竹纤维增强混凝土的力学性能与计算方法研究.pdf
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1、2 2 0 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 4 1 卷第 1 期 2 0 1 5年 2月 竹纤维增强混凝土的力学性能与计算方法研究 张 昌, 黄 真, 王贤栋, 陈国维 ( 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院, 上海2 002 ) 摘要: 竹纤维混凝土是一种新型的绿色水泥基纤维复合材料。通过一系列单轴压、 劈拉 、 弯折对比试验, 研究了 不同掺量和长度的细圆杆型竹纤维对混凝土抗压强度、 劈裂抗拉强度 、 抗折强度的影响, 并分析竹纤维混凝土的增 强机理, 给出了竹纤维混凝土力学性能的建议计算公式。试验结果表明, 竹
2、纤维可以大幅提升混凝土的抗劈拉性 能, 体积掺量为 l 且纤维长度为4 5 m m的竹纤维混凝土的抗劈拉强度比素混凝土提高了 4 0 。在劈拉和弯折试 验中, 素混凝土试件在开裂后裂缝迅速贯通, 表现为脆性破坏。而竹纤维混凝土试件在开裂后仍有部分竹纤维继 续承担拉力直至拉断, 体现出明显的延性。 关键词: 竹纤维; 混凝土; 力学性能; 试验研究; 计算方法 中图分类号 : T U 5 2 8 5 7 2 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 5 ) 叭 一 2 2 00 6 Ex p e r i me n t a l s t ud y a n d a n
3、 a l y s i s o n me c h a n i c a l pr o p e r t i e s o f b a mb o o fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ZHANG Ch a n g,HUANG Zh e n,WANG Xi a n d o n g,CHEN Gu o we i ( S c h o o l o f N a v a l A r c h i t e c t u r e , O c e a n a n d C i v i l E n g i n e e ri n g , S h a n g h a i J i
4、a o T o n g U n i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 000 , C h i n a ) Ab s t r a c t : B a mb o o fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s a n e w k i n d o f e n v i r o n me n t f ri e n d l y c e me n t b a s e d c o mp o s i t e ma t e ria l wi t h b a mb o o fi b e r a d d e d T h i s p
5、 a p e r e x p e ri me n t a l l y s t u d i e d t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e b a mb o o fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e , a n d a n aly z e d t h e e f f e c t o f t h e f i b e r l e n g t h a n d v o l u me f r a c t i o n s o n t h e r e i nfo r c e d c o n
6、c r e t e S c o mp r e s s i v e s t r e n gth, s p l i t t e n s i l e s t r e n gth a n d b e n d i n g s t r e n g t h Ac c o r d i n g t o t h e a n aly s i s o f the t e s t r e s u l t s b a mb o o fi b e r c a n s u b s t a n t i all y i mp r o v e the s p i l t t e n s i l e p r o p e rt y a
7、 s the b a mb o o fi b e r r e i nf o r c e d c o n c r e t e h a s a 4 0 h i ghe r s p l i t s t r e n gt h t h a n t h e p l a i n c o n c r e t e B e s i d e s , b a mb o o fi b e r c a n a l s o i m p r o v e t h e d u c t i l i t y o f t h e c o n c r e t e i n s p l i t t i n g a n d b e n d i
8、 n g t e s t Ke y wo r d s : b a mb o o fi b e r ; c o n c r e t e; me c h a n i c al p r o p e r t i e s ; e x p e rime n t al s t u d y;c o mp u t i n g me t h o d O 引 言 纤维混凝土是 以混凝土为基材 , 并向其 中掺入 非连续短纤维作为增强材料而形成 的。向混凝土 中 掺人纤维主要有 以下作用 : 1 ) 提高混凝土抗拉强度 ; 2 ) 阻止混凝 土中原有微裂缝 的扩展并延缓 新 裂缝的出现; 3 ) 提高混凝 土的变形能
9、力从而改善其韧性 及 抗 冲击性能 J 。 另外 , 在实际工程 中, 纤维混凝 土施 工方式 多 样 、 施工方法便捷 , 可以显著地节省工期 。如钢纤维 混凝土, 在大面积地坪施工 中可以省去铺设钢筋的 收稿 日期 : 2 0 1 3 - 1 2 1 1 作者 简介: 张昌( 1 9 8 9一) , 男 , 湖南湘 潭人 , 硕士研究生 , 研 究方 向 为纤维混凝土力学性能 。 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 1 7 8 2 6 5 ) E m a i l : z h a n g c h a n g 0 8 0 7 g ma i l t o m 时间和人工 J 。竹
10、纤维的抗拉 强度接 近 2 0 0 MP a , 具有一般天然有机纤维绿色环保 的特点 , 同时具有 接近钢材抗拉强度 的出色力学性能, 有很好 的工程 应用前景。目前 , 关于金属纤维及合成纤维混凝土 研究 、 应用较成熟 , 而天然有机纤维混凝土特别是竹 纤维混凝土的研究和工程实践较少。作为天然有机 纤维混凝土的一种 , 竹纤维混凝土一方面保 留了混 凝土抗压强度高以及和易性好 、 便于施工的优点 , 另 一 方面利用了竹纤维轻质高强和对环境友好的特性 改善了混凝土抗拉性能并降低了材料 自重和生产过 程 中的能耗 , 具有广阔的应用前景 J 。已有其他文 献对掺入薄片卷丝型竹纤维的? 昆
11、凝土力学性能做了 研究 , 表明混凝土 中掺人竹纤 维后 ,其延性韧性有 明显提高 , 但抗压力学性能有所降低 J 。 本文选取直径为 1 5 mm的细圆杆型竹纤维 , 改 变竹纤维长度和长径 比并采用不同体积率掺量 , 将 竹纤维掺人到混凝土中, 通过多组单轴受压、 单轴劈 拉及弯折试验来研究竹纤维对混凝土力学性能的影 2 0 1 5 N o 1 张 昌, 等: 竹纤维增强混凝土的力学性能与计算方法研究 2 2 1 响和竹纤维混凝土的工作机理 , 通过对 比试 验总结 得出增强混凝土力学性能较为突出的竹纤维长度和 体积率掺量。 1 试 验概 况 1 1 试验材料 本试验 采用 细 圆杆 型竹
12、 纤 维 ( 图 1 ) , 直径 为 1 5 m m, 由毛竹上剥取竹片制成 细圆竹杆并 干燥成 型后制成 。试 验 中采 用三 种 长度 的竹 纤 维 : 2 2 5 m m、 4 5 m m、 6 7 5 mm, 分别对应不同的纤维长径 比。 竹纤维 的基本材料特性见表 1 。 图 1 试验所用的细圆杆型竹纤维 Fi g 1 B a mb o o fib e r s u s e d i n t h e e x p e r i me n t 表 1 竹 纤维的基本力学特性 Tabl e 1 Ba s i c me c ha ni c al p ar ame t ers o f bambo
13、o fibe r 混凝土配制采用 P O 4 2 5普通硅酸盐水泥 , 粒 径为 5 2 0 m m的碎石粗骨料 , 细骨料为中砂 , 细度 模数 2 5 。 昆 凝 土设计强度等级为 C 3 0 , 配合 比设计主要 参照 J G J 5 5 -2 0 0 0 ( 普通混凝土配合 比设计规程 , 同时考虑到掺入纤维对混凝土 和易性 的影响 , 配合 比试配后做一 定调整使混凝土 能有较好 的工作性 能。经试配后最终试验采用的混凝土基准配合 比见 表 2 。 表 2 试验 采用的混凝土配合 比 T a b l e 2 Th e mi x p r o p o r t i o n o f c o
14、n c r e t e 1 2试件分组及制作 为了比较分析纤维长度和掺人体积率对竹纤维 增强混凝土力学性能的影响 , 设计试件分为 6组 , 每 组 3个试件。试验分组基于不 同竹纤维长度 ( 2 2 5 m m、 4 5 mm和 6 7 5 m m) 和纤维 体积率 ( 0 、 0 5 、 1 和 2 ) ( 分组及编号见表 3 ) 。将 预先称量好的 粗 、 细骨料和水泥倒 人 自动搅拌机 中, 干拌约 2分 钟 , 然后将定量 的竹纤维撒入拌合并尽量使纤维均 匀分散 , 最后再加入水进行拌合 。当拌合均匀后马 上将竹纤维混凝土倒入钢模具中并进行振捣 。 所有试件在浇捣完成 2 4小时后拆
15、模 , 并置于阴 凉湿润的环境下养护 2 8天后进行各项力学性能试 验。 1 3 试验方法 单轴抗压强度试验 、 单轴劈裂抗拉强度试验及 抗折强度试验方法都 是基于 G B T 5 0 0 8 1 _2 0 o 2 普 通混凝土力学性能试验方法标准 进行。抗压试验 的试件尺寸为 1 0 0 m m1 0 0 mm1 0 0 m m, 加载速 率控制在 0 5 MP a s ; 劈裂试验 的试件尺寸 为 1 0 0 mm1 0 0 m m 1 0 0 mm, 加 载 速 率 控 制 在 0 0 5 M P a s ; 抗折强度的试件尺寸为 1 0 0 mm1 0 0 m m 5 5 0 m m,
16、 采用液压式万能试验机 的标准四点加载方 法测试试件抗折强度 , 抗折强度的加载速率控制在 0 0 5 M P a s , 记录荷载 、 变形和加载破坏过程。 2 试验结果 与分析 2 1 抗 压 强度 本课题研究 的试验结果参见表 3和图 2 。表 3 是竹纤维混凝土配 比设计及各项力学试验的主要试 验研究数据汇总。图 2是试验各组试件的抗压强度 试验结果 比较。 表 3 竹纤维混凝土配比设计及主要力学 试验研究结果 Ta b l e 3 S p eci me n mi x d e s i g n a n d t h e t e s t r e s u l t s o f b a mb o
17、o fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e 注 : 相对强度 =试验组强度 素混凝土组强度。 0 0 1 1 2 1 2 - 2 2 - 3 3 - I 图 2抗压 强度试验 结果比较 Fi g 2 Co mp a r i s o n o f th e c o mpr e s s i o n t e s t r e s ul t o f e ac h g r o up 如 m 0 日 螺趟擐 2 2 2 四川建筑科学研究 第 4 l卷 从表 3和图 2可 以看 出, 加入竹纤维对混凝土 的抗压强度没有增强效果 , 相较于对照组素混凝土 有一定程
18、 度 上的 削弱, 这 一现 象与 已有 的研 究结 论 比较一致。本试验研 究中, 编号 1 1的试验组 添加的是长度最短 的竹纤维 , 对试件抗压削弱程度 最大 , 为 9 6 。对 比纤维 长度相 同但掺人体 积率 不同的 2 1 、 2 - 2 、 2 3这 3个组试件的试验结果表明, 竹纤维掺量越小 , 对混凝土抗压性能负面影响越小 。 这主要是 因为竹纤 维弹性模量略低于混凝 土, 且部 分纤维分布不均匀使试件 内部产生局部缺陷, 影响 了混凝土整体性及抗压能力。而对 比纤维体积率相 同而掺入纤维长度不 同的 1 1 、 2 - 2 、 3 1这 3个组试 件的抗压试验结果发现 ,
19、 纤维长度越长对混凝土抗 压强度削弱影响越小 。 从试件破坏形态来看 , 作为对照组的素混凝土 是典型的倒 四角锥形 压坏 的破坏形态 ( 图 3 ( a ) ) 。 而其他掺入竹纤维的试件上先出现细小竖 向裂缝 , 直至破坏时试件仍为整体的立方体 , 竖向的破坏裂 缝也 比较细小 ( 图 3 ( b ) ) 。 ( a ) 素混凝土 ( b ) 竹纤维混凝土 图 3 竹纤维混凝土与素 混凝 土受压 破坏形态对 比 Fi g 3 Co mpr e s s i o n t e s t c o m p ar i s o n be t we e n pl a i n c o nc r e t e a
20、 nd fibe r c on c r e t e 2 2 单轴劈裂抗拉强度 单轴劈裂抗拉试验结果如图 4所示 。 塞2 0 2 l l l 8 0 0 l - 1 2一 l 2 2 2 3 3 1 图 4 单轴劈 裂抗拉试验 结果比较 F i g 4 Co mp a r i s o n o f s p l i ci n g t e s t r e s u l t o f e a c h g r o u p 试验结果表明, 加 了竹纤维的 5组试件的劈 裂 抗拉性能相较于对照组素混凝土试块分别有 3 8 、 1 7 、 4 0 、 3 2 、 3 4 的提 升。对 比纤维体积率相 同( 1 )
21、 而掺入纤维长度不同的 1 1 、 2 - 2 、 3 - 1 这 3个 组试件的单轴劈裂抗拉试验结果可以发现 , 掺入长 度为 4 5 mm的竹纤维对混凝土试件 的单轴劈裂抗 拉性能增强效果最佳 , 提升效果高达 4 0 。而对 比 纤维长度相同( 4 5 mm) 掺人体积率不同的 2 - 1 、 2 - 2、 2 3这 3个组试件的试验结果表明 , 1 体积率 的竹 纤维掺量是试验中对混凝土单轴劈裂抗拉性能增强 最优的竹纤维体积率掺量。 在破坏形态上 , 素混凝土对照组 的破坏形态为 脆性劈裂断裂 , 试件 中出现第一条劈拉裂缝后 随即 快速破坏 为两半 , 脆性破 坏断 面 明显 ( 图
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