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摻入混雜合成纖維的混凝土力學性能分析*胡建榮何銳李永鵬3

2017年11月14日 11:39  來源:中國化纖網  人氣:2075

  華南理工大學學報(自然科學版)摻入混雜合成纖維的混凝土力學性能分析胡建榮1何銳2李永鵬3(1.西安長安大學工程設計研究院有限責任公司,陜西西安710064;2.長安大學材料科學與工程學院//交通鋪面材料教育部工程研究中心,陜西西安710061;3.鄭州市市政工程勘測設計研究院,河南鄭州450052)混雜纖維混凝土,對其抗壓和抗彎性能進行測試,并采用雙因素方差分析法對彎曲韌性影響因素的顯著性特征進行了分析,同時還對混雜纖維的增強增韌機理進行了探討。結果表明:在不同的粗集料摻量下,混雜纖維混凝土抗壓強度普遍高于素混凝土,其提高幅度主要集中在15%~30%之間;摻入混雜纖維后混凝土試件的荷載-撓度曲線整體較為飽滿,多數曲線表現為變形緩慢軟化,部分出現變形硬化特征;纖維摻量對混凝土的韌性有非常顯著的影響,而粗集料摻量影響較小;CPP/PE纖維可以從不同層次結構對混凝土進行增韌,產生正混雜效應,從而使制備的混雜纖維混凝土具有優異的韌性。

  近年來,針對不同纖維增強混凝土的研究曰益受到國內外學者的關注。混雜纖維增強技術通過采用不同品種纖維的混雜或相同材質、不同幾何形態的纖維混雜,可使其在性能層次上產生互補,從而促使混凝土在不同結構層次上抑制裂縫的產生與擴展,其力學性能比單一纖維增強混凝土更為優越-3.目前,國內外研究人員先后對聚丙烯/鋼纖維、聚丙烯/碳纖維或碳/碳纖維等混雜混凝土的性能進行了研究,研究結果均表明混雜纖維可提高混凝土的力學性能、抗沖擊和抗裂性能等,并且采用高彈模纖維和高延性纖維相互搭配可以使混凝土的強度和韌性均大幅提高M.因此,文中采用高彈模聚乙烯(PE)纖維和低彈模聚丙烯粗合成纖維(CPP)進行混雜,以期制備出具有優良力學性能的混凝土材料。研究過程中分別從抗壓和抗彎兩個方面進行評價,采用雙因素方差分析法對彎曲韌性影響因素的顯著性進行了分析,并對混雜纖維的增韌機理進行了探討。

  1材料與試驗方法本研究采用的膠凝材料由水泥與粉煤灰組成,水泥(C)為盾石42. 5級普通硅酸鹽水泥,粉煤灰(F)為I級粉煤灰;粗集料(G)為粒徑5~20mm的石灰巖碎石,其中粒徑5~10mm的碎石占30%,粒徑10~20mm的碎石占70%;細集料(S)為潔凈河砂,細度模數2.65;外加劑(A)為聚羧酸類高性能減水劑,減水率30%,固含量18%;纖維包括PE和CPP纖維兩種,其性能參數如表1所示。

  基金項目:教育部博士點基金資助項目(20130205110013);國家自然科學基金資助項目(51508030);長安大學中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2013G3312018,2014G1311081);浙江省交通運輸廳科研計劃項目(2014H38)表1纖維的技術性能指標2纖維類型彈性模抗拉強度/MPa密度/長度/直徑/長徑比在混凝土內部結構中,粗集料用量的變化直接影響增強纖維的分布空間,所以如果粗集料參數選取不合理將會限制纖維增韌效應的作用范圍。因此,為了分析材料配比參數對混凝土力學性能的影響,本研究選定了4種粗集料用量(30%(體積分數,下同)、34%、38%和42%,對應配比的混凝土稱作G30、G34、G38和G42),通過變換各種用量下纖維混雜比例來確定合理的粗集料摻量及與之相匹配的纖維混雜比例。綜合以上分析,C:F:W:S:A質量比設為0.8:0.2:0.32:1:0.01,纖維摻量(PE+CPP)設為混凝土攪拌均勻后,分別澆筑尺寸為150mmx150mmX150mm的抗壓強度試件和尺寸為100mmX100mmX400mm的抗彎拉強度試件,成型24h后拆模,在標準養護室養護至28d后進行測試,每組3個試件。抗壓強度測試根據TGE30―2005進行,抗彎性能測試參照ASTMC1018方法進行。抗彎測試加載裝置為SANS萬能試驗機,加載方式為三分點加載,試驗機加載速率為0.2mm/min,采用荷載傳感器和千分表同步測量抗彎荷載和跨中撓度,并自動存儲在計算機中,測試原理圖見。測試完成后采用韌性指數15、、10、、20以及殘余強度系數褚,10與及10,0對各組試件的彎曲性能進行評價M.其中,下標表示初裂點撓度的倍數。

  2混雜纖維混凝土的抗壓強度不同纖維摻量下的抗壓強度測試結果如所示。根據,本研究制備的各組混凝土抗壓強度均較高,并且混雜纖維混凝土的強度更高,纖維摻量變化對其有明顯影響。在CPP摻量固定的情況下,當PE摻量由0.4%增大到0.6%時,混凝土G30、G34和G38的抗壓強度均隨之增大,而G42則隨之降低;當PE摻量進一步增大至0.8%時,G34的抗壓強度繼續增大而其他各組的抗壓強度均有一定程度的減小。在PE摻量固定的情況下,混凝土G30、G34和G38的抗壓強度均隨著CPP摻量的提高而增大,而G42反而略有減小。

  纖維慘量(PE+CPP不同配比混凝土的抗壓強度出現波動的原因可以由纖維的增強作用和削減作用來解釋。纖維被粗集料阻隔,隨機分散在混凝土內部,形成種相互連接的三維網狀結構,起到加筋補強作用,減緩有害裂縫擴展和分級,從而提高混凝土的強度,表現為增強作用。從另方面來看,由于有機合成纖維的彈性模量仍小于剛性的混凝土基體,當其分散在混凝土內部時相當于引入大量隨機分布的孔隙,當試件受到外部荷載時容易引起內部應力集中,表現為削減作用。所以當原材料配比合理時,纖維增強效應充分發揮,抗壓強度得以提升,因此在CPP摻量固定的情況下,當PE摻量由0. 4%增大到0.6%時,混凝土G30、G34和G38的抗壓強度均隨之增大。當粗集料用量較高時,纖維的分散性變差,此時纖維的負效應對正效應的抵消增強,尤其是對于CPP纖維來說,其引入的孔隙更大,削減作用更明顯。因此在PE摻量固定的情況下,除G42以外,混凝土G30、G34和G38的抗壓強度均隨著CPP摻量的提高而增大。

  總體來講,在不同的粗集料用量以及纖維摻量下,纖維的增強作用始終高于其削減作用,所以各組配比下的混雜纖維混凝土抗壓強度普遍高于素混凝土,其總體提高幅度主要集中在15% 3混雜纖維混凝土的抗彎性能3.1測試結果與分析各組配比下典型的荷載-撓度曲線測試結果見,性能指標結果匯總如表2所示。從可以看出,在4種粗集料用量下,素混凝土均呈現為脆性破壞,而混雜纖維混凝土則表現出明顯的韌性特征,且其韌性基本隨纖維摻量的增大而增大,并且纖維摻量相同時各組混凝土對應的荷載-撓度曲線變化規律比較接近。根據荷載-撓度曲線形狀與破壞特征可以將其劃分為脆性、變形急速軟化、變形緩慢軟化和變形硬化4種類型。

  4種素混凝土屬于脆性破壞,初裂以前荷載-撓度曲線呈線性增長的趨勢,裂縫一旦形成后荷載即達到峰值狀態,試件迅速破壞,荷載峰值有所波動;纖維摻量為0.4%+0.8%和0.4%+1.2%時屬于變形急速軟化破壞,在初裂前其變化規律與素混凝土相同,初裂出現以后承載力突然下降,達到初裂荷載的50%左右后保持小幅度的上下波動,同時撓度逐漸增大,能達到2mm以上,呈現出較明顯的塑性;纖維摻量為0.6%+0.8%、0.6%+1.2%和0.8%+0.8%時屬于變形緩慢軟化破壞,其變化規律與變形急速軟化較接近,區別主要在于初裂后承載力下降幅度相對較小(約為初裂荷載的80%),隨后承載力會有小幅度的增長,二次峰值不超過峰值荷載的90%,最后承載力下降,材料破壞;變形硬化破壞對應的纖維摻量為0. 8%+1.2%,其主要特征為在初裂后承載力會逐漸增大,雖然增幅有所差異,但均高于初裂荷載,在達到二次峰值后承載力才開始隨著撓度的增大而逐漸下降,最后試件破壞。

  典型荷載-撓度曲線測試結果G30-0.4-0.8表示粗集料摻量為30%,PE和CPP摻量分別為0.4%和0.8%的混雜纖維混凝土,其余以此類推從表2可以看出,在各組配比下,混雜纖維混凝土的初裂彎拉強度心、二次峰值彎拉強度<、二次峰值彎拉強度對應的撓度5:(以下簡稱“撓度”、承載力保持系數CTU/C均較素混凝土明顯增大,初裂撓度5.基本保持不變。當混雜纖維摻量水平較低時,表2彎曲性能測試結果編號承載力保持系數約為50%;隨著纖維摻量增加,承載力保持系數均逐漸增大,當纖維摻量增大到0.8% +1.2%時,混雜纖維增韌效果較為理想。此時,試件的承載能力在初裂后都會有所上升,最高達7.其對應的接度均超過1.0mm,最大可達1.7mm.同時,值得注意的是,對于G42來說,雖然隨著纖維摻量的增大其承載力保持系數逐步提高,但其初裂強度卻大幅降低,并且G42-0. 8-1.2的極限承載能力比G42-)-)還低。分析其原因,主要是因為此時粗集料用量較高,隨著纖維摻量的增大而導致新拌混凝土的工作性能降低,影響纖維增強作用的發揮,從而導致混凝土彎曲性能受到影響。

  根據ASTMC1018的規定,彎曲韌性指數和殘余強度系數越大,則材料的韌性越好,其在出現裂縫后承載力保持水平更高M.從表2可以看出,除了G42以外,在不同的粗集料用量下,混雜纖維混凝土的韌性指數與殘余強度系數隨纖維摻量的增大而呈增大趨勢,當纖維摻量最大(0.8% +1.2%)時,材料的韌性指數與殘余強度系數達到最大。與理想彈塑性材料相比,此時各組材料的/5、/1.、/2.、褚,10與及10,0均有較大幅度的提升,說明在此纖維摻量下混凝土具備較好的變形能力,彎曲韌性得到了極大改善,同時還具有較高的強度保持能力。對于G42來說,雖然此時纖維的分散會受到較大影響,但是當纖維摻量達到最大時其韌性仍明顯高于理想彈塑性材料。

  根據以上分析可以看出,文中所制備的CPP/PE混雜纖維增強混凝土表現出了優異的彎曲韌性,可以從混凝土典型的復合多層次結構特征來討論其增韌機理。從細觀尺度來看,微細纖維的加入能夠延緩微裂紋的起源和擴展,使結構受力更為均勻。同時,所采用的PE纖維惰性明顯,親水性很差,其與水泥基體的界面結合以摩擦粘結為主,化學粘結較薄弱,故界面結合強度相對較低,這使PE纖維在基體開裂后傾向于從基體中拔出。為混凝土試件加載后開裂處的局部破壞形貌,可以看到大量拔出破壞的PE纖維,其伸出長度在4mm左右。在纖維拔出過程中可通過纖維滑移摩擦有效耗散破壞能量,并利用其橋聯作用繼續使裂縫兩端協同受力,在微裂紋緩慢擴展的同時提供足夠的承載力,從而提高混凝土的變形能力。其次,從宏觀尺度來分析,CPP纖維較粗且較硬,直徑達0. 8mm,因此其分布和取向狀態受混凝土內部粗集料的影響相對較小。

  根據纖維間距理論可計算得到E0-12,本研究采用的CPP纖維理論間距(13. 08mm)與集料的最大粒徑相當,因此可以相對均勻地分散在混凝土基體中。隨著裂縫的擴展,當細纖維已被大量拔出而產生大裂縫時,由于CPP纖維的模量較低,其橋聯作用此時開始充分發揮,在拔出過程中耗散能量并傳遞荷載,從而在宏觀尺度上與細觀尺度的PE纖維實現協調增韌M.由此可以看出,PE與CPP纖維在不同結構層次上的協調互補是促使混凝土彎曲韌性大幅提升的重要原因。

  3.2雙因素方差分析為了定量比較粗集料用量和纖維摻量對混凝土彎曲性能影響的規律性,為材料設計提供借鑒,本研究將通過雙因素方差分析,并以韌性指標計算結果為依據,對其影響效果進行顯著性檢驗。假設纖維摻量為因素A、粗集料用量為因素B,因素A有A,(i=1,2,6)個水平,因素B有B.(=1,2,3,4)個水平;則A與B的不同水平組合共有24個,每個水平組合做1次試驗,得24個觀測值X.假定母體X.服從正態分布N(。,cr2),其中:。=弘+a,+島+為總平均值,a,為A在水平A,的效應為B在水平的效應為隨機誤差14-16.并且,a,=分析因素A、B的差異對試驗結果是否有顯著影響,即為檢驗如下假設是否成立:(b-1))時,拒絕H01,即因素A的影響有統計意義;當尸>(幼-1),“-1)(6-1))時,拒絕H02,即B因素的影響有統計意義。

  通過計算分析,將各因素的F值匯總于表3,各因素對韌性指標的影響顯著程度見表4.結合表3和4的分析結果可以看出,對于因素A來說,各韌性指標的F值均高于F0.01(5,15);對于因素B來說,Fb值要明顯小于Fa值,僅厶的F值高于F0.05(5,15),但其比F001(5,15)低。根據統計學判據可知,纖維摻量變化對混凝土的韌性特征影響非常顯著,而粗集料用量對混凝土韌性特征的影響則為顯著或不顯著,所以在進行混雜纖維混凝土設計時,纖維摻量對混凝土韌性的影響更為明顯。

  表3雙因素方差計算結果韌性指標纖維摻量非常顯著非常顯著非常顯著非常顯著非常顯著粗集料用量顯著不顯著不顯著不顯著不顯著4結論文中將PE和CPP進行纖維混雜,研究了其抗彎和抗壓性能,發現:在各粗集料用量下,混雜纖維混凝土抗壓強度普遍高于素混凝土,其總體提高幅度主要集中在15%30%之間;摻入混雜纖維后各組混凝土的荷載-撓度曲線整體較為飽滿,多數曲線表現為變形緩慢軟化特征,部分出現變形硬化,彎曲韌性得以明顯改善。研究還發現,各組試件的斷裂特征隨纖維摻量和粗集料用量的變化而有所差異,對粗集料用量和纖維摻量進行雙因素方差分析后發現,纖維摻量對混凝土韌性影響非常顯著,即纖維摻量對混凝土韌性性能的影響更為重要。究其機理認為:在細觀結構層次上,PE纖維能夠通過與基體的摩檫滑移耗散能量,抑制微細裂縫的擴展;在宏觀結構層次上,CPP纖維的低模量、高摩阻特征使得其橋聯阻裂作用在大裂縫出現后開始充分發揮,從而在宏觀尺度上實現與PE纖維的協調增韌,大幅提高混凝土的彎曲性能。

(完)

 
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