纖維活性粉末混凝土的抗彎韌性研究,建筑結(jié)構(gòu)論文活性粉末混凝土在配制經(jīng)過中剔除粗骨料,合理選用顆粒級(jí)配,采用最大密實(shí)度堆積原理,使得基體致密具有較高的強(qiáng)度及耐久性[1,2].與普通混凝土、普通高性能混凝土相比,活性粉末混凝土在強(qiáng)度和耐久性方面都表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,當(dāng)前已在橋梁工程[3]、鐵路工程[4]、市政工程[5]等領(lǐng)域得到應(yīng)用.由于活性粉末混凝土仍具有脆性,同時(shí)水膠比擬低容易開裂,因而需要摻加纖維提高其韌性及抗裂性能.鋼纖維是當(dāng)前配制活性粉末混凝土最常用的抗裂增韌材料[6,7],由于鋼纖維彈性模量較高還能提高活性粉末混凝土的強(qiáng)度[8],當(dāng)前工程中應(yīng)用的活性粉末混凝土也多為鋼纖維活性粉末混凝土.粗合成纖維(直徑大于0.1mm)是一種新型的加強(qiáng)增韌材料[9],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、抗沖擊性、抗彎韌性和抗疲憊性能[10],摻入活性粉末混凝土中能夠提高試件的延性[11].粗合成纖維為低彈性模量纖維,在混凝土開裂后能夠起到較強(qiáng)的增韌效果,同時(shí)粗合成纖維為有機(jī)纖維,可提高混凝土的耐高溫性能.彎曲和變形性能是混凝土受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)的重要參數(shù)指標(biāo),是反映纖維增韌效果的有效方式方法.為比照分析不同模量纖維的增韌效果,本文采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)低模量粗合成纖維和高模量鋼纖維摻入后活性粉末混凝土抗彎韌性進(jìn)行研究,為纖維活性粉末混凝土的應(yīng)用提供參考.1試驗(yàn)1.1試件活性粉末混凝土抗彎韌性試驗(yàn)選用100mm100mm400mm的棱柱體試件,試驗(yàn)共9組,每組3個(gè)試件.試驗(yàn)中主要的考慮參數(shù)為纖維類型(鋼纖維、粗合成纖維)及纖維體積摻量Vf(兩種纖維均選用0%,0.5%,1.0%,1.5%,2.0%五個(gè)摻量).華而不實(shí)粗合成纖維采用聚丙烯粗纖維,兩種纖維的物理性能指標(biāo)列于表1.試驗(yàn)中制備活性粉末混凝土所用原材料有:PO42.5普通硅酸鹽水泥,硅粉,石英砂,纖維,高效減水劑和水,試驗(yàn)配合比及試件編號(hào)列于表2.試件采用振動(dòng)成型,制備經(jīng)過中首先將纖維與石英砂攪拌均勻,然后放入膠凝材料攪拌2min后參加減水劑和水,攪拌5min后裝模.試件成型后24h拆模,隨后在75℃高溫蒸汽中養(yǎng)護(hù)72h后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28d后進(jìn)行試驗(yàn).試件成型經(jīng)過中同時(shí)制備邊長100mm的立方體試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).1.2試驗(yàn)方式方法試驗(yàn)在WAW-300微控液壓智能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,加載速率為0.1mm/s.試驗(yàn)中用10t的荷載傳感器量測試驗(yàn)荷載,同時(shí)在跨中位置設(shè)置位移傳感器量測試件跨中撓度.位移傳感器及荷載傳感器通過測試系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接,實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)荷載及撓度,試驗(yàn)裝置如此圖1所示.2試驗(yàn)結(jié)果2.1分析方式方法對(duì)于低彈性模量纖維,剩余強(qiáng)度能夠更好的反映混凝土開裂后纖維的增韌效果[12].試驗(yàn)中選用的粗合成纖維屬低彈性模量纖維,因而本文采用我們國家(鋼纖維混凝土試驗(yàn)方式方法〕(CECS13:89)確定抗彎試件初裂強(qiáng)度及韌性指標(biāo)I5、I10、I30,同時(shí)采用ASTM-C1399-98建議的剩余強(qiáng)度及相對(duì)剩余強(qiáng)度來考察鋼纖維及粗合成纖維對(duì)活性粉末混凝土的增韌效果.剩余強(qiáng)度及相對(duì)剩余強(qiáng)度可用下面公式計(jì)算:式中:ARS為剩余強(qiáng)度,IRS為相對(duì)剩余強(qiáng)度,fc,mf為抗彎強(qiáng)度(即極限荷載對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值),0.5P、0.75P、1.0P、1.25P分別為撓度值0.50mm、0.75mm、1.00mm、1.25mm時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載;l、b、h分別為支座間距、抗彎試件寬和高,本文中l(wèi)、b、h分別為300mm、100mm和100mm。2.2試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)荷載傳感器及位移傳感器采集到的試驗(yàn)荷載及試件跨中撓度,繪制不同纖維類型及摻量時(shí)活性粉末混凝土抗彎試驗(yàn)的荷載-撓度曲線,如此圖2所示.表3為根據(jù)鋼纖維混凝土試驗(yàn)方式方法〕(CECS13:89)及公式(1)、(2)計(jì)算得到的本次試驗(yàn)中不同纖維類型及摻量下活性粉末混凝土抗彎試驗(yàn)結(jié)果.3分析與討論3.1荷載-撓度曲線從圖2中能夠看出,鋼纖維和粗合成纖維摻入后活性粉末混凝土抗彎試件的荷載-撓度曲線與不摻纖維試件曲線完全不同.抗彎試件在加載經(jīng)過中底部受拉,當(dāng)拉應(yīng)力大于活性粉末混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),裂縫出現(xiàn),荷載到達(dá)峰值.不摻纖維的試件表現(xiàn)出明顯的脆性,裂縫出現(xiàn)后試件隨即斷裂,因而未得到荷載-撓度曲線的下降段.鋼纖維和粗合成纖維摻入后,由于纖維的橋接作用能夠控制能量的釋放速率,使試件在裂縫出現(xiàn)后保持持荷能力,到達(dá)極限荷載后,荷載隨撓度值的增加緩慢下降,出現(xiàn)較長的下降段.兩種纖維摻入后抗彎試件的荷載-撓度曲線又有所不同.鋼纖維試件的荷載-撓度曲線為單峰,到達(dá)極限荷載前,荷載隨撓度值的增大而增大,基體開裂后,荷載隨撓度值的增大逐步下降.粗合成纖維試件的荷載-撓度曲線出現(xiàn)二次強(qiáng)化現(xiàn)象,有兩個(gè)峰值.第一個(gè)峰值荷載同鋼纖維試件一樣為混凝土抗彎試件典型的峰值荷載,在裂縫出現(xiàn)前;裂縫出現(xiàn)后試件毀壞,荷載降低,由于纖維的橋接作用,荷載又重新上升,出現(xiàn)第二個(gè)峰值.纖維摻入后活性粉末混凝土試件的荷載-撓度曲線能夠保持較長下降段的主要原因是由于裂縫出現(xiàn)后纖維的橋接作用,使得試件的毀壞形式由脆性毀壞轉(zhuǎn)變成延性毀壞,相應(yīng)的荷載-撓度曲線出現(xiàn)穩(wěn)定的下降段.鋼纖維和粗合成纖維試件荷載-撓度曲線的差異主要是由于纖維本身特性不同,鋼纖維彈性模量較大(210GPa),在變形較小或裂縫剛出現(xiàn)時(shí)就開場起到有效的橋接作用,而粗合成纖維彈性模量較小(7.1GPa),需要較大的變形或裂縫出現(xiàn)后纖維才能起作用[13].因而,粗合成纖維試件在到達(dá)極限荷載后,荷載恢復(fù)較晚,出現(xiàn)了雙峰現(xiàn)象.3.2彎曲強(qiáng)度圖3是根據(jù)表3繪制的不同纖維類型活性粉末混凝土抗彎試件初裂強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)度隨纖維摻量變化曲線.從圖3中能夠看出,隨鋼纖維摻量的增加,活性粉末混凝土試件的初裂強(qiáng)度約呈線性增長.鋼纖維摻量由0%增加到2.0%時(shí),初裂強(qiáng)度由8.73MPa增加到17.26MPa,抗彎強(qiáng)度由9.94MPa增加到20.39MPa,都約增長一倍.粗合成纖維的摻入對(duì)初裂強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)度基本無影響,初裂強(qiáng)度都集中在8.6MPa左右,抗彎強(qiáng)度都約為10MPa,隨纖維摻量變化不大.從表3中還能夠看出,活性粉末混凝土的抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的增加而增大,而粗合成纖維摻入后活性粉末混凝土的抗壓強(qiáng)度略有降低.由此可見,鋼纖維摻入活性粉末混凝土基體中可起到明顯的加強(qiáng)作用,而粗合成纖維無加強(qiáng)作用.3.3彎曲韌性指數(shù)圖4是根據(jù)表3繪制的鋼纖維和粗合成纖維摻量為0.5%~2.0%時(shí)活性粉末混凝土抗彎試件韌性指數(shù)隨纖維摻量變化曲線.從圖4及表3能夠看出,鋼纖維和粗合成纖維試件在纖維摻量為0.5%~2.0%時(shí),韌性指數(shù)I5均維持在5~6之間,隨纖維摻量增加無明顯變化.鋼纖維摻入后對(duì)韌性指數(shù)I10也無明顯影響,而韌性指數(shù)I30隨鋼纖維摻量的增加而增大,纖維摻量由0.5%增加到2.0%時(shí),I30增加了52.75%.粗合成纖維摻量由0.5%增加到2.0%時(shí),I30由11.97增加到17.89,增加了50.13%,與鋼纖維持平.對(duì)于韌性指數(shù)I10,粗合成纖維摻量由0.5%增加到1.0%時(shí),I10增大一倍,纖維摻量由1.0%增加到2.0%時(shí),I10變化趨勢減緩,僅增加7.5%.從表3中數(shù)據(jù)還能夠看出,鋼纖維試件的相對(duì)剩余強(qiáng)度都在抗彎強(qiáng)度的90%以上,講明鋼纖維對(duì)開裂后的活性粉末混凝土也具有極強(qiáng)的增韌作用.對(duì)于粗合成纖維試件,當(dāng)纖維摻量為0.5%時(shí),根據(jù)對(duì)毀壞試件的統(tǒng)計(jì),抗彎試件開裂斷面上的纖維數(shù)量僅為20根左右,不能起到很好的增韌效果,相對(duì)剩余強(qiáng)度僅為30%左右.而粗合成纖維摻量為1.0%~2.0%時(shí),粗合成纖維試件的相對(duì)剩余強(qiáng)度都在85%以上,同時(shí)粗合成纖維由于彈性模量較小,在拔出前會(huì)發(fā)生極大變形,因而即便開裂基體變形值(撓度)很大也不毀壞,進(jìn)而大大提高混凝土的斷裂韌性,到達(dá)增韌的目的.以上分析可見,粗合成纖維具有明顯的增韌效果,但與鋼纖維相比,粗合成纖維不能起到加強(qiáng)作用,同時(shí)增韌效果也略低于鋼纖維.圖5是鋼纖維和粗合成纖維摻量均為1.5%時(shí)抗彎試件毀壞后的斷面圖.從圖中能夠看出,兩種纖維摻入后,抗彎試件均發(fā)生纖維拔出毀壞.當(dāng)纖維體積摻量一樣時(shí),由于粗合成纖維直徑和長度都大于鋼纖維,因而基體內(nèi)鋼纖維的整體數(shù)量要遠(yuǎn)大于粗合成纖維,相應(yīng)地單位面積內(nèi)纖維數(shù)量也遠(yuǎn)大于粗合成纖維.試件出現(xiàn)裂縫后纖維開場發(fā)揮橋接作用逐步被拔出,在拔出經(jīng)過吸收能量進(jìn)而起到增韌效果[14].纖維吸收能量的大小同纖維與基體間的黏結(jié)強(qiáng)度有關(guān).一樣體積摻量下,試件開裂斷面上鋼纖維的數(shù)量大于粗合成纖維,相應(yīng)地鋼纖維在拔出經(jīng)過中消耗的能量也會(huì)略大于粗合成纖維,因而鋼纖維的增韌效果優(yōu)于粗合成纖維.同時(shí),由于鋼纖維彈性模量較大,能夠阻止裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展,而粗合成纖維彈性模量較小,在裂縫出現(xiàn)前不能有效阻止裂縫的出現(xiàn),但裂縫出現(xiàn)后能夠阻止裂縫的發(fā)展,因而粗合成纖維不能起到加強(qiáng)作用,僅能在裂縫出現(xiàn)后起到增韌作用.4結(jié)論通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)鋼纖維和粗合成纖維摻入后活性粉末混凝土的抗彎韌性進(jìn)行了研究,主要結(jié)論如下:(1)鋼纖維和粗合成纖維摻入后能夠改變抗彎試件的毀壞形式,使試件由一裂就斷的脆性毀壞轉(zhuǎn)變成裂縫逐步發(fā)展的延性毀壞;(2)鋼纖維和粗合成纖維摻入后活性粉末混凝土抗彎試件的荷載-撓度曲線都有穩(wěn)定的下降段,但鋼纖維試件的荷載-撓度曲線僅有一個(gè)峰值,而粗合成纖維試件的荷載-撓度曲線有兩個(gè)峰值,出現(xiàn)了二次強(qiáng)化現(xiàn)象,此現(xiàn)象與兩種纖維本身的特性有關(guān);(3)鋼纖維具有加強(qiáng)作用,摻入到活性粉末混凝土后能夠提高試件的抗壓強(qiáng)度、初裂強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)度,而粗合成纖維無加強(qiáng)作用,鋼纖維和粗合成纖維都具有明顯的增韌效果,一樣體積摻量下鋼纖維的增韌效果優(yōu)于粗合成纖維;(4)除粗合成纖維摻量為0.5%的試件外,本試驗(yàn)范圍內(nèi),鋼纖維和粗合成纖維活性粉末混凝土抗彎試件的剩余強(qiáng)度值都在抗彎強(qiáng)度的85%以上,講明粗合成纖維和鋼纖維摻入后能夠在基體開裂后起到橋接作用,在纖維由基體拔出經(jīng)過中吸收能量起到增韌效果.以下為參考文獻(xiàn)[1]PierreRichard,MarcelCheyrezy.CompositionofReactivePowderConcretes[J].CementandConcreteResearch,1995,25(7):1501-1511.[2]EhabShaheenandNigelShrive.Optimizationofmechanicalpropertiesanddurabilityofreactivepowderconcrete[J].ACIMaterialsJournal,2006,103(6):444-451.[3]AtcinPierre-Claude,LachemiMohamed,AdelineRgis,RichardPierre.TheSherbrookeReactivePowderConcreteFootbridge[J].StructuralEngineeringInternational,1998,8(2):140-144.[4]ANMingzhe,JIWenyu,ZHONGTieyi,JIAFangfang.ApplicationofUHPCinRailwayConstruction[A].2018InternationalWorkshoponSustainableandScience-DrivenEngineeringofCement-basedMaterials[C].2018,Beijing,China:141-148.[5]唐玉斌,朱立,李昊.活性粉末混凝土在地鐵聲屏障構(gòu)造單元板中的應(yīng)用[J].混凝土,2018(3):139-141.[6]鞠楊,賈玉丹,劉紅彬,陳健.活性粉末混凝土鋼纖維加強(qiáng)增韌的細(xì)觀機(jī)理[J].中國科學(xué),E輯:技術(shù)科學(xué),2007,37(11):1403-1416.[7]TaoJi,Cai-YiChen,Yi-ZhouZhuang.Evaluationmethodforcrackingresistantbehaviorofreactivepowderconcrete[J].ConstructionandBuildingMaterials,2020,28(1):45-49.[8]單波,楊吳生,黃政宇.鋼纖維對(duì)RPC抗壓強(qiáng)度加強(qiáng)作用的研究[J].湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2002,24(1):109-112.[9]鄧宗才.高性能合成纖維混凝土[M].科學(xué)出版社,2002.[10]常洪雷,金祖權(quán),任鵬程.有機(jī)仿鋼纖維加強(qiáng)混凝土斷裂韌性及抗裂性能研究[J].混凝土,2020,(2):46-49.[11]曹小霞,鄭居煥.鋼纖維和聚丙烯粗纖維對(duì)活性粉末混凝土強(qiáng)度和延性的影響[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2018,19(2):58-61.[12]戴建國,宋玉普.