摘 要: 本文通过30个尺寸为200mm×170mm×100mm的混杂纤维高强混凝土试件的楔劈拉伸试验,探讨钢纤维与聚丙烯纤维混杂效应及其对高强混凝土断裂韧度、断裂能和临界裂缝张开位移的影响。试验结果表明:加入纤维改善了高强混凝土的断裂性能。随着钢纤维体积分数(ρf ) 的增加,断裂参数增益比呈线性增加。聚丙烯纤维在小开裂位移条件下,对高强混凝土的开裂有约束作用,该效应随着位移的增加逐渐消失,钢纤维在混杂纤维高强混凝土断裂性能的改善方面起着主导作用。ρf = 1.5 %、聚丙烯纤维掺量Vf = 0.6kg/ m3 为本次试验配合比条件下的最佳纤维掺量组合。本文在试验的基础上,建立了混杂纤维高强混凝土断裂韧度、断裂能和临界裂缝嘴张开位移的计算公式。
关键词: 建筑材料;断裂性能;断裂韧度;高强混凝土;断裂能;裂缝嘴张开位移;混杂纤维
中图分类号: TV4 文献标识码: A
0 引言
随着现代建筑技术的不断发展,对混凝土材料提出了更高的要求。目前,混凝土材料正朝着高强度、高韧性、高阻裂、高耐久、高体积稳定性和工作性的方向发展。有关研究结果表明[1 ] ,高性能混凝土因采用了较小的水胶比并使用了高效减水剂,大幅度减少了开放孔,提高了混凝土的弹性模量和抗压强度,但对类似裂纹的封闭孔影响甚微,即对抗拉性能的改善有限,因而导致拉压比的下降。通过试件破坏后分析发现,大量粗集料剪断或拉断,在宏观力学行为上呈现剧烈的脆性破坏特征。为了提高高强混凝土(high strength concrete ,HSC) 的抗拉性能和韧性,在水泥基体中掺入纤维是强化、韧化混凝土,改善其性能的有效途径。但是,使用单一纤维的纤维掺量一般都比较大而且难以实现既增强又增韧的目的[2 ] 。混杂纤维混凝土复合材料可以是不同尺寸的纤维混杂和不同弹性模量的纤维混杂[3 ] 。采用钢纤维与其他有机合成纤维混杂,用高模量钢纤维提高混凝土的强度,低模量有机合成纤维提高混凝土的韧性,是实现既增强又增韧、节省工程造价、减轻混凝土自重的一条有效途径[4 ] 。本文在保证HSC 工作性能的前提下,同时掺入高弹模的钢纤维和低弹模的聚丙烯纤维制成钢纤维- 聚丙烯纤维混杂增强高强混凝土(简称混杂纤维高强混凝土,hybrid fiber reinforced high2strength concrete ,HFHSC) 。利用楔劈拉伸试验方法,研究钢纤维和聚丙烯纤维混杂对HFHSC 材料的断裂韧度( KhIC) 、断裂能( GhF) 、临界裂缝嘴张开位移(critical crack mouth opening displacement ,δhC) 的影响。
1 试件设计与试验方法
楔劈拉伸方法利用物理学上的楔劈原理,在较小的纵向力作用下,在试件预制裂缝切口处产生两个较大的水平分力,并在切口尖端处产生应力集中;当其主应力达到混凝土抗拉强度时,在切口尖端处产生宏观裂缝。HFHSC 楔劈拉伸试件形状如图1 所示,试件尺寸为L·h·t ,mm:200 ×170 ×100 ,切口相对深度a0/h = 0.4。浇注混凝土采用强制搅拌机拌和,台式振动器振动成型,24h 后拆模,室内塑料薄膜覆盖,洒水养护28d。试验分10组,共30 个试件。
为了研究纤维混杂对HSC 断裂性能的影响,试验参数设计分为二个系列。(1) 聚丙烯纤维掺量( Vf ) 变化系列。ρf = 1.5 % ,Vf = 0.6kg/ m3 ,0.9kg/m3 ,1.2kg/ m3 ; (2) 钢纤维体积分数(ρf ) 变化系列。Vf = 0.9kg/ m3 ,ρf =0.5 % ,1.0 % ,1.5 %。钢纤维采用铣削型钢纤维,聚丙烯纤维为杜拉纤维。纤维特征参数见表1。采用150mm ×150mm ×150mm 和150mm ×150mm ×300mm 立方体和棱柱体试件分别测定HFHSC 及HSC 的抗压强度、劈裂抗拉强度和泊松比。
HFHSC 配合比设计参照《纤维混凝土结构技术规程》(CECS38 :2004) [5 ]中有关钢纤维混凝土配合比设计方法进行,聚丙烯纤维的加入不改变HFHSC 配合比。基准水灰比0.3 ,砂率0.4 ;石子为石灰石碎石,最大粒径20mm;细骨料为中粗天然河砂,细度模数3.41 ;水泥为42.5 级普通硅酸盐水泥;FDN21 型高效减水剂,掺量为水泥用量的1.5 %。裂缝用埋入2mm 厚的钢片预制而成,钢片端部磨成刀刃状。试验龄期70d。制作适合于楔劈拉伸试件的试验装置,在3 000kN液压式压力试验机上进行试验,荷载传感器的测量范围为0～30kN ,试验加载与量测见图2。试验采用连续稳定的加载方式,接近破坏时降低加载速度。采用自制的夹式引伸仪测量裂缝嘴张开位移(δ) ,通过X～ Y 函数记录仪同时测得纵向荷载2δ曲线( Pv - δ) ,经过AutoCAD 等计算机图形处理软件处理,得到一系列HFHSC 试件的Pv - δ曲线(见图3) 。根据试验测得的HFHSC 试件的竖向峰值荷载Pv 和Pv - δ曲线,再将竖向荷载换算为横向荷载Ph ,分别计算HFHSC 试件的KhIC , GhF ,δhC和HSC 试件的KIc , GF ,δC ,试验结果见表2。试件断裂韧度采用式(1) 计算[6 ] :
式中, Ph 为试验中由荷载传感器量测的竖向荷载换算得到的试件最大横向荷载,N; h 为试件高度,mm; t 为试件厚度,mm; a0 为试件开口深度,mm。试件断裂能按式(2) 计算[7 ] :
式中:W0 为经过换算后得到的Ph～δ曲线下的面积,N·m; Alig为试件韧带面积,m2 。
2 试验结果分析
与楔劈拉伸试件对应的HFHSC 和HSC 立方体试块力学性能指标的测试结果见表2。从表2 可以看出:HFHSC抗压强度增益比(HFHSC 抗压强度与其对比组试件HSC抗压强度的比值) 随纤维掺量变化的规律不明显,说明纤维的加入对HSC 抗压强度没有显著影响。对劈裂抗拉强度而言, 无论纤维掺量如何, 与HSC 对比组试件相比,HFHSC 抗拉强度增益比(HFHSC 抗拉强度与其对应的HSC抗拉强度的比值) 介于1.04～1.49 之间,纤维的加入可以提高HSC 的抗拉强度。HFHSC的KhIC 、GhF 、δhC 及HSC 的KIC 、GF 、δC 试验结果见表3。为了消除基体混凝土强度变异对测试结果的影响,客观反映纤维混杂对HFHSC 断裂性能的作用,在浇筑HFHSC 的同时,采用与HFHSC 配合比相同去掉纤维的同条件HSC 作为对比组试件,用HFHSC 断裂参数增益比反映纤维混杂的影响,其定义为:
式中: KhIC 、GhF 、δhC分别为HFHSC 的断裂韧度、断裂能和临界裂缝嘴张开位移; KIC 、GF 、δC 分别为HFHSC 对比组试件HSC 的断裂韧度、断裂能和临界裂缝嘴张开位移。
表注:M表示铣削型钢纤维,P 表示聚丙烯纤维;W表示试件为楔劈拉伸试件;前两个数字表示与第一个字母对应的10 倍纤维含量,后两个数字表示与第二个字母对应的10 倍纤维含量; - 0 表示HFHSC 试件的对比组HSC。
2.1 断裂韧度
KhIC和KIC计算结果见表3。从表3 可以看出,对于Vf 变化系列,ρf = 1.5 % ,Vf = 0.9kg/ m3 、1.2kg/ m3 的试件的断裂韧度比Vf = 0.6kg/ m3 试件的断裂韧度分别减小10.4 %、3.4 % ,Vf 变化对试件KhIC影响较小;对于ρf 变化系列,当Vf = 0.9kg/ m3 时, KhIC随着ρf 的增加呈线性增加,ρf 每增加0.5 % , KhIC平均增加20.5 % ,增益效果非常明显。
图4、图5 分别为两个系列KhIC/KIC随纤维掺量变化对比图。从图4 可以看出,Vf 变化对KhIC/KIC的影响没有明显的规律性,增益比变化在1.58 和2.01 之间,最大与最小增益比相差21.5 %。从图5 可以看出,随着ρf 的增加, KhIC/ KIC呈直线上升趋势,增益比在1.05 和1.58 之间。比较图4、图5 还可以看出,钢纤维和聚丙烯纤维对HSC 断裂韧度的改善存在较大差异,随着ρf 的增加, KhIC/KIC线性增加,而Vf 的变化与KhIC/KIC之间没有直接相关性,说明HFHSC 中钢纤维对HSC 断裂韧度改善的有效性及主导作用。
2.2 断裂能
GhF和GE 计算结果见表3。从表3 看出,对于Vf 变化系列,与HSC 相比,HFHSC 断裂能都有不同程度的提高;但随着Vf 的增加,断裂能变化不大。当ρf = 1.5 %时, Vf = 1.2kg/ m3 混杂纤维高强混凝土的断裂能比Vf =0.9kg/ m3 时的断裂能增加只有5.7 % ,而Vf = 1.2kg/ m3 的断裂能只有Vf = 0.6kg/ m3 断裂能的94.2 %。因此,可以认为Vf 变化系列,Vf 对断裂能没有显著影响。对于ρf 变化系列,当Vf = 0.9kg/ m3 时, GhF随着ρf 的增加逐渐提高,与ρf = 0.5 %相比,ρf = 1.0 %和ρf = 1.5 %时的HFHSC 断裂韧度分别提高89.9 %和162.4 %。
图6、图7 分别为两个系列GhF／GF 随纤维掺量变化比较图。从图6 可以看出,随着Vf 的增加,最大断裂能增益比(相应于Vf = 0.6kg/ m3 ) 与最小断裂能增益比(相应于Vf = 0.9kg/ m3 ) 仅有5.9 %的差异,断裂能增益比变化不明显。从图7 可以看出,随着ρf 的增加,断裂能增益比显著增加,且其增益幅度随ρf 的增加而增大,最大断裂能增益比达到11.82 ,最小增益比也有3.25 。
2.3 裂缝嘴张开位移δhC和δC 计算结果见表3。从表3 可以看出,对Vf 变化系列,Vf 的变化与δhC之间没有相关性;对ρf 变化系列,δhC随着ρf 的增加线性增加;当Vf = 0.9kg/ m3 时,与ρf = 0.5 %相比,ρf = 1.0 %和ρf = 1.5 % HFHSC 试件的δhC分别提高101.6 %和182.1 %。图8、图9 分别为两个系列δhC/δC 与纤维掺量之间的关系图。从图8 可以看出,随着Vf 的增加,δhC／δC 变化没有明显的规律性,但在ρf = 1.5 % ,Vf = 0.6kg/ m3 条件下,δhC/δC 表现出了较好的特性,与断裂韧度、断裂能在该纤维掺量条件下取得最佳效果的结论一致。从图9 可以看出,随着ρf 的增加,δhC/δC 明显增加,增益比变化在0.816 和2.123 之间,平均增益比为1.41 。这同样反映了钢纤维对HSC 的δC 性能改善的主导作用。
3 混杂纤维的增强机理和计算方法
从实测HFHSC 的荷载- 裂缝嘴张开位移曲线可见,随着ρf 的增加,HFHSC 的极限承载力随之增加,试验曲线渐趋饱满。与钢纤维高强混凝土试验曲线相比[8 ] ,HFHSC 试验曲线的线性发展稍有提高,曲线下降段的阶梯下降比钢纤维高强混凝土更为明显。意味着聚丙烯纤维在小开裂位移条件下,对HSC 的开裂有约束作用,但该效应随着变形的增加而逐渐消失。聚丙烯纤维对HFHSC 的断裂性能影响不大的主要原因是:在HSC 中加入混杂纤维使混凝土的内部结构发生了改变,产生了许多新的界面,使形成孔隙的几率增加,最终使混凝土内部薄弱环节相应增多。在外力作用下,缺陷部位将产生较大的应力集中,从而使裂缝进一步扩展,导致整个混凝土结构或构件的破坏。由于聚丙烯纤维的不亲水性,纤维- 基材界面往往具有比基材更高的水灰比,这将造成聚丙烯纤维基材界面呈弱界面效应。此外,试验采用的纤维掺量相对较高,使得HFHSC 的搅拌成型工艺受到一定影响,纤维在混凝土内部的分布有可能存在不均匀现象,阻碍了聚丙烯纤维作用的充分发挥。因此,混杂纤维的掺入量、搅拌、纤维被砂浆包裹程度影响混凝土内部缺陷的大小与分布,只有合适的纤维混杂比例,才能发挥钢纤维与聚丙烯纤维的作用[9 ] 。同时,与聚丙烯纤维和钢纤维单独增强与增韧相比,纤维混杂还存在增强与增韧效果的重叠效应。综合本文断裂韧度、断裂能、δC 以及相应的增益比的分析可见,HFHSC 在小体积率(ρf = 1.5 % , Vf = 0.6kgPm3 ) 情况下均表现出了良好的增益效果。因此,可以认为在本次试验配合比条件下,ρf = 1.5 % ,Vf = 0.6 kg/m3 为最佳纤维掺量。
试验表明,在试验ρf 范围内,HFHSC 断裂参数增益比与ρf 具有线性关系(图5、图7 和图9) 。因此,可以用混杂系数反映钢纤维与聚丙烯纤维对断裂参数的混杂效应,用文献[8 ]的钢纤维高强混凝土断裂性能指标的线性模式反映钢纤维的主导影响。因此,HFHSC 断裂参数的计算模式为:
Ffc = Fcβsp (1 +αsλf) (4)
式中Ffc为HFHSC 断裂参数; Fc 为HSC 断裂参数;βsp为钢纤维与聚丙烯纤维对断裂参数的混杂效应系数;αs 为钢纤维对断裂参数的增强系数;λf 为钢纤维含量特征参数,是ρf 与长径比lf/df 的乘积。
作者同时还进行了聚丙烯纤维高强混凝土断裂性能的试验研究,结果表明,聚丙烯纤维掺量对高强混凝土断裂韧度基本上没有影响,但断裂能、临界裂缝张开位移提高;断裂能增益比和临界裂缝张开位移增益比随聚丙烯纤维掺量增加的增长并不明显。考虑到聚丙烯纤维与钢纤维混杂时,钢纤维起主导作用,同时纤维混杂还存在增强与增韧效果的重叠效应,因此,综合聚丙烯纤维高强混凝土和混杂纤维高强混凝土断裂性能的试验结果,混杂纤维高强混凝土断裂韧度、断裂能和临界裂缝张开位移计算式中的混杂效应系数βsp分别为1、1.05 和1.05 。
按照模式(4) 对本文试验结果进行回归分析,得到HFHSC 断裂韧度、断裂能和临界裂缝嘴张开位移的计算式中的钢纤维对断裂参数的增强系数αs 。因此,切口相对深度a0 / h 为0.4 时,HFHSC 断裂韧度、断裂能和临界裂缝嘴张开位移的计算式分别为:
Kf IC = (1 +αsp , kλf ) KⅠC (5)
Gf F = 1. 05 (1 +αsp , gλf ) GF (6)
δfc = 1. 05 (1 +αsp ,δλf )δC (7)
根据本文试验结果得到αsp ,k ,αsp ,g ,αsp ,δ分别为1.06 ,16.78 和1.37 。试验值与式(5) 计算值之比的平均值为0.974 ,均方差为0.0595 ,变异系数为0.0611 ;与式(6) 计算值之比的平均值为0.889 ,均方差为0.198 ,变异系数为0.223 ;与式(7) 计算值之比的平均值为0.885 ,均方差为0.229 ,变异系数为0.259。可见,计算值与试验值符合较好。
4 结论
(1) 混杂纤维的加入提高了高强混凝土的断裂韧度、断裂能和裂缝嘴张开位移。但是,随着聚丙烯纤维掺量的增加,断裂参数增益比变化没有明显的规律性;随着钢纤维体积率的增加,断裂参数增益比线性增加,钢纤维在混杂纤维高强混凝土断裂性能的改善方面起着主导作用。
(2) 在钢纤维体积率ρf = 1.5 % ,聚丙烯纤维掺量Vf = 0.6kg/ m3 的混杂纤维高强混凝土中,试件的断裂韧度、断裂能和裂缝嘴张开位移均有明显的改善,该纤维掺量组合为本次试验配合比条件下的最佳纤维组合。
(3) 与钢纤维高强混凝土试验曲线相比,混杂纤维高强混凝土试验曲线Pv-δ的线性发展稍有提高,曲线下降段的阶梯下降比钢纤维高强混凝土更为明显。聚丙烯纤维在小开裂位移条件下,对高强混凝土的开裂有约束作用,但该效应随着变形的增加逐渐消失。
(4) 混杂纤维高强混凝土断裂性能指标与高强混凝土断裂性能指标以及钢纤维含量特征参数具有式(5) 、式(6) 和式(7) 的统计关系。但由于试验数据的局限性,这些统计关系还有待于进一步试验研究。
参考文献:
[1 ] 吴中伟,廉慧珍. 高性能混凝土[M] . 北京:中国铁道出版社,1999.
[2 ] 王凯,张义顺,金祖权,低掺量S - P 混杂纤维对高性能混凝土增强增韧的作用研究[J ] . 煤炭工程,2003 ,(4) :28～30.
[3 ] Banthia N , Nandakumar N. Crack growth resistant of hybrid fiber reinforced cement Composite[J ] . Cement and ConcreteComposite ,2003 , (25) :3～9.
[4 ] 王成启,吴科如. 混杂纤维水泥基复合材料及其应用[J ] . 工业建筑,2002 ,32 (9) :51～53.
[5 ] 中国工程建设标准化协会标准,钢纤维混凝土结构设计与施工规程(CECS 38 :92) [M] . 北京:中国计划出版社,1992.
[6 ] 吴智敏,徐世 ,王金来. 基于虚拟裂缝模型的混凝土双K断裂参数[J ] . 水利学报,1999 , (7) :12～16.
[7 ] 邓宗才. 混凝土的断裂能及其测试方法[J ] . 山东建材,1996 , (2) :17～19.
[8 ] 高丹盈,王占桥,钱伟,等. 钢纤维高强混凝土断裂能及裂缝张开位移[J ] . 硅酸盐学报. 2006 ,34 (2) :192～198.
[9 ] 王正友,廖明成,耿运贵. 混杂纤维(钢/ 聚丙烯) 高性能混凝土正交试验研究[J ] . 焦作工学院学报(自然科学版) ,2003 ,22 (1) :16～21.__
