粗合成纖維活性粉末混凝土抗彎韌性試驗(yàn)

2014-11-28 08:40:13賈方方賀奎安明喆王二坡路振寶

建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2014年3期

賈方方+賀奎+安明喆+王二坡+路振寶

摘要：為研究不同粗合成纖維用量下活性粉末混凝土的抗彎韌性，采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)粗合成纖維用量分別為4.75，9.5，14.25，19 kg·m-3的纖維活性粉末混凝土試件進(jìn)行了研究，同時(shí)與不摻入纖維的素活性粉末混凝土進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：不摻入纖維的素活性粉末混凝土彎拉試件發(fā)生脆性破壞，試件一裂即斷，未得到荷載撓度曲線的下降段；而粗合成纖維摻入后能夠提高活性粉末混凝土的韌性，使彎拉試件轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的延性破壞，荷載撓度曲線都可得到穩(wěn)定的下降段，同時(shí)曲線還出現(xiàn)了二次強(qiáng)化現(xiàn)象，有2個(gè)峰值；隨著粗合成纖維摻量的增加，彎拉試件荷載撓度曲線的下降段愈加平緩，韌性指數(shù)增大；粗合成纖維摻量（體積分?jǐn)?shù)）為1.0%～2.0%時(shí)，剩余強(qiáng)度在抗折強(qiáng)度的85%以上，此時(shí)粗合成纖維對(duì)裂后基體具有較強(qiáng)的阻裂能力，能夠大大提高彎拉試件開裂后的韌性。

關(guān)鍵詞：粗合成纖維；活性粉末混凝土；抗彎韌性；韌性指數(shù)；剩余強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU528.58文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

活性粉末混凝土是一種具有超高強(qiáng)度和高耐久性的新型水泥基復(fù)合材料，制備過程中通過最緊密堆積理論優(yōu)選骨料，同時(shí)摻入大量活性粉末提高基體致密性[1]?；钚苑勰┗炷寥跃哂谢炷恋拇嘈?，且由于膠凝材料較多，容易開裂，因此需要摻入纖維來提高其韌性和抗裂性。目前活性粉末混凝土在配制過程中多通過摻入鋼纖維來達(dá)到增強(qiáng)增韌抗裂的目的[23]，但是鋼纖維自重較大，且有銹蝕的隱患，若施工不當(dāng)造成鋼纖維外露則可能發(fā)生銹蝕進(jìn)而導(dǎo)致基體腐蝕。

粗合成纖維（直徑大于0.1 mm）是一種新型的增強(qiáng)增韌材料[4]，與鋼纖維相比具有輕質(zhì)、耐腐蝕、易分散的特點(diǎn)，同時(shí)能提高混凝土的抗裂性[5]、抗沖擊性[67]、抗彎韌性和抗疲勞性能[89]，在活性粉末混凝土中摻入粗合成纖維可以提高試件的延性[10]?？箯濏g性是反映纖維增韌效果及基體內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。為研究粗合成纖維對(duì)活性粉末混凝土的增韌效果，本文中筆者采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)粗合成纖維活性粉末混凝土進(jìn)行了研究。

1試驗(yàn)方案

1.1原材料及配合比

本次試驗(yàn)中采用的活性粉末混凝土的原材料有：P.O42.5普通硅酸鹽水泥；超細(xì)微硅粉；粒徑為0.625～1 mm的石英砂；減水率為29%的高性能減水劑；粗合成纖維和水。其中粗合成纖維為直徑0.91 mm、長(zhǎng)度38 mm的聚丙烯粗纖維，表面壓痕處理，纖維密度為0.91 kg·m-3，抗拉強(qiáng)度大于450 MPa。粗合成纖維摻量（體積分?jǐn)?shù)，下同）為0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%五種，其用量分別為4.75，9.5，14.25，19 kg·m-3。根據(jù)纖維摻量的不同，試驗(yàn)共分5組，每組3個(gè)試件?；钚苑勰┗炷猎囼?yàn)配合比及試件編組列于表1。

1.2試件制備及養(yǎng)護(hù)

采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試

1.3試驗(yàn)方法

參考《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》（CECS 14：89），采用四點(diǎn)彎曲方式加載，跨度為300 mm，加載點(diǎn)間距為100 mm。試驗(yàn)在300 kN的萬能試驗(yàn)機(jī)上完成，加載速率為0.1 mm·s-1。采用100 kN的荷載傳感器量測(cè)試驗(yàn)荷載，跨中撓度采用2個(gè)量程為30 mm的位移傳感器量測(cè)，所有數(shù)據(jù)由東華測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)采集。2試驗(yàn)過程及分析

2.1試件破壞過程及破壞形態(tài)

所有彎拉試件破壞時(shí)均在其跨中出現(xiàn)1條主裂紋。不摻入粗合成纖維的C0組試件表現(xiàn)出明顯的脆性，在裂縫出現(xiàn)后隨即發(fā)生斷裂，試件斷成兩截，與普通混凝土彎曲破壞形式相同。摻入粗合成纖維試件（C0.5，C1.0，C1.5，C2.0組試件）的破壞形態(tài)如圖1所示。從圖1可以看出，粗合成纖維摻入后彎拉試件的破壞形態(tài)相似，都是在三分點(diǎn)內(nèi)開裂，有1條主裂縫，裂縫處有纖維相連，試件未發(fā)生斷裂，表現(xiàn)出明顯的延性破壞。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在加載過程中，圖1粗合成纖維試件破壞形態(tài)

Fig.1Failure Modes of Synthetic Macrofiber Specimens首先在試件底部出現(xiàn)1條細(xì)而短的裂縫；隨著荷載持續(xù)增加，裂縫逐漸增大，達(dá)到峰值荷載后，荷載開始下降，裂縫繼續(xù)變寬變長(zhǎng)，開始向頂部發(fā)展，撓度也越來越大。試驗(yàn)過程中持續(xù)發(fā)出咯噔的聲音，裂縫長(zhǎng)度逐漸增大，最后貫通整個(gè)試件，直到試驗(yàn)停止時(shí)摻入粗合成纖維的試件都未發(fā)生斷裂，裂縫處有纖維相連。由于裂縫寬度及跨中撓度較大，試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行已無意義，因此在撓度達(dá)到10 mm時(shí)停止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，觀察試件斷面發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)粗合成纖維被拔出而不是被拉斷，基體斷面處可見纖維被拔出的孔洞。

2.2荷載撓度曲線

圖2為根據(jù)實(shí)際量測(cè)得到的荷載及跨中撓度繪制的粗合成纖維摻量為0%～2.0%時(shí)抗彎韌性試驗(yàn)的荷載撓度曲線，其曲線均為每組試件的平均值曲線。從圖2可以看出，除不摻入粗合成纖維的試件（C0組）外，摻入粗合成纖維的試件都得到了荷載撓度曲線的下降段，且曲線都出現(xiàn)了二次強(qiáng)化現(xiàn)象[圖2（b）～（e）]，即荷載在達(dá)到極限值后忽然下降到一定值，隨后又開始上升，達(dá)到二次峰值后緩慢下降，此現(xiàn)象與粗合成纖維普通混凝土相同[11]。分圖2荷載撓度曲線

Fig.2Loaddeflection Curves析其原因是，粗合成纖維長(zhǎng)度及直徑較大，摻入到活性粉末混凝土中單位面積上的纖維數(shù)量較少，但是纖維與基體間緊密結(jié)合。試件出現(xiàn)裂縫后試驗(yàn)機(jī)卸載，荷載下降，當(dāng)裂縫發(fā)展到有纖維處時(shí)，纖維與基體緊密結(jié)合且具有較強(qiáng)的粘結(jié)力，因此將粗合成纖維由基體內(nèi)拔出需要耗費(fèi)很大的能量，荷載增大。隨著荷載繼續(xù)增大，粗合成纖維慢慢被拔出，之后荷載再次緩慢下降，荷載撓度曲線下降段中荷載反復(fù)上升、下降呈現(xiàn)鋸齒狀即為纖維拔出過程。隨著纖維摻量的增加，荷載撓度曲線的二次強(qiáng)化效應(yīng)愈加明顯，同時(shí)曲線下降段更加飽滿，與x軸所圍面積增大，表明試件的抗彎韌性提高。

摻入粗合成纖維后能夠提高活性粉末混凝土試件抗彎韌性的主要原因是，本次試驗(yàn)中采用的粗合成纖維表面進(jìn)行了壓痕處理，纖維與基體間具有很高的粘結(jié)強(qiáng)度。當(dāng)基體發(fā)生裂縫破壞時(shí)，裂縫處的纖維開始承受拉力，并通過與基體間的粘結(jié)力將荷載傳至裂縫兩側(cè)混凝土基體，阻止裂縫的發(fā)展，同時(shí)提高基體的能量吸收能力。纖維拔出過程中需要吸收很大的能量，能量吸收過程與纖維和基體間的粘結(jié)強(qiáng)度有關(guān)，隨著纖維摻量的增加，裂縫處纖維數(shù)量增大，大量纖維的橋聯(lián)作用可有效提高基體的韌性。當(dāng)外部荷載產(chǎn)生的彎拉應(yīng)力大于纖維與基體間的粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，纖維即被拔出。由于粗合成纖維在拔出前會(huì)發(fā)生極大變形，因此即使開裂基體變形值（撓度）很大也不破壞，從而大大提高活性粉末混凝土的斷裂韌性，以此達(dá)到增韌的目的[12]。纖維拔出過程主要體現(xiàn)在荷載撓度曲線的下降段，纖維摻量越大，纖維拔出所需要的能量就越大，相應(yīng)的荷載撓度曲線也越加平緩。3試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》（CECS 14：89）中的公式（1），（2）計(jì)算初裂強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度，即

式中：Pcr，Pmax分別為試件初裂荷載和極限荷載；ffc，cr，ffc，m分別為初裂強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度；L，b，h分別為支座間距、試件截面寬度和試件截面高度。

對(duì)于低彈性模量纖維，剩余強(qiáng)度可真實(shí)地反映纖維混凝土裂后強(qiáng)度的特性[13]，因此，本文中采用美國(guó)ASTM建議的韌性指數(shù)I5，I10，I30及剩余強(qiáng)度分析抗彎韌性，其中剩余強(qiáng)度SAR及相對(duì)剩余強(qiáng)度SIR可按以下公式進(jìn)行計(jì)算

由于粗合成纖維混凝土的韌性較好，撓度為2 mm時(shí)，纖維的增韌作用仍比較明顯，為此鄧宗才等[14]提出在計(jì)算剩余強(qiáng)度時(shí)，采用撓度為2 mm作為結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，剩余強(qiáng)度可采用下式計(jì)算

從圖2還可以看出，粗合成纖維摻入后活性粉末混凝土彎拉試件的荷載撓度曲線有2個(gè)峰值，同時(shí)曲線的下降段斜率較小，即荷載達(dá)到最大值后，隨著撓度的增加，荷載降低幅度較小。剩余強(qiáng)度主要考察試件開裂后特征，若在撓度較大的情況下，荷載降低較小，說明纖維對(duì)裂縫出現(xiàn)后增韌效果越明顯。為此，本文中采用公式（3），（5）兩種方法計(jì)算剩余強(qiáng)度，從而更好地反映粗合成纖維的增韌效果。

根據(jù)公式（1）～（5）及荷載撓度曲線積分，計(jì)算得到粗合成纖維摻量為0%～2.0%時(shí)活性粉末混凝土抗彎韌性結(jié)果見表2。

從表2可以看出：

（1）粗合成纖維的摻入對(duì)活性粉末混凝土初裂強(qiáng)度無明顯影響，粗合成纖維摻量在0%～2.0%之間變化時(shí)，初裂強(qiáng)度都集中在8.6 MPa左右。粗合成纖維摻量小于1.5%時(shí)，抗折強(qiáng)度都在10 MPa左右，當(dāng)粗合成纖維摻量增加到2.0%時(shí)，抗折強(qiáng)度有表2抗彎韌性試驗(yàn)結(jié)果

（2）粗合成纖維摻量為0.5%～2.0%時(shí)活性粉末混凝土的彎曲韌性指數(shù)I5，I10，I30均隨粗合成纖維摻量的增加而增大。粗合成纖維摻量為0.5%時(shí)，韌性指數(shù)I5，I10，I30分別為4.18，5.88，11.97，粗合成纖維摻量增加到2.0%時(shí)，I5，I10，I30增加到5.64，11.77，17.89，分別提高了34.93%，100.17%，49.46%，說明摻入粗合成纖維能夠大大提高活性粉末混凝土的抗彎韌性。

（3）利用公式（3），（5）計(jì)算得到的剩余強(qiáng)度差別不大。粗合成纖維摻量為1.0%～2.0%時(shí)，剩余強(qiáng)度都在抗折強(qiáng)度的85%以上，說明摻入粗合成纖維具有較高的阻裂能力，使得試件在達(dá)到峰值荷載后還可保持較高的荷載，有效提高了活性粉末混凝土的韌性。粗合成纖維摻量為0.5%時(shí)，荷載達(dá)到極限值后急劇下降，所以剩余強(qiáng)度相對(duì)較小，但是裂縫處的纖維仍然能夠起到一定的增韌作用，改變了試件的破壞形式。4結(jié)語

（1）不摻入纖維的素活性粉末混凝土彎拉試件發(fā)生脆性破壞，粗合成纖維摻入后能夠提高活性粉末混凝土試件的韌性，使破壞形態(tài)轉(zhuǎn)變成為明顯的延性破壞。

（2）粗合成纖維摻入后活性粉末混凝土彎拉試件的荷載撓度曲線具有穩(wěn)定的下降段，同時(shí)出現(xiàn)了二次強(qiáng)化現(xiàn)象，曲線有2個(gè)峰值，且隨纖維摻量的增加，曲線的下降段更加飽滿，與x軸所圍面積增大。

（3）粗合成纖維不能提高彎拉試件的抗折強(qiáng)度，但是能夠阻止試件開裂后裂縫的發(fā)展，從而有效提高了活性粉末混凝土彎拉試件的韌性，隨著纖維摻量的增加，試件的韌性指數(shù)增大，纖維摻量為2.0%時(shí)，韌性指數(shù)I5，I10，I30相比纖維摻量為0.5%時(shí)的韌性指數(shù)分別提高34.93%，100.17%，49.46%。

（4）粗合成纖維對(duì)彎拉試件基體開裂后的增韌效果明顯，纖維摻量為1.0%～2.0%時(shí)，抗彎試件的剩余強(qiáng)度均在抗折強(qiáng)度的85%以上。

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