粗合成纖維活性粉末混凝土抗彎韌性試驗
粗合成纖維活性粉末混凝土抗彎韌性試驗
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)彎曲試驗對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)行了對比分析。
結果表明：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(xiàn)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，使彎拉試件轉變?yōu)槊黠@的延性破壞，荷載撓度曲線(xiàn)都可得到穩定的下降段，同時(shí)曲線(xiàn)還出現了二次強化現象
有2個(gè)峰值;隨著(zhù)粗合成纖維摻量的增加，彎拉試件荷載撓度曲線(xiàn)的下降段愈加平緩，韌性指數增大;粗合成纖維摻量(體積分數)為1.0%～2.0%時(shí)，剩余強度在抗折強度的85%以上，此時(shí)粗合成纖維對裂后基體具有較強的阻裂能力，能夠大大提高彎拉試件開(kāi)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;剩余強度
0引言
活性粉末混凝土是一種具有超高強度和高耐久性的新型水泥基復合材料，制備過(guò)程中通過(guò)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]。
活性粉末混凝土仍具有混凝土的脆性，且由于膠凝材料較多，容易開(kāi)裂，因此需要摻入纖維來(lái)提高其韌性和抗裂性。
目前活性粉末混凝土在配制過(guò)程中多通過(guò)摻入鋼纖維來(lái)達到增強增韌抗裂的目的[23]，但是鋼纖維自重較大，且有銹蝕的隱患，若施工不當造成鋼纖維外露則可能發(fā)生銹蝕進(jìn)而導致基體腐蝕。
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]。
抗彎韌性是反映纖維增韌效果及基體內部結構性能的一個(gè)重要指標。
為研究粗合成纖維對活性粉末混凝土的增韌效果，本文中筆者采用四點(diǎn)彎曲試驗對粗合成纖維活性粉末混凝土進(jìn)行了研究。
1試驗方案
1.1原材料及配合比
本次試驗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(cháng)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，抗拉強度大于450 MPa。
粗合成纖維摻量(體積分數，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。
根據纖維摻量的不同，試驗共分5組，每組3個(gè)試件。
活性粉末混凝土試驗配合比及試件編組列于表1。
1.2試件制備及養護
采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試
1.3試驗方法
參考《鋼纖維混凝土試驗方法》(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。
試驗在300 kN的萬(wàn)能試驗機上完成，加載速率為0.1 mm・s-1。
采用100 kN的荷載傳感器量測試驗荷載，跨中撓度采用2個(gè)量程為30 mm的位移傳感器量測，所有數據由東華測試系統自動(dòng)采集。
2試驗過(guò)程及分析
2.1試件破壞過(guò)程及破壞形態(tài)
所有彎拉試件破壞時(shí)均在其跨中出現1條主裂紋。
不摻入粗合成纖維的C0組試件表現出明顯的脆性，在裂縫出現后隨即發(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)內開(kāi)裂，有1條主裂縫，裂縫處有纖維相連，試件未發(fā)生斷裂，表現出明顯的延性破壞。
通過(guò)試驗發(fā)現，在加載過(guò)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1條細而短的裂縫;隨著(zhù)荷載持續增加，裂縫逐漸增大，達到峰值荷載后，荷載開(kāi)始下降，裂縫繼續變寬變長(cháng)，開(kāi)始向頂部發(fā)展，撓度也越來(lái)越大。
試驗過(guò)程中持續發(fā)出咯噔的聲音，裂縫長(cháng)度逐漸增大，最后貫通整個(gè)試件，直到試驗停止時(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，試驗繼續進(jìn)行已無(wú)意義，因此在撓度達到10 mm時(shí)停止試驗。
試驗結束后，觀(guān)察試件斷面發(fā)現，大多數粗合成纖維被拔出而不是被拉斷，基體斷面處可見(jiàn)纖維被拔出的孔洞。
2.2荷載撓度曲線(xiàn)
圖2為根據實(shí)際量測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)抗彎韌性試驗的荷載撓度曲線(xiàn)，其曲線(xiàn)均為每組試件的平均值曲線(xiàn)。
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(xiàn)的下降段，且曲線(xiàn)都出現了二次強化現象[圖2(b)～(e)]，即荷載在達到極限值后忽然下降到一定值，隨后又開(kāi)始上升，達到二次峰值后緩慢下降，此現象與粗合成纖維普通混凝土相同[11]。
分圖2荷載撓度曲線(xiàn)
Fig.2Loaddeflection Curves析其原因是，粗合成纖維長(cháng)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量較少，但是纖維與基體間緊密結合。
試件出現裂縫后試驗機卸載，荷載下降，當裂縫發(fā)展到有纖維處時(shí)，纖維與基體緊密結合且具有較強的粘結力，因此將粗合成纖維由基體內拔出需要耗費很大的能量，荷載增大。
隨著(zhù)荷載繼續增大，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(xiàn)下降段中荷載反復上升、下降呈現鋸齒狀即為纖維拔出過(guò)程。
隨著(zhù)纖維摻量的增加，荷載撓度曲線(xiàn)的二次強化效應愈加明顯，同時(shí)曲線(xiàn)下降段更加飽滿(mǎn)，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強度。
當基體發(fā)生裂縫破壞時(shí)，裂縫處的纖維開(kāi)始承受拉力，并通過(guò)與基體間的粘結力將荷載傳至裂縫兩側混凝土基體，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(guò)程中需要吸收很大的能量，能量吸收過(guò)程與纖維和基體間的粘結強度有關(guān)，隨著(zhù)纖維摻量的增加，裂縫處纖維數量增大，大量纖維的橋聯(lián)作用可有效提高基體的韌性。
當外部荷載產(chǎn)生的彎拉應力大于纖維與基體間的粘結強度時(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(kāi)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，以此達到增韌的目的[12]。
纖維拔出過(guò)程主要體現在荷載撓度曲線(xiàn)的下降段，纖維摻量越大，纖維拔出所需要的能量就越大，相應的荷載撓度曲線(xiàn)也越加平緩。
3試驗結果及分析
采用《鋼纖維混凝土試驗方法》(CECS 14：89)中的公式(1)，(2)計算初裂強度及抗折強度，即
式中：Pcr，Pmax分別為試件初裂荷載和極限荷載;ffc，cr，ffc，m分別為初裂強度和抗折強度;L，b，h分別為支座間距、試件截面寬度和試件截面高度。
對于低彈性模量纖維，剩余強度可真實(shí)地反映纖維混凝土裂后強度的特性[13]，因此，本文中采用美國ASTM建議的韌性指數I5，I10，I30及剩余強度分析抗彎韌性，其中剩余強度SAR及相對剩余強度SIR可按以下公式進(jìn)行計算
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]提出在計算剩余強度時(shí)，采用撓度為2 mm作為結束標準，剩余強度可采用下式計算
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(xiàn)有2個(gè)峰值，同時(shí)曲線(xiàn)的下降段斜率較小，即荷載達到最大值后，隨著(zhù)撓度的增加，荷載降低幅度較小。
剩余強度主要考察試件開(kāi)裂后特征，若在撓度較大的情況下，荷載降低較小，說(shuō)明纖維對裂縫出現后增韌效果越明顯。
為此，本文中采用公式(3)，(5)兩種方法計算剩余強度，從而更好地反映粗合成纖維的增韌效果。
根據公式(1)～(5)及荷載撓度曲線(xiàn)積分，計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果見(jiàn)表2。
從表2可以看出：
(1)粗合成纖維的摻入對活性粉末混凝土初裂強度無(wú)明顯影響，粗合成纖維摻量在0%～2.0%之間變化時(shí)，初裂強度都集中在8.6 MPa左右。
粗合成纖維摻量小于1.5%時(shí)，抗折強度都在10 MPa左右，當粗合成纖維摻量增加到2.0%時(shí)，抗折強度有表2抗彎韌性試驗結果
(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(shuō)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)計算得到的剩余強度差別不大。
粗合成纖維摻量為1.0%～2.0%時(shí)，剩余強度都在抗折強度的85%以上，說(shuō)明摻入粗合成纖維具有較高的阻裂能力，使得試件在達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)，荷載達到極限值后急劇下降，所以剩余強度相對較小，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結語(yǔ)
(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(xiàn)具有穩定的下降段，同時(shí)出現了二次強化現象，曲線(xiàn)有2個(gè)峰值，且隨纖維摻量的增加，曲線(xiàn)的下降段更加飽滿(mǎn)，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度，但是能夠阻止試件開(kāi)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(zhù)纖維摻量的增加，試件的韌性指數增大，纖維摻量為2.0%時(shí)，韌性指數I5，I10，I30相比纖維摻量為0.5%時(shí)的韌性指數分別提高34.93%，100.17%，49.46%。
(4)粗合成纖維對彎拉試件基體開(kāi)裂后的增韌效果明顯，纖維摻量為1.0%～2.0%時(shí)，抗彎試件的剩余強度均在抗折強度的85%以上。
參考文獻：
References：[1]RICHARD P，CHEYREZY M.Composition of Reactive Powder Concrets[J].Cement and Concrete Research，1995，25(7)：15011511.
[2]BAYARD O，PLE O.Fracture Mechanics of Reactive Powder Concrete：Material Modeling and Experimental Investigations[J].Engineering Fracture Mechanics，2003，70(7/8)：839851.
[3]JI T，CHEN C Y，ZHUANG Y Z.Evaluation Method for Cracking Resistant Behavior of Reactive Powder Concrete[J].Construction and Building Materials，2012，28(1)：4549 [4]鄧宗才.高性能合成纖維混凝土[M].北京：科學(xué)出版社，2003.
DENG Zongcai.High Performance Synthetic Fiber Reinforced Concrete[M].Beijing：Science Press，2003.
[5]常洪雷，金祖權，任鵬程.有機仿鋼纖維增強混凝土斷裂韌性及抗裂性能研究[J].混凝土，2013(2)：4649.
CHANG Honglei，JIN Zuquan，REN Pengcheng.Study on Fracture Toughness and Crack Resistance of Steelwirelike Organic Fiber Reinforced Concrete[J].Concrete，2013(2)：4649.
[6]鄧宗才，李建輝，王現衛，等.粗合成纖維增強混凝土的沖擊動(dòng)載特性[J].混凝土，2006(10)：2730.
DENG Zongcai，LI Jianhui，WANG Xianwei，et al.Dynamic Properties of Synthetic Macrofiber Reinforced Concrete[J].Concrete，2006(10)：2730.
[7]李建輝，張科強，鄧宗才.粗合成纖維混凝土抗彎沖擊強度的分布規律[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2007，24(4)：5459.
LI Jianhui，ZHANG Keqiang，DENG Zongcai.Distribution Regularity of Flexural Impact Resistance of Synthetic Macrofiber Reinforced Concrete[J].Journal of Architecture and Civil Engineering，2007，24(4)：5459.
[8]鄧宗才，李建輝，王現衛，等.粗合成纖維混凝土抗彎韌性及疲勞特性試驗研究[J].新型建筑材料，2006(7)：810.
DENG Zongcai，LI Jianhui，WANG Xianwei，et al.Experimental Study on Flexure Resistance and Fatigue Characteristic of Coarse Synthetic Fiber Concrete[J].New Building Materials，2006(7)：810.
[9]HSIE M，TU C，SONG P S.Mechanical Properties of Polypropylene Hybrid Fiber Reinforced Concrete[J].Materials Science and Engineering：A，2008，494(1/2)：153157.
[10]曹小霞，鄭居煥.鋼纖維和聚丙烯粗纖維對活性粉末混凝土強度和延性的影響[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，19(2)：5861.
CAO Xiaoxia，ZHENG Juhuan.The Effects of Steel Fiber and Polypropylene Coarse Fiber on the Compressive Strength and Ductility of Metakaolin RPC[J].Journal of Anhui Institute of Architecture & Industry：Natural Science，2011，19(2)：5861.
[11]尹機會(huì ).鋼合成纖維混凝土強度與韌性的試驗研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.
YIN Jihui.Experimental Study on Strength and Toughness Characteristics of Steelsynthetic Fiber Reinforced Concrete[D].Dalian：Dalian University of Technology，2006.
[12]華淵，劉榮華，曾藝.纖維增韌高性能混凝土的試驗研究[J].混凝土與水泥制品，1998(3)：4043.
HUA Yuan，LIU Ronghua，ZENG Yi.Experimental Study on Fiber Toughness of High Performance Concrete[J].China Concrete and Cement Products，1998(3)：4043.
[13]戴建國，宋玉普，趙國藩.低彈性模量纖維混凝土剩余彎曲強度的力學(xué)意義[J].混凝土與水泥制品，1999(1)：3538.
DAI Jianguo，SONG Yupu，ZHAO Guofan.Postpeak Flexural Strength of Low Elsticmodulus Fiber Reinforced Concrete[J].China Concrete and Cement Products，1999(1)：3538.
[14]鄧宗才，師亞軍，曹煒.聚烯烴粗合成纖維混凝土抗彎韌性試驗[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2013，30(1)：1924.
DENG Zongcai，SHI Yajun，CAO Wei.Experiment on Flexural Toughness of Polyolefin Macrofiber Reinforced Concrete[J].Journal of Architecture and Civil Engineering，2013，30(1)：1924.
[15]張明波，閻貴平，閆光杰，等.200 MPa級活性粉末混凝土抗彎性能試驗研究[J].北京交通大學(xué)學(xué)報，2007，31(2)：8184.
【粗合成纖維活性粉末混凝土抗彎韌性試驗】相關(guān)文章：
混凝土試驗員工作總結范文（通用16篇）08-27
混凝土攪拌站試驗員工作總結（精選16篇）10-01
文明的韌性作文10-13
混凝土公司試驗員年終總結（精選7篇）10-02
混凝土試驗室主任個(gè)人年終工作總結11-14
有趣的試驗作文12-24
抗疫情的簡(jiǎn)報11-09
抗疫情簡(jiǎn)報09-08