含水率及加载速率对纤维增韧喷射混凝土弯曲韧性的影响.pdf
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1、第 5期 2 0 1 3年 1 0月 水利水运 工程学报 A ND目 N口 NG No 5 0C t 2 0 1 3 含水率及加载速率对纤维增韧喷射 混凝土弯曲韧性的影响 苏安双 ,宁逢伟 ,韩旭 东 ,丁建彤 ,蔡跃波 ( 1 南京水利科学研究院,江苏 南京2 1 0 0 2 9 ; 2 中国水利水电第七工程局有限公司,四川 成都6 1 0 0 8 1 ) 摘要: 试验中观察到含水率及加载速率对钢纤维、 粗合成纤维增韧喷射混凝土弯曲韧性测试中的脆断概率影 响显著, 为此, 研究了这 2个试验条件对弯曲韧性测试的影响 试件在( 2 0 + 2 ) o C、 ( 6 0 _+ 5 ) 相对湿度条
2、件下分 别干燥 0 , 1 6, 2 4及 7 2 h , 获得不同程度的干湿状态 ; 然后按照 A S T M C 1 6 0 9及 C E C S 1 3的三分点加载, 以 0 0 5 m I n m i n 加载速率测试弯曲韧性 对于干燥时间分别为2 4和7 2 h的试件, 以0 0 5 , 0 1 0及0 2 0 ra m ra i n 加 载速率分别测试其弯曲韧性 结果表明, 随着含水率降低, 第一峰值弯曲强度明显降低 ; 未经干燥的水饱和试件 弯韧试验中均发生脆断, 但经干燥非饱和试件的特定挠度下残余弯曲强度、 弯曲韧性 。 。 。 随含水率降低而呈 现降低趋势 纤维增韧喷射 昆
3、凝土第一峰值强度、 残余弯曲强度、 弯曲韧性随加载速率提高而增大 ; 配合比相同 时, 相对含水率较高, 上述抗弯性能随加载速率提高而增大的趋势更为明显; 其原因可以解释为受孔隙中自由 水 S t e f a n 效应引发黏聚力作用 关 键 词 : 纤维增韧喷射混凝土; 弯曲韧性; 含水率; 加载速率; 粗合成纤维 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 9 6 4 o x ( 2 o 1 3 ) o 5 - o o 4 6 - o 8 喷射混凝土被广泛应用于隧道 、 洞室及地下工程 的支护 近年来 , 工程界经常使用钢纤维、 粗合成纤维增
4、韧的方法, 提高喷射混凝土的抗拉、 抗剪、 抗弯、 抗疲劳及抗冲击性能, 这种情况在具有高地应力、 高岩爆风险 的支护施工中尤为常见 与素混凝土相 比, 纤维增韧混凝土具有更高的弯 曲韧性 纤维增韧混凝 土弯曲韧 性测试方法的国内外标准包括 C E C S 1 3 : 2 0 0 9 、 J S C E S F 4及 A S T M C 1 6 0 9 2 - 4 按照上述标准 , 从材料和配合 比角度针对纤维增韧喷射混凝土( F R S C) 弯曲韧性影响因素的试验研究不断展开 然而 , 含水率与加载 速率这 2个试验条件对 F R S C弯 曲韧性影响的相关研究却极为少见 对于进行弯曲韧性
5、测试的试件的含水率 , C E C S 1 3: 2 0 0 9 、 J S C E S F 4及 A S T M C 1 6 0 9均要求将试件从标 准养护条件下取出后 , 立即进行弯曲韧性测试 , 以防止水分散失 参照这一规定 , 笔者进行 了若干组 F R S C弯 曲韧性测试 结果表明, 试件在测试过程中发生脆断的概率较高 一些相关研究则指出, 在进行弯曲韧性测试 之前 , 混凝土试件须在干燥环境条件下放置 3 4 h _ 8 由此可见 , 含水率可能在很大程度上影响 F R S C的弯 曲韧性测试结果 , 需要对此开展研究 对于弯曲韧性测试过程中的加载速率 , A S T M C 1
6、 6 0 9 、 J S C E S F 4及 C E C S 1 3: 2 0 0 9的规定分别为 0 0 5 0 1 0 m m m i n , 0 1 0 0 2 0 m m m i n和 0 1 0 m m m i n 由于加载速率会影响混凝土的强度测值 , 因而加载速率 也可能对弯曲韧性测值产生影响 笔者进行的初步试验结果也表明, 在较高的加载速率下 , 粗合成 F R S C试 件在弯韧测试过程中更易发生脆断 本文参照 C E C S 1 3 : 2 0 0 9 及 A S T M C 1 6 0 9 , 分别在 0 0 5 , 0 1 0及 0 2 0 ra m ra i n 加
7、载速率条件下, 测试了 经过不同干燥处理的粗合成纤维 、 钢纤维增韧喷射混凝土的弯曲韧性 以第一峰值弯曲强度、 特定挠度下残 收稿 日期 : 2 0 1 3 0 2 2 0 作者简介: 苏安双( 1 9 8 0 一 ) , 男, 辽宁铁岭人, 工程师, 博士, 主要从事混凝土材料研究E ma i l : a s s u n h r i c n 通信作者: 丁建彤( E ma i l : j t d i n g n h r i c n ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 苏安双 , 等: 含水率及加载速率对纤维增韧喷射混凝土弯曲韧性的影响 4 7 余弯曲
8、强度及弯曲韧性为考核指标, 考察了含水率及加载速率对粗合成纤维、 钢纤维增韧喷射混凝土弯曲韧 性的影响 1 原材料及 配合 比 1 1原材料 水泥采用 P O 4 2 5普通硅酸盐水泥, 其物理力学性能指标见表 1 特种掺合料采用市售产品, 该产品主 要成分为高 S i O 含量的掺合料与高效减水剂 , 其平均粒径 D( 4 , 3 ) 为 1 2 8 n m, 比表面积为 2 1 6 1 0 I T I k g 增韧纤维采用2 种市售聚丙烯粗合成纤维, 以及 1 种市售端钩型钢纤维, 生产厂家提供的性能指标见表2 速凝剂采用市售无碱液体速凝剂 , 掺量为水泥的 8 时, 按照 J C T4
9、7 7标准检测的初凝时间3 3 rai n , 终凝时 间 8 5 rai n 细骨料采用大理岩人工砂 , 细度模数 2 8 , 石粉含量 1 2 5 , 饱和面干吸水率 1 3 粗骨料采用 最大粒径 1 5 m m的大理岩人工米石 表 1 水泥物理力学性能 T a b 1 Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c e me n t P P F 1 聚丙烯粗合成纤 维 P P 聚丙烯粗合 成纤维 s F 钢纤维 3 8 3 0 3 5 1 0 0 0 8 1 0 5 5 3 8 3 7 6 5 4 8 8 4 7 4 1 2 5 0 5 6 6
10、0 2 0 0 1 2配 合 比 F R S C配合比见表3 其中, 钢纤维的体积掺量为 0 5 , 粗合成纤维体积掺量为 0 9 ; 特种掺合料掺量 为 1 0 ( 外掺 ) ; 速凝剂掺量为水泥质量的 4 ; 砂率为 6 0 ; 水胶 比= T k ( 水泥+ 特种掺合料 ) 为 0 4 4 表 3 纤 维增 韧喷射混凝土配合 比 T a b 3 Mi x p r o p o r t i o n s o f fi b e r r e i n f o r c e d s h o t c r e t e 2 试验研 究 2 1 搅 拌 与成 型 参照美 国硅粉协会推荐的硅粉混凝土的搅拌顺序 ,
11、 确定振动成型的掺加特种掺合料混凝土的搅拌工 艺 : 约一半的拌合水+ 粗骨料+ 特种掺合料 , 搅拌 3 m i n ; 加入水泥等其他胶凝材料 , 搅拌 3 m i n ; 加细骨料+ 粗 合成纤维 钢纤维+ 剩余的拌合水, 搅拌 3 m i n 在上述搅拌程序完成之后, 考虑现场实际施工条件, 为确保试 验程序尽量模拟现场施工操作 、 考察喷射时拌合物性能对喷射混凝土性能影响规律 、 如实反映胶凝材料水化 后加入速凝剂的效果 , 将拌合物静置 3 0 mi n , 然后再加无碱速凝剂 无碱速凝剂推荐掺量为胶凝材料的 8 , 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
12、4 8 水 利 水 运 工 程 学 报 2 0 1 3年 1 0月 此掺量下混凝土拌合物无法振动成型 试验表明 , 满足振动成型前提下 , 速凝剂最大掺量为 4 故按此掺量 加入无碱速凝剂 , 搅拌 3 0 S , 出机成型 2 2干燥 处理 试件拆模后 , 标准养护至 2 8 d 随后 , 将试件置于标准干缩试验条件下分别干燥 0 , 1 6 , 2 4及 7 2 h 选用这 样的干燥时间, 一方面考虑到试件内部含水率的变化主要发生在干燥初期 , 另一方面尽可能消除龄期增长对 试件弯曲性能的影响 将经过不 同干燥处理的试件在 1 0 5 o C下分别烘干至恒重 , 测试其相对含水率 , 按式
13、 ( 1 ) 计算。 : 墨l二 x 1 0 0 ( 1 ) m。一m。 ) 式 中: W为相对含水率 ( ) ; m。 为 2 8 d标准养护后试件初始质量( g ) ; m。 为试件烘干至恒重后质量( g ) ; 为 干燥时间( h ) ; m( t ) 为经过 t 时间干燥后试件的质量 ( g ) 2 3弯曲韧性测试 试件尺寸为 1 0 0 m m 1 0 0 m inx 4 0 0 m m 参照 A S T M C 1 6 0 9及 C E C S 1 3: 2 0 0 9标准 , 采用进 口自动伺服控 制抗弯试验机 , 测试弯曲韧性 试验采用三分点加载方式 , 跨 1 8 距为3 0
14、 0 m E, 加载速率分别为 0 0 5 , 0 1 0 及0 2 0 m n Vm i n : : 荷载一 挠度曲线通过 自动数据采集系统获取 至 1 2 典型荷载一 挠度曲线如图1 所示 依据 A S T M C 1 6 0 9 , 确 嚣 定第一峰值荷 载 P 、 特定挠 度残余 荷载 P n 。 , P 。 及 P lo o l 2 lo ; 通过计算获得 o o 2 lo 。 其中P 1 o 0 o _ 5o , P 1 o 及P 1 0o 2 o : 分别为宽和高均为 1 0 0 m m的棱柱体试件在弯韧钡 4 试过程中 挠度 m r f l 芝 桑 Fi 篓 d P 。及 P
15、。2l。计 算 的 强 度 分 别 为 第 一 峰 值 强 度 ,以 及 挠 , : , 度 分 别 为 0 5 , 1 0和 2 0 mm 时 对应 的残 余 弯 曲强 度 d e ft e c t i o n a n d fl e x u r a l t 。 g h n T I , 。 0 0 , 0 5 0 0 o , 1 0 0 o I 2 _ o T l o o 2 _ 0 为荷载一 挠度曲线在( 02 0 ) m m d e t e mi n e d a c c 。 r d i “ g t 。 A S T M C 1 6 0 9 3 结果分析 与讨论 3 1 含水率的影响 经干燥后
16、试件的相对含水率见表4 结果表明, 随着干燥时间延长, 3组混凝土相对含水率逐渐降低, 且 01 6 h的降低速率明显高于 0 2 4 h及 0 7 2 h的降低速率 , 表明混凝土内部水分散失主要发生在干燥初 期 ; 经过相同干燥时间 , 2组聚丙烯纤维增韧混凝土相对含水率基本相同, 均高于钢纤维增韧喷射混凝土 , 表 明相同干燥条件下, 钢纤维增韧喷射混凝土较聚丙烯纤维增韧喷射混凝土更易失水 已有研究结果表 明, 聚丙烯纤维体积掺量为 0 1 时 , 即可显著提高透水压力及抗渗等级 ; 而钢纤维体 积掺量为 0 6 时 , 透水压力及抗渗等级并未提高 , 仅是渗水高度小 幅降低 渗透性 的
17、降低 , 在一 定程度 上阻碍了聚丙烯纤维混凝土在干燥环境下的水分散失 表 4 不同干燥时间后纤维增韧喷射混凝土相对含水率 T a b 4 Re l a t i v e mo i s t u r e c o n t e n t o f F R S C a f t e r v a ri o u s d r y i n g d u r a t i o n s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 苏安双, 等:含水率及加载速率对纤维增韧喷射混凝土弯曲韧性的影响 4 9 在 0 0 5 m m mi n加载速率下 , 不同相对含水率 的 F R S C 的第一峰值
18、强度 见 图 2 可见 , 3组 F R S C在相对含水率降 低4 5 时, 第一峰值强度降低了3 8 5 0 , 即第一峰 值强度随着含水率的减少明显降低; 在最初干燥 1 6 h内, 相 对含水率降低 3 左右, 第一峰值强度降低2 5 4 0 , 表 明干燥初期第一峰值强度降低最为明显 , 这与相对含水率 的 明显降低相对应 ; 在相对含水率为 1 0 0 时 , 聚丙烯纤维增韧 喷射混凝土第一峰值强度达到甚至超过钢纤维增韧混凝土 ; 干燥失水后 , 后者的第一峰值强度高于前者 在 0 0 5 mm m i n加载速率下 , 未经干燥的试件均发生脆 断 脆断试件的荷载一 挠度 曲线在断
19、裂发生前呈 明显的线性 , 董 制 魑 趔 相对含水率 图2 不同相对含水率的纤维增韧喷射混凝土 第一峰值强度 ( 加载速率0 0 5 m m m i n ) F i g 2 F i r s t p e a k s t r e n g t h o f F R S C w i t h V l o n s r e l a t i v e m o i s t u r e c o n t e n t ( 1 o a d i n g r a t e 0 0 5 m m m i n ) 曲线斜率始终保持不变 , 这表明初裂发生时试件 即断裂 , 没有塑性变形阶段 初裂前试件发生弹性变形, 压力机所施加荷载
20、做功转化为试件弹性应变能, 能量值为0至初裂之前的荷 载一 挠度曲线的积分面积 根据断裂力学理论 , 初裂后弹性应变能转化为新表面能导致断面裂缝 的扩展及纤 维 的脱黏 、 变形 、 拔出或断裂 比较弹性应变能可得 , S C P P F 1 水饱和状态下弹性应 变能分别较 干燥 1 6 , 2 4及 7 2 h试件增加 1 2 6 , 1 2 6 及 1 3 5 ; S C P P F 2的分别增加 1 5 3 , 1 7 2 及 2 0 2 ; S C S F的分别增加 1 1 1 , 1 1 2 及 2 3 0 弹性应 变能显著增加导致初裂瞬间裂缝扩展、 纤维脱黏及破损的速度加快, 这有
21、可能是水饱和试件发生脆断的主要 原因 另一方面 , 水饱和试件发生脆断也有可能与喷射混凝土特殊 的原材料及配合比相关 , 例如在有速凝剂 条件下水化形成的针棒状钙矾石结晶较多、 凝胶状 的水化硅酸钙产物较少 , 这有待进一步研究 不同相对含水率的 F R S C的残余 弯曲强度、 弯曲韧性分别见图 3和 4 相对含水率为 1 0 0 的试件 , 弯韧 测试过程中均脆断 , 因而残余弯曲强度和弯曲韧性均无法获取 复 似 瞩 相对含水率 相对含水率 相对含水率 ( a ) 挠度 0 5 m m ( b ) 挠度 1 0 m m ( C ) 挠度 2 0 mi ll 图 3 不同挠度下纤维增韧喷射混
22、凝土残余弯曲强度随相对含水率变化 F i g 3 R e s i d u a l s t r e n g t h c h a n g e o f F R S C wi t l1 r e l a t i v e mo i s t u r e c o n t e n t u n d e r d i ff e r e n t d e fl e c t i o n s 随着相对含水率的降低 , 3组 F R S C的残余弯曲强度、 弯 曲韧性均呈现降低趋势 , 且在干燥初期 , 残余弯 曲强度 、 弯 曲 韧性降低的趋势尤为明显 与粗合成纤维增韧喷射混凝土相 比, 干燥初期钢纤维 喷射混凝土的残余 弯
23、曲强度 、 弯曲韧性 的降低更为明显 , 这可能 由于其在干燥环境 下更易失水 、 相 对含水率下降幅度更大 比较 图3的结果可得 , 在相对含水率相同时, s C s F组混 凝土 。 。 o 。 最大 , 其次为 。 2 。 最小 , 表明钢纤维增 韧 喷射混凝土残余弯曲强度随挠度增大而逐渐降低 可见, s c s F组混凝土在峰值荷载后 仍可保 持较高的承载能力 , 其失 相对含水率 图4 不同相对含水率的纤维增韧喷射 混凝土弯曲韧性 。 。 。 F i g 4 F l e x u r a l t o u g h n e s s T l 0 0 2 0 o f F RS C w i t
24、h v a Y i O HS r e l a t i v e mo i s t u r e c o nt e n t s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 0 水 利 水 运 工 程 学 报 2 o 1 3年 1 0月 效是随挠度增大而逐渐进行的 而在相对含水率相同时 , S c P P F 1 、 s c P P F 2组混凝 土的 。 。 。 , 。 及 。 。 - 2 _ 。 几乎相等 , 表明峰值荷载 过后 , 混凝土承载能力很快出现明显降低 , 且维持在 比较稳定水平 干燥时间相同时, s c s F的残余弯曲强度 、 弯 曲韧性均 明显高于 S C
25、 P P F 1和 s c P P F 2 , 表明体积掺量为 0 5 的钢纤维对喷射混凝土的增强 、 增韧效果明显优于体积掺量 0 9 的聚丙烯粗纤维 随着挠度逐渐增大 , s c P P F 1 、 S C P P F 2的残余弯 曲强度与 S c s F的差值逐渐减少 , 表 明随挠度变形增 大, 聚丙烯纤维增韧优势逐渐显现 S C - P P F 1 的残余弯曲强度、 弯曲韧性均高于 S C P P F 2 , 表明体积掺量相同条件下, 长度更长、 长径比更大 的聚丙烯粗纤维峰值荷载后的增强 、 增韧效果更优 关于干燥养 、 潮湿养护对普通或纤维混凝土力学性能的影响的研究较多, 普遍结
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- 含水率 加载 速率 纤维 喷射 混凝土 弯曲 韧性 影响
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