摘 要: 本文通過30個尺寸為200mm×170mm×100mm的混雜纖維高強混凝土試件的楔劈拉伸試驗,探討鋼纖維與聚丙烯纖維混雜效應及其對高強混凝土斷裂韌度、斷裂能和臨界裂縫張開位移的影響。試驗結(jié)果表明:加入纖維改善了高強混凝土的斷裂性能。隨著鋼纖維體積分數(shù)(ρf ) 的增加,斷裂參數(shù)增益比呈線性增加。聚丙烯纖維在小開裂位移條件下,對高強混凝土的開裂有約束作用,該效應隨著位移的增加逐漸消失,鋼纖維在混雜纖維高強混凝土斷裂性能的改善方面起著主導作用。ρf = 1.5 %、聚丙烯纖維摻量Vf = 0.6kg/ m3 為本次試驗配合比條件下的最佳纖維摻量組合。本文在試驗的基礎(chǔ)上,建立了混雜纖維高強混凝土斷裂韌度、斷裂能和臨界裂縫嘴張開位移的計算公式。
關(guān)鍵詞: 建筑材料;斷裂性能;斷裂韌度;高強混凝土;斷裂能;裂縫嘴張開位移;混雜纖維
中圖分類號: TV4 文獻標識碼: A
0 引言
隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的不斷發(fā)展,對混凝土材料提出了更高的要求。目前,混凝土材料正朝著高強度、高韌性、高阻裂、高耐久、高體積穩(wěn)定性和工作性的方向發(fā)展。有關(guān)研究結(jié)果表明[1 ] ,高性能混凝土因采用了較小的水膠比并使用了高效減水劑,大幅度減少了開放孔,提高了混凝土的彈性模量和抗壓強度,但對類似裂紋的封閉孔影響甚微,即對抗拉性能的改善有限,因而導致拉壓比的下降。通過試件破壞后分析發(fā)現(xiàn),大量粗集料剪斷或拉斷,在宏觀力學行為上呈現(xiàn)劇烈的脆性破壞特征。為了提高高強混凝土(high strength concrete ,HSC) 的抗拉性能和韌性,在水泥基體中摻入纖維是強化、韌化混凝土,改善其性能的有效途徑。但是,使用單一纖維的纖維摻量一般都比較大而且難以實現(xiàn)既增強又增韌的目的[2 ] ?；祀s纖維混凝土復合材料可以是不同尺寸的纖維混雜和不同彈性模量的纖維混雜[3 ] 。采用鋼纖維與其他有機合成纖維混雜,用高模量鋼纖維提高混凝土的強度,低模量有機合成纖維提高混凝土的韌性,是實現(xiàn)既增強又增韌、節(jié)省工程造價、減輕混凝土自重的一條有效途徑[4 ] 。本文在保證HSC 工作性能的前提下,同時摻入高彈模的鋼纖維和低彈模的聚丙烯纖維制成鋼纖維- 聚丙烯纖維混雜增強高強混凝土(簡稱混雜纖維高強混凝土,hybrid fiber reinforced high2strength concrete ,HFHSC) 。利用楔劈拉伸試驗方法,研究鋼纖維和聚丙烯纖維混雜對HFHSC 材料的斷裂韌度( KhIC) 、斷裂能( GhF) 、臨界裂縫嘴張開位移(critical crack mouth opening displacement ,δhC) 的影響。
1 試件設計與試驗方法
楔劈拉伸方法利用物理學上的楔劈原理,在較小的縱向力作用下,在試件預制裂縫切口處產(chǎn)生兩個較大的水平分力,并在切口尖端處產(chǎn)生應力集中;當其主應力達到混凝土抗拉強度時,在切口尖端處產(chǎn)生宏觀裂縫。HFHSC 楔劈拉伸試件形狀如圖1 所示,試件尺寸為L·h·t ,mm:200 ×170 ×100 ,切口相對深度a0/h = 0.4。澆注混凝土采用強制攪拌機拌和,臺式振動器振動成型,24h 后拆模,室內(nèi)塑料薄膜覆蓋,灑水養(yǎng)護28d。試驗分10組,共30 個試件。
為了研究纖維混雜對HSC 斷裂性能的影響,試驗參數(shù)設計分為二個系列。(1) 聚丙烯纖維摻量( Vf ) 變化系列。ρf = 1.5 % ,Vf = 0.6kg/ m3 ,0.9kg/m3 ,1.2kg/ m3 ; (2) 鋼纖維體積分數(shù)(ρf ) 變化系列。Vf = 0.9kg/ m3 ,ρf =0.5 % ,1.0 % ,1.5 %。鋼纖維采用銑削型鋼纖維,聚丙烯纖維為杜拉纖維。纖維特征參數(shù)見表1。采用150mm ×150mm ×150mm 和150mm ×150mm ×300mm 立方體和棱柱體試件分別測定HFHSC 及HSC 的抗壓強度、劈裂抗拉強度和泊松比。
HFHSC 配合比設計參照《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS38 :2004) [5 ]中有關(guān)鋼纖維混凝土配合比設計方法進行,聚丙烯纖維的加入不改變HFHSC 配合比?；鶞仕冶?.3 ,砂率0.4 ;石子為石灰石碎石,最大粒徑20mm;細骨料為中粗天然河砂,細度模數(shù)3.41 ;水泥為42.5 級普通硅酸鹽水泥;FDN21 型高效減水劑,摻量為水泥用量的1.5 %。裂縫用埋入2mm 厚的鋼片預制而成,鋼片端部磨成刀刃狀。試驗齡期70d。制作適合于楔劈拉伸試件的試驗裝置,在3 000kN液壓式壓力試驗機上進行試驗,荷載傳感器的測量范圍為0～30kN ,試驗加載與量測見圖2。試驗采用連續(xù)穩(wěn)定的加載方式,接近破壞時降低加載速度。采用自制的夾式引伸儀測量裂縫嘴張開位移(δ) ,通過X～ Y 函數(shù)記錄儀同時測得縱向荷載2δ曲線( Pv - δ) ,經(jīng)過AutoCAD 等計算機圖形處理軟件處理,得到一系列HFHSC 試件的Pv - δ曲線(見圖3) 。根據(jù)試驗測得的HFHSC 試件的豎向峰值荷載Pv 和Pv - δ曲線,再將豎向荷載換算為橫向荷載Ph ,分別計算HFHSC 試件的KhIC , GhF ,δhC和HSC 試件的KIc , GF ,δC ,試驗結(jié)果見表2。試件斷裂韌度采用式(1) 計算[6 ] :
式中, Ph 為試驗中由荷載傳感器量測的豎向荷載換算得到的試件最大橫向荷載,N; h 為試件高度,mm; t 為試件厚度,mm; a0 為試件開口深度,mm。試件斷裂能按式(2) 計算[7 ] :
式中:W0 為經(jīng)過換算后得到的Ph～δ曲線下的面積,N·m; Alig為試件韌帶面積,m2 。
2 試驗結(jié)果分析
與楔劈拉伸試件對應的HFHSC 和HSC 立方體試塊力學性能指標的測試結(jié)果見表2。從表2 可以看出:HFHSC抗壓強度增益比(HFHSC 抗壓強度與其對比組試件HSC抗壓強度的比值) 隨纖維摻量變化的規(guī)律不明顯,說明纖維的加入對HSC 抗壓強度沒有顯著影響。對劈裂抗拉強度而言, 無論纖維摻量如何, 與HSC 對比組試件相比,HFHSC 抗拉強度增益比(HFHSC 抗拉強度與其對應的HSC抗拉強度的比值) 介于1.04～1.49 之間,纖維的加入可以提高HSC 的抗拉強度。HFHSC的KhIC 、GhF 、δhC 及HSC 的KIC 、GF 、δC 試驗結(jié)果見表3。為了消除基體混凝土強度變異對測試結(jié)果的影響,客觀反映纖維混雜對HFHSC 斷裂性能的作用,在澆筑HFHSC 的同時,采用與HFHSC 配合比相同去掉纖維的同條件HSC 作為對比組試件,用HFHSC 斷裂參數(shù)增益比反映纖維混雜的影響,其定義為:
式中: KhIC 、GhF 、δhC分別為HFHSC 的斷裂韌度、斷裂能和臨界裂縫嘴張開位移; KIC 、GF 、δC 分別為HFHSC 對比組試件HSC 的斷裂韌度、斷裂能和臨界裂縫嘴張開位移。
表注:M表示銑削型鋼纖維,P 表示聚丙烯纖維;W表示試件為楔劈拉伸試件;前兩個數(shù)字表示與第一個字母對應的10 倍纖維含量,后兩個數(shù)字表示與第二個字母對應的10 倍纖維含量; - 0 表示HFHSC 試件的對比組HSC。
2.1 斷裂韌度
KhIC和KIC計算結(jié)果見表3。從表3 可以看出,對于Vf 變化系列,ρf = 1.5 % ,Vf = 0.9kg/ m3 、1.2kg/ m3 的試件的斷裂韌度比Vf = 0.6kg/ m3 試件的斷裂韌度分別減小10.4 %、3.4 % ,Vf 變化對試件KhIC影響較小;對于ρf 變化系列,當Vf = 0.9kg/ m3 時, KhIC隨著ρf 的增加呈線性增加,ρf 每增加0.5 % , KhIC平均增加20.5 % ,增益效果非常明顯。
圖4、圖5 分別為兩個系列KhIC/KIC隨纖維摻量變化對比圖。從圖4 可以看出,Vf 變化對KhIC/KIC的影響沒有明顯的規(guī)律性,增益比變化在1.58 和2.01 之間,最大與最小增益比相差21.5 %。從圖5 可以看出,隨著ρf 的增加, KhIC/ KIC呈直線上升趨勢,增益比在1.05 和1.58 之間。比較圖4、圖5 還可以看出,鋼纖維和聚丙烯纖維對HSC 斷裂韌度的改善存在較大差異,隨著ρf 的增加, KhIC/KIC線性增加,而Vf 的變化與KhIC/KIC之間沒有直接相關(guān)性,說明HFHSC 中鋼纖維對HSC 斷裂韌度改善的有效性及主導作用。
2.2 斷裂能
GhF和GE 計算結(jié)果見表3。從表3 看出,對于Vf 變化系列,與HSC 相比,HFHSC 斷裂能都有不同程度的提高;但隨著Vf 的增加,斷裂能變化不大。當ρf = 1.5 %時, Vf = 1.2kg/ m3 混雜纖維高強混凝土的斷裂能比Vf =0.9kg/ m3 時的斷裂能增加只有5.7 % ,而Vf = 1.2kg/ m3 的斷裂能只有Vf = 0.6kg/ m3 斷裂能的94.2 %。因此,可以認為Vf 變化系列,Vf 對斷裂能沒有顯著影響。對于ρf 變化系列,當Vf = 0.9kg/ m3 時, GhF隨著ρf 的增加逐漸提高,與ρf = 0.5 %相比,ρf = 1.0 %和ρf = 1.5 %時的HFHSC 斷裂韌度分別提高89.9 %和162.4 %。
圖6、圖7 分別為兩個系列GhF／GF 隨纖維摻量變化比較圖。從圖6 可以看出,隨著Vf 的增加,最大斷裂能增益比(相應于Vf = 0.6kg/ m3 ) 與最小斷裂能增益比(相應于Vf = 0.9kg/ m3 ) 僅有5.9 %的差異,斷裂能增益比變化不明顯。從圖7 可以看出,隨著ρf 的增加,斷裂能增益比顯著增加,且其增益幅度隨ρf 的增加而增大,最大斷裂能增益比達到11.82 ,最小增益比也有3.25 。
2.3 裂縫嘴張開位移δhC和δC 計算結(jié)果見表3。從表3 可以看出,對Vf 變化系列,Vf 的變化與δhC之間沒有相關(guān)性;對ρf 變化系列,δhC隨著ρf 的增加線性增加;當Vf = 0.9kg/ m3 時,與ρf = 0.5 %相比,ρf = 1.0 %和ρf = 1.5 % HFHSC 試件的δhC分別提高101.6 %和182.1 %。圖8、圖9 分別為兩個系列δhC/δC 與纖維摻量之間的關(guān)系圖。從圖8 可以看出,隨著Vf 的增加,δhC／δC 變化沒有明顯的規(guī)律性,但在ρf = 1.5 % ,Vf = 0.6kg/ m3 條件下,δhC/δC 表現(xiàn)出了較好的特性,與斷裂韌度、斷裂能在該纖維摻量條件下取得最佳效果的結(jié)論一致。從圖9 可以看出,隨著ρf 的增加,δhC/δC 明顯增加,增益比變化在0.816 和2.123 之間,平均增益比為1.41 。這同樣反映了鋼纖維對HSC 的δC 性能改善的主導作用。
3 混雜纖維的增強機理和計算方法
從實測HFHSC 的荷載- 裂縫嘴張開位移曲線可見,隨著ρf 的增加,HFHSC 的極限承載力隨之增加,試驗曲線漸趨飽滿。與鋼纖維高強混凝土試驗曲線相比[8 ] ,HFHSC 試驗曲線的線性發(fā)展稍有提高,曲線下降段的階梯下降比鋼纖維高強混凝土更為明顯。意味著聚丙烯纖維在小開裂位移條件下,對HSC 的開裂有約束作用,但該效應隨著變形的增加而逐漸消失。聚丙烯纖維對HFHSC 的斷裂性能影響不大的主要原因是:在HSC 中加入混雜纖維使混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,產(chǎn)生了許多新的界面,使形成孔隙的幾率增加,最終使混凝土內(nèi)部薄弱環(huán)節(jié)相應增多。在外力作用下,缺陷部位將產(chǎn)生較大的應力集中,從而使裂縫進一步擴展,導致整個混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞。由于聚丙烯纖維的不親水性,纖維- 基材界面往往具有比基材更高的水灰比,這將造成聚丙烯纖維基材界面呈弱界面效應。此外,試驗采用的纖維摻量相對較高,使得HFHSC 的攪拌成型工藝受到一定影響,纖維在混凝土內(nèi)部的分布有可能存在不均勻現(xiàn)象,阻礙了聚丙烯纖維作用的充分發(fā)揮。因此,混雜纖維的摻入量、攪拌、纖維被砂漿包裹程度影響混凝土內(nèi)部缺陷的大小與分布,只有合適的纖維混雜比例,才能發(fā)揮鋼纖維與聚丙烯纖維的作用[9 ] 。同時,與聚丙烯纖維和鋼纖維單獨增強與增韌相比,纖維混雜還存在增強與增韌效果的重疊效應。綜合本文斷裂韌度、斷裂能、δC 以及相應的增益比的分析可見,HFHSC 在小體積率(ρf = 1.5 % , Vf = 0.6kgPm3 ) 情況下均表現(xiàn)出了良好的增益效果。因此,可以認為在本次試驗配合比條件下,ρf = 1.5 % ,Vf = 0.6 kg/m3 為最佳纖維摻量。
試驗表明,在試驗ρf 范圍內(nèi),HFHSC 斷裂參數(shù)增益比與ρf 具有線性關(guān)系(圖5、圖7 和圖9) 。因此,可以用混雜系數(shù)反映鋼纖維與聚丙烯纖維對斷裂參數(shù)的混雜效應,用文獻[8 ]的鋼纖維高強混凝土斷裂性能指標的線性模式反映鋼纖維的主導影響。因此,HFHSC 斷裂參數(shù)的計算模式為:
Ffc = Fcβsp (1 +αsλf) (4)
式中Ffc為HFHSC 斷裂參數(shù); Fc 為HSC 斷裂參數(shù);βsp為鋼纖維與聚丙烯纖維對斷裂參數(shù)的混雜效應系數(shù);αs 為鋼纖維對斷裂參數(shù)的增強系數(shù);λf 為鋼纖維含量特征參數(shù),是ρf 與長徑比lf/df 的乘積。
作者同時還進行了聚丙烯纖維高強混凝土斷裂性能的試驗研究,結(jié)果表明,聚丙烯纖維摻量對高強混凝土斷裂韌度基本上沒有影響,但斷裂能、臨界裂縫張開位移提高;斷裂能增益比和臨界裂縫張開位移增益比隨聚丙烯纖維摻量增加的增長并不明顯。考慮到聚丙烯纖維與鋼纖維混雜時,鋼纖維起主導作用,同時纖維混雜還存在增強與增韌效果的重疊效應,因此,綜合聚丙烯纖維高強混凝土和混雜纖維高強混凝土斷裂性能的試驗結(jié)果,混雜纖維高強混凝土斷裂韌度、斷裂能和臨界裂縫張開位移計算式中的混雜效應系數(shù)βsp分別為1、1.05 和1.05 。
按照模式(4) 對本文試驗結(jié)果進行回歸分析,得到HFHSC 斷裂韌度、斷裂能和臨界裂縫嘴張開位移的計算式中的鋼纖維對斷裂參數(shù)的增強系數(shù)αs 。因此,切口相對深度a0 / h 為0.4 時,HFHSC 斷裂韌度、斷裂能和臨界裂縫嘴張開位移的計算式分別為:
Kf IC = (1 +αsp , kλf ) KⅠC (5)
Gf F = 1. 05 (1 +αsp , gλf ) GF (6)
δfc = 1. 05 (1 +αsp ,δλf )δC (7)
根據(jù)本文試驗結(jié)果得到αsp ,k ,αsp ,g ,αsp ,δ分別為1.06 ,16.78 和1.37 。試驗值與式(5) 計算值之比的平均值為0.974 ,均方差為0.0595 ,變異系數(shù)為0.0611 ;與式(6) 計算值之比的平均值為0.889 ,均方差為0.198 ,變異系數(shù)為0.223 ;與式(7) 計算值之比的平均值為0.885 ,均方差為0.229 ,變異系數(shù)為0.259?？梢?計算值與試驗值符合較好。
4 結(jié)論
(1) 混雜纖維的加入提高了高強混凝土的斷裂韌度、斷裂能和裂縫嘴張開位移。但是,隨著聚丙烯纖維摻量的增加,斷裂參數(shù)增益比變化沒有明顯的規(guī)律性;隨著鋼纖維體積率的增加,斷裂參數(shù)增益比線性增加,鋼纖維在混雜纖維高強混凝土斷裂性能的改善方面起著主導作用。
(2) 在鋼纖維體積率ρf = 1.5 % ,聚丙烯纖維摻量Vf = 0.6kg/ m3 的混雜纖維高強混凝土中,試件的斷裂韌度、斷裂能和裂縫嘴張開位移均有明顯的改善,該纖維摻量組合為本次試驗配合比條件下的最佳纖維組合。
(3) 與鋼纖維高強混凝土試驗曲線相比,混雜纖維高強混凝土試驗曲線Pv-δ的線性發(fā)展稍有提高,曲線下降段的階梯下降比鋼纖維高強混凝土更為明顯。聚丙烯纖維在小開裂位移條件下,對高強混凝土的開裂有約束作用,但該效應隨著變形的增加逐漸消失。
(4) 混雜纖維高強混凝土斷裂性能指標與高強混凝土斷裂性能指標以及鋼纖維含量特征參數(shù)具有式(5) 、式(6) 和式(7) 的統(tǒng)計關(guān)系。但由于試驗數(shù)據(jù)的局限性,這些統(tǒng)計關(guān)系還有待于進一步試驗研究。
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