纤维梯度弯曲（精选4篇）
纤维梯度弯曲 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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[7]卢哲安,邹尤,任志刚,等.纤维高强混凝土弯曲韧性试验研究[J].混凝土,2010(3):5-7,12.
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纤维梯度弯曲 篇2
尺寸效应是岩石、水泥砂浆和混凝土等准脆性材料的固有特征,上述材料的断裂参数不但依赖于材料的自身性质,而且与试件尺寸有关[1,2]。 在钢纤维复合材料中,尺寸效应主要由纤维之间的桥连作用以及纤维与基体间的界面黏结参数来表征[3]。 相比于普通混凝土或水泥砂浆,钢纤维的掺入提高了材料的延性,其名义强度受试件尺寸变化的影响程度有所降低,相关研究在超高强钢纤维混凝土和高延性的ECC试件抗弯强度的尺寸效应上得出了相同的结论[4,5]。 为了更详尽地描述钢纤维对弯曲性能尺寸效应的影响规律, Nguyen DL等人对钢纤维混凝土进行了四点弯曲试验研究,对比了在两种钢纤维类型与不同配比下弯曲性能随试件尺寸变化的规律[6]。
虽然有关钢纤维复合材料的尺寸效应的研究一直在进行,但钢纤维分布形式对其弯曲强度尺寸效应的影响尚不明朗[7,8,9,10,11]。 鉴于钢纤维的定向分布带来的性能优势[12],本文在掌握了定向钢纤维水泥基复合材料制备方法的基础上[13,14],对水泥砂浆 、乱向钢纤维增强水泥砂浆以及定向钢纤维增强水泥砂浆的弯曲强度进行了试验研究,建立了用以预测弯曲强度随试件尺寸变化关系的计算式,可为工程设计提供试验依据与理论基础。
1试验概况
1.1试验材料
水泥:P·O 42.5级普通硅酸盐水泥。
砂:标准砂,细度模数2.6。
减水剂:聚羧酸型减水剂,减水率18%,掺量为水泥用量的1%。
水:普通自来水。
钢纤维:圆直型钢纤维,体积率统一取0.9%,具体参数见表1。
水灰比取0.32,以水泥用量为基准的配合比如表2。
1.2试验设计
试件分为水泥砂浆、乱向钢纤维增强水泥砂浆和定向钢纤维增强水泥砂浆三种类型,每组3个试件。 由于试件高度是影响断裂过程区的主要因素[15], 因此,每一组试件均设计为高宽相等,净跨S与高度D的比值为4,缝高比为0.4,试件的具体尺寸如表3所示。 为了直观、方便地表示试验数据,在试验过程中试件统一采用 “钢纤维分布方式+试件高度尺寸”的标注方式。W、L、D分别表示未掺钢纤维、乱向钢纤维与定向钢纤维分布。 如:L-80表示高度为80mm的乱向钢纤维增强水泥砂浆试件。
试验在SUNS2000伺服万能试验机上进行,加载方式如图1所示。 试验中,通过荷载传感器记录瞬时荷载P。 加载过程采用位移控制, 加载速率为0.2mm/min。
2试验结果及分析
2.1试验结果
各组试件的试验结果如表4所示。 由表4可以看出,相比于乱向钢纤维增强水泥砂浆,同一尺寸下,定向钢纤维的分布形式进一步提高了试件的峰值荷载,说明定向分布的钢纤维在拉应力方向上的利用率要远高于乱向分布的钢纤维。
2.2理论分析方法
Bazant基于能量释放理论所提出的尺寸效应律公式如下:
式中:
σN———名义强度,MPa;
D———试件的特征尺寸 (三点弯曲试验取试件高度),mm;
ft′———材料的抗拉强度,MPa;
B———无量纲常数;
D /D0———脆性数 , 与结构的形状和尺寸无关 , D /D0的值越大,材料的脆性特征越明显[2]。
带切口的三点弯曲梁名义弯曲强度可由下式计算:
式中:
S———试件净跨;
Pu———试件的峰值荷载;
W———试件的宽度。
由于测量材料的拉伸强度对机器刚度要求很高,且结果精确程度较低,本文将Bft′统一为待定系数。 将试验数据代入式(2),通过线性回归即可求出Bft′与D0。 检查线性回归中的试验点是否接近直线, 若不是,则说明试验有误。
2.3弯曲强度的尺度律
各组试件的名义弯曲强度随试件尺寸变化的规律如图2所示。 由图2可以看出,水泥砂浆和乱向钢纤维增强水泥砂浆的弯曲强度均随试件尺寸的增大而减小,并且这种减小的趋势逐步降低。 对于定向钢纤维增强水泥砂浆而言,在试件高度大于60mm后,其弯曲强度稳定在大约为7MPa的一条水平线上。 从钢纤维的增强作用分析,当基体中的钢纤维定向后, 在拉应力方向上钢纤维数量增多,增强效果得到显著提升,基体断裂后,纤维的桥连作用仍然存在,其弯曲强度较前者而言稳定在一条相对平缓的水平线上,表明在该尺度范围内,试件弯曲强度没有随尺寸的增大而显著降低。
将试验数据带入Bazant尺度律模型中,并线性回归成Y=AX+C的形式, 以求得模型参数Bft′、D0, 其结果及尺度律模型的相关参数如图3所示。 由图3可以看出 ,掺入钢纤维后 ,材料的脆性明显降低 , 这一点可以从回归曲线的斜率上看出, 斜率越大, 材料的脆性也越大。 当水泥基体中的钢纤维定向后,材料的脆性进一步减小,回归曲线基本稳定在1/σ2=0.7~0.8的水平线上 , 进一步验证了定向钢纤维增强水泥砂浆的弯曲强度受试件尺寸的影响程度不明显。 将各组试件的尺度律以Y=logσN,X=log D绘出尺寸效应的对数图(图4),用以预测大尺寸试件的弯曲强度。 由图4可以发现,当试件尺寸进一步扩大时,水泥砂浆与乱向钢纤维增强水泥砂浆的弯曲强 度有明显 的递减 , 当试件特 征尺寸达 到400mm, 即log D=2.6时 , 依照尺寸效应模型计算式得出的 理论名义 强度分别 为0.173MPa和0.308MPa, 相比40mm高度试件的名义强度分别降低了44.7%和42.3%。 而定向钢纤维增强水泥砂浆在400mm高度试件 中的理论 名义强度 为1.032MPa, 与40mm高度试件相比仅降低了9.1%。 由此可以认为,定向钢纤维增强水泥砂浆的延性较高,其脆性特征在该尺度内不明显。
为了定量反映钢纤维分布形式对材料脆性的影响程度,将各组试件的特征尺寸D与模型参数D0的比值列于表5。 由Bazant尺度律理论可知,当D/ D0<0.1时 ,材料可以认为是延性的 ;随着D/D0的增大,材料的脆性特征逐渐体现出来,当D/D0>10时 , 材料被认为是脆性的[2,7]。 可以看出,水泥砂浆的脆性特征明显, 并且这种特征在试件高度为40mm时就已体现出来。 钢纤维的掺入有效降低了脆性数,但在试件高度达到210mm时, 其脆性数依然超过10 (D/D0=10.23)。 钢纤维定向后,进一步降低了脆性数的增长趋势,在试验尺寸内近乎体现出趋于延性材料的特征,当试件高度达到400mm时,其脆性数仅为1.06。
3结论
(1)钢纤维的掺入使材料的延性有所提高 ,但其弯曲强度的尺寸效应依然存在。
(2)钢纤维定向后 ,在拉应力方向上的增强效率得到提升,使材料的延性进一步提高,试验尺度内没有明显的脆性断裂特征,其弯曲强度的尺寸效应不明显。
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
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纤维梯度弯曲 篇4
以工业废料为主的细掺料加入混凝土中, 能减少混凝土的水泥与集料用量, 使混凝土成为可持续发展材料, 这也是发展高性能混凝土的有效途径之一。矿渣微粉是一种将粒化水淬高炉矿渣经过粉磨达到规定细度的粉体材料, 将其作为掺合料掺入混凝土中, 能显著提高混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能[1]。但研究发现, 高性能混凝土密实的微观结构使其脆性增加, 在遭受高温作用时更容易发生爆裂, 残余承载能力和变形能力劣化严重[2]。在高性能混凝土中掺入钢纤维和聚丙烯纤维, 利用纤维的改性机理能有效地改善混凝土高温后的力学性能[3]。纤维矿渣微粉混凝土就是将比表面积大于400m2/kg的矿渣微粉部分代替纤维混凝土中的水泥而配制成的纤维高性能混凝土。本文通过纤维矿渣微粉混凝土试件在不同温度下的抗折试验和韧性试验, 重点探讨了温度、矿渣掺量、纤维类型与掺量以及混凝土强度等级对高温后纤维矿渣微粉混凝土弯曲性能的影响, 建立了考虑温度、矿渣微粉掺量和钢纤维掺量等影响因素的纤维矿渣微粉混凝土的抗折强度计算公式。
1 试验设计和试验方法
试验采用的原材料为:普通硅酸盐水泥;S95级矿渣微粉, 主要性能指标见表1;铣削型钢纤维, 纤维长度32.6mm, 等效直径0.950mm, 抗拉强度808.6MPa;聚丙烯纤维 (PP fiber) 采用束状单丝的杜拉纤维 (Dura fiber) , 长约19mm, 比重为0.91, 抗拉强度276MPa, 弹性模量3793MPa, 熔点160℃, 燃点约580℃;JKH-1型高效减水剂, 减水率为18.5%;细骨料为河砂, 属级配良好的中砂;粗骨料为粒径5~20mm连续级配的碎石。
本试验主要研究了温度为20℃、200℃、400℃、600℃、800℃;矿渣微粉等量置换0、30%、40%、50%水泥;钢纤维体积率分别为0、0.5%、1%、1.5%、2%, 聚丙烯纤维掺量分别为0、0.6kg/m3、0.9kg/m3、1.2kg m3;混凝土强度等级分别为C40、C60、C80的17种不同配合比的混凝土 (配合比见表2) 。试验采用尺寸为100mm×100mm×400mm的小梁试件, 试件浇筑后在振动台上振动成型, 室内静置24h后拆模, 拆模后立即放入温度为20℃、相对湿度为95%的标准养护室中进行养护, 至90d取出晾干, 然后进行高温试验。
kg/m3
试验采用高温炉加热, 其升降温制度为:以10℃/min的升温速度加热, 分别达到200℃、400℃、600℃、800℃的目标温度后恒温2h, 高温炉自动关机停止加热, 试件在炉内自然冷却至常温后取出, 之后按照CECS 13:89《钢纤维混凝土试验方法》的规定进行抗折试验和弯曲韧性试验。另外, 为了分析高温后性能劣化机理, 将高温作用后的纤维矿渣微粉混凝土破碎, 从骨料与水泥浆体的界面区处选取尺寸小于1cm的片状颗粒作为微观研究试样。将试样在烘箱中烘干后在观察面上喷金, 然后放入扫描电镜中抽真空, 进行微观结构观测。
2 高温后弯曲性能的影响因素
2.1 温度
图1为BⅢP2S2组试件经过不同目标温度后测得的荷载-挠度曲线。由图1可见, 随着温度的升高, 纤维矿渣微粉混凝土的开裂荷载和极限荷载不断降低, 荷载-挠度曲线逐渐趋于扁平, 且所围成的面积减小。200℃和400℃时纤维矿渣微粉混凝土的开裂荷载和挠度、极限荷载和挠度降低幅度较小, 荷载-挠度曲线与常温时相近;600℃和800℃时纤维矿渣微粉混凝土的开裂荷载和挠度、极限荷载和挠度显著降低, 高温引起矿渣微粉混凝土弯曲韧性的劣化。
图2为纤维矿渣微粉混凝土的抗折强度与温度之间的关系, 由图2可见, 随着最高温度的升高, 高温后纤维矿渣微粉混凝土的抗折强度和相对抗折强度 (在相同条件下, 高温后纤维矿渣微粉混凝土的抗折强度值除以其常温下抗折强度值所得的百分比) 均明显降低。
从机理上分析, 高温作用引起矿渣微粉混凝土性能劣化的主要原因是由于试件内部胶凝材料水化产物的变化, 以及由此产生的大量缝隙所造成的, 其中骨料与水泥浆交接区域的界面过渡区结合力对混凝土力学性能影响较大。当混凝土受到外界因素作用时, 界面过渡区是最薄弱的部位, 也是缺陷及微裂缝的始发处[4]。从高温后矿渣微粉纤维混凝土扫描电镜照片 (图3) 中可见, 随着温度的升高, 骨料的膨胀和浆体的收缩使骨料与水泥浆体界面过渡区的孔洞不断增多, 200℃高温后逐渐形成微小裂缝;400℃时裂缝较为明显地增多增宽;800℃时骨料与水泥浆体界面粘结更加松散, 水泥浆体中孔洞也进一步扩大和增多, 骨料与浆体间的裂缝迅速扩展, 裂缝宽度更大, 骨料破坏比较严重。
2.2 矿渣微粉掺量
图4为400℃高温后, 对应不同矿渣微粉掺量下BⅠP2S2、BⅡP2S2、BⅢP2S2和BⅣP2S2组试件的荷载-挠度曲线。由图4可见, 加入矿渣微粉的纤维混凝土的开裂荷载和极限荷载都有显著提高, 荷载-挠度曲线较为饱满, 呈现出较大的韧性。这是因为矿渣微粉与富集在界面过渡区的Ca (OH) 2反应, 生成C2S2H凝胶, 从而使Ca (OH) 2晶体、钙矾石和孔隙大量减少。另外, 矿渣微粉颗粒极细, 可减少内泌水, 消除骨料下部的水膜, 使界面过渡区厚度变薄, 结构密实度与水泥浆体相接近, 骨料与浆体间的粘结力进而得到增强[5]。当矿渣微粉掺量为40%时, 增强效果最为显著。
图5 (a) 为400℃高温后素混凝土和不同矿渣微粉掺量下纤维混凝土的抗折强度试验结果。从图中可以看出, 矿渣微粉在一定程度上提高了400℃高温后素混凝土和纤维混凝土的抗折强度, 并且纤维矿渣微粉混凝土较素矿渣微粉混凝土的抗折强度提高幅度更大。对于素混凝土, 掺50%矿渣时的抗折强度最大;对于纤维混凝土, 掺40%矿渣时的抗折强度最大。由图5 (b) 可知, 相对抗折强度随矿渣微粉掺量的变化差别较小, 说明矿渣微粉掺量对高温后抗折强度的损失影响不明显。
2.3 钢纤维体积率
图6为经400℃高温后, 不同钢纤维体积率下, BⅢP2S0、BⅢP2S1、BⅢP2S2、BⅢP2S3和BⅢP2S4组试件的荷载-挠度曲线。从图6可以发现, 随着钢纤维体积率的增大, 高温后纤维矿渣微粉混凝土的开裂荷载和极限荷载不断提高, 荷载-挠度曲线愈加饱满。即试件从开裂到破坏, 随着所需能量的增大, 韧性越来越好。随着裂缝的发展, 当纤维矿渣微粉混凝土承载能力达到临界值后, 因钢纤维与混凝土基体间界面粘结强度逐步达到了极限, 钢纤维被不断拔出或拉断, 承载能力降低, 跨中挠度增长较快, 曲线呈现缓慢下降趋势。钢纤维掺量越大, 荷载-挠度曲线下降趋势越缓。
抗折试验结果表明, 400℃高温后, 纤维矿渣微粉混凝土抗折强度比未掺钢纤维的大, 且随着钢纤维体积率增大, 抗折强度会显著提高, 见图7 (a) 。主要是由于钢纤维的桥联和阻裂作用有利于提高高温后矿渣微粉混凝土的抗折强度[6]。另外, 虽然钢纤维的导热系数非常高, 减少了混凝土基体内外温差以及因受热不均而产生的内部裂缝, 但钢纤维与矿渣微粉混凝土同时膨胀与收缩会产生微观间隙, 此间隙将影响钢纤维对混凝土高温性能的改善作用。由图7 (b) 可见, 钢纤维体积率对高温后抗折强度的损失影响不明显。
2.4 聚丙烯纤维掺量
图8为400℃高温后, 不同聚丙烯纤维掺量下的BⅢP0S2、BⅢP1S2、BⅢP2S2和BⅢP3S2组试件的荷载-挠度曲线。由图8可以看出, 聚丙烯纤维对纤维矿渣微粉混凝土弯曲韧性的影响较小, 但是聚丙烯纤维的存在提高了400℃高温后混凝土的抗折强度, 且随着聚丙烯纤维掺量的增大, 抗折强度呈上升趋势, 见图9 (a) 。随着聚丙烯纤维掺量的增加, 纤维矿渣微粉混凝土相对抗折强度也随着不断增大, 见图9 (b) 。表明通过增大聚丙烯纤维掺量可以降低矿渣微粉混凝土抗折强度的高温损失。这是因为, 虽然聚丙烯纤维的掺入会增加混凝土的含气量, 减小混凝土的密实度, 而且其在高温熔融后留下的孔道会增加混凝土内的毛细孔, 使混凝土基体内部缺陷增多, 对强度有不利影响, 但这些毛细孔的存在也加快了高温时混凝土内部水分的发散, 降低了混凝土内部的蒸汽压力, 缓解了高温中混凝土内的热损伤, 有利于减弱高温对抗折强度的劣化。在这两种因素的综合作用下, 本试验所选掺量范围内的聚丙烯纤维对缓解高温后纤维矿渣微粉混凝土强度损失起到了有利的影响。
2.5 混凝土强度等级
图10为400℃高温后, 纤维矿渣微粉混凝土在不同混凝土强度等级下, AⅢP2S2、BⅢP2S2和CⅢP2S2组试件的荷载-挠度曲线。由图10可见, 随着混凝土强度等级从C40增至C80, 高温后纤维矿渣微粉混凝土弯曲韧度逐渐增大。400℃高温后, 纤维矿渣微粉混凝土抗折强度也有类似的规律, 见图11 (a) 。但是, 高温后纤维矿渣微粉混凝土相对抗折强度则变化不大, 见图11 (b) 。
3 抗折强度的计算方法
试验结果表明, 高温作用降低了纤维矿渣微粉混凝土的抗折强度。因此, 考虑温度、矿渣微粉掺量、钢纤维掺量影响的高温后纤维矿渣微粉混凝土抗折强度计算模型取为:
式中, fTftm、fftm分别为高温后和常温下纤维矿渣微粉混凝土抗折强度 (MPa) ;α、β是与温度有关系数, 为了反映高温前后纤维矿渣微粉抗折强度的变化, 根据对本文试验结果分析, 当温度20℃≤T≤800℃时, α、β分别为6×104、2.682。
对于常温下纤维矿渣微粉混凝土抗折强度的计算, 由于聚丙烯纤维对抗折强度的影响较小, 本文采用在钢纤维混凝土抗折强度计算公式的基础上[7], 考虑到矿渣微粉掺量影响, 即:
式中, γ为矿渣微粉等量置换水泥对纤维矿渣微粉混凝土抗折强度的影响系数, 根据本文试验结果, γ=1+0.5891η, 其中, η为矿渣微粉等量置换水泥量, %, 0≤η≤50%;ftm为素混凝土的抗折强度;αtm为钢纤维对混凝土抗折强度的影响系数, 在本试验中取为0.995;λf为钢纤维含量特征值。
将本文试验值与式 (2) 的计算值进行比较, 二者比值的均值为1.0026, 均方差为0.0016, 变异系数为0.0393, 符合程度较好。
4 结语
(1) 随着温度的升高, 纤维矿渣微粉混凝土高温后的抗折强度和弯曲韧性均不断降低。
(2) 矿渣微粉能提高高温后混凝土的弯曲性能, 其掺量为40%时效果较显著。
(3) 钢纤维和聚丙烯纤维均能有效提高纤维矿渣微粉混凝土高温后的抗折强度。随着钢纤维掺量的增大, 高温后矿渣微粉混凝土弯曲韧性有明显地提高, 但相对抗折强度变化较小。
(4) 随着混凝土基体强度的提高, 纤维矿渣微粉混凝土的弯曲性能有一定改善。
(5) 考虑温度、钢纤维掺量和矿渣微粉掺量的影响, 高温后纤维矿渣微粉混凝土抗折强度可用公式 (1) 和式 (2) 计算。
参考文献
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