纤维增强混凝土中纤维分布表征及调控的研究进展.pdf
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1、2 0 1 4年 第 7期 (总 第 2 9 7期 ) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 4 ( T o t a l N o 2 9 7 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原 材料及辅助物料 MATE RI AL AND ADM1 NI CLE 纤维增强混凝土中纤维分布表征及调控的研究进展 李长风,刘加平 ,刘建忠 ,阳知乾 。崔巩 ( 江苏省建筑科学研究院有限公司 高性能土木工程材料国家重点实验室,江苏 南京 2 1 0 0 0 8 ) 摘要: 纤维分布是影响纤维增强混凝土新拌性能和工作性能的重要因素。 综述了纤维增强混凝土中纤维分布的表征方法 、 理论 研究及调控技术。
2、 首先从间接测试和直接测试两个角度出发 , 深入描述了现有的纤维分布的试验表征方法, 并分析了各 自的优缺点 及适用范围; 其次 , 评述了随机状态和真实情形下纤维取向分布的理论推导及预测方法; 最后 , 重点介绍 了纤维分布的影响规律及调 控技术, 并提出现阶段需解决的关键问题及展望。 关键词 : 混凝土 ; 纤维分布 ;表征方法 ;理论研究;调控技术 中图分类号 : T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码: A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 7 0 1 0 8 0 6 Re s e a r c h pr o c e s s o f c h a
3、 r a c t e r i z a t i o n a n d c o n t r o l me t h od s o f f i b e r d i s t r i bu t i on i n f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e LICha n g f e n g, L1 U J i a p i n g, LI U J i a n z h o n g, YANG Zh i qi a n, CUIGo n g ( S t a t e Ke yL a b o r a t o r yo f Hi g hP e r f o r ma n c
4、eCi v i l E n g i n e e ri n gMa t e ri a l s , J i a n g s uRe s e a r c hI n s t i t u t e o f Bu i l d i n gS c i e n c e N a n j i n g 2 1 0 0 0 8 , C h i n a ) Abs t r ac t :F i be r d i s t r i b u t i o n i s a n i mp o r t a n t f a c t o r a f f e c t i n g t h e wo r k a b i l i t y a n d
5、me c ha ni c a l p r o pe rti e s o f fibe r r e i n f o r c e d c o n c r e t e I t r e v i e ws t h e c h a r a c t e r i z a t i o n me t h o d s , t h e o r e t i c a l d e r i v a t i o n a n d c o n t r o 1 me t h o d s o f fi b e r d i s t r i b u t i o n i n fi b e r r e i n f o r e e d c o
6、n c r e t e F i r s t , e x p e r i me n t a l c h a r a c t e r i z a t i o n me t h o d s o f fi b e r d i s t ri b u t i o n are d e s c r i b e d i n d e t a i l s t h r o u g h i n d i r e c t t e s t a n d d i r e c t t e s t ; t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s, the a p
7、 pl i c a b l e s c o p e o fe a c hme t h o da r e a n a l y z e d Se c o n d, t h e o r e t i c a l de r i v a t i o nan dpr e d i c t i o nme t h o ds offi be ri n r a n d o m s t a t e a n d r e a l s i tua t i o na r e r e v i e we d La s t , i n flu e n c e a n d c o n t r o lme t h od s o ffi
8、b c rdi s t rib ut i ona r e d e s e r i be d, a n dthe e x i s t e dp r o b l e mst obe s ol v e d i n t h e fur t h e r s t u d y o f fib e r d i s t r i b u t i o n a r e p r o po s e d Ke y w o r d s : c o n c r e t e ; fi b c r d i s t r i b u t i o n; c h a r a c t e r i z a t i O i l me t h o
9、 d ; the o r e t i c a l s tud y; c o n tro l t e c h n i q u e 0 引 言 受拉是混凝土 的主要受力形式 , 但混凝 土存在着一个 固有 的 弱 点抗 拉 强度 较 低 ( 一般 仅 为抗 压 强 度 的 1 8 1 1 5 ) , 易导致混凝土开裂。 随着 高性能及 超高性能混 凝土 的发展 , 这一弱点 显得更 为突出 , 严重影 响了混凝土 结构 的耐久 性和安全性 。 因此 , 长期 以来许多学者不断探索 改善混凝土性 能( 如提高抗拉强度 、 增加韧性 等) 的各种途 径和方法 。 纤维增强混凝土就是在这样 的大趋势下逐
10、渐发 展起来 的。 纤维在混凝 土中的主要作用 , 在 于限制外力作 用下水泥基体 中裂缝的扩展 。 在受荷初期 , 纤维与水泥基体 共 同承受外力 , 其 中水泥基体是外力的主要 承受者 ; 当基 体开裂后 , 横跨裂缝的纤维取而代之 , 成为外力的主要承 受者 。 此时 , 纤维在裂缝 处的分 布状态 直接影 响着混凝 土 的承载和变形能力。 一 般认为纤维在混凝土 中呈随机乱 向分布 , 表现为各 项同性。 但纤维的真实分布受到众多因素的影响, 如纤维 本体 特征( 纤维直 径 、 长度 1 、 形状 ) 、 纤维掺 量 、 基体 特征 ( 基体组成翻 、 流变性能3 ) 、 成型工艺
11、4 _ 5 等。 很 多研究 表明 , 纤维分布对混凝土的作用效果较为显著 。 当纤维分布不 均匀, 或垂直于拉应力方向时, 会使纤维在混凝土中的功 能大大减弱, 甚至丧失。 为了达到有效利用纤维、 优化复合 材料性能的 目的, 开展纤维增强混凝土 中纤维分布的研究 并提 出相关 的调控技术显得尤为必要 。 根据 目前 国内外的 研 究 , 可将纤维分 布的研 究归类 为评价方法 、 理论推 导及 调控技术。 1 纤维分布的表征方法 纤维分布的准确表征是纤维调控技术 的基础。 目前对 纤维分布的表征主要分为间接测试法和直接测试法。 其中 间接测试法 主要集 中于利用 F R C导电性能间接评价
12、纤维 的分布状态; 直接测试法主要有图像分析法 、 水洗法 、 计算 机模拟等。 下面介绍不同表征方法的国 内外研 究现状 , 并 提出各 自的优缺点及适用范围。 1 1 导 电性 能评 价法 ( 1 ) 交流阻抗谱法( A C I S ) 。 交流阻抗谱法是电化学领 收稿日期 :2 O 1 4 - o l - 2 4 基金项 目:日家 自然科学基金青年基金( 5 0 9 0 8 1 0 4 ) ; 江苏省 自然科学基金( B K 2 0 1 1 8 3 5 ) 1 O 8 ( e ) K一 函数 ( d ) K 一 函数” 图 3 评价函数示意图 P f e i f e r 等 引入“ 取向
13、张量( o ri e n t a t i o n t e n o r ) ” 的概念 , 对纤维 增强聚合物中的纤维取向进行表征。 由此可以认定 C T 技术 用于纤维分布表征的适用性和可行性 。 为了更好地分析纤维 维分布进行了研究。 F a r h a t 等 采用 C T技术研究了试件 尺寸 、 成 型方式对混凝土 中纤维分 布的影响 ; B a rne t t 等 运用 x射线 C T图像 , 验证电导率测试纤维分布的结果 , 吻合性较好; K r a u s e 等砌 采用“ 结构张量( s c t u r e t e n s o r ) ” 的方法, 对纤维的取向进行表征。 该方法
14、的优点是直观、 无 损、 高效, 但它的缺点是无法实现与基体密度较为接近的 纤维分布的表征 。 1 3 其他测试 法及 比较 此外 , 水洗分 析法 3 11 、 单位面积纤维计数法4 1 3 2 、 计算 机模拟【 等技术也被用于评价 F R C中纤维的分布状态 , 且得到了相关的应用 。 相比于由导电性能间接评价纤维分布的方法, 图像分 析技术显得更加直观和准确, 应用相对较为广泛。 图像采集 设备多种多样 , 但无论采取何种图像采集方法 , 纤维分散 性和取向性的评价方法都是类似和接近的。 纤维分散性的 评价方法可 以归纳为 : 单位面积纤维根数 的差异 ; 纤 维间距; 空间点分析,
15、即临近点的距离。 纤维取向性的评 价方法可以归纳为: 根据截面上椭圆的形状及位置推导 ; 等距平行线截取 ; 三维空间直接测量 。 另外, 根据大量的文献总结, 对纤维分布的不同测试 分布与 F R C宏观性能的关系, 国内外学者对 F R C中的纤 方法进行了比较, 见表 l 。 表 1 不同测试方法的比较 2 纤维分布的理论研 究 纤维分布的理论研究是衡量其试验研究 可行性及准 确性的重要途径 , 也是建立纤维增强混凝土力学本构模型 的基础 。 目前在纤维分布的理论研究方面 , 主要集 中于对 纤维取 向的推导与预测 。 以下分别介绍随机状态和真实情 形下纤维取向分布的理论推导及预测方法
16、。 ( 1 ) 随机状态下的纤维分布 。 一般认为 , 纤维在混凝土 中是随机乱向分布 的。 关 于纤维在三维空间中完全分布均 匀时取 向系数 的理论推导 , 目前 主要有两 种途 径 。 一种是 根据纤维在三维空间中的投影模型进行推导; 另一种是根 据半球体模型进行推导。 根据纤维在三维空问中的投影模型进行推导的示意 图 , 见图 4 。 纤维在 z轴方 向上 的取 向系数推 导见式 ( 1 ) 。 将一 根位于坐标原点的三维空间内的纤维 ( ) 先 向 Y Z面内投 影, 而后再将 Y Z面内的投影( L c o s ) 向 z轴投影, 得到 L c o s c o s O , 而后进行积
17、分计算得到纤维的取 向系数 。 l 1 0 Z Y 0 , 2, 2 1 竺 ! ! ! 0 tlr2 f 2 J。J。 L fd d O 同理可得 : = ,h i 2 0 f s i n c O s d d J。J。 L fd d O X =0 6 3 7 ( 2 ) 0 r 2 _ o 4 0 5 ( 3 ) t t 、 。 J。J。 L fd q d O 可以发现 ,纤维在 Y和 z轴方向上的取 向系数为 0 4 0 5 , 而 在 X 轴方 向上 的取 向系数 为 0 6 3 7 , 明显 高 于 其它两个方向的。 因此这样的推导并不完全正确 , 原因 可 能是假定 和 0 是单调
18、变化 的 , 而这样 的假设是 显然 不正确 的。 根据半球 体模型进行推导的示意图 , 见图 5 。 图 5纤维 取 向 系数计 算示 意 图p 吲 以纤维在拉伸方向上的取向系数研究为例 , 假定纤维 的末端落在半球内任意位置均有相同的概率, 因此纤维落 在与拉伸方向成 角的位置上的概率可表示为 : 1 2 d A=7 r f s i n 0 d 0 ( 4) 2 则纤维 的取向系数可表示为 : s 2 丌 ( 等 ) 芋 co s n 甜 2 ) 相 比于纤维取 向系数为 0 4 0 5 的结论 , 取向系数 为 O 5 更加合理和准确 。 ( 2 ) 考虑真实情形的纤维分布。 实际情况下
19、 , 纤维在基 体中并不完全是均匀分布的, 国内外学者对考虑各种因素 影 响的纤维分布状态进行了理论研究 , 以提高理论预测的 准确性和指导性 。 S o r o u s h i a n等 3 2 首先 研究 了边界 条件 对纤 维取 向系 数的影响, 建立了纤维取向系数的理论计算模型; 其次根 据单位面积上的纤维数 目评价纤维的分布和取 向, 给出 了纤维取 向系数的试验计算 公式 : ( A O ; 通过试验 值和理论值的比较发现 , 试验值略高于理论值 , 分析其原 因主要是振动 引起了纤维取 向的改变 , 由三维 ( 3 D) 分 布 向二 维 ( 2 D) 分布发展 ; L e e
20、等 3 5 】 建立 了 F R C断 裂面上 的 钢纤 维取 向系数和数量预测 函数 , 涉及到 的变量有 : 纤维 几何形状 、 试件尺寸和纤维体积掺量 ; Ma r t i n i e等【 对纤 维取 向进行了预测 , 并指出纤维取向分布的边壁效应范 围为 0 , J 2 , 见图 6 ; L a r a n j e i r a 等 认为纤维取向符合盖 斯定律, 并提“ o r i e n t a t i o n p r o fi l e ” 的概念, 对纤维的分布模 式进 行描 述 ; K a n g等 r3 8 对 超高性 能 混凝 土 ( U HP C) 流动 过程中的纤维取向变化
21、进行了数值模拟, 并比较了不同 模具 的差异 。 图 6 纤维长度为 - t , 2在结构部件厚度为 - 中的边壁效应 ( 边壁效应的区域厚度为 L , 2 ) 3 纤维分布的调控技 术 为了获得更好 的 F R C性能 , 部分 学者对纤维分 布 的 影响规律及调控技术上做了相关的研究 。 其 中影响规律研 究是调控技术的基础和关键 。 在影 响规律 方面 , A k k a y a 等嘲 研究 了纤维 分散 性对 混凝土多缝开裂 的影响 , 指出复合材料的韧性取决于首个 开 裂横截 面 的纤 维 团聚状态 ; F u k u h a r a 等 口 9 1 研 究 了 P V A 纤维分
22、布对 高性能纤 维增强水泥基 材料( H P F R C C) 弯 曲 性能的影响 , 证实 H P F R C C的弯曲性能与受力平行截面上 的纤维根数密切相关 , 而与受力垂直截面上 的纤维根数基 本无关 ; B o l a n d e r 等 3 3 J 研究 了纤维 分散性对 F R C C断裂性 能 的影响 ; S u n g S i k t4 O l 通 过纤维 的不 同加 入方式 , 研究 了 纤维分布对 F R C S 抗 压强度 的影 响 , 见 图 7 ; Y a z l c 1 等 4 1 研 究 了纤维取 向对 S I F C O N性能的影响 , 并 指出纤维取 向对
23、 断裂能的影响明显高于弯曲强度; K r a u s e 等刚、 K a n g 等 4 2 J 关 注了纤维分布对 F R C力学性 能的影响 , 并指 出纤维取 向对初裂 强度提 高幅度有 限 ,而对初裂后行为有着 明显 的影响 。 卜 卜 -I ca s e 1 Ca s e 2 Ca s e 3 ( a ) 纤 维增 强 试样 1 0 0 0 8 0 0 星 6 0 0 罾 4 0 0 2 0 0 1 2 3 4 轴 向应变 ( b ) 抗 压 强 度 图 7 纤维分布对 F R C S抗压强度的影响4 0 1 在 明晰纤 维分布影 响规律 的基础上 , 开展纤 维分布 l 11 圆
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