均匀分散；最后放入水和减水剂充分搅拌120s后，将混凝土装入模具中置于振动台上振捣，脱模后将其置于养护室中养护28天。
经过上述步骤生产出BFRC试样后，我们对其进行强度验证，
参照附图2，试验过程中采用某公司生产的MTS816 Rock Test System试验机，单轴加载时其轴向最大可施加1800kN的力，精度为0.00001kN，足以满足本试验的要求。试验前先测量其两个相互垂直的直径d1、d2，然后测量其对应的高度。将试验机垫块处的碎屑擦拭掉以保持上下端面光滑，为保证试样均匀受力，需将试样放入上下端面的中心位置，后加上力传感器(Axial Force)。试样放置完成后开始编辑程序，可通过位移或力的加载方式施加轴力，鉴于通过力加载在试样破坏后的不确定性因素会对试验机带来不可逆损伤，故通过位移加载的方式施加轴力，位移加载速率0.001mm/s，试样破坏后当轴力降至峰值的50％时程序自动停止，采样数据自动保存为origin文件。试验开始后应仔细观察各个参数的变化及载荷——位移曲线，BFRC试样达到屈服阶段时，应集中注意力做好随时手动停止的准备，防止被试样剧烈破坏后崩出的碎屑伤到。单轴加载过程如附图2所示：
其中：圆柱体的抗压强度fcu通过式(2-1)计算：
其中：fcu——BFRC试样的抗压强度(MPa)；
F——BFRC试样破坏时的峰值载荷(N)；
d1、d2——BFRC试样垂直方向的直径(mm)；
每种纤维含量的BFRC试样的抗压试验至少应开展三次，取其平均值作为该试样的抗压强度。
参照图3，不同纤维含量的BFRC破坏形态如附图3所示，C50素混凝土试样破坏后存在贯穿的主裂纹及多条纵向副裂纹，表现为张拉破坏形式。可能是在单轴加载过程中，轴向载荷不断增加，混凝土试样所承受的应力也不断增加，由于泊松效所应产生的横向拉应力超过其本身的抗拉强度，导致轴向裂纹的产生，宏观上表现出试样环向膨胀和轴向压缩，由于混凝土试样两端受到压头和垫块摩擦力的作用使得端面附近处裂纹较少。加载过程中在试样中下位置先产生裂纹，在进入屈服阶段后裂纹随轴力的增加进入快速发展期，试样破坏时发出“砰”的低沉声。掺入纤维后，BFRC试样破坏过程持续时间有所增加，竖向裂缝随纤维体积分数的提高呈增加的趋势，裂纹附近的碎片呈片状脱落。
根据式(2-1)计算出BFRC试样的抗压强度如表2.7所示，C50素混凝土的抗压强度平均值大于设计值50MPa。实验结果表明BF的掺入会对混凝土强度产生影响，其强度值较素混凝土的变化(约5％～26％)均在合理范围内，可充分体现玄武岩纤维的增强作用。
表2.7BFRC单轴抗压试验结果
参照附图4，根据表2.7可知本发明所制作C50素混凝土的单轴抗压强度约为53.1MPa，掺入一定的BF可提高混凝土的抗压强度。如附图4所示：当玄武岩纤维长度一定时，较C50素混凝土相比，纤维体积分数为0.2％的BFRC抗压强度平均提高了24.67％左右，而体积分数为0.4％的BFRC抗压强度平均提高了约7.34％。实验结果表明：纤维体积分数较低(0.2％)的BFRC表现出更好的增强效果。
综上所述，在混凝土中加入BF后，分布较均匀的BF在内部孔洞起填充作用，能够提高其密实性。当BFRC试样受到外界载荷作用时，交错分布的BF与水泥浆之间能够形成有效的黏结，可有效抑制裂缝的产生。但当BF含量偏高时，搅拌过程中纤维分散不均匀容易积聚成团或部分纤维被折断，未被水泥浆包裹的BF在载荷的作用下容易被拔出，积聚的成团的BF也会脱落，造成内部孔洞的增加，导致增强效果反而下降。
Claims (7)
1.一种以C50等级素混凝土为基础的抗压BFRC试样制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.准备水泥；
b.准备粗骨料和细骨料，其中粗骨料采用粒径为5～10mm的石灰岩碎石，细骨料采用普通河砂；
c.准备粉煤灰，采用普通三级粉煤灰；
d.选择聚羧酸高性能减水剂，减水率约为28％，水源为实验室普通市政自来水；
e.选择直径为15μm的玄武岩纤维，经加工后长度为18mm的短切BF；
f.按照以下顺序进行投料和混合：先放入粗骨料，充分搅拌；然后加入玄武岩纤维、粉煤灰和水泥，充分搅拌使纤维均匀分散；最后加入水和减水剂，充分搅拌；
g.将混凝土装入模具中置于振动台上振捣，脱模后放入养护室中养护28天。
2.根据权利要求1所述的一种以C50等级素混凝土为基础的抗压BFRC试样制备方法，其特征在于：水泥的技术指标包括初凝时间不超过45分钟，终凝时间不低于600分钟，3天抗压强度不低于10.0MPa，28天抗压强度不低于32.5MPa，3天抗折强度不低于2.5MPa，28天抗折强度不低于5.5MPa。
3.根据权利要求1所述的一种以C50等级素混凝土为基础的抗压BFRC试样制备方法，其特征在于：其中粗骨料的性能指标包括堆积密度为1378kg/m3，压碎值为15％，吸水率为0.05％，质量损失为3.6％，硫化物和硫酸盐含量为0.31％，含泥量为0.35％，泥块含量为0.25％，含针片状杂质不超过8％。
4.根据权利要求1所述的一种以C50等级素混凝土为基础的抗压BFRC试样制备方法，其特征在于：其中细骨料的性能指标包括表观密度为2680kg/m3，堆积密度为1480kg/m3，紧密密度为1530kg/m3，泥块泥量不超过0.8％，细度模数为2.8，级配区为Ⅱ区。
5.根据权利要求1所述的一种以C50等级素混凝土为基础的抗压BFRC试样制备方法，其特征在于：其中粉煤灰的性能指标包括含水量不超过1.0％，需水量比不超过115％，细度不超过45％，烧失量不超过10.0％，密度为2.4g/cm3。
6.根据权利要求1所述的一种以C50等级素混凝土为基础的抗压BFRC试样制备方法，其特征在于：其中玄武岩纤维的性能指标包括密度为2.65g/cm3，使用温度范围为-269～650℃，粘结温度为1050℃，弹性模量为91～110GPa，拉伸强度为3000～4800MPa，断裂延伸率为3.14％。
7.根据权利要求1所述的一种以C50等级素混凝土为基础的抗压BFRC试样制备方法，其特征在于：其中混凝土制作过程中避免使用湿拌方式，先放入骨料，充分搅拌后加入纤维、粉煤灰和水泥，再加入水和减水剂充分搅拌，最后进行振捣、脱模和养护。
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