混雜纖維混凝土單軸抗拉力學性能研究

1總結在混凝土的基礎上，混合纖維可以在不同的結構層次上發(fā)揮有益的作用，并從不同的結構層次中發(fā)揮有益的作用，因此它受到了人們的關注。2性能測試方法膠凝材料:冀東水泥廠生產42.5普通硅酸鹽水泥(C),I級粉煤灰(F)和SF93硅灰(SF);集料:粗集料為粒徑4.75~16mm的石灰?guī)r碎石(A),細集料為潔凈天然河砂(S);纖維:高彈模聚乙烯(PE)纖維和聚丙烯粗合成纖維(CPP),其技術指標如表1所示;減水劑:聚羧酸高性能減水劑(SP),固含量20%,減水率30%;拌合水:飲用自來水(W)。本研究所采用配比如表2所示。表2中除了PE和CPP為混凝土的總體積摻量(%)外,其它均為與水泥的質量之比?；炷翑嚢杈鶆蚝鬂仓蓤D1所示的抗拉試件,每組配比成型3個試件。養(yǎng)護至28d后按照圖2所示測試原理在SANS試驗機上進行抗拉性能測試,加載速率為0.1mm/min。測試過程中荷載和試件變形分別由壓力傳感器和位移傳感器傳至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),由計算機同時記錄試件變形和外部荷載數(shù)據(jù),測試完成后繪制出荷載-變形曲線。同時,每組配比成型3個300mm×150mm×150mm棱柱體試件,養(yǎng)護至28d后測試其抗壓彈性模量。3結果與討論3.1混凝土材料pe/cpp各組配比的抗拉性能指標測試結果如表3所示,表中σ各組試件在軸拉狀態(tài)下的典型應力-應變曲線規(guī)律如圖3所示。從圖3可以看出,混雜纖維的加入使得混凝土材料的受拉變形出現(xiàn)了明顯的變化,初裂產生以后試件并沒有快速破壞,所承受的荷載反而緩慢增大,極限拉應變大大提高,材料的破壞過程緩慢,時間歷程大大增長?？傮w來看,單軸受拉應力-應變曲線可以根據(jù)其變化規(guī)律劃分為三個階段:彈性階段(OA段)、應變硬化階段(AB段)和破壞階段(BC段)。在OA階段,應力應變線性增長,材料近似為彈性體;在AB階段,初裂產生后,應力增長速度逐漸變緩,塑性變形增長明顯;BC階段,達到極限承載力后裂縫貫通,承載力迅速下降,試件破壞。通過連續(xù)觀測試件的開裂過程發(fā)現(xiàn),初始裂縫產生以后,新的微細裂縫在其附近平行出現(xiàn),由一條逐步發(fā)展成多條,裂縫間距縮小,隨著外部荷載的增大裂縫寬度逐漸張開。當荷載達到峰值時,試件上的某一條或多條裂縫開始局部擴展,裂縫逐漸貫通,試件破壞。其中,P-2和P-3的裂縫形態(tài)如圖4所示,需要指出的是,由于裂縫區(qū)域大量的微細裂縫在卸載后發(fā)生了閉合,所以實際的裂縫分布比圖4中的更為緊密?？梢钥闯?微細裂縫的擴展較為曲折,所以試件在開裂過程中吸收了大量的能量,導致變形能力的大幅提升?？梢钥闯?采用PE/CPP混雜纖維增強技術可以制備出具有優(yōu)異變形性能的混凝土材料。從細觀尺度來看,PE纖維具有很高的抗拉強度和模量,并且其分子結構中無親水基團,與水泥基體的粘結較差,所以在出現(xiàn)微細裂縫以后,PE纖維橋聯(lián)在裂縫兩側,通過拔出滑移過程來耗散破壞能,消除裂縫尖端應力,提高混凝土的韌性。從宏觀尺度來看,當裂縫開口較大時PE纖維的橋聯(lián)作用開始失效,而CPP纖維由于尺寸較大開始對大裂縫起到阻滯作用,延緩裂縫的擴展和混凝土的破壞。所以,采用高彈模PE纖維和低彈模CPP纖維可以從不同尺度上對混凝土進行互補增韌,并大幅提高其變形性能。3.2本結構模型的受拉變形曲線根據(jù)前文的分析,本文所制備的混雜纖維混凝土相比于普通混凝土具有優(yōu)異的延性特征和裂縫控制能力,因此在描述其抗拉力學性能時僅采用抗拉強度指標是不夠的,為進行結構非線性力學分析以及優(yōu)化材料設計,需要建立能夠反映其應力-應變關系特征的抗拉本構關系模型。由于其斷裂模式與延性材料很相似,因此可采用具有塑性變形硬化特征的Ramberg-Osgood法則來描述其變形特征式中,ε根據(jù)式(1)可知Ramberg-Osgood法則沒有下降段,而混雜纖維混凝土在峰值荷載之后仍具有較高的殘余強度,所以采用式(1)無法對混雜纖維混凝土的受拉全曲線特征進行完整描述。文獻[11]曾建議采用式(2)對混凝土的受拉變形曲線下降段進行表征:式中,α所以,根據(jù)式(2)則可以計算得到混雜纖維混凝土抗拉變形曲線的下降段,如圖5所示。從圖5可以看出,式(2)能完整描述混雜纖維混凝土峰值荷載后的承載力發(fā)展趨勢。經對比分析,當取α綜合以上分析,可以采用式(3)所示分段模型對混雜纖維混凝土在單軸受拉狀態(tài)下的應力-應變關系全曲線進行表征:式中,α通過測試得到各組試件的彈性模量分別為21.4GPa、22.5GPa、20.5GPa和19.8GPa,均低于普通混凝土。結合抗拉性能和彈性模量測試結果,采用式(3)對各組混凝土試件的抗拉全曲線進行擬合分析,結果如圖6所示。從圖中可以看出,本文推薦的分段模型與實測曲線基本吻合,能夠較好的反映應力-應變曲線的發(fā)展趨勢。并且,由式(3)計算得到理論曲線的彈性變形區(qū)、應變硬化區(qū)和下降區(qū)的特征差異較明顯,能夠描述混雜纖維混凝土的變形發(fā)展規(guī)律和損傷過程。相關參數(shù)的計算結果如表4所示。為簡化計算過程和本構關系模型的建立,對表4中參數(shù)α和n的取值進行擬合分析后得到其計算公式分別為式(4)和(5):為了對式(4)和(5)的計算準確性進行檢驗,將其計算值與表4中的結果進行相關性檢驗,結果如表5所示。從表5可以看出,式(4)和(5)的計算值與實際值很接近,相對誤差較小。因此,結合式(3)~(5)可以簡化混雜纖維混凝土在單軸受拉條件下本構關系模型的計算分析,并能較好的表征其應力-應變關系。4硅灰界面缺陷(1)制備的混雜纖維混凝土受拉應力-應變曲線可以根據(jù)變化規(guī)律劃分為三個階段:彈性階段、應變硬化階段和破壞階段;在受拉過程中出現(xiàn)了多縫開裂現(xiàn)象,微細裂縫的擴展較為曲折,在開裂過程中吸收了大量的能量,導致變形能力的大幅提升;(2)摻入硅灰后導致界面過渡區(qū)密實程度提高,所以界面粘結性能得以改善,從而導致極限抗拉強度和拉應變的增大;纖維摻量過大時纖