混掺纤维对改善活性粉末混凝土弯曲韧性的试验研究.pdf
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1、2 0 1 4 年 第 4 期 (总 第 2 9 4 期 ) Nu mb e r 4 i n 2 01 4( To t a 1 No2 9 4) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 MATE RI AL AND ADM INI CLE 混掺纤维对改善活性粉末混凝土弯曲韧性的试验研究 邓宗才 ,周冬至 ,J u m b e R D a u d ( 北京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室 ,北京 1 0 0 0 2 2 ) 摘要 : 通过钢纤维与高性能合成纤维混掺 以改善活性粉末混凝土的韧性 、 降低脆性 , 由弯曲试验测得 了荷载 位移曲线 , 分析 了
2、钢纤维与不同品种、 不同掺量合成纤维混掺对改善 R P C韧性的效果。 试验发现 : 当钢纤维体积掺量 1 或 2 与粗聚烯烃纤维 或细聚乙烯醇纤维混掺时, 可显著改善 R P C的弯曲韧性 ; 首次实现了使 R P C变形具有“ 二次硬化” 特征 ; 钢纤维体积掺量为 1 , 与粗聚烯烃纤维 、 细聚乙烯醇纤维混掺时的韧性指标 T ( 5 ) 和 T ( 7 ) 比单掺钢纤维时分别提高 4 9 8 1 4 0 和 8 2 3 2 1 5 6 ; 从经 济性看 , 钢纤维掺量为 1 与粗聚烯烃或者细聚乙烯醇纤维混掺时, 其增韧效果更优; 钢纤维掺量 为 2 时 , 细聚乙烯醇纤维掺量 不宜高于
3、 9 k g m 。 关键词 : 活性粉末混凝土;混掺纤维;弯曲韧性;二次硬化 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 4 0 0 9 0 0 3 E x p e r i me n t a l s t u d y o n t h e h y b r i d f i b e r t o i mp r o v e t h e f l e x u r a l t o ug h n e s s o f r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e DENG Zo n
4、 g c a i , ZHOU Do n g z h i , J u mb e R Da u d ( T h e Ke yL a b o r a t o r yo f Ur b a n S e c u r i tya n dDi s a s t e r E n g i n e e r i n g , Mi n i s t r yo f E d u c a t i o n B e ij i n g U n i v e r s i ty o f T e c h n o l o g y , B e i j i n g 1 0 0 0 2 2 , C h i n a ) Abs t r a c t :
5、 St e e l fib e r c o mb i ne d wi t h h i g h p e r f o r ma nc e s y n t h e t i c fib e r s we r e u s e d t o i mp r o v i ng t o u g hn e s s a n d r e d u c e br i t t l e ne s s o f r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e ( R P C ) h e r e i n L o a d d i s p l a c e me n t c u r v e s we
6、r e o b t a i n e d b y t h e fl e x u r a l t o u g h n e s s e x p e r i me n t a 1 T h e t o u g h n e s s i m p r o v i n g e ffe c t s o f s t e e l fib e r s c o mb i n e d wi t h s y n t h e t i c fibe r s f o r RPC we r e r e s e a r c h e dFr o m t h e t e s t r e s u l t s , i t i s f o u
7、nd t h a t : wh e n t h e v o l u me d o s a g e o f s t e e l fi b e r i s 1 t o 2 a n d mi x e d wi t h e i t h e r ma c r o p o l y o l e fi n fi b e r o r mi c r o p o 1 y v i n y l a l c o h o l ( P VA) fi b e r , t h e fl e x u r a l t o u g h ne s s o f RPC c a n b e s i g n i fic a n t l y i
8、 mp r o v e d; f r o m t he l o a d - d i s pl a c e me n t C U I V C S i t i s o bs e r v e d t h a t d e f o rm a t i o n o f t h e RPC s p e c i - me n s i s a b l e t o a c h i e v e s e c o n d h a r d e n i n g c h a r a c t e r i s t i c s ( s t r a i n h a r d e n i n g p e r f o r ma n c e
9、) : C o mp a r i n g t o s p e c i me n s wi t h o n l y 1 s t e e l fi be r s t h e t o u g h ne s s i n d e x o f s p e c i me n s c o mbi n e d wi t h 1 s t e e l fib e r s an d ma c r o po l y o l e fin fi be r o r mi c r o po l y v i ny l a l c o h o l fi be r wa s i n c r e a s e d b y a bo ut
10、 49 8 -1 40 a n d 8 2 3 21 5 r e s pe c t i v e l y Th e mo s t e c o no mi c a l d o s a g e o f s t e e l fib e r s d os a ge wi t h t he b e s t e f f e c t o n t h et o u g h ne s s o fRPC; whe n s t e e lfib e r c o n t e n ti s 2 t h efi neP VA fib e rd o s a g e s h o u l dn o t bemo r et h a
11、 n 9k g m Key w or ds: r e a c t ive po wd e r c o n c r e t e ; h yb r i d fib e r s ; fle x u r a l t o u g hn e s s ; s e c o n d a r y ha r d e n i ng 0 引 言 活性粉末混凝土( r e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e , 简称 R P C) 作为一种新型超高性能水泥基复合材料 , 自 1 9 9 3 年问世以 来, 因其自身具有超高强度、 高耐久性、 体积稳定性和环保 性能 , 在桥梁
12、I 程 、 核工业 、 超高层建筑等重要工程中得 到应用 。 由于 R P C组分 、 制备工艺的不 同 , 其强度 、 变 形能力和耐久性明显不 同于普通混凝土和高强混凝土。 然 而 , 未掺纤维的 R P C, 南于抗压强度极 高, 脆性比普通混凝 土和高强混凝土更大 , R P C结构的延性 和抗震性能更差 , 在高应力或复杂应力状态下 , 易发生爆裂式脆性破坏 。 因此 如何有效降低 R P C的脆性是影响R P C工程应用的重要技 术难题。 目前学者和工程技术人员采用掺人钢纤维来降低 R P C的脆性 , 改善变形 能力和耗能性能等 。 研究结果发现 , 收稿 日期 :2 0 1 3
13、 - 1 0 - 0 7 基金项目:国家 f f=l 然科学基金( 5 1 3 7 8 0 3 2 ) 9 O 钢纤维体积掺量为 l 2 时, R P C梁试件的荷载一 位移曲 线出现 了下降段 , 即有变形软化特性 , 但下 降段仍然较 陡, 裂缝 扩展较快 , 耗能能力不足 7 - 9 。 本研究基于复合材料力 学 , 提出了将钢纤维 与高性能合成纤维混杂使用 , 以降低 R P C脆性 , 探讨 了合成纤维品种 、 掺量对改善 R P C弯 曲韧 性 的效果 。 试验研究发现钢纤维与一定掺量的粗 聚烯烃纤 维或细聚乙烯醇纤维混掺 , 可 以显著降低 R P C的脆性 , 且 首次实现了使
14、 R P C变形具有“ 二次硬化” 特征的目标, 研究 成果将为进一步研究混杂纤维 R P C增韧技术提供参考。 1试验 概 况 1 1 试件制备 通过作者前期 的研究表明 , 超细水泥可替代硅粉制备 R P C 1 q , 本试验用该 方法制 备 R P C, 其配合 比列于表 1 。 其 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中普通水泥为 P O 4 2 5 级水泥 , 比表 面积 3 5 0 m2 k g ; 超细 水泥为 5 2 5 级膨胀型超细水泥 , 比表面积 6 5 0 m2 k g ; 矿渣 为粒化 高炉 矿渣 , 比表面积 为 4 0 8 m2 k
15、g ; 石英 砂粒 径 为 0 2 0 4 mm; 减水剂为 巴斯 夫高效 聚羧酸类减 水剂 , 消泡 剂 为液态 P R S 一 6 复合消泡剂 。 研究了单掺钢纤维、 钢纤维分别与粗聚烯烃纤维、 细聚 乙烯醇纤维混掺时 R P C的弯曲韧性。 钢纤维体积掺量分 别为 1 、 2 , 粗聚烯烃纤维或细聚乙烯醇纤维掺量为 3 个 , 分别为 6 、 9 、 1 1 k g m3 o 其 中钢纤维 由上海 贝卡 尔特有限公 司提供 , 直径 0 1 2 mm, 长径 比 6 6 7 , 抗拉强度为 2 8 5 0 MP a ; 粗 聚烯烃纤维由上海罗洋科 技公 司提供 , 直径 1 m m, 长
16、度 3 8 m m, 密度 9 1 0 k g m 。 ; 细聚 乙烯醇纤 维 由 日本尤尼 吉可 公 司提供 , 直径为 1 2 m, 长度为 1 2 mm, 密度 1 3 0 0 k g m 。 为了减小基体 变化对弯 曲韧性 的影 响, 所有试件 的基体都 采用表 1 所列的配合比。 试件编号 、 纤维品种和掺量见表 2 。 表 2中 R后 数字 为钢纤 维体积 掺量 , 第 1 个 “ 一 ” 后数 字 为粗 聚烯烃 纤维 质量 掺量 , 最后 1 个 “ 一 ” 后 数字 为 细聚 乙烯 醇纤 维 质量掺 量 。 如 R 1 9 0 , 表示钢 纤 维体 积掺 量 为 1 , 粗聚烯
17、烃纤 维掺量为 9 k g m , 细聚 乙烯 醇纤维掺 量 为 0 表 1 R P G材料组成与配合比 试件编号 钢纤维 粗聚烯烃纤维 细聚乙烯醇纤维 1 2试 验 方 法 梁试件尺寸均为 4 0 mmx 4 0 m mx l 6 0 m m, 每种纤维掺 量试 件有 3 个 。 试件 浇筑成型后在 标准条 件下静 置养 护 2 d , 然后在温度为 9 0, 湿度为 9 5 的条件下养护 3 d , 最 后 自然养护 2 3 d , 至开始试验。 试验加载装置采用全闭合电液伺服试验机 , 计算机自动 采集数据 。 加载过 程采用 位移控制模式 , 由开始加载 至荷 载下降到 7 0 峰值荷
18、载前加载速率为0 1 mm m i n , 7 0 峰值 荷载后加载速率为 0 6 mm m i n , 位移控制精度为 0 0 0 1 mm。 2 试验 结果分析 2 1 试验现 象 当加载值较小 时 , 单掺钢纤 维和混掺纤 维的 R P C均 未开裂 , 梁 弯曲变形较小。 当加载至一定值后 , 单掺钢纤维 的试件先 听见一声清脆的“ 嘣” 声 , 试件底部开裂 , 混掺纤 维 R P C试 件的开裂 “ 嘣” 声较小 。 单掺钢 纤维试件跨 中梁 底 的主裂缝 不断扩展 , 扩展过程 中伴随着钢纤维拔 断或拔 出的“ 蹦蹦” 响声 , 裂缝扩 展速率 比混掺纤维 R P C试件快 ,
19、破坏截面平直 , 如 1 ( a ) 所示 。 混掺纤维 R P C试件在荷载作 用下 , 裂缝扩展较慢 , 在主裂缝周 围有一些细小的次裂缝 , 卸载后裂纹闭合 , 加载过程 中试件发 出的响声频率较慢 , 声音 较小 , 裂缝扩展路径 曲折 , 破坏截面为折线且 凸凹不 平 , 图 1 ( b ) 所示 。 ( a ) 单掺 钢纤 维试件 裂缝 图 ( b ) 棍掺纤 维试件 裂缝 图 1 试件裂缝图 所有试件破坏后 完整性 良好 , 仍未分 离 。 通过对破坏 面的观察发现 , 单掺钢纤维试件截 面上的钢纤维拔断的比 例较高 , 而混掺纤维试件截 面上 约有一半钢纤维拔 出 , 大 部分
20、粗聚烯烃纤维或细聚乙烯醇纤维发生拔出破坏 。 2 2 试验结果与分析 2 2 1 荷载一 位移 曲线 素 R P C只有上升段 , 没有下降段 。 图 2 为钢纤维掺量 为 1 时, 单掺钢纤维及其混掺纤维 R P C的荷载一 位移曲 线 , 其 中图 2 ( a ) 为钢纤维与不同掺量粗 聚烯烃纤维混掺时 的实测曲线 , 图 2 ( b ) 为钢纤维与不同掺量细聚乙烯醇纤维 R P C试件 的实测 曲线 。 图 3 为钢纤维掺量为 2 Lt , 混掺纤 维 R P C荷 载一 位移 曲线 。 由图 2 ( a ) 可见 , 单掺钢纤维试件 , 在峰值荷载后荷载 下降迅速 , 当下降至 5 0
21、 峰值荷载后 , 下降速率趋于缓慢 , 其峰值荷 载 、 峰值位移均小于混掺纤维试件 。 所有混掺纤 维试件 中, 当达到第 1 个 峰值荷载后 , 荷载略有下降 , 然后 又开始上升 。 纤维掺量越 大 , 荷 载第 2 次上升越高 , 荷载一 位移曲线下降段越平缓 , 曲线所包围的面积越大 , 且第 1 个 峰值荷载后荷载下降幅度愈小 。 在下降段 出现上下抖动的 锯齿状 , 是纤维不断拔 出或拉断 的过程 。 由图 2 ( b ) 可见 , 体 积率 1 的钢纤维与细聚 乙烯醇纤 维混掺后 , 也出现二次峰值现象, 细聚乙烯醇纤维掺量为 6 、 9 k g m3 时, 曲线 区别不大 ;
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- 纤维 改善 活性 粉末 混凝土 弯曲 韧性 试验 研究
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