混凝土韧性

混凝土韧性（精选9篇）

混凝土韧性 篇1

摘要：按照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13:2009)中弯曲韧性和初裂强度的试验方法对聚乙烯醇纤维混凝土的力学性能进行试验,研究结果表明:聚乙烯醇纤维能略微提高混凝土的抗压强度,最佳掺量在1%以下;聚乙烯醇纤维能有效地改善混凝土立方体抗压变形能力,使混凝土由脆性破坏转换为有一定塑性的破坏形态;当聚乙烯醇纤维掺量在0.08%0.2%时可明显改善混凝土的弯曲韧性;聚乙烯醇纤维也能在一定程度上提升混凝土的抗弯拉强度。

关键词：聚乙烯醇纤维,混凝土,破坏形态,韧性指数

聚乙烯醇(PVA)是一种高强高弹模的合成纤维,具有良好的亲水性,纤维表面能够吸附少量自由水,与水泥基体的粘结性能较好。PVA纤维本身具有较高的强度和弹性模量,它不但可以有效抑制混凝土早期塑性裂缝,并且可以显著降低混凝土的脆性,增加韧性,阻碍裂缝的扩散与发展。与钢纤维相比,PVA纤维具有耐化学腐蚀、成本低等优点。与其他合成纤维相比,具有弹性模量高、无毒等优点。目前,关于碳纤维、钢纤维以及其他合成纤维混凝土研究比较多,关于PVA纤维混凝土的研究比较少。本文对PVA纤维混凝土的力学性能的影响进行了试验研究。

1 试验概况

1.1 试验材料

(1)水泥采用42.5普通硅酸盐水泥。

(2)粗骨料采用碎石,在搅拌混凝土前用水洗法把表面泥沙洗净,粒径5～20 mm连续级配。

(3)细骨料采用河砂,通过级配试验测量为中砂,细度模数为2.6。

(4) PVA纤维的性能指标见表1。本文选用12mmPVA纤维。

(5)钢纤维的长径比采用60,体积率采用上层1.0%,下层1.0%,其性能见表2。

(6)减水剂为聚羧酸减水剂。

(7)水为清洁自来水。

1.2 混凝土配合比及试件

混凝土配合比如表3所示。

试件尺寸分别为100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm,每组纤维混凝土和素混凝土完成3个试件的抗压试验和3个试件的弯拉试验,试件纤维掺量如表4所示。

1.3 搅拌工艺与试验方法

为了使PVA纤维均匀地分散到混凝土中,本试验采用强制搅拌机进行搅拌,经试拌发现PVA纤维能均匀地分散到混凝土基体中。试件在振动台上振动成型后静置24 h后脱模,移至标准养护室养护28d后进行试验。

弯拉试验按《纤维混凝土试验方法标准》(CECS13:2009)中弯曲韧性和初裂强度的试验方法进行试验,试验选用电液伺服万能试验机,按恒位移控制方法加载,位移速率0.025 mm/min采用四点弯曲法加载测定纤维混凝土的弯拉强度,试验加载如图1所示。

2 试验结果分析

2.1 立方体抗压强度分析

纤维混凝土立方体抗压强度实验结果如表5所示。由表5可知,PVA纤维掺量在0.08%时,立方体抗压强度比素混凝土提高了3.9%;PVA纤维掺量在0.1%时,立方体抗压强度比素混凝土提高了1.1%;PVA纤维掺量在0.2%时,立方体抗压强度比素混凝土略微降低。由此可知,PVA纤维的掺入能略微提高混凝土的抗压强度,最佳掺量在0.1%以下。

另外,由表5中LHFRC(层布式混杂纤维混凝土)和LSFRC(层布式钢纤维混凝土)数据可知,在0.08%的PVA纤维掺量下,LHFRC的立方体抗压强度比LSFRC的立方体抗压强度降低了20.4%;比素混凝土降低了10.4%。由于PVA和钢纤维两种纤维掺入,使总体纤维掺量变大,纤维不仅不易分散,而且会把部分空气带入混凝土中,减小基体粘结力的同时也降低了混凝土的强度。

2.2 立方体抗压强度破坏形态分析

素混凝土属于脆性破坏,试件加载后,竖向发生压缩变形,水平向为伸长变形,试件的上下端因受加载垫板的约束而横向变形小,中部的横向膨胀变形最大。随着荷载的应力增大,试件的变形逐渐增长。试件临近破坏前,首先在试件的高度中央、靠近侧表面的位置上出现竖向裂缝,然后往上和往下延伸,逐渐转向试件的角部,形成正倒相连的八字形裂缝,如图2所示。继续增加荷载,新的八字形缝由表层内部扩展,中部混凝土外胀,开始剥落,最终成为正倒相接的四角锥破坏形态,如图3所示。

PVA纤维混凝土破坏形态与素混凝土的破坏形态基本一致,只是在临近破坏前随着荷载的继续加大,混凝土的中部横向膨胀继续变大。由于PVA纤维在混凝土中乱向分布,在混凝土出现裂缝的时候,横跨裂缝纤维有效限制了裂缝在骨料之间扩展和贯通,从而在达到极限荷载后仍有一定的抗压性能,PVA纤维的掺入使混凝土的破坏形态从脆性破坏转为有一定塑性的破坏形态,因此并没有出现混凝土剥落现象。如图4所示,PVA纤维混凝土并未出现与素混凝土一样的四角锥破坏形态。

2.3 弯曲韧性分析

本文采用美国材料与实验协会ASTM C1018的弯曲韧性指数法评定PVA纤维混凝土的弯曲韧性,ASTM C1018弯曲韧性指数法是利用理想弹塑性体作为材料韧性的参考指标,选用初裂挠度的倍数作为终点挠度,即3δ,5.5δ,10.5δ(图5),相应的韧度指数用I5,I10,I20表示,即:

混凝土的荷载挠度-位移曲线见图6～9。

纤维混凝土的抗弯韧性试验结果见表6,由表6可知,在混凝土中掺入PVA纤维,混凝土的弯曲韧性指数有了明显提高,在PVA纤维掺量为0.2%时,韧性指数I5比素混凝土提高了4.08倍;在PVA纤维掺量为0.1%时,韧性指数I5比素混凝土提高了3.79倍;在纤维掺量为0.08%时,韧性指数I5比素混凝土提高了3.45倍。在质量掺量为1%的LSFRC中掺入体积掺量为0.08%PVA纤维的LHFRC中,弯曲韧性指数I5、I10分别比LSFR提高了2%和1.6%,说明LHFRC相对于素混凝土的弯曲韧性提高效率更大,这是由于LHFRC综合了钢纤维与合成纤维的优点。

由表6可知,当PVA纤维掺量在0.2%,0.1%,0.08%时,纤维混凝土的抗弯拉强度比素混凝土分别提高了2%,5.8%,3.7%,PVA纤维对混凝土的抗弯拉强度也有一定的提升作用。

3 结束语

(1) PVA纤维能略微提高混凝土的抗压强度,但由于纤维的掺入会将部分空气带入混凝土基体中,减小基体的粘结力,所以掺量不宜过大,最佳掺量在1%以下。

(2) PVA纤维能有效地改善混凝土立方体抗压变形能力,使混凝土由脆性破坏转换为有一定塑性的破坏形态。

(3)当PVA纤维掺量在0.08%～0.2%时,韧性指数I5介于4.45～5.08,表明PVA纤维明显改善了混凝土的弯曲韧性。

(4)当PVA纤维掺量在0.08%,0.1%,0.2%时,混凝土的抗弯拉强度分别提高了2%,5.8%,3.7%,表明PVA纤维也能在一定程度上提升混凝土的抗弯拉强度。

参考文献

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[8]王东英,李思胜,秦鸿根.船闸闸室墙纤维混凝土的应用[J].建筑技术,2011,42(2):138-140.

混凝土韧性 篇2

2 . 藤是一种极有韧性的植物。

3 . 专业体操运动员的身体都比较有韧性。

4 . 桑树皮很有韧性。

5 . 这种面粉做成面食，很有韧性，特有嚼劲儿。

6 . 我边看电视边嚼着这韧性的牛皮糖。

7 . 竹子很有韧性，所以适合用于做边框!

8 . 有研究表明专业体操运动员的身体都比较有韧性。

9 . 这鞋底很有韧性，不容易坏。

10 . 从特点来看，金属不透明，有韧性，是热和电的良导体。

11 . 韧性很高的金属，例如铜或者熟铁，随着载荷的增加，破坏或断裂是逐渐进行的。

12 . 硬度高而强度大的金属要求的切削速度比硬度小而韧性好的材料低。

13 . 低值看来是一个渐近值，在更厚的板中韧性值不会进一步减小。

14 . 科学家们长期以来一直想搞清楚蚕为什么能吐出人类所知的最有韧性的天然纤维。

15 . 要耐高温，就容易脆，韧性必然差，两者很难统一。

16 . 因而老年人骨的弹性、韧性明显下降，脆性增加极易骨折，一旦发生骨折，其愈合恢复速度往往比青少年骨折后的恢复速度慢数倍。

17 . 我的腿即使瘦削和被钉死，它们仍然是颀长的、有力量、有韧性的。

18 . 它说明冶炼的金属中有害杂质减少了，合金配比改进了，铸造技术提高了，剑的韧性增加了，剑才能越做越长。

19 . 纤维呈波浪形，能弯曲，有强的韧性，受伤时不易被拉断。

20 . 暑假里，妈妈在超市里给我买了一包牛皮糖。我边看电视边嚼着这韧性的牛皮糖，感觉很有滋味!

耐碱玻璃纤维混凝土的弯曲韧性 篇3

玻璃纤维弹性模量、强度高,分别是聚丙烯纤维的13倍和5倍。玻璃纤维不但对混凝土早期抗裂有作用,而且对固化混凝土有增强增韧作用,可改善混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击、耐磨、弯曲疲劳等性能。耐碱玻璃纤维直径为11~15μm,与其它纤维相比具有较大的比表面积,纤维和混凝土界面粘结性能良好。玻璃纤维很容易分散,分散性比碳纤维等纤维高,玻璃纤维混凝土的均匀性好,试验数据的离散性小。玻璃纤维在混凝土内部形成一种均匀的三维乱向分布支撑体系,防止微裂缝的产生和扩展,增强混凝土的冲击性能和韧性。若用于桥面铺装层等薄形结构,对改善混凝土桥梁抗裂性能,阻止结构性裂缝有良好的效果[1,2,3,4]。

玻璃纤维混凝土比重大,纤维不会浮在结构表面,纤维无外露,对机场道面、桥面和公路路面的拉毛处理很有利。

与合成纤维相比,玻璃纤维具有高强度、高弹性模量和价廉等优点;与钢纤维相比,玻璃纤维不会影响混凝土的工作性。因此,耐碱玻璃纤维增强混凝土具有广阔的应用前景。目前关于合成纤维、钢纤维混凝土弯曲韧性的研究较多,但关于耐碱玻璃纤维的研究报道不多。本文研究了耐碱玻璃纤维、聚丙烯纤维增强混凝土的抗弯韧性和弯曲变形性能,结果表明,耐碱玻璃纤维可以显著提高混凝土的弯曲韧性和变形能力。

1 试验

1.1 纤维材性

耐碱玻璃纤维由法国圣戈班集团提供,材性见表1。

1.2 混凝土配合比及试件

水泥为P·O32.5普通硅酸盐水泥。混凝土配合比见表2,C为素混凝土试件、G为耐碱玻璃纤维混凝土试件、PP1为聚丙烯纤维增强混凝土试件。PP1与G3的纤维体积掺量相同。试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm,成型24 h后脱模,标准养护室养护28 d,试验前3 h从养护室取出晾干。

kg/m3

1.3 试验方法

按照美国ASTM规范要求,用三分点加载梁进行试验,梁跨度为300 mm。试验在Instron1343伺服系统机上完成,按照恒位移控制方法加载,得到荷载-挠度全曲线。为了提高梁挠度测试的精度,在挠度记录中不包括在支座处的沉降、加载点的位移及钢板与试件间的缝隙及钢板的弹性变形等。梁挠度的测试采用日本YOKE方法,将夹式引伸仪置于试件的中性轴测试梁的挠度,该装置还能消除梁扭转变形引起的附加变形,位移速率0.10 mm/s,计算机自动采集数据。

2 试验结果

2.1 纤维分散性能

耐碱玻璃纤维在搅拌过程中分散性很好。搅拌时间较为重要,应以纤维均匀分散为准,当纤维分散后,不宜搅拌,否则对纤维有损伤。试验发现,搅拌35~40 s,纤维分散性好且无损伤。

2.2 破坏过程及形态

试验发现,耐碱玻璃纤维混凝土破坏模式由素混凝土的突然脆性破坏变为具有一定韧性的延性破坏。混凝土初裂后,承载力开始下降,最后裂缝扩展导致试件断裂。耐碱玻璃纤维混凝土梁在抗弯试验过程中,首先在梁的底部出现微裂缝,微裂缝斜向缓慢向上发展,形成主裂缝,主裂缝斜向上扩展至梁高度的1/3时,分叉为2~3条裂缝向上延伸,主裂缝贯穿梁高时,发生断裂,纤维被拉断或拔出。

2.3 抗弯拉强度(见表3)

由表3可知,耐碱玻璃纤维可显著增强混凝土抗弯拉强度。耐碱玻璃纤维抗拉强度高、弹性模量高,与水泥粘结性能良好,因此,可充分发挥其性能优势,提高混凝土的抗弯拉强度。G1、G2、G3的抗弯拉强度分别比素混凝土提高1%、12.7%和19.3%,可见,随着纤维掺量增加,混凝土抗弯拉强度不断提高。

2.4 抗弯韧性

按照美国ASTM方法求得的纤维混凝土28 d时抗弯韧性指数见表3。由表3可知,在混凝土中掺入耐碱玻璃纤维,混凝土的弯曲韧性指数有显著提高,耐碱玻璃纤维掺量为1.6 kg/m3时,弯曲韧性指数I5、I10、I30分别比素混凝土提高3.13、5.75、11.27倍;耐碱玻璃纤维掺量为2.0 kg/m3时,弯曲韧性指数I5、I10、I30分别比素混凝土提高3.34、6.25、12.52倍。耐碱玻璃纤维掺量为2.7 kg/m3时,弯曲韧性指数I5、I10、I30分别比素混凝土提高3.64、6.28、10.92倍。与耐碱玻璃纤维体积掺量相同的聚丙烯纤维相比,耐碱玻璃纤维混凝土的I5比聚丙烯纤维混凝土提高62%。

2.5 变形性能

耐碱玻璃纤维混凝土变形能力较素混凝土有了显著提高,即使基材中出现大量的微裂缝,仍可继续承受一定的外荷载并具有一定的延性。典型的耐碱玻璃纤维混凝土荷载-挠度曲线如图1所示。

分析图1发现,耐碱玻璃纤维混凝土在荷载峰值后下降较快,但后期下降趋于缓慢。G3的荷载峰值高,抗弯拉强度最高,但混凝土初裂后承载力下降速率大,其I30小于G1、G2;耐碱玻璃纤维混凝土G3的I5和I10与G2相当。也就是说,为提高耐碱玻璃纤维混凝土强度,纤维掺量可达到2.7 kg/m3;但纤维掺量由2.0 kg/m3提高到2.7 kg/m3时,纤维混凝土韧性指数变化较小。

3 结论

(1)耐碱玻璃纤维分散性很好,纤维混凝土均匀性良好。

(2)耐碱玻璃纤维改变混凝土脆性断裂的破坏模式,混凝土破坏时具有明显的延性。纤维拔出或拉断消耗了一定能量。

(3)耐碱玻璃纤维可显著增强混凝土的抗弯拉强度。G2、G3的抗弯拉强度分别比素混凝土提高了12.7%和19.3%。当纤维掺量为1.6 kg/m3时对弯曲强度的改善很小。

(4)当混凝土中掺入1.6~2.7 kg/m3耐碱玻璃纤维时,可以显著提高混凝土的弯曲韧性,韧性指数I5比素混凝土提高3.13~3.64倍,I10比素混凝土提高5.75~6.28倍,I30提高10.92~12.52倍。纤维掺量由2.0 kg/m3增加到2.7 kg/m3时,对混凝土韧性的影响不大,但对弯拉强度的贡献大。

(5)体积掺量相同时,耐碱玻璃纤维混凝土的I5比聚丙烯纤维混凝土提高62%。

(6)混凝土中掺入较高弹性模量的耐碱玻璃纤维,可以提高混凝土裂后变形能力。

摘要：研究了耐碱玻璃纤维对混凝土弯曲韧性和变形能力的影响。试验结果表明,玻璃纤维可以显著提高混凝土的抗弯拉强度,当纤维掺量为2.0、2.7 kg/m3时,纤维混凝土的抗弯拉强度分别比素混凝土提高12.7%和19.3%,而掺量为1.6 kg/m3时对混凝土的弯拉强度改善很小。耐碱玻璃纤维掺入可显著提高混凝土的弯曲韧性,韧性指数I5比素混凝土提高3.133.64倍I,10提高5.756.28倍I,30提高10.9212.52倍。耐碱玻璃纤维混凝土的I5比聚丙烯纤维混凝土提高62%。

关键词：耐碱玻璃纤维,弯曲韧性,变形能力

参考文献

[1]沈荣熹,崔琪,李清海.新型纤维增强水泥基复合材料[M].北京:中国建材工业出版社,2004.

[2]邓宗才.高性能合成纤维混凝土[M].北京:科学出版社,2003.

[3]邓宗才,李建辉,刘国栋.混杂粗纤维增强混凝土力学特性试验研究[J].混凝土,2006(8):50-55.

文明的韧性作文 篇4

国人在寻找文明的源头的时候，早已不满足商殷的起点，从周口店跳到蓝田，从蓝田跳到了元谋;欧洲人也不满足于希腊的神庙和罗马的斗兽场，从日耳曼、安格鲁萨克逊跳到尼安德特。殊不知，圣母玛利亚、阿拉和玉皇大帝给你们开了个不大不小的玩笑，原来大家文明的 源头都在那个东非的小村落里，那位露西的子孙后代们，沿着海岸线，磕着海蛎子走到世界各地建立了不同的文明。因此，全世界的文明本就同根同源，相互包容而多样，固其大而存其异，或许这样的文明才是正真具有韧性的文明。

历史长河中有一些文明，反其道而行之，固其小而谋其大，很快失去它的韧性。铁木真帅数万草原铁骑掠欧亚大地，其子孙落得折鞭钓鱼台，落荒漠北，直至今日潦倒于中亚，其萨满文明何以谋大?希特勒驱钢铁洪流碾压欧洲，围困莫斯科，数年后落得狼穴自毙，一墙隔国东西，其法西斯文明何以某大?还有凯撒、李元昊、丰臣秀吉，还有滑铁卢、中途岛和北纬38度。太多文明已经尝到逆流而行的恶果，路人皆知，谈不上韧性也谈不上辉煌。追寻这里面的原因，就在于当一个文明谈不上包容就会失去它的韧性，丢掉了合约拾起了刀枪，最终只会在一声清脆后折为两段。因此，不同的文明固其大而存其异则存，固其小而谋其大则败。

再来反观一下中国的文明，国人引以自豪的泱泱中华上下五千，礼仪道德亘古不变。真的是一尘不变吗?当然不是，谈不上崖山之后再无中华，但确实我们今天的华夏文明接纳了太多的异族文明。正是这样的包容才让我们有了汉唐盛世，才让我们的文明立足五千年，有了韧性。但是不是我们一直这样包容呢，答案也是否定的。当华盛顿在美洲建立当今和我们针尖对麦芒的另外那个文明时，那十全老人还在纠结为了顾及他的面子英国人应该跪一条腿还是两条腿，闭关锁国，当文明拒绝存其异时，最终换来的是善意的敲门声。所以在同样的文明历程中，固其大而存其异则兴，固其小而谋其大则衰。

几年前，当飞机从上海飞到旧金山的时候，我俯视着太平洋突然有了一个很怪异的想法，要是太平洋只是一个小小的池塘，红色巨龙应该叫塘西小胖，汤姆大叔也该叫塘东小白。大家邻里之间，求同存异，也就不会有今天的华为保卫战了吧，也不会有六十年前的金家保卫战了。直至今日还有太多的文明，掌握在权伐手中相互拼着各自的韧性，不惜以换取一声清脆。就不再说文明的归宿了，因为我们知道了它的起点难道还很难找到它的终点么?只是在这条路上，太多的文明没有走上它应有的道路失去它的韧性，清脆夭折。

混凝土韧性 篇5

水泥混凝土来源广泛、容易成型、适应性较强的特点, 促使其成为建筑施工中一种使用量非常大的材料, 同时该种材料广泛地应用于光口与基础设施建设等重要领域。据不完全统计, 我国水泥混凝土生产量已经占据全世界的50%以上。在建筑行业快速发展的过程中, 我国已经成为全球生产和消费水泥混凝土最多的国家。在水凝混凝土使用量增多, 应用拓宽的过程中, 其在自然环境中性能退化问题开始逐渐显露出来。这种问题产生的严重影响已经受到社会各界的广泛关注。虽然常见的水泥混凝土具有极强的抗压性与较大的刚度, 但是在凝结与硬化的时候非常容易产生开裂, 同时韧性受到影响。在水泥混凝土脆性不断增加的过程中, 混凝土建筑物的耐久性受到一定影响。基于此, 研究分析水泥混凝土特性具有非常重要的意义。

1. 高韧性水泥混凝土材料组成与基本特点

在此次研究活动开展的过程中, 以实现高韧性为设计目标, 研究分析高韧性水泥混凝土材料的组成与拌合物的基本特点。

1.1 原材料的选择与性能分析

纤维混凝土是一种复合型材料, 其中产生的力学与损伤破坏性受到纤维性能参数影响的同时, 海域纤维/水泥机体之间界面应力传递规律有一定的联系[1]。在纤维弹性模量较高的时候, 纤维与水泥基本协同受力, 就可以促使应力从基体转向为纤维, 这样就能够有效抑制裂缝的扩展。但是在摸两下, 纤维具有较小的泊松比, 纤维拔出的时候并不容易变形, 同时水泥基体也会有紧缩的趋势, 就会加大纤维拔出阻力, 具有良好的粘结性。其实在研究的时候就会发现, 纤维/水泥基体界面粘结性具有双重效应。如果粘结性并不是非常的良好, 其应力就不会传递给纤维, 在此刻纤维的增强性作用很难发挥出来。但是如果纤维与基体的粘结性过强, 纤维在受力的时候就会非常容易脆断, 导致复合材料变形能力下降。针对这么一种情况, 急需要根据原材料与基体性能进行调控, 促使粘接达到理想的状态, 实现增强与增韧的双重作用。针对这样一种情况, 高韧性水泥混凝土的原材料应当包含胶凝材料:42.5普通硅酸盐水泥 (C) 和I级粉煤灰 (F) ;集料:粗集料为粒径4.75-16mm的石灰岩碎石 (A) , 细集料为洁净天然河砂 (S) ;纤维:超高分子量聚乙烯短切纤维 (PE) 和高性能聚丙烯异型纤维 (CPP) ;功能调节材料:液体聚羧酸类高效减水剂 (SP) , 自配聚丙烯酸类纤维分散助剂 (M1) 和自配功能复合粉体材料 (M2) , 其中功能复合粉体材料由超细矿物组分和保水组分按照7:3的比例组成;拌合水:饮用自来水。在研究高韧性水泥混凝土的时候, 需要分析不同材料的性能, 并且发挥其在水泥混凝土中的作用, 促使材料符合研制的各项要求。

1.2 新拌混凝土工作性能

针对纤维性比较强的水泥混凝土来说, 交办的均匀性与纤维分散都会对其产生非常重要的影响。在研究的时候需要经过试拌和观察之后才决定采用湿拌的工艺。在研究分析的过程中, 观察混凝土拌合物观测记录, 发现混凝土的拌合物粘聚性欲保水性都较好, 并未出现纤维结团的情况[2]。研究发现, 在粉煤灰的使用不断加大, 直至120kg/m3的时候, 塌落度会很明显地缩小。在过去, 人们研究的时候发现加入一定的粉煤灰可以明显的提高拌合物流动性。但是如果粉煤灰的使用量超过一定范围的时候就会带来一定的负面影响。因此, 在同等条件下, 纤维用量增大的时候, 拌合物的流动性减小, 是因为纤维将大量的自由谁覆盖住, 在其中具有润滑作用的水分有所减少, 造成拌合物的摩阻力增加, 同时纤维产生的三维随机网络也会阻止拌合物的流动, 致使流动浆体减少。这样就会减少混凝土坍塌的落度, 引起粗集料裸露。

2. 高韧性水泥混凝土路面结构力学

行对比普通水泥, 高韧性水泥混凝土的弯拉强度与变形性能都非常高。因而如果将其使用在水泥混凝土路面上, 将可以很明显的提高路面结构的耐久性, 同时还能够降低面板的厚度, 增强横缝的间距。高韧性水泥混凝土的优良特点与带裂缝的工作能力与普通水泥混凝土有很大的区别, 因而在荷载力扩散与普通水泥混凝土面板上有着很大的不同。

2.1 高韧性水泥混凝土弯曲疲劳性

路面结构失效受到很多种因素的影响, 其中疲劳荷载作用造成的损伤是关键性的因素, 同时也是引起耐久性破坏的重要原因[3]。因此需要针对高韧性水泥混凝土弯曲疲劳性进行分析。通过实践研究分析就会发现, 弯曲抗疲劳性搜受到多方面因素的影响。首先, 加载间歇时间的影响。室内实行的疲劳试验荷载脉冲并没有设置间歇时间, 但是实际上的车辆荷载有着明显的间歇, 这有助于材料疲劳损伤的恢复, 材料内部水化组分与雨水作用的水化导致强度缓慢下降。其次, 车辆轮迹横向分布的影响。所谓的车辆轮迹其实就是在道路横断面中心线附件一定范围内左右摆动。通常情况下, 车道行驶车轮通过路面上某点的概率不会超过45%。因此, 这与室内试验具有一定的差异。再次, 不利季节的影响。众所周知, 对公路造成最不利影响的季节就是在气温15摄氏度的时候, 通畅每年都以60天来计算。这就是相当于南方雨季与北方春融的时候。面板下支撑结构的强度是最低的, 就会产生面板支撑不够, 因此路面实际疲劳与室内疲劳分析有所减小。

2.2 计算模型的建立

在前文中就已经有所论述, 即高韧性混凝土具有非常强的弯拉强度、良好的抗裂性与变形能力。因此, 如果将其应用在水泥混凝土路面结构上, 不仅降低混凝土面板的厚度, 还会增强横缝的间距, 提高车的舒适性[4]。但是这样一种情况, 路面板的横缝间距与板厚之比将超出我国现行水泥混凝土路面设计方法的适用范围, 同时比较明显的塑性变形特点采用传统的计算方法是很难进行描述的。在这样一种情况下, 需要借用高韧性混凝土拉压应力-应变关系参数输入, 利用塑性的有限元素, 将这种新型路面结构形式在荷载与温度的作用下力学影响进行研究分析, 同时还需要结合高韧性混凝土面板的疲劳应力系数计算公式, 分析疲劳寿命。这种模型是由混凝土面板与基层、路基共同组成。在模型建立的过程中, 其中所需要的各项数据都要根据实际研究来进行取值, 而路基与基层需要根据尺寸来模拟。需要在前任研究的基础上, 借鉴相应的基础理论, 并应用于该模型中。混凝土塑性损伤模型以塑性连续介质损伤为基础, 采用各向同性损伤弹性结合各向同性拉伸和压缩塑性的模式来表示混凝土的非弹性行为。该模型可用于单向加载、循环加载及动态加载等情况, 具有较好的收敛性, 可以模拟混凝土材料的拉裂和压碎等力学现象

3. 结语

总而言之, 在研究分析高韧性水泥混凝土相关材料特点的时候, 还需要根据材料的结构来研究高韧性混凝土。在建筑行业水泥混凝土应用量越来越大, 应用范围越来越广的情况, 研究其韧性具有重要的意义。

参考文献

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混凝土韧性 篇6

随着航空事业的飞速发展,水泥混凝土的缺陷和通病常会对机场道面性能和耐久性产生不利的影响[1]。因此,提高道面混凝土抗冲击能力,避免或减少水泥混凝土道面使用过程中在冲击动载作用下的破坏,是混凝土材料研究应用领域的一个重要课题。

现有试验表明[2],在混凝土中掺入橡胶粉可以增加混凝土的延性和韧性,提高混凝土阻尼系数,改善抗冲击性能。因此,系统的研究橡胶水泥混凝土(RPCC)的动力学性能,可以提高道面混凝土在冲击荷载下的力学性能,有效缓冲飞机粗暴着陆时对机场道面的冲击破坏。不论在保证飞行安全、提高机场道面使用性能和延长道面使用寿命,还是回收利用废旧轮胎、实现经济发展与环境发展相协调方面都具有重要的意义。

1 橡胶水泥混凝土韧性指数

混凝土是一种脆性材料,作为建筑材料过去只重视其抗压强度,随着混凝土研究工作的深入和应用领域的扩大,混凝土的韧性已成为与抗压强度同等重要的材料属性。

国际上有关韧性的表示方法不尽相同,本文采用美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials,ASTM)标准试验方法(ASTM C1018-85)。ASTM定义的3种弯曲韧性指数I5、I10、I30分别为3倍、5.5倍和15.5倍初裂变形对应的荷载-挠度曲线下的面积与初裂变形时曲线下的面积之比,如图1所示。

由图1,韧性指数I5、I10、I30的表达式为:

本文结合橡胶水泥混凝土的应力—应变曲线,参照此法分析橡胶集料混凝土的韧性。在三个韧性指数I5、I10、I30中,选择I5作为衡量橡胶集料混凝土的韧性指标,本文统一假设0.8倍的峰值应力为橡胶集料混凝土的初裂强度,以0.8倍的峰值应力对应的应变为基数分别计算韧性指数I5的值。

2 试验

2.1 分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验技术的原理及特点

本次试验采用变截面大尺寸SHPB装置(见图2)。其中子弹、入射杆及透射杆均采用钢质材料,子弹及入射杆小端直径为37mm,入射杆大端及透射杆直径为74mm。子弹长度有800mm及600mm两种,入射杆总长2700mm,透射杆为1800mm。灵敏度较高的半导体应变片布置在入射杆及透射杆中部,且与试件等距离布置。

在试验过程中子弹(又称撞击杆)撞击入射杆,在入射杆中产生应力波,波传播到达试件后在入射杆中产生反射波,透射杆中产生透射波。试件在撞击过程中近似保持一维平面应力状态,通过应变片等可以记录入射杆、透射杆中应变随时间变化的曲线,得到试件两端的应力、应变随时间变化的过程,通过简单的程序计算,可以推算出试件材料的应力-应变关系曲线。

2.2 试验准备

橡胶粉:东莞某公司产40目、80目、120目橡胶粉,表观密度为1030kg/m3。

水泥:徐州某公司产42.5级普通硅酸盐水泥。

细集料:河砂,最大粒径为5mm,连续级配,细度模数2.6,表观密度2650kg/m3。

粗集料:徐州产优质碎石,用筛子筛取粒径为4.75~9.5mm的级配碎石,表观密度均为2700kg/m3。

水:自来水。

减水剂:徐州某外加剂厂产MN萘系高效减水剂。

试验方案中基准混凝土配合比为水泥:水:砂:石子=1:0.45:1.84:3.64。在保持基准配合比中水泥用量360kg/m3、水灰比0.45和减水剂5.4kg/m3的用量不变的条件下,将40目、80目、120目橡胶粉分别掺入混凝土中,等体积取代砂和石料,并保持砂和石料的比例不变。橡胶粉的掺量分别为15kg/m3、30kg/m3、60kg/m3、90kg/m3、110kg/m3。共设计16组配合比。RPCC试件的编号为Am、Bm、Cm,其中的A、B、C分别代表40目、80目、120目橡胶粉,m代表橡胶粉的掺量。基准混凝土的编号为C0。试验成型覫70mm×35mm的圆柱体试件共16组。

按照配合比设计要求,依次将水泥、骨料和橡胶粉倒入搅拌机,搅拌3min,再将混合了减水剂的水分两次加入搅拌机。将钢模刷油后放在振动台上,待搅拌均匀后把混凝土拌合物倒入钢模并人工振捣使其填充整个模具,最后振动成型。为了防止振动过久使橡胶粉上浮,采取先振动20s,再振动10s的方法振捣密实。标准养护24h后拆模,放入养护箱,在温度(20±2)℃,相对湿度95%以上的标准条件下养护28d[3]。因为SHPB圆柱形试件两端需要较高的平整和平行度,故将制作养护好的试件夹在磨平机中进行磨平。

3 试验结果与分析

3.1 橡胶粉粒径对水泥混凝土韧性的影响

橡胶作为一种弹性材料,本身具有很好的变形性能。在混凝土中加入橡胶粉,可形成吸收应变能的结构变形中心。其加载时可吸收大量能量,使裂纹不能贯通,从而明显改善混凝土的抗冲击性[4~6]。

对16组不同配合比的试件在4种加载波下进行SHPB试验。加载波1、2、3、4的应变率分别为53、86、112、148。

图3~图5分别给出了掺量一定时,不同应变率下橡胶水泥混凝土韧性指数与橡胶粉粒径的关系。橡胶粉掺量和应变率一定时,试件的韧性指数随橡胶粉目数的增大而增大。其中,橡胶粉掺量为90kg/m3(图4)时,韧性指数几乎呈线性增长。图5给出了不同应变率下基准混凝土与橡胶水泥混凝土韧性的对比数据。由图5可见,橡胶水泥混凝土的韧性比基准混凝土有显著提高。如加载波1时,掺量为110kg/m3的A、B和C类混凝土的韧性指数分别较基准混凝土提高了40%、54%和67%。从图中还可以看出,掺量一定时,韧性指数随应变率的增大而减小。

图6给出了橡胶粉掺量为30kg/m3,加载波为1时的应力-应变曲线。从曲线下降段可看出,当外加荷载超过峰值应力时,基准混凝土立即发生破坏,曲线较陡;而橡胶水泥混凝土与基准混凝土相比,峰值应力对应的峰值应变增大,下降段明显变缓。当荷载达到最大值时,裂缝扩展还未能造成混凝土完全破损,试件仍具有一定的应变能力。可见,橡胶粉的掺入改善了普通水泥混凝土的脆性,提高了其变形能力。从图6还可以看出,应变率一定时,随着橡胶粉粒径的增大,混凝土的峰值应力减小,峰值应变增大,应力-应变曲线有右移的趋势,且下降段曲线趋于平缓。

3.2 橡胶粉掺量对水泥混凝土韧性的影响

图7是B类混凝土在不同的应变率下,韧性指数与橡胶粉掺量的关系。可以看出,应变率一定时,混凝土韧性指数随着橡胶粉掺量的增加不断增大,韧性不断提高。同时还可以看出,橡胶粉掺量一定时,混凝土韧性指数随着应变率的增大而减小,韧性降低。

图8~图11给出了应变率一定时,不同橡胶粉掺量的B类混凝土应力-应变曲线。从图中可以看出,随着橡胶粉掺量的增加,橡胶水泥混凝土的初始切线弹性模量减小,峰值应力减小,对应的峰值应变增大,应力-应变曲线趋于平缓、右移,韧性不断提高。

1:橡胶粉掺量为15kg/m3;2:橡胶粉掺量为30kg/m3;3:橡胶粉掺量为60kg/m3;4:橡胶粉掺量为90kg/m3;5:橡胶粉掺量为110kg/m3。

4 结论

(1)橡胶粉掺量和应变率一定时,试件的韧性指数随橡胶粉粒径的增大而增大。韧性指数几乎随橡胶粉粒径呈线性增长。橡胶水泥混凝土的韧性较基准混凝土显著提高。

(2)橡胶粉掺量一定时,混凝土韧性指数随着应变率的增大而减小,韧性降低。

(3)橡胶粉的掺入改变了混凝土的破坏形式,提高了混凝土的吸能性能。应变率一定时,随着橡胶粉掺量和粒径的增加,混凝土的韧性不断提高。混凝土的峰值应力减小,峰值应变增大,应力-应变曲线有右移的趋势,且下降段曲线趋于平缓。

参考文献

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[5]胡时胜,王道荣,刘剑飞.混凝土材料动态力学性能的实验研究[J].工程力学,2001(5),115-119.

混凝土韧性 篇7

关键词：高强混凝土,钢纤维,聚丙烯纤维,混杂纤维混凝土,抗弯韧性

0 前言

随着高强混凝土的推广应用,其脆性大的问题逐渐凸显。 纤维的掺入能够阻止高强混凝土裂缝的扩展并耗散断裂能,进而提高高强混凝土的断裂韧性,被认为是增韧改脆的有效方法,并得到了广泛认可和应用[1,2]。 理论上说,由于混凝土材料是一种多相、多结构、多层次非均质结构复合材料,如果只是掺入单一纤维,势必仅能改善某一相、某一结构、某一层次上的性能,因此,若要综合提高混凝土的整体性能,所掺入纤维也应是多层次混杂的[3,4,5,6]。 通常,高、低弹性模量纤维的混杂在混凝土中可以表现出不同纤维的优点,明显提高或改善单一纤维增强混凝土的性能。

大量研究表明,随着钢纤维掺量的增加,混凝土的韧性有明显提高[7,8]。 但钢纤维的体积掺量通常低于2%。 目前,关于混杂纤维混凝土的研究和应用越来越多, 但对于高掺量钢-聚丙烯混杂纤维对高强混凝土弯曲韧性的研究还鲜有报道。 本文选用研究相对成熟且增韧效果较好的剪切端钩型钢纤维与性能比较稳定的聚丙烯纤维,主要研究体积掺量分别为2.0%、2.5%、3.0%的钢纤维与体积掺量分别为0.11% 、0.165% 、0.22% 的聚丙烯纤维相混杂对C60 高强混凝土弯曲韧性的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥:P·O 42.5 级普通硅酸盐水泥, 用量为546kg/m3。

砂:细度模数2.8的中砂,砂率35%。

石:5~16mm连续级配的普通碎石。

减水剂:聚羧酸高效减水剂,掺量为胶结材料质量的0.3%。

钢纤维:剪切端钩型钢纤维,长35mm,长径比40,抗拉强度≥800MPa,弹性模量>190GPa。

聚丙烯纤维:上海产聚丙烯短纤维,长19mm,抗拉强度≥400MPa,弹性模量3.79GPa。

1.2 试验方法

C60 基准混凝土配合比见表1。 16 组试件分别按照钢纤维体积掺量0、2.0%、2.5%、3.0%与聚丙烯纤维体积掺量0、0.11%、0.165%、0.22%进行混杂,试件尺寸为100mm×100mm×400mm, 并按CECS13—2009《纤维混凝土试验方法标准 》[9]中关于弯曲韧性试验的相关规定在电液伺服万能试验机上以0.1mm/min的加载速率加载, 并根据试验设备的具体情况做适当的调整, 通过位移计测量跨中挠度,与规范略有不同。 试件安装如图1 所示。

kg/m3

2 试验结果与分析

评价纤维混凝土弯曲韧性主要通过荷载-挠度曲线计算相应的弯曲韧性指数,目前较常用的方法有ASTM C1080 和JCI SFRC韧度指数法,这两种方法均已被列入CECS 13—2009 中。试验得到如图2~图5 所示的抗弯荷载-挠度曲线, 图中的S表示钢纤维,P表示聚丙烯纤维,其后的数字表示体积掺量百分比,00 表示素混凝土。

由纤维混凝土的荷载-挠度曲线可知: 单掺钢纤维时,钢纤维体积率越大,荷载-挠度曲线的下降段越丰满,钢纤维高强混凝土表现出更高的韧性[10];对钢纤维掺量一定时的钢-聚丙烯混杂纤维混凝土而言, 不同的聚丙烯纤维掺量对抗弯强度与荷载-挠度曲线所围面积(韧性)有较明显影响;部分试验曲线的下降段中会出现突降现象,这是由于在按位移加载的过程中,试件破坏面间的纤维不足以承担此时的荷载而使试验机出现类似压空的现象而出现荷载突降,之后随着破坏面间承担荷载的纤维增多又使荷载恢复到略微低于突降前荷载的地方。

图6 中自上往下依次为素混凝土、单掺聚丙烯纤维混凝土、 单掺钢纤维混凝土以及钢-聚丙烯混杂纤维混凝土小梁的典型破坏形式。 由图可见,素混凝土与单掺聚丙烯纤维混凝土试件均直接断为两段, 而单掺钢纤维混凝土与钢-聚丙烯混杂纤维混凝土试件破坏时均有较大裂缝出现,但由于钢纤维的存在试件并未断裂,纤维拉结于裂缝之间。 由此可知:试件的破坏形式主要由钢纤维控制。

2.1 混杂纤维混凝土的弯曲韧性指数

ASTM韧度指数法为特征点法, 是应用最为广泛的一种方法。 该方法利用理想弹塑性体作为材料韧性的参考标准, 选用初裂点挠度 δ 的倍数(1.0δ、3.0δ、5.5δ、10.5δ) 作为终点挠度, 然后分别计算荷载-挠度曲线与横轴上4 个点所围成区域的面积,依次记作 Ωδ、Ω3δ、Ω5.5δ、Ω10.5δ,按下列公式计算相应的弯曲韧性指数,I5=Ω3δ/Ωδ, I10=Ω5.5δ/Ωδ, I20=Ω10.5δ/Ωδ。抗弯强度的计算公式为:

式中:f为纤维混凝土的抗弯强度,MPa;Fmax为纤维混凝土破坏的最大荷载,N;L为试验梁支座间的跨距,mm。

注:试件类型中S表示钢纤维,其后面的数字表示体积掺量,P表示聚丙烯纤维,其后的数字表示体积掺量百分比,00 表示素混凝土。

混杂纤维混凝土弯曲韧性主要试验结果见表2所示。

因弯曲韧性指数I5、I10、I20的变化规律基本相同,故本文仅给出I5的对比柱状图(图7),以分析不同纤维混杂对其弯曲韧性的影响规律。

初裂强度与抗弯强度的规律类似:单掺钢纤维时,混凝土的初裂强度与抗弯强度均随着钢纤维掺量的增加而逐渐提高;3%体积掺量的钢纤维使混凝土初裂强度与抗弯强度的提高最大,与素混凝土相比分别提高50%、69%; 掺2%与2.5%钢纤维时,均是0.165%体积掺量的聚丙烯纤维使得混凝土的初裂强度与抗弯强度提高最大;掺3%钢纤维时,混凝土的初裂强度与抗弯强度均随着聚丙烯纤维掺量的增加而逐渐减小。 说明对于钢-聚丙烯混杂纤维混凝土,钢纤维对其初裂强度与抗弯强度起主导提高作用,钢纤维掺量相同时,存在相对最优的聚丙烯纤维掺量,且最优的聚丙烯纤维掺量会随着钢纤维掺量的不同而变化。

单掺钢纤维时,弯曲韧性指数I5、I10、I20均随着钢纤维掺量的增加而略微增大;在相同钢纤维掺量时,弯曲韧性指数I5、I10、I20均随着聚丙烯纤维掺量的增加而先增大后减小,且弯曲韧性指数最大值均出现在聚丙烯纤维掺量为0.11%时; 弯曲韧性指数的最大值均出现在S3P0.11 试件处。 以上数据规律说明,钢纤维体积掺量为2%~3%时,钢纤维混凝土的弯曲韧性随钢纤维掺量的增加而提高; 对于钢-聚丙烯混杂纤维混凝土来说, 钢纤维掺量不变时,0.11% 体积掺量的聚丙烯纤维使其弯曲韧性最好,钢纤维与聚丙烯纤维混杂相比单掺钢纤维出现了较好的正混杂效应。

2.2 混杂纤维混凝土的等效抗弯强度

JCI SFRC委员会韧度指数法是1983 年JCI提出的用等效弯曲强度fe表示纤维混凝土韧性。

式中: fe为等效弯曲强度,MPa;Ωk为跨中挠度为L/150 的荷载-挠度曲线下的面积,N·mm; δk为跨中挠度为L/150 时的挠度值,mm。

由等效弯曲强度对比柱状图(图8)可知:随着钢纤维掺量的增加,纤维混凝土的等效抗弯强度逐渐提高;钢纤维掺量相同时,聚丙烯纤维的掺量对混凝土的等效抗弯强度有不同的影响: 掺2%与2.5%钢纤维时,等效抗弯强度都随着聚丙烯纤维的掺量增加而先提高后降低,掺3%钢纤维时,等效抗弯强度随着聚丙烯纤维掺量的增加而逐渐降低,钢纤维掺量不变时,等效抗弯强度的最大值分别出现在S2P0.165、S2.5P0.11、S3 组中。 说明单掺钢纤维时,钢纤维混凝土的弯曲韧性随着钢纤维掺量的增加而逐渐提高; 钢纤维对钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的抗弯韧性起主导作用,且其最优的混杂比例随着钢纤维掺量的增加,聚丙烯纤维掺量越来越少。

2.3 混杂纤维混凝土的弯曲韧性比

试件的弯曲韧性比Re可按下式计算:

式中:fcr为由初裂荷载计算的抗折初裂强度,其计算公式为fcr=FcrL/bh2, 该公式由纤维混凝土的初裂荷载Fcr代替公式(1)中的Fmax而得到。

由弯曲韧性比对比柱状图(图9)可知:单掺钢纤维时, 弯曲韧性比随钢纤维掺量的增加而增大;掺2%与2.5%钢纤维时, 弯曲韧性比随聚丙烯纤维掺量的增加先增大后减小;掺3%钢纤维时,弯曲韧性比随聚丙烯纤维掺量的增加而逐渐减小;不同钢纤维掺量时,最大弯曲韧性比均出现在该组中聚丙烯纤维掺量为0.11%处,且钢纤维为2.5%聚丙烯纤维为0.11%时的弯曲韧性比最大。 弯曲韧性比与弯曲韧性指数的变化规律基本相同,但弯曲韧性比最大值(S2P0.11)与抗弯韧性指数的最大值(S3P0.11)略有差异,建议使用无量纲化的弯曲韧性指数或者弯曲韧性比来评判纤维混凝土的抗弯韧性。

3 结论

(1)钢纤维混凝土的抗弯强度和韧性均随着钢纤维掺量的增加而明显提高;对钢纤维掺量一定时的钢-聚丙烯混杂纤维混凝土而言, 存在最优的聚丙烯纤维掺量使得抗弯强度和韧性最大,即出现较好的正混杂效应;应用弯曲韧性指数与弯曲韧性比两种韧性评价标准得到混杂纤维混凝土抗弯韧性最优的两组试件均为S3P0.11 与S2.5P0.11。

(2)弯曲韧性指数与弯曲韧性比在反映钢- 聚丙烯混杂纤维高强混凝土韧性时得到基本相同的规律,与等效抗弯强度得到的规律略有差异,建议使用无量纲化的弯曲韧性指数或者弯曲韧性比来评判纤维混凝土的抗弯韧性。

参考文献

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混凝土韧性 篇8

关键词：界面过渡区,韧性,数值模拟,调控技术,混凝土,断裂能

混凝土是一种多相复合材料, 按照混凝土在应力作用下的行为一般将其视作由三相组成:水泥浆基体、分散其中的骨料以及水泥浆-骨料之间的过渡区相。其中, 过渡区相代表骨料颗粒与硬化水泥浆体之间的界面区, 过渡区是围绕骨料周围的一层薄壳, 其公认厚度为不大于200 μm[1], 通常比混凝土的2 个主要相弱, 该区域水化产物的组成与基体部分不同, 其水灰比及孔隙率较砂浆基体相比都较大, 结构相对疏松, 原生微裂纹也明显高于浆体[2]。裂纹扩展过程中裂纹尖端遇到集料-浆体基面时可能发生屏蔽、偏转、捕获以及裂纹固定的情况[3], 从而使裂纹扩展路径发生改变, 进而影响该过程中能量的吸收。Victor C Li等[3]研究发现, 水泥净浆中加入46%的细集料, 断裂韧性提高55%;砂浆中加入33%的粗集料, 断裂韧性提高37%。Rossello C等[4,5]及Ashraf Ragab Mohamed和Will Hansen[6]的研究成果均表明, 混凝土中集料-浆体界面过渡区的性质会影响裂纹的扩展路径:界面粘接强度过高, 界面力学性能 (强度、弹性模量及断裂能) 过大, 混凝土容易形成“穿集料”断裂, 反之则容易形成“沿集料”断裂。

由此可见, 混凝土集料-浆体处的界面相是影响混凝土韧性的重要微结构之一。目前关于界面与混凝土性能的研究已经开展很多, 但是界面相与混凝土韧性之间的定量关系仍然不明确。此外, 虽然人们早就注意到高强混凝土界面过渡区厚度小并且脆性大, 低强混凝土界面过渡区厚度大并且脆性小的事实, 但出于界面过渡区厚度有效调控技术的缺乏, 一直无法探明界面过渡区厚度与混凝土韧性的关系。为此, 采用数值模拟技术结合提出的界面区域减水技术和微观试验, 对界面过渡区厚度与混凝土韧性关系及界面厚度调控技术进行了探索。

1 界面过渡区宽度与韧性关系的数值模拟

应宗权等[7,8,9]将混凝土视为由骨料、砂浆和界面过渡层组成的三相复合材料, 并开发了混凝土三相复合材料模型, 该模型在预测混凝土力学性能方面取得了良好的效果。为揭示界面过渡区对混凝土韧性的影响规律, 运用该模型计算了界面过渡区宽度与韧性的数值规律。

1.1 模型简介

混凝土界面过渡区厚度非常小, 在混凝土的数值计算中, 若本构模型采用应力-应变关系, 计算结果一定程度上受计算网格大小的影响, 引起数值结果的网格依赖性[10]。而用拉应力-裂缝宽度模型替代应力-应变模型, 可以缓解仿真结果对有限元网格尺寸的依赖性[7]。因此, 计算过程中集料、砂浆及界面相材料均采用Abaqus自带的混凝土塑性损伤模型, 其本构关系见式 (1) 和图1。

其中, 裂纹宽度 α=ft/Gf。

为简化计算, 将粗集料视为球形颗粒, 并且满足5~20 mm连续级配要求、具有随机分布特征, 同时将界面过渡区视作具有均一厚度的薄层, 混凝土模型尺寸为80 mm×80 mm, 见图2。计算时, 固定试件一端, 另一端采用单边受拉的加载形式。

1.2 模拟结果

以界面过渡区厚度为变量 (20 μm, 40 μm……500 μm) , 以断裂能Gif及延性系数Du (Du=Gif/ft) 为韧性指标, 利用上述数值模型模拟计算了界面过渡区厚度对混凝土韧性指标的影响, 结果见图3。

由图3 可以看出, 混凝土韧性随着界面过渡区厚度的逐渐增长呈现先增大后减小的趋势。当界面过渡区厚度小于60 μm时, 混凝土表现出明显的脆性;厚度为80~150 μm时, 混凝土韧性处于较优的范围;当厚度超过200 μm后, 韧性又明显下降。这一模拟结果与普通高强混凝土界面过渡区厚度小、脆性大, 低强混凝土界面过渡区宽但脆性稍小的实际情况相符。

2 界面调控技术

2.1 调控方法

在胶凝材料水化过程中, 各组分的溶解度以及离子的迁移速度差异较大且随水化进程而变化。胶凝材料粒子中的含硅组分通常会快速沉积在胶凝材料粒子的表面形成水化产物, 而大部分的Ca2+和SO42-以及部分Al3+将进入到溶液中并在集料表面附近以CH及AFt的形式沉积并成核生长[11]。同时文献[12-15]研究结果表明, 水胶比的增大将导致界面厚度的增加。因此, 如果能够保持基体水胶比不变而单独增加集料表面局部区域的水胶比, 那么浆体中的离子将向集料表面沉积并成核生长, 从而使集料-浆体界面过渡区厚度增加。

为了实现上述保持基体水胶比不变单独提高集料-浆体界面局部区域的水胶比从而实现界面过渡区宽度的调控设想, 提出了“界面区域减水”的概念:利用粗集料表面微小裂隙吸水的特性, 预先采用减水剂溶液对粗集料进行真空饱和处理, 使粗集料的微小裂隙中充满减水剂溶液。拌合过程中, 先将水泥、水及砂等拌制成砂浆, 最后加入粗集料, 在砂浆的湿润下, 粗集料微小裂隙内的减水剂逐渐释放, 粗集料表面的水泥絮凝状结构内的游离水被释放出来, 在粗集料表面形成一个水胶比高于基体的局部区域, 见图4 和图5。

2.2 ITZ厚度

研究人员以孔隙率、未水化水泥的含量、CH含量及其晶体平均尺寸、AFt含量及其晶体平均尺寸、CH晶体取向性、Ca与Si摩尔比 (Ca/Si) 以及显微硬度等沿集料表面的分布情况作为参数研究了界面过渡区的微观结构梯度[16,17,18,19,20,21], 根据所研究的参数特征沿集料表面曲线的走势提出了界面过渡区厚度这样一个概念。然而, 由于界面过渡区与基体之间并没有明显的分界线, 因此, 除Bentz等[22]对界面过渡区的厚度曾采取了相对明确的定义外 (当孔隙率值降至比基体部分孔隙率高10%时, 界面过渡区结束) , 大部分研究人员只给出了一个笼统的概念, 即:当参数特征曲线趋于平缓时, 就表示已经过渡到基体部分。

在研究混凝土界面过渡区厚度、结构及定义的过程中, 曾出现过Barens-Diamond模型、Ollivier-Grandet模型、Zimbeli-nan模型、Monteiro模型、解松善模型等代表性理论模型, 以上各种模型的共同之处是在集料表面上Ca (OH) 2取向生长, 所不同的是对其它水化物的描述[23]。因此, 不妨以Ca/Si沿界面的变化趋势定义界面过渡区厚度:沿集料-浆体界面法线方向Ca/Si特征曲线趋于平缓时距离集料表面的长度。

为了验证界面区域减水技术的调控效果, 采用扫描电镜 (SEM) 和能谱仪 (EDS) 研究了调控后混凝土界面过渡区厚度的变化。首先分别用木质素磺酸钠 (LS) 溶液和聚羧酸 (PCA) 溶液对粗集料进行真空饱和预处理, 粗集料表面保持饱和面干状态, 然后将其小心置于水胶比为0.35 的净浆内, 标养28d后将试件沿集料所在位置切开, 制成高度1 cm的薄片, 以乙醇为冷却剂将切割面小心打磨抛光直至厚度为5 mm左右, 以超声波清洗去表面的浮污, 真空干燥后以EDS在界面处进行线扫描 (见图6) , 测试了混凝土集料-浆体界面处Ca Si的变化趋势, 试验结果见图7。

图7结果表明, 界面处Ca/Si较净浆及集料都高, 主要由界面处CH富集所致。未处理的集料制备的混凝土界面过渡区厚度为28 μm, 采用木质素磺酸钠溶液和聚羧酸溶液处理的粗集料制备的混凝土的界面过渡区厚度分别为46 μm和85 μm, 分别增加了18 μm和57 μm, 且界面过渡区厚度与用来预处理粗集料的减水剂的减水率有关, 减水率越大厚度也越大。由此可见, 界面区域减水调控混凝土界面过渡区厚度是可行的。

2.3 韧性

为了检验数值模拟结果的可靠性, 以界面区域减水调控混凝土界面过渡区厚度, 按照三点弯曲法测试了混凝土的荷载-位移曲线, 结果见图8, 试验时加载速度为0.02 mm/min, a0/D=0.3。以断裂能Gif作为评价混凝土韧性的指标。

图8 表明, 普通混凝土的平均断裂能为143.6 J/m2, 采用木质素磺酸钠溶液及聚羧酸溶液预处理粗集料制备的混凝土平均断裂能分别为169.6 J/m2和181.4 J/m2, 分别提高了18%和26%。混凝土在界面过渡区厚度增加的同时韧性也随之提高, 这与计算机模拟结果趋势一致。

3 讨论

3.1 界面相厚度的作用

数值计算结果表明, 当混凝土界面过渡区厚度小于60 μm时, 混凝土的脆性特征十分明显, 而当界面过渡区厚度超过80μm时, 则混凝土的韧性有明显改善。同时, 试验结果也表明, 界面过渡区厚度的增加有利于提高混凝土的断裂能。为了探讨界面过渡区厚度如何影响混凝土韧性并且体现出明显的差异性, 分别从界面过渡区厚度为20 μm和100 μm的模型混凝土中提取了界面过渡区单元在受拉方向上的平均应力-时间响应, 见图9。

由图9 可知, 界面过渡区单元在受拉方向上平均应力-时间响应大致可分为3 个阶段, 第1 阶段为从受拉开始至0.08s, 该阶段内界面过渡区相处于受力增长阶段, 界面过渡区厚度的差异在此并无明显影响, 2 条曲线基本重合;第2 阶段为0.08~0.14 s, 该阶段内界面过渡区处于屈服阶段, 受力超过峰值荷载后逐渐下降, 此时, 界面过渡区厚度的影响略微有所显现, 厚度为20 μm的界面过渡区相峰值荷载略小于厚度为100μm的界面过渡区, 且前者在第2 阶段内整体都略小于后者;第3 阶段为0.14 s至结束的失稳破坏阶段, 在此区间内界面过渡区快速失稳破坏失效, 但厚度为100 μm的界面过渡区在快速失稳破坏前仍有一段屈服时间 (0.14~0.16 s) , 然后才进入快速失稳破坏。由此表明, 混凝土界面过渡区厚度增加后, 在有利于延迟界面相在快速失稳破坏前的屈服时间, 从而提高混凝土的断裂能。

3.2 存在的问题

以界面区域减水调控混凝土界面过渡区厚度实现韧性提升的试验结果与计算机模拟结果大致趋势是一致的, 但研究中还存在一些问题, 主要体现在以下4 个方面:

(1) 采用具有骨料随机分布特征的2D混凝土模型计算了混凝土的力学性能, 得到的模拟结果与真实混凝土总体趋势是相符的, 但其间也存在一定的差别, 这主要是由混凝土模型过于简单造成的:真实混凝土砂浆并非匀质材料, 骨料也并非规则的球形。

(2) 模拟计算中采用的力学参数为拉伸断裂韧性, 而实际试验采用了弯曲断裂韧性, 两者虽然没有可比性, 但作为同一材料的相似力学参数, 两者间存在一定的正相关性, 随界面宽度的变化趋势总体应是一致的。

(3) 界面区域减水技术调控的混凝土韧性提升幅度与计算机模拟结果的提升水平还存在一定的差距, 这与真实混凝土界面的复杂环境有关, 集料表面的微小裂隙实际分布并不均匀, 这造成了集料表面界面过渡区的厚度仅在有裂隙的小部分区域内增厚, 而计算机模拟中假定集料表面的界面过渡区处于同一厚度。此外, 通过界面区域减水必然影响界面过渡区本身的性能, 这与模拟条件存在一定的差别。

(4) 提高混凝土界面过渡区厚度对韧性有一定的提升效果, 但从混凝土耐久性角度出发, 界面过渡区厚度的增加无疑将降低混凝土的抗介质渗透性能, 对耐久性不利。

4 结语

采用具有骨料随机分布特征的2D混凝土模型模拟了混凝土界面过渡区厚度对韧性的影响规律, 提出了界面区域减水技术, 实现了混凝土界面过渡区厚度的调控。

(1) 混凝土界面过渡区厚度是影响混凝土韧性的重要参数;

(2) 随着界面过渡区厚度逐渐增加, 混凝土韧性呈先增大后减小的趋势, 当界面过渡区厚度小于60 μm时, 混凝土呈现出较强的脆性, 厚度为80~150 μm时, 混凝土韧性处于较优的范围, 当厚度超过200 μm后, 韧性又明显下降;

生命的韧性 篇9

可是, 另一番景象却让我们看到了生命的顽强。

被折断的花草来年春天还可以继续生长, 甚至开出更绚丽的花朵;战死疆场的英雄, 虽死犹生, 他们的精神被继承发扬, 生命得到了延续。

“你可以毁灭他, 但不能消灭他的精神和意志。”海明威的话诠释了这一切。

世间的一切生命都无法摆脱挫折和痛苦的遭遇, 然而若能正确对待挫折与痛苦, 信念不倒, 往往就可获得“新生”。

海伦·凯勒一出生就带有许多残疾, 曾濒临死亡的她, 一直不屈服于命运, 顽强地活了下来, 并学会了几国语言, 成为了世界著名的女作家;全身瘫痪而且双目失明的保尔, 写出了钢铁是怎样炼成的高位瘫痪的张海迪学完了从小学到高中的全部课程, 翻译了许多外文著作。这就是乐观面对命运, 并不断地进取, 让自己坚强, 做到了“身残志不残”。然而, 现在却有人经不起一点挫折, 一个责备, 一次失败, 一次失意……这些都会令他们胆怯, 悲哀, 绝望, 甚至轻生。

电视报道:一个小学生因为放学后被老师留下完成剩下的作业而上吊自杀;中学生因为考试作弊被老师发现而服毒自尽;大学生因为一次考试不及格, 觉得对不起父母而自寻短见, 就这样轻率地结束了自己年轻的生命。如果我们如此地脆弱, 怎么能担当起建设祖国的大任?

海伦、保尔、张海迪, 他们的一生都在努力着、奋斗着, 生命在他们身上是那么的精彩。如果我们经不起困难的考验, 只会向命运低头, 那么我们的生命便会失去意义。