不同几何尺寸及弹性模量混合纤维混凝土力学性能试验研究与机理分析.pdf
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1、2 0 1 0年第 1 期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT P R0DUCTS 2 01 0 No1 Fe b r ua r y 不同几何尺寸及弹性模量混合纤维混凝土 力学性能试验研究与机理分析 刘 冬 , 黄 真 , 伏俊 杰 , 王 璞 ( 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院, 2 0 0 2 4 0 ) 摘要 : 对不 同几何 尺寸及 弹性模量 的钢纤维和聚丙烯纤维混凝土进行了单轴压 、 劈拉 、 弯折和冲击力学性 能试验研究 , 特别 设计 了抗 冲击试验装置 , 比较了不同纤 维几何 尺寸、 种类 和掺量对混合纤维混凝土 的
2、抗压强度 、 劈裂抗拉 强度 、 抗 折强度及抗冲击 性能的影响 , 分析了混合纤维混凝 土的增 强机理 , 并 总结 了增强混凝土力学性能较为突 出的混合纤维的种类和掺量。 关键词 : 混合纤维 ; 钢纤维 ; 聚丙烯纤维 ; 混凝土 ; 力学性能 中 图 分 类 号 : T U5 2 8 5 7 2 文献 标 识码 : A 文 章 编 号 : 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 0) 0 1 - 3 7 - 0 4 0前 言 纤 维作 为一种混凝土增强材料 ,在工程建设领域 中有着广泛 的应用 , 它可 以有效改善混凝土 的脆性 , 提 高混凝 土抗拉强度和韧性【 1 J
3、。 目前研 究较 多的是单一纤 维混凝 土 ,纤维的种类包括金属纤维 、无机非金属纤 维 、 合成纤维和天然纤维等。 不同纤维对混凝土 的力学 性能有不 同程度的改善 ,钢 丝钢纤 维可提高混凝土开 裂后 的韧性 ,铣削型钢纤维 可明显 提高混凝土的初始 开裂强度 ,聚丙烯纤维有助 于提高混凝 土的耐火和抗 冲击性能。根据 复合材料理论 删, 不 同纤 维混合 , 其性 能可以互补 。本文研究 的是将不 同种类 的钢纤维 和聚 丙烯纤 维按 一定 比例 加 以混 合制成 混 合纤 维 混凝 土 ( HF RC , h y b r i d f i b e r r e i n f o r c e
4、d c o n c r e t e ) ,通过 产生 正 混合效应 , 达到一加一大于二的效果 。为此 , 本文进行 了不 同种类和掺量的钢纤维与聚丙烯纤维混合 ,对混 合纤维混凝土的单轴压 、 劈拉 、 弯折 和冲击力 学性能进 行 了试验研究 , 特别设计 了抗 冲击试验装 置 , 分析 比较 了不 同纤维种 类和掺 量对混合 纤维混凝 土抗压强 度 、 劈裂抗拉强度 、 抗折强度及抗 冲击性能 的影 响 , 进 而分 析了混合纤维混凝 土的增强机理 ,总结 了力学性 能较 为突出的混合纤维混凝土 中混合纤维的种类 和掺量 。 1 试 验概况 1 1 试验材料 采用 P 0 5 2 5级普
5、通硅酸盐水 泥。细骨料为河砂 ( 中粗 ) , 细度 模数 2 5 。粗骨料为碎 石 , 粒径 5 2 0 mm。 四种纤维分别为长 钢丝纤维 ( 型号 C W0 3 5 0 1 0 0 0 , 简 称长钢丝 ) 、 短钢丝纤 维 ( 型号 C W0 3 3 0 1 0 0 0 , 简称短 钢丝 ) 、 铣 削型钢纤 维 ( 型号 A m i 0 4 3 2 6 0 0 , 简称铣 削 型) 、 聚丙烯纤维 ( 简称 P P纤 维) , 四种纤维 的形 貌见 图 基金项 目: 上海交通大学国防研究基金。 1 , 主要物理性 能参数见 表 1 。混凝 土基 准配合 比见 表 2 , 标养 2 8
6、 d , 设计强度 3 O MP a 。 图 1 四种纤维的形貌 表 1 四种纤维 的物理性能参数 1 2 试验 方法 抗压 强度 、劈 裂抗 拉 强度及 抗 折强 度试 验参 照 C E C S 1 3 : 8 9 ( 钢纤维混凝土试验方法 进行 。 抗压和劈裂 抗拉 强度试 验 的试 件尺 寸为 1 0 0 mmx 1 0 0 mmx 1 0 0 mm, 抗压加 载速率 0 5 MP a s , 劈裂加 载速率 0 0 5 MP a s 。抗 折强 度试验 的试件 尺寸 为 1 0 0 m mx 1 0 0 m mx 5 5 0 m m, 采 用液压式万 能试验机 四点加载 ,加 载速率
7、0 0 5 MP a s , 记 录荷载 、 变形和加载破坏过程 。 冲击试验 的试件尺寸 一 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 1 期 为 1 5 0 m m x 1 5 0 m mx 5 0 m m, 试验装置 为 自行设计 , 将试 件放 入角钢焊制 的金属框架中形成试件 的四边简单支 撑 , 周边保持约 l c m的间隙防止金属框架对 试件产生 横向约束 , 冲击球 重 7 2 k g , 下落高度为 3 0 e m, 测试时 , 冲击球沿试件 中心线 自由落下 ,记录初裂及破坏时 的 冲
8、击次数 。 为分析 比较不同种类 和掺量 的纤维对混凝土力学 性能 的影响 , 我们 设计 了素混凝土试件 、 单一纤维混凝 土试件和混合纤维混凝 土试件 的对 比。试件编号形式 是 MB C D , 表示对 应的长钢丝 、 短钢丝 、 铣 削型维 、 P P 纤维 的掺量分别为每 m 混凝土掺人 A公斤 、 B公斤 、 C 公斤 、 D公斤。 2试验结果与分析 2 1 抗压强度 试验结果见表 3 , 从表 3可 以看 出 , 除聚丙烯纤 维 混凝土外 ,其余纤维混凝土抗压强度均较素混凝土有 所提高 。三种单 掺钢纤维混凝土的抗 压强度分别提高 了 1 0 2 1 、 8 7 7 和 2 1
9、7 。三种配比的混合纤维混凝 土则分别提高了 6 2 4 、 5 1 8 和 6 2 4 。从整体上看 , 掺入钢纤维对抗 压强度 的提高作用并不明显 ,可以不 计人其对混凝土强度 的增强作用 。 需要 注意 的是 , 单掺 P P 纤维 可能在一定程度 上降低混凝 土的抗压强度 ( 本 次试验降低约 2 2 1 ) ,这是因为 P P纤维弹性模量 较 低 , 且 长度 较小 , 如有结 团会增加混凝 土的初始缺 陷 , 反而对混凝土抗压强度不利 。 破坏形态上 ,素混凝土为典型的倒 四角锥型突然 压坏 。加入纤维后 , 试件上先出现细小的竖向裂缝 , 直 至破坏时 , 试件仍 为整体 。 2
10、 2劈裂抗拉强度 试验结果见 表 3 。由表 3可见 , 纤 维的加入能显著 提高混凝土的劈 裂抗拉强度 ,三种单掺钢纤维混凝土 分别 提高 了 3 5 3 7 、 3 5 6 8 和 1 1 0 1 。单掺 P P纤 维 混凝土提高 了 2 0 3 ,三种配 比的混合纤维混凝 土分 别提高 4 4 3 4 、 2 4 4 3 和 4 3 1 5 。混合纤维混凝土的 劈裂抗拉强度较单掺纤维混凝土提高很多。在钢纤维 总掺量相 同的情况下 , 3 0 0 3 0 1 为提高混凝土劈裂抗 拉强度的最佳配 比。 破坏形态上看 , 素混凝土为脆性 劈裂断裂 , 破坏后 多分开为两半 。加入纤维后 , 试
11、件整体性加 强 , 破坏裂 缝细小 , 破坏后试件还保持为一个 整体 , 并 在劈裂裂缝 处可见明显的被拔 出或拉断的钢纤 维。 2 - 3 抗折强度 混凝 土抗折试验 中, 所有试 件均在纯 弯段破坏 , 试 验结果见表 3 。三种单掺 钢纤维混凝土 的抗折强度分 别提 高 3 1 5 0 、 2 2 5 0 和 1 2 8 3 ,单掺 P P纤维混凝 土提高 7 4 8 ,三种 配 比的混合纤维混凝土分别提 高 4 9 0 5 、 1 1 2 6 和 3 4 1 4 。 与劈裂抗拉强度规律相似 , 3 0 0 3 0 1 配合 比的混合纤维混凝土强度峰值 的提 高幅 度最大。从荷载一 位移
12、 曲线 的比较上可见 , 素混凝 土及 单掺 P P纤维 的混凝土脆性 大 , 未到下降段即已断裂破 坏 。 掺入钢纤维后 , 脆性得到明显改善 。 混合纤维 混凝 土上升段的斜率 与单掺纤维混凝土基本一致 ,但在相 同荷载下位移要小 , 且下降段更为平缓 。 综合 比较 , 3 o 0 3 0 1 配比混凝土的抗折性能最好 。 破坏形态上看 , 素混凝土为脆性 折断 , 小梁在试验 破坏后多断为两段 , 测不 出下降段。加入纤 维后 , 试件 表 3 纤维掺量及 主要力学性能试验结果 的整体性 增强 , 在受拉区有多条细小裂缝 , 逐渐 向受压 区发展 , 发 生典型 的受压 区混凝土压碎延
13、性破坏 , 到达 峰值加载点后 , 荷 载减小 , 试 件可 以继 续承载 , 直 到裂 缝处的钢纤维被拔 出或拉断。试验中可以测得荷载变 形曲线的下降段 , 见 图 2 。 2 4 抗冲击性能 试验结果见表 4 。试件破坏裂缝呈十字形 , 与文献 一 3 8一 4 】 描述 的破坏形式接近。素混凝土在初始裂缝出现时 迅速断裂破坏 , 除单掺 聚合纤维外 , 其它单掺钢纤维及 混合纤维均可 以明显提 高混凝 土抗冲击性能 。从表 4 可 以看 出 ,配 比 1 5 1 5 3 0 1的混合纤维对混凝 土的抗 冲击性能提高幅度最大 , N N 值也最高 , 说明材料不易 断裂 , 在裂缝 出现
14、以后仍然有 良好的工作性能 。 其它两 种混合纤 维混凝 土与单掺长钢丝纤维混凝土的提高幅 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘冬 , 黄真, 伏俊杰 , 等 不同几何尺寸及弹性模量混合纤维混凝土力学性能试验研究与机理分析 2 c 芝 罐 控 O 0 O 5 1 O 1 5 2 O 2 5 3 0 3 5 位移 ram 图 2 抗折试验的荷载一 位移 曲线 比较 表 4 抗 冲击试验结果 度 接近 。 3混合纤维 混凝土增强机理分析 3 I 混合效应系数 混合效应系数应同时考虑各 单纤 维的作用 ,可采 用差值法 和比值法定义 , 本 文在参考其 他文献I 5 基
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