混杂纤维增强混凝土

混杂纤维增强混凝土（精选八篇）

混杂纤维增强混凝土 篇1

复合化是当今材料领域改进与提高性能、开发新材料并扩大其应用范围的重要技术途径[1,2]。 大量研究表明,在混凝土中掺入适量的纤维,可使混凝土的整体性能有较大的提升,在多重条件影响下具有良好的抗冲击能力和耐久性能[3,4,5]、更好的抗折与劈裂抗拉强度[6,7]等。 目前,对于混杂纤维增强水泥基复合材料(Hy FRCC)的研究相对较少[8,9,10,11],不同纤维之间的抗拉强度、弹性模量及长径比等有很大的差别,如何使其在不同的层次结构与受荷阶段发挥不同的作用就显得至关重要。本文选用0~2.5%范围的纤维总体积率,将基本物理性能各不相同的钢纤维(SE)、 聚丙烯纤维(PP)和聚乙烯醇纤维(PVA)掺入水泥砂浆,制备Hy FRCC。 通过抗折与抗压试验,分析纤维种类、纤维体积率及水胶比对Hy FRCC力学性能的影响,以期为Hy FRCC配合比设计及应用提供思路与理论依据。

1 试验概况1.1 试验设计

1.1.1 试验原材料

水泥:P·O 42.5级普通硅酸盐水泥, 其各项性能指标符合现行标准[12]要求。

集料:中粗石英砂,平均粒径0.3~1mm。

粉煤灰: 南京某电厂Ⅰ级粉煤灰, 符合GB/T1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰 》[13]标准要求。

减水剂:DC-WR2聚羧酸高性能减水剂。

SE纤维:鞍山某钢纤维厂生产的超细、超短、高强SE纤维(图1a),基本物理性能见表1。

合成纤维:江苏某公司生产的聚丙烯纤维(图1b)和聚乙烯醇抗裂纤维 (图1c), 两种合成纤维的基本物理性能见表1。

1.1.2 试验配合比

依据高等级水泥砂浆的设计方法[14],确定的基本配合比为水泥∶砂∶粉煤灰∶水=1∶0.506∶0.125∶0.405。分别掺入不同体积率的SE纤维、PVA纤维和PP纤维,共得到14组配合比。 其中PC为素水泥砂浆,若没有明确标注,则默认水胶比为0.25,具体配合比见表2。 减水剂的掺量是根据材料的和易性试配得出的。

1.2 试件的制备及力学性能测试

为使纤维分布均匀,避免结团,采用先干拌后湿拌的搅拌方式。 加料的顺序为石英砂→水泥→粉煤灰→减水剂→纤维→水。 即:先将石英砂、水泥、粉煤灰及减水剂搅拌均匀,然后加入纤维继续搅拌直至分布均匀,最后加入水,再搅拌3min。

试件采用40mm×40mm×160mm的钢模成型,浇筑、振动、拆模及养护依据GB/T 17671—1999 《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》[15]进行。 试块在7d与28d龄期时, 参照GB/T 17671—1999与CECS13—2009《纤维混凝土试验方法标准 》[16]进行抗折 、抗压试验。 抗折试验采取三分点加荷,抗压试块采用抗折试验后的一半试块。

注:S 代表 SE 纤维,A 代表 PVA 纤维,P 代表 PP 纤维,W 代表水胶比; 例如:S1.0A1.5W0.20 表示 SE 纤维体积率为 1.0%,PVA 纤 维体积率为 1.5%,水 胶比为 0.20。

2 试验结果与分析

2.1 混杂纤维对水泥砂浆强度的影响

分别测试根据表2配合比成型试件的7d和28d抗折强度与抗压强度,试验结果见表3。

由表3可知,Hy FRCC的抗压强度和抗折强度相对于素水泥砂浆(PC)均有显著的提升。 这是因为:一方面,基体中随机分布的纤维能够约束单向压力下Hy FRCC的横向膨胀,从而提高材料的抗压强度;另一方面,PVA纤维表面粗糙,在复合材料中呈拉断破坏而非界面破坏拉脱(见图2),PP纤维在拔出、弹性变形增大的过程中不断消耗能量,因此

能够抑制裂缝的产生与扩展,提高基体的韧性与延性,使得Hy FRCC呈非突发性破坏,进而明显提高材料的抗折强度。

MPa

2.2 纤维体积率对 Hy FRCC 强度的影响

试验结果见图3~图5。 其中,图3是SE纤维体积率为1.0%时,PVA纤维与Hy FRCC抗折强度及抗压强度的关系;图4是SE纤维体积率为1.0%时,

PP纤维与Hy FRCC抗折强度及抗压强度的关系;图5是PP纤维体积率为1.0%时 ,SE纤维与Hy FRCC抗折强度及抗压强度的关系。

由图3和图4可见, 在SE纤维体积为1.0%的条件下,对于Hy FRCC的抗压强度,SE-PVA材料随PVA体积率的提升而下降 ,SE-PP材料随PP纤维体积率的提升呈抛物线趋势,但两者的变化幅度很小;Hy FRCC抗折强度的变化较明显,SE-PVA材料随PVA体积率的提升而提高,SE-PP材料随PP纤维体积率的提升呈抛物线趋势, 且在PP纤维体积率为1.0%左右时达到最高点。 这是因为PP纤维的抗拉强度及弹性模量较低, 在体积率过高的情况下,相当于引入了缺陷,同时高体积率纤维搅拌时的结团,更加放大了这种缺陷,导致基体整体强度的下降。 由此可知,对于SE-PP材料,SE纤维与PP纤维之间存在一个最佳的匹配体积率。

由图5可见, 在PP纤维体积率为1.0%的条件下,Hy FRCC的抗压强度与抗折强度均随SE纤维体积率的增加而提高。 与图4相比可知,相对于PP纤维,SE纤维对SE-PP材料抗压强度与抗折强度的提升起主导作用。

2.3 纤维种类对 Hy FRCC 力学性能的影响

图6为纤维种类对Hy FRCC力学性能影响试验结果。由图6可见,在SE纤维体积率为1.0%的条件下, 分别掺入0.5%或1.0%的PVA纤维、PP纤维和SE纤维制得的三种Hy FRCC相比, 抗压强度提升能力表现为:PP纤维<PVA纤维<SE纤维,抗折强度提升能力表现为:PVA纤维<PP纤维≈SE纤维。由此可知,SE纤维对Hy FRCC抗压强度的提升明显优于PVA与PP纤维, 而SE与PP纤维对Hy FRCC抗折强度提升的影响几乎相同, 均优于PVA纤维。可见SE纤维对Hy FRCC抗压强度与抗折强度的提升起主导作用。

2.4 水胶比对 Hy FRCC 力学性能的影响

图7为水胶比对Hy FRCC力学性能影响试验结果。 由图7可知, 在钢纤维体积率为1.0%,PVA为1.5%的条件下, 随着水胶比的提升,Hy FRCC的抗折强度与抗压强度均逐步降低。 这是由于水胶比的提升降低了基体韧度和界面黏结作用,使得界面的最大桥接应力降低,从而Hy FRCC较早的进入应变软化阶段,导致基体整体强度下降。

3 结论

(1)Hy FRCC的抗压强度、抗折强度相对于素水泥砂浆(PC)均有显著的提升。

(2)在PP纤维体积率过高的情况下, SE-PP的抗压强度、 抗折强度均随PP纤维体积率的提升呈抛物线趋势,SE与PP纤维之间存在一个最佳的匹配体积率。

(3) 在SE纤维体积率为1.0% 的条件下 , 对于Hy FRCC抗压强度的提升能力为 :PP纤维 <PVA纤维<SE纤维,抗折强度提升能力为:PVA纤维<PP纤维≈SE纤维。 SE纤维对Hy FRCC抗压强度与抗折强度的提升起主导作用。

(4)在钢纤维体积率为1.0%,PVA纤维体积率为1.5%的条件下,Hy FRCC的抗压强度、 抗折强度均随水胶比的提升而下降。

摘要：为了研究混杂纤维增强水泥基复合材料(Hy FRCC)的力学性能,在纤维总体积率为0~2.5%的范围内,开展了SE-PVA和SE-PP两种Hy FRCC的对比试验。结果表明,在保持SE纤维为1.0%的条件下,SE-PVA材料的抗压强度随PVA纤维体积率的提升而降低,抗折强度则呈上升趋势,而SE-PP材料的抗压强度、抗折强度均随PP纤维体积率的提升呈抛物线趋势;SE纤维对Hy FRCC抗压强度与抗折强度的提升起主导作用。

混杂纤维增强混凝土 篇2

【关键词】正交试验；水灰比；体积掺量；长径比

（3）从实验结果可以看出，随着玄武岩纤维体积率的增加，混凝土初裂次数、终裂次数、初裂后破坏冲击能与全过程破坏能少，且掺入超细粉，基本上无泌水，其水泥浆的粘性大，很少产生离析的现象。

2.3力学性能。

由于混凝土是一种非均质材料，强度受诸多因素的影响，水灰比是影响混凝土强度的主要因素，对于普通混凝土，随着水灰比的降低，混凝土的抗压强度增大，高性能混凝土中的高效减水剂对水泥的分散能力强、减水率高，可大幅度降低混凝土单方用水量。在高性能混凝土中掺入矿物超细粉可以填充水泥颗粒之间的空隙，改善界面结构，提高混凝土的密实度，提高强度。

2.4体积稳定性。

与普通混凝土相比，高性能混凝土具有高体积稳定性，硬化早期水化热程度很高。

2.5经济性。

高性能混凝土较高的强度、良好的耐久性和工艺性都能使其具有良好的经济性。高性能混凝土良好的耐久性可以减少结构的维修费用，延长结构的使用寿命，收到良好的经济效益； 高性能混凝土的高强度可以减少构件尺寸，减小自重，增加使用空间；HPC 良好的工作性可以减少工人工作强度，加快施工速度，减少成本。

3. 高性能混凝土技术的应用

3.1在道路工程中的应用。

与传统混凝土相比，高性能混凝土具有良好的稳定性与耐久性，因而在人们的生产生活中得到了广泛的应用。将高性能混凝土技术应用于道路工程中，不仅能够合理地缩减道路地面的厚度，有效延长道路的使用寿命。此外，高性能混凝土具有良好的透水性能，可以有效缓解道路热岛效应的发生。随着现代化城市进程的不断推进，道路覆盖率也逐年增加，加快了整个城市的建设。在城市不断建设的过程中，其道路建设的水平及质量至关重要。将高性能混凝土技术应用在道路工程中，既能适应我国高速发展的交通行业，又能满足现代化、城市化建设的需要，因此值得大力推广。

3.2在桥梁工程中的应用。

（1）桥梁工程中，大跨度桥梁的自重往往占总荷载的大部分。将高性能混凝技术应用于桥梁工程中，可以合理降低桥梁的自重和截面高度，使桥梁工程的耐久度得到提高。同时，由于高性能混凝土具有较高的早期强度，因而可以加快桥梁工程的整体施工进度。

（2）与传统的混凝土相比，高性能混凝土具有较好的强度、耐久度以及抗拉力，使得高性能混凝土铸造的桥梁无论是在使用寿命还是整体性能上都有了很大的提升。当前，高性能混凝土技术还被应用于海岸与河堤的加固工程中。将高性能混凝土应用于堤防的筑造，可以有效避免海岸塌陷等问题。高性能混凝土的耐久性，使得海岸线得到了合理的开拓，大部分沿海城市的面积相应地得到了增加，各类水生生物的适应性也得到了满足，海洋中丰富多样的资源得到了切实的保护。

参考文献

[1]王人和. 高性能混凝土矿物掺合料及其性能研究[D].武汉理工大学，2012.

混杂纤维增强混凝土 篇3

随着纤维混凝土技术的进步,纤维混凝土材料应用经验的累积以及人们对普通钢筋混凝土管片存在问题的认识,将纤维混凝土应用于地铁管片预制已是大势所趋[1,2]。目前国内纤维混凝土地铁管片技术的应用研究大多是通过试验手段进行的[3,4]。尽管通过大量的试验数据可以判断混杂纤维混凝土管片的力学性能是否满足要求,但是试验费用昂贵、周期长,且试验研究受试验条件(如边界条件、模型尺度等)影响较大,笔者认为采用现有的大型有限元分析软件对混杂纤维混凝土在地铁管片中的应用研究十分有意义。本文利用ANSYS软件计算混杂纤维混凝土地铁管片在某工程中的最大应力及位移,与试验测得混杂纤维混凝土设计强度及GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》规定的位移限值比较,同时与普通混凝土地铁管片进行比较,讨论了混杂纤维混凝土地铁管片的力学性能。

1 有限元分析模型的建立

1.1 单元选择及本构关系

采用分离式模型[5]方式建立管片有限元模型,用SOLID65单元模拟混杂纤维混凝土;LINK8单元模拟管片中的加固材料(钢筋)。SOLID65单元是一种8节点六面体单元,可加入混凝土的三轴本构关系及破坏准则,并可对非线性材料性质进行处理,所建立的混凝土模型具有断裂、压碎、塑性变形和蠕变功能。LINK8单元是一种杆轴向的拉压三维杆单元,每个节点有三个自由度,沿着节点坐标X、Y、Z方向平动。该种单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形及大应变功能。

混凝土单元需要定义破坏准则和本构关系[6],对于纤维混凝土,纤维充当了骨料的角色,所以选择正确的本构关系和破坏准则是进行计算分析的重要因素。ANSYS中的混凝土材料特性用的是Willam-Wamker五参数破坏准则和拉应力准则的组合模式,能够较好地反映混凝土在静水压力(从低到高)作用下的破坏特性。但是ANSYS中默认的混凝土本构关系是线弹性的,即在开裂前的应力-应变关系为线性,这不符合实际,即使在较低的应力-应变关系下也表现出明显的非线性[7]。因此,要在材料属性中加入反应其本构关系的特性。本文混凝土本构关系采用ANSYS提供的多线性等向强化模型MISO,钢筋本构关系采用双线性等向强化模型BISO。

1.2 计算模型尺寸及参数获取

计算模型采用某混杂纤维混凝土地铁管片抗弯试验模型尺寸:宽1.5m,厚0.3m,外径6m,内径5.4m,圆心角为72°,管片采用对称配筋,主筋为8覫12mm钢筋,无箍筋。千斤顶重量200t,其抗弯试验图如图1所示。

为了获取混杂纤维混凝土的力学性能参数,按照国家标准GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和CECS 13:2009《纤维混凝土试验方法标准》进行试件制备,试验原材料如下:

(1)水泥:选用质量稳定的广州市珠江某水泥厂生产的P·Ⅱ42.5R级硅酸盐水泥。

(2)粉煤灰:东莞虎门某电厂标准Ⅱ级灰,各项指标符合GB 1596—2005《用于水泥及混凝土中的粉煤灰》中的规定,能够满足试验要求。

(3)砂:广州河砂。

(4)碎石:粒径5~20mm,连续级配、表面比较粗糙的花岗岩碎石。

(5)钢纤维:重庆某公司生产的剪切波浪型钢纤维。

(6)聚丙烯纤维:重庆某公司生产的聚丙烯纤维。

(7)高效减水剂:JB-ZSC聚羧酸系高性能减水剂,含固量为20%。

参考文献[8]进行混凝土配合比设计,配合比见表1。并对150mm×150mm×150mm立方体试件进行抗拉、抗压强度试验。

混杂纤维混凝土(钢纤维体积率0.09%,聚丙烯纤维体积率0.05%)和普通混凝土的基本参数见表2。钢筋参数采用GB 50010—2010中规定的数值,具体见表2。

混杂纤维混凝土和普通混凝土的应力-应变关系见图2。

kg/m3

1.3 边界条件及荷载

根据图1中的试验,可以近似的将试验中的管片约束在ANSYS中简化为两端固定约束,即管片两端X、Y、Z三个方向自由度约束;试验中管片中间截面采用200t千斤顶四点弯折方式加载,在ANSYS可以近似于在模型两特定位置各施加1000kN面荷载。划分网格并施加约束及荷载后的混凝土管片有限元模型见图3。

2 计算结果及分析

分别对普通混凝土地铁管片与混杂纤维混凝土地铁管片有限元模型进行求解。表3为地铁管片抗弯试验有限元模拟结果。

由表2与表3可知:普通混凝土地铁管片与混杂纤维混凝土地铁管片在承受200t千斤顶载重时,最大压应力分别为20.5MPa和20.6MPa,均出现在荷载施加部位(见图4和5),其均小于各自轴心抗压强度设计值,满足抗压强度设计要求;最大拉应力分别为2.74MPa和2.80MPa,均出现在荷载施加部位对应的管片内侧(见6和图7),前者大于其抗拉强度设计值2.65MPa,不满足抗拉强度设计要求,后者小于其抗拉强度设计值4.51 MPa,满足抗拉强度设计要求;最大位移分别为0.838mm和0.771mm,均为径向位移,出现在中间截面(见图8和图9),均小于GB 50010—2010中规定的L/250限值。

综上所述,此混杂纤维混凝土地铁管片符合设计要求,而普通混凝土地铁管片不符合设计要求,需要重新配筋。同时说明同等条件下混杂纤维混凝土地铁管片承载性能要高于普通混凝土地铁管片,这一结论与试验测得混杂纤维混凝土的抗拉、抗压强度高于普通混凝土一致。

3 结论

(1)通过在混凝土中掺入钢纤维与聚丙烯纤维,提高了混凝土的抗拉、抗压强度,且抗拉强度提高更加明显。

(2)通过数值模拟得到,同等条件下混杂纤维混凝土地铁管片的承载性能高于普通混凝土地铁管片,这一结论与试验测得混杂纤维混凝土抗拉、抗压强度高于普通混凝土一致,进而验证了数值模拟有限元分析法是有效可行的。

(3)通过有限元方法可以验算管片设计是否满足设计要求,从而指导其配筋。

参考文献

[1]宁博,欧阳东,易宁,等.混杂纤维混凝土在地铁管片中的应用[J].混凝土与水泥制品,2011(1):50-53.

[2]鞠丽燕,王量,张雄.地铁隧道复合纤维混凝土管片新技术[J].混凝土,2004(8):69-71.

[3]晏浩,朱合华,傅德明.钢纤维混凝土在盾构隧道衬砌管片中应用的可行性研究[J].地下工程与隧道,2000(1):13-16.

[4]闫治国,朱合华,廖少明,等.地铁隧道钢纤维混凝土管片力学性能研究[J].岩石力学与工程学报,2006(25):2888-2893.

[5]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2011.

[6]宋玉普.多种混凝上材料的本构关系和破坏准则[M].北京:中国水利水电出版社,2002.

[7]赵鹏飞,毕巧巍.混杂纤维混凝土的非线性分析[J].工业建筑,2007(37):975-977.

混杂纤维增强混凝土 篇4

可用于改善水泥基材料性能的纤维种类较多,主要有钢纤维、玻璃纤维、聚合物纤维、天然纤维、碳纤维等,这些纤维的性能各异。不同纤维混杂可产生不同于单一纤维的混杂效应,从而发挥各种纤维的综合作用[1~3]。本文研究了碳纤维、微细钢纤维和较大直径钢纤维(通常称普通钢纤维)三种不同几何尺寸纤维的混杂效应。试验研究表明,不同几何尺寸的混杂纤维比单一纤维具有更高的增强与增韧效果,具有显著的几何混杂效应[4~6]。

现代材料科学的核心是结构与性能之间的关系,不同几何尺寸纤维的混杂效应与其内部结构密切相关。混凝土材料具有多相、多组分、高度不均匀及复杂的结构等特性,同时,混凝土中的裂缝是随机分布的,但不是所有裂缝都同样影响混凝土的破坏过程。有一些裂缝很稳定,而另外一些裂缝扩展很快。在破坏的最终阶段,裂缝大多数发生在一些较大的缺陷周围。由于混凝土系统的不均匀性,局部应力是随机的,因此,非常难以建立混凝土结构和纤维混凝土的精确模型,也很难确切地预测混凝土材料的性能。

本文从混凝土内部裂缝扩展出发,建立不同几何尺寸纤维对混凝土增强和增韧的物理模型,为纤维混凝土材料设计提供了一定的理论基础。

1 不同几何尺寸混杂纤维混凝土的物理模型

1.1 混凝土中的裂缝扩展模型

大量试验研究结果表明,混凝土材料的缺陷存在一定的规律性[7]:在普通混凝土中,破坏的部分是水泥浆体和水泥浆体与骨料的界面,骨料和气孔处会产生局部应力集中,从而改变局部所受应力的种类。当混凝土受压应力作用时,局部应力为拉应力,在拉应力场中,微裂缝会发展成细观裂缝,从而释放局部应变能,在混凝土的破坏过程中会产生一系列典型的裂缝扩展方式。

在混凝土中,砂浆与粗骨料的界面是弱相,与砂浆基体相比,界面区具有较高的孔隙率。研究表明[8],砂浆与粗骨料的界面粘结强度仅为砂浆抗拉强度的几分之一。Carrasquillo等人发现,在混凝土中存在界面粘结微裂缝[9],如图1所示,粘结微裂缝主要是由于水泥浆体收缩造成的。

图2为典型的混凝土应力-应变曲线。在达到极限强度σ的30%时,应力与应变曲线接近直线;应力超过该点之后,曲线的曲率逐渐增加;到0.75σ~0.95σ左右时,曲线明显弯曲,在应力达到σ时形成峰值点。混凝土的应力-应变曲线形状的这种变化与其内部裂缝的发展过程密切相关。与混凝土的裂缝扩展相联系,混凝土的应力-应变曲线可分为四个区域[10]:

(1)当应力小于0.3σ时,应力与应变曲线基本上呈直线,对应于加荷之前已有粘结裂缝存在,但它们十分稳定,几乎没有扩展的倾向。除了已经存在的裂缝之外,在拉应变极度集中的微小局部区域内也可能引发一些附加裂缝。

(2)在约为极限荷载的30%~50%之间时,应力与应变曲线开始偏离直线,相应于粘结裂缝以稳定的方式缓慢扩展。同时,裂缝的长度与数量增加。在此阶段,基体中只有轻微的开裂。

(3)在约为极限荷载的50~75%之间时,应力与应变曲线曲率逐渐增加,相应粘结裂缝继续扩展,并延伸到基材之中。随着基材的开裂,原先孤立的粘结裂缝开始搭接起来,发展成一个更为广泛和连续的裂缝体系。

(4)应力超过0.75σ之后,应力与应变曲线明显弯曲,相应于基材中更为迅速地生成裂缝。由于这些裂缝的延伸,裂缝体系变得不稳定,于是发生破坏。

混凝土在应力接近最大荷载时的逐渐破坏主要是穿过基材的微裂缝所造成的,这些微裂缝将临近骨料表面上的粘结裂缝结合起来,形成微裂区或造成内部损伤。随着应变的增加,混凝土的损伤连续累积,混凝土就进入了以出现宏观裂缝为标志的应力与应变曲线的下降分枝。

根据混凝土内部结构特性和裂缝发展过程,可建立混凝土裂缝扩展模型:混凝土可看作由粗骨料与砂浆两相复合而成,混凝土的物理模型如图3(a)所示;粗骨料与砂浆的界面存在界面粘结微裂缝,如图3(b)所示;当应力超过0.75σ后,基体中的裂缝与界面微裂缝连接起来,如图3(c)所示;此后,粗骨料对裂缝的桥接作用对混凝土的裂缝宽度产生重要影响,如图3(d)所示。

研究表明,由于粗骨料的桥接作用,混凝土的真实断裂表面与表观断裂表面的比为:(15~20):1。Stang[11]根据大量试验数据,建立了混凝土骨料桥接应力与裂缝开展宽度的经验公式:

式中,σmu为裂缝开展宽度为0时的骨料最大桥接应力;p为描述软化曲线形状的参数;δ0为最大桥接应力的一半时裂缝开展宽度。

图4为Stang[11]建立的混凝土开裂后骨料桥接应力与裂缝开展宽度关系,不同强度等级混凝土具有不同的σmu值,Stang测试出骨料粒径为8mm的普通强度混凝土和高强混凝土的σmu值分别为3.4MPa和5.0MPa。

粗骨料的桥接作用使微裂缝的宽度不断增加,粗骨料桥接微裂缝的模型如图3(d)所示。当微裂缝宽度增加,混凝土裂缝发展成为宏观裂缝。此时混凝土的裂缝扩展模型如图5所示。

1.2 几何混杂纤维增强混凝土的物理模型

由上述分析可以看出,在外荷载的作用下,混凝土的裂缝扩展是由界面微裂缝不断发展的,经过由骨料的桥接微裂缝,最后发展成为宏观裂缝,而不同几何尺寸纤维与其对不同尺度的裂缝约束作用具有一定的对应关系。因此,采用不同几何尺寸纤维混杂可有效抑制各种尺寸裂缝的扩展,从而达到不同几何尺寸纤维对混凝土的混杂增强作用。

当混凝土所受的荷载较小时,混凝土内存在数量众多的微裂缝,微细纤维能有效抑制裂缝的扩展,如图6(c)所示。由于粗骨料的桥接作用,微裂缝的宽度不断增加,部分微细纤维从基体中拉断或拔出,而尺寸较大的纤维能有效抑制裂缝的扩展,不同几何尺寸纤维能共同阻止微裂缝的扩展,从而增加混凝土的强度。当混凝土中出现宏观裂缝后,尺寸较大的纤维能有效抑制宏观裂缝的扩展,不同几何尺寸纤维共同阻止骨料桥接裂缝的扩展,不同几何尺寸纤维具有显著的协同作用效应。不同几何尺寸纤维对混凝土的宏观裂缝的抑制模型如图6(a)和图6(b)所示。

2 混杂纤维对混凝土增强作用的物理模型验证

2.1 试验过程

(1)试验原材料

碳纤维:PAN基高强碳纤维,长度2mm。

水泥:42.5级普通硅酸盐水泥。

硅灰:某公司细硅粉。

细骨料:河砂,细度模数为2.8。

粗骨料:5~20mm碎石。

减水剂:某公司高效减水剂。

(2)混凝土配合比

采用的基准混凝土的配合比为:(水泥+硅灰):砂:石:水为1:1.31:2.11:0.35(质量比),硅灰占胶凝材料总量的5%。分别采用体积掺量为0.5%碳纤维和钢纤维以及碳纤维和钢纤维混杂(钢纤维体积掺量为0.3%、碳纤维体积掺量为0.2%)。

(3)试验方法

成型100mm×100mm×515mm梁,切口深度为5cm,采用闭环反馈控制Instron8501试验机测试混凝土荷载-挠度全曲线。根据全曲线计算断裂能,断裂能按下式进行计算:

式中,W0为荷载与挠度曲线的包络面积(N·m);mg为混凝土梁支撑段的自重;δmax为梁最终破坏时的变形;Alig为试件的韧带面积。

2.2. 试验结果与模型验证

碳纤维混凝土、钢纤维混凝土、混杂纤维混凝土以及基准混凝土的切口梁荷载-挠度曲线分别如图7~图

9 所示。不同几何尺寸纤维混杂的混杂纤维混凝土极限荷载增加值和断裂能增加值见表1。

由图7和表1可以看出,碳纤维对混凝土具有一定的增强和增韧作用,但增强作用有限。在峰值荷载之前,混凝土主要是形成微裂缝的过程,此时,碳纤维能有效抑制微裂缝的扩展,如图10(3)所示。由于碳纤维对微裂缝的约束作用,使其对混凝土具有一定的增强作用。当微裂缝的宽度增加,碳纤维从基体中拔出或拉断,此时,碳纤维对混凝土的裂缝扩展约束作用降低,因而,碳纤维对混凝土的增强作用有限,如图10(2)所示。随着荷载的增加,微裂缝聚合发展成宏观裂缝,此时碳纤维对裂缝的约束作用模型如图10(1)所示。由于碳纤维对混凝土的宏观裂缝约束作用有限,而碳纤维对混凝土微裂区的微裂缝有一定的约束作用,碳纤维从基体中拔出消耗一定能量。从图7看出,碳纤维混凝土的断裂能有所增加,但其下降枝只比基准混凝土只略有减缓。因此,微细纤维碳纤维对混凝土的增强与增韧作用有限,但碳纤维对混凝土中微裂缝的扩展具有一定的抑制作用。

从图8和表1可以看出,普通钢纤维对混凝土的增强和增韧作用大于碳纤维。在峰值荷载前,普通钢纤维对混凝土微裂缝的约束作用有限,如图10(6)所示。随着荷载的增加,由于骨料的桥接作用,混凝土的微裂缝不断扩展成尺寸较大的裂缝,此时,普通钢纤维能有效抑制裂缝的扩展,从而增加混凝土的强度,如图10(5)所示。当混凝土形成宏观裂缝后,普通钢纤维能有效抑制宏观裂缝的扩展,从而增加混凝土的强度,如图10(4)所示。由于普通钢纤维对宏观裂缝有较强的抑制作用,普通钢纤维混凝土的下降枝显著变缓,断裂能显著增加。因此,尺寸较大的普通钢纤维能有效抑制混凝土中宏观裂缝的扩展,从而一定程度地提高混凝土的强度。

从图9和表1可以看出,普通钢纤维与碳纤维混杂对混凝土的增强和增韧作用大于单掺纤维,具有显著的混杂效应。在混凝土微裂缝的形成过程中,碳纤维能有效抑制裂缝的扩展,如图10(9)模型所示。随着荷载的增加,由于粗骨料的桥接作用,微裂缝聚合成尺寸较大的微裂缝,此时,普通钢纤维与碳纤维能共同抑制裂缝的扩展,从而增加混凝土的强度,如图10(8)所示。当形成宏观裂缝后,碳纤维能有效抑制微裂缝的扩展,普通钢纤维能有效抑制宏观裂缝的扩展,从而显著增加混凝土的强度和韧性,如图10(7)模型所示。由图9可见,碳纤维与普通钢纤维混杂混凝土的峰值荷载显著增加,且其应力与应变曲线的下降段也变缓。

此外,不同几何尺寸纤维对混凝土裂缝扩展的阻止作用不是孤立的,一种几何尺寸纤维提高混凝土的性能,同时这种性能提高也增强了另一种纤维作用的发挥,即具有一定的协同效应。

3 结论

不同几何尺寸的纤维混杂可比单一纤维具有更好的增强与增韧效果,具有显著的几何混杂效应。不同几何尺寸纤维混杂的增强和增韧作用与混凝土的内部结构密切相关。本文建立的不同几何尺寸纤维混杂混凝土增强作用的物理模型,经与试验结果进行比较验证表明,模型与试验结果是一致的。该模型可为几何混杂纤维混凝土的材料设计提供一定的理论基础。

摘要：由混凝土裂缝的扩展过程,建立了不同几何尺寸混杂纤维混凝土增强作用的物理模型,并用试验结果进行了验证。结果表明,模型与试验结果是一致的,可为几何混杂纤维混凝土的材料设计提供一定的理论基础。

关键词：几何尺寸,裂缝扩展,混杂纤维,物理模型

参考文献

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[10]冯乃谦.高性能混凝土强度与断裂特性.混凝土与水泥制品,1996(5).

混杂纤维增强混凝土 篇5

1 试验方案设计及方法

1.1 试验方案设计

本试验采用的水胶比为0.4, 再生粗骨料的掺入率为30% (总粗骨料中所占的质量百分比) , 单位用水量为168 kg/m3, 砂率为0.52, 粉煤灰掺入率为15% (总胶凝体中所占质量百分比) , 减水剂掺入率为0.7% (相对胶凝体的质量百分比) ;玻璃纤维及聚丙烯纤维的掺入方式采用单掺及混掺方式, 共计划8组试验。并在规定龄期计划测试抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度以及静力受压弹性模量, 试验混凝土的配合比如表1所示。

kg

1.2 试验原材料

本试验采用的水泥为延边朝鲜族自治州某厂家P.O42.5型号普通硅酸盐水泥, 其物理化学性能指标如表2所示。粉煤灰使用吉林省延吉市某发电厂生产, 密度为2 180 kg/m3。本试验选用的细骨料产地为延吉市地产天然黄砂, 品级为中砂, 级配良好, 物理性质如表3所示。再生粗骨料为废弃混凝土试块用颚式破碎机破碎而成, 废弃混凝土强度为40 MPa~50 MPa, 破碎的再生骨料粒径为5 mm~20 mm;天然骨料采用延吉地区产碎石, 粒径为5 mm~25 mm, 其物理性能指标如表4所示。本试验使用的玻璃纤维长度分别为6 mm, 12 mm, 18 mm, 聚丙烯纤维长度为30 mm。具体纤维形状图见图1, 其物理性能如表5所示。本试验采用的减水剂为延吉市某公司生产的淡黄色液体聚羧酸高效减水剂, 固含量为40%。

1.3 试验方法

为了保证纤维在搅拌过程中具有良好的分散性, 在本试验中混凝土搅拌过程采用以下搅拌流程:即, 首先将称量好的粗细骨料和纤维放入搅拌机中干拌60 s, 然后加入水泥及粉煤灰进行第二次搅拌60 s, 最后将事先称量好的含有减水剂的水倒入搅拌机中, 再搅拌180 s。抗压强度和劈裂抗拉强度试验试块采用边长为150 mm的标准立方体试块, 静力受压弹性模量和轴心抗压强度试验试块采用边长为150 mm、高为300 mm的棱柱体, 具体试验方法参考GB/T 50081—2002普通混凝土力学性能试验方法标准。

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

图2为不同组合纤维再生混凝土的28 d抗压强度值。首先, 在基准混凝土中单掺入玻璃纤维时, 抗压强度随着玻璃纤维的增长而提高。这时因为玻璃纤维在混凝土基体中的三维分布阻止了微裂缝的扩展, 减少了微裂缝的数量, 从而提高了基体混凝土整体的强度。但其中掺入6 mm玻璃纤维的G6P0组再生混凝土的抗压强度相比未掺入纤维的G0P0组再生混凝土抗压强度反而降低了9.4%。这是由于6 mm玻璃纤维长度过短, 纤维的桥接作用发挥不明显, 并且纤维的掺入, 使混凝土中含气量增多, 混凝土的强度下降。通过试验发现, 玻璃纤维随着长度的增加可以提高再生混凝土的抗压强度, 而混杂掺入玻璃纤维和聚丙烯纤维后, 混凝土的抗压强度反而有所降低, 说明聚丙烯纤维对于提高混凝土的抗压强度效果没有玻璃纤维明显。

2.2 轴心抗压强度

图3为不同组合纤维再生混凝土的28 d轴心抗压强度值。从图3中可以看出纤维的掺入, 对于再生混凝土轴心抗压强度的影响不大。首先将单掺玻璃纤维的G6P0, G12P0, G18P0与G0P30进行比较, 可知当掺入18 mm玻璃纤维时混凝土的轴心抗压强度达到最大值, 为41.17 MPa, 比G0P0组的轴心抗压强度高出18.2%, 其次为G12P0组再生混凝土, 为39.86 MPa, G0P30组抗压强度为36.16 MPa。可以看出, 在相同体积比下玻璃纤维对于提高混凝土的强度效果比聚丙烯纤维良好。而不同长度玻璃纤维与30 mm聚丙烯纤维混掺后, G12P30, G18P30组再生混凝土的强度略有降低, 说明单掺玻璃纤维时比混掺纤维时提高强度幅度更大。

2.3 劈裂抗拉强度

图4为不同组合纤维再生混凝土的28 d劈裂抗拉强度值。首先由图4看出, 无论玻璃纤维和聚丙烯纤维是单掺还是混合掺入, 再生混凝土的劈裂抗拉强度都有所提高。在劈裂抗拉试验中, 不含纤维的G0P0组试块开裂面呈现较为平整, 而掺入纤维的混凝土试块在主裂缝旁往往会出现几条小的裂缝。并且纤维在混凝土基体中横跨裂缝吸收了部分能量, 从而使试块继续承载, 最后纤维从基体中被拔出, 试块破坏。随着玻璃纤维长度的增加, 抗拉强度也提高。这是因为玻璃纤维弹性模量高、韧性大, 掺入到混凝土中不仅提高了混凝土的强度, 同时也提高了其抗裂性能, 起到防裂的作用。还有, 对于再生混凝土劈裂抗拉强度的提高效果而言, 混掺纤维试验组都要比单掺玻璃纤维或单掺聚丙烯纤维试验组明显些。试验表明, 当18 mm玻璃纤维与30 mm聚丙烯纤维混合时劈拉抗拉强度达到最大值3.61 MPa, 比G0P0组混凝土强度提高了50%, 这是由于高弹性模量玻璃纤维和低弹性模量聚丙烯纤维相互取长补短, 共同改善了基体混凝土的力学性能结果。

2.4 抗裂性能分析

图5为不同组合纤维再生混凝土的拉压比。本文通过比较拉压比来分析再生混凝土的抗裂性能。拉压比为混凝土的劈裂抗拉强度与抗压强度值之比, 拉压比越大, 说明混凝土的抗裂性能越好。由图看出:掺入纤维可不同程度的提高混凝土的抗裂性能, 且聚丙烯纤维的抗裂性能较玻璃纤维要良好一些。在本试验中, 混掺18 mm玻璃纤维和30 mm聚丙烯纤维的试验组, 拉压比达到最大值, 表现出良好的抗裂性。其次在G12P30, G0P30等试验组呈现出比较良好的抗裂性。

2.5 静力受压弹性模量

图6为不同组合纤维再生混凝土弹性模量。由图6看出, 掺入6 mm玻璃纤维的G6P0组混凝土弹性模量较未掺入纤维的G0P0组混凝土明显降低, 这是由于纤维长度过短, 没有起到限制裂缝扩展的作用, 使其抵抗能力降低, 变形增大, 弹性模量随之降低。而随着纤维长度的增加, 基体混凝土受玻璃纤维影响, 刚度增大, 弹性模量也随之上升。从图6还可以看出, 混掺纤维的弹性模量较单掺的低, 因为聚丙烯纤维的弹性模量较低, 韧性大, 掺入混凝土中后, 基体的变形能力增大。

3 结语

本文通过对再生混凝土中单掺及混掺不同长度的玻璃纤维及聚丙烯纤维来分析再生混凝土的力学性能, 得到以下结论:1) 无论单掺还是混掺纤维, 都可以提高再生混凝土的抗压强度, 且玻璃纤维较聚丙烯纤维提高效果明显。2) 经试验表明, 对于再生混凝土的轴心抗压强度, 单掺玻璃纤维时要比混掺纤维时提高效果更明显。3) 聚丙烯纤维和玻璃纤维都对于提高混凝土的劈裂抗拉强度有明显的增强作用, 其中混掺18 mm玻璃纤维和30 mm聚丙烯纤维组合呈现良好的效果, 达到3.61 MPa。4) 玻璃纤维的长度过短时, 由于不能起到限制裂缝扩展的作用、降低混凝土的弹性模量, 而随着玻璃纤维长度的增加, 弹性模量值也随之增加。并且通过试验研究发现, 聚丙烯纤维加入到玻璃纤维再生混凝土中后, 其变形能力增大, 弹性模量降低。

摘要：通过试验, 从抗压强度、劈裂抗拉强度、静力受压弹性模量等方面, 研究了玻璃纤维和聚丙烯纤维单掺及混掺对再生混凝土基本力学性能的影响, 结果表明:纤维的掺入, 对于再生混凝土的抗压强度影响并不大, 但能显著提高再生混凝土的劈裂抗拉强度和弹性模量, 能改善基体混凝土的整体性能。

关键词：再生混凝土,混杂纤维,玻璃纤维,聚丙烯纤维,力学性能

参考文献

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层布式混杂纤维混凝土的抗冲击性能 篇6

1 试验

1.1 原材料

胶凝材料：河南新乡产平原牌P·O42.5R水泥;可利尔牌Ⅰ级粉煤灰;北京首钢盛世佳新型材料公司产高炉磨细矿渣。

骨料：中河砂，细度模数2.77;石子，粒径5～30 mm，大小均匀，无片状，连续级配。

纤维：上海贝卡尔特佳密克丝ZP-805型钢纤维(见表1)和聚丙烯纤维(见表2)。

1.2 试验方法

据文献[5]，按JTG D40—2002《公路水泥混凝土路面设计规范》对混凝土弯拉强度等级4.5～5.0 MPa的要求，确定普通混凝土的配合比为m(水泥)∶m(砂)∶m(石)∶m(水)=330∶671∶1300∶152，并以此为基础设计混凝土试件(见表3)。

注:钢纤维、聚丙烯纤维掺量按体积计;粉煤灰、磨细矿渣掺量按占胶凝材料质量计。

为保证混凝土拌合物的均匀性和质量，采用强制式搅拌机搅拌，制作流程为：石子、砂子、10%水，搅拌30 s;加水泥(掺合物)，搅拌30 s;加聚丙烯纤维，搅拌60 s;加剩余水，搅拌60 s，卸料浇注。LSFRC、LHFRC和LHFRC-F制作流程：在钢模底部铺2 cm厚的混凝土层，人工均匀撒布1层1.5%的钢纤维，加入混凝土，把试件连同钢模放在振动台上振动密实，再在混凝土钢模顶部2 cm人工均匀撒布1层1.0%的钢纤维，振动、密实、收浆、抹平。

参考美国ACI 544委员会规定，采用河北承德衡通试验检测仪器有限公司的XJL-300C落锤试验装置，研究纤维混凝土的抗冲压性能[6,7]，试验装置见图1。试件为圆柱体，高64mm、直径150 mm，试件浇注24 h后脱模，放入标准养护室养护28 d，试验前4 h将试件拿出晾干。试验用落锤重4.54 kg，冲击锤下落高度为457 mm，每组制做6个试件。

该试验方法通过以下几项指标评价或比较抗冲击能力：(1)出现第1条裂缝(初裂)的冲击次数N1;(2)初裂后，试件体积膨胀，当试件和4块挡板中任意3块接触时的冲击次数N2,N2被定为试件破坏次数;(3)试件初裂和破坏时冲击次数的差值(N2-N1);(4)冲击功W，即试件破坏过程吸收的全部冲击能量。冲击功W的计算方法如式(1)。

式中：N——终裂冲击次数;

m——冲击锤的质量，kg;

h———冲击锤下落高度，m;

g———重力加速度，取9.8 m/s2。

2 结果与讨论

2.1 试验结果（见表4)

从表4可以看出，从OC至LHFRC-F，初裂冲击次数、破坏冲击次数、冲击功均依次增加，而LSFRC的N2-N1最大，达到187次，OC最小，仅2次;OC的破坏冲击次数相比初裂冲击次数仅提高1.9%，LSFRC的破坏冲击次数相比初裂冲击次数提高达160%，LHFRC和LHFRC-F分别提高24%和22.2%。

2.2 结果分析

普通混凝土、层布式钢纤维混凝土、层布式混杂纤维混凝土及掺有掺合料的层布式混杂纤维混凝土的抗冲击性能比较如表5所示。

从表5可以看出，LSFRC的初裂冲击次数较低，但破坏冲击次数高，相比普通混凝土分别提高15%和184%。这是因为，LSFRC试件中钢纤维的外侧为砂浆，易于开裂，故初裂冲击次数低。但当初裂后，裂缝遇到层布钢纤维阻止，钢纤维有效抑制了裂缝的快速扩展，较大幅度提高了破坏冲击次数。在钢纤维逐渐拔出的过程中需要更高的冲击次数、吸收更多的能量，致使LSFRC的破坏冲击次数达到了其初裂冲击次数的2.6倍。

LHFRC的初裂冲击次数和破坏冲击次数都较高，相比普通混凝土分别提高178%和238%，相比LSFRC分别提高163%和54%。LHFRC是在LSFRC的混凝土内掺入聚丙烯纤维，聚丙烯纤维与水泥基集料有极强的结合力，可以迅速而轻易地与混凝土材料混合，分布均匀;同时由于聚丙烯纤维细微、比面积大，可在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系，有助于提高混凝土受冲击时动能的吸收。显然，LSFRC的初裂冲击次数和破坏冲击次数的提高，是由于聚丙烯纤维的阻裂作用所致。在混凝土受冲击荷载作用时，纤维可以有效地阻碍混凝土中裂缝的迅速扩展，吸收由于冲击荷载所产生的动能，从而提高混凝土的抗冲击性能。

LHFRC-F的初裂冲击次数、破坏冲击次数比普通混凝土分别提高221%和285%，比LHFRC分别提高43%和47%。这是因为LHFRC-F中的粉煤灰和磨细矿渣等量替代部分水泥，水泥用量减少，水泥水化产生的体积收缩随之减小，从而降低了由于混凝土收缩而产生裂缝的可能;同时，粉煤灰起到了微集料效应及火山灰效应，生成致密的C-S-H凝胶，填充了孔隙，增加了混凝土的密实性。

3 结论

(1)LSFRC的初裂冲击次数和破坏冲击次数比OC分别提高15%和184%，层布式钢纤维主要提高了LSFRC的破坏冲击次数。

(2)LHFRC的初裂冲击次数和破坏冲击次数比OC分别提高178%和238%，LHFRC的抗冲击性能明显优于OC，它是层布式钢纤维与聚丙烯纤维混杂应用的结果。

(3)LHFRC-F的初裂冲击次数、破坏冲击次数比LHFRC分别提高43%和47%，掺合料能进一步改善混凝土的抗冲击性能。

摘要：参考美国ACI 544委员会规定,采用落锤试验装置,测试普通混凝土、层布式钢纤维混凝土以及层布式混杂纤维混凝土的抗冲击性能。结果表明,层布式混杂纤维混凝土破坏时冲击次数高于普通混凝土和层布式钢纤维混凝土,掺入粉煤灰和磨细矿渣可以进一步改善层布式混杂纤维混凝土的抗冲击性能。

关键词：混凝土,层布式混杂纤维,层布式钢纤维,抗冲击性能

参考文献

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混杂纤维增强混凝土 篇7

关键词：聚丙烯纤维,钢纤维,混杂纤维混凝土,力学性能,抗裂性

0 前言

掺入纤维是改善水泥基复合材料强度和韧性的有效途径之一。目前, 用于改善水泥基复合材料性能的纤维种类很多, 主要有钢纤维、玻璃纤维、聚合物纤维、天然纤维、碳纤维等。这些纤维的性能各异, 混杂纤维可能会产生不同于单一纤维的混杂效应, 从而发挥各种纤维的增强与增韧作用。一些研究者已对混杂纤维水泥基复合材料进行了探索性研究[1~3], 他们采用高弹性模量的纤维 (如钢纤维、玻璃纤维) 与高延性纤维 (如聚丙烯纤维、聚乙烯纤维) 混掺, 使改性水泥基材料获得了掺单一纤维达不到的综合力学性能。纵观混杂纤维水泥基复合材料的研究现状, 多数是采用不同弹性模量的纤维进行混杂, 而对以不同几何尺寸纤维的混杂来增强水泥基复合材料的研究鲜有报道。本文设计了多组混凝土配比, 对比研究了不同品种纤维, 相同类型不同尺度聚丙烯纤维以及混杂纤维对混凝土力学性能及抗裂性的影响, 为纤维增强混凝土的配合比设计提供了新的思路和理论依据。

1 试验原材料及试验过程

1.1 原材料

采用昆明某公司产42.5R普通硅酸盐水泥;云南某公司产Ⅱ级磨细粉煤灰;昆明产QX-A型高效减水剂;细度模数为2.98的中砂;最大粒径为40mm的石灰岩碎石;钢纤维为上海某厂产波浪型钢纤维, 性能参数见表1;聚丙烯纤维为深圳某公司生产, 共三种规格, 性能参数见表2和表3。

1.2 配合比设计

混凝土强度等级为C30, 素混凝土配合比见表4。以不同纤维品种、掺量、混杂的方式进行对比试验并评价各组混凝土的性能。为了增加其可比性, 各组混凝土均采用相同的配合比, 并尽量避免因原材料性能差异给混凝土性能带来的离散性。

结合国内外工程中常用的纤维掺量, 从性能、应用和经济上考虑, 采用的混杂纤维为目前高弹模量纤维技术最成熟的钢纤维和低弹模量纤维价格低廉且物理力学性能良好的三种尺度聚丙烯纤维。两种纤维均在低掺量下混杂, 试验中钢纤维的掺量分别为30kg/m3、40 kg/m3、50kg/m3, 聚丙烯纤维 (A、B、C三种尺度) 的掺量分别为0.9kg/m3、1.4kg/m3、1.8kg/m3、3.6kg/m3。试验共分25组, 具体见表5。通过调节减水剂的用量, 控制各组配比混凝土的出机坍落度为60~80mm。

1.3 拌和工艺

为充分发挥纤维混凝土的增强效果, 一定要把纤维均匀地分散在混凝土中。对钢纤维与聚丙烯纤维混杂的混凝土而言, 聚丙烯纤维的分散性更要严格控制。本试验采用的搅拌工艺见如图1。试验表明, 采用这种搅拌制度, 钢纤维、聚丙烯纤维在混凝土中的分布较为均匀, 混凝土的和易性可以满足施工要求[4]。

1.4 试验方法

按GBJ81-85《普通混凝土力学性能实验方法》制作尺寸为150mm×150mm×150mm的混凝土试件, 标准养护, 在WA-1000B型电液式万能试验机上分别测其28d抗压强度和劈拉强度。

目前, 对混凝土开裂性能的评价还没有统一的方法, 根据国内外资料, 评价混凝土开裂性的直接方法有平板试验、环约束试验和轴向约束试验[5]。本文主要采用环形约束试验研究来评价单掺及混杂纤维混凝土的收缩开裂性能, 分析对比不同尺度聚丙烯纤维与钢纤维混杂对混凝土开裂性能的影响。试验采用圆环法实验, 圆环外径370mm, 内径300mm, 高140mm。

注:编号中NC、SF、PP分别代表素混凝土、钢纤维、聚丙烯纤维, 数字代表纤维掺量, 例如SF30代表钢纤维掺量为30kg/m3的混凝土, SF30PPA代表钢纤维掺量为30kg/m3, 聚丙烯纤维掺量为1.8kg/m3的混凝土。

2 试验结果与分析

2.1 纤维对混凝土力学性能的影响

不同组纤维混凝土的立方体抗压强度和劈拉强度

2.1.1 聚丙烯纤维对混凝土力学性能的影响

聚丙烯纤维对混凝土28d抗压强度、劈拉强度与纤维掺量及纤维尺度之间的试验关系见表5。从表5可以看出, 三种尺度聚丙烯纤维随体积掺量增加对混凝土28d抗压强度、劈拉强度的变化规律基本上是一致的, 即随着纤维掺量的增大, 混凝土强度都是先增大后减小, 在纤维体积掺量为0.2%时达到最大值, 三种尺度聚丙烯纤维的抗压强度分别较基准混凝土提高了4%、7%和12%, 劈拉强度分别较基准混凝土提高了14%、17%和18%。在Vf≤0.2%时, C类纤维要优于A、B类, 其原因在于C类纤维长度最大, 与混凝土的粘结力最强。在Vf>0.2%时, 三种尺度聚丙烯纤维的抗压强度、劈拉强度较素混凝土均有所降低, 且C类纤维下降的幅度最大, 分别为23%和5%。其原因可能是聚丙烯纤维在混凝土中呈三维网络状均匀分布, 对比A与B纤维, C类纤维长度最大, 当其体积掺量太大时, 纤维在混凝土中的分散性变差, 混凝土的密实度下降, 导致混凝土的抗压强度随之下降。纠结成团的纤维在混凝土中形成薄弱点[6], 在受到拉伸时, 不仅不能分散和传递应力, 反而最先遭到破坏, 因而劈拉强度也下降。这与华渊等人[7]对混杂纤维混凝土力学性能测试的结果相似。综上所述, 三种尺度聚丙烯纤维0.2%的掺量在混凝土抗压强度和劈拉强度的层面上是可以接受的, 可作为工程参考。由于纤维长度大于l9mm时分散较困难, 实际应用意义不大, 本文没有进行试验研究。

2.1.2 混杂纤维对混凝土力学性能的影响

在上述研究的基础上, 我们进一步设计了三种尺寸聚丙烯纤维在0.2%最优体积掺量下与钢纤维混掺的方案, 研究其对混凝土力学性能的影响。

(1) 混杂系数的定义[6]

定义纤维掺入导致的纤维增强混凝上相对于基准混凝上的强度增强系数为:

β=f/fm

式中, f和fm分别为纤维增强混凝上和基准混凝上的强度, MPa。

分别记钢 (S) 纤维、聚丙烯 (P) 纤维、S-P混杂纤维增强混凝土的抗压、劈裂抗拉强度增强指标为βc, S、βm, S、βc, P、βm, P、βc, S-P、βm, S-P。

高模量纤维和高延性纤维混杂在一起后, 其增强效应应考虑两种纤维在单一状态下对水泥基材料增强作用的乘积混杂系数可采用差值法或比值法定义。本文定义S-P HFRC (Hybrid Fiber Reinforced Concrete) 的混杂系数如下:

式中, αc, S-P和αm, S-P分别为抗压强度和劈裂强度的混杂系数。

通过混杂系数可方便地得到纤维掺量匹配对HFRC强度的影响, 当α≥1时为正混杂效应, 时α<1为负混杂效应。

(2) 混杂纤维混凝土的效应及机理分析

为分析SF与PP组成的混杂纤维增强混凝土的抗压和劈拉强度与聚丙烯纤维尺度之间的关系, 按上述混杂效应的计算公式, 得到如表6所示的混凝土增强和混杂系数。由表6所列结果可知:

①就单一PP纤维而言, 其βc、βm均随纤维长度的变化而增大, 即C类PP纤维最优。

②就单一SF纤维而言, 其βc、βm随其体积率的增加而减小, 并且在掺量为30kg/m3时, 对混凝土强度提高的幅度最大, 28d抗压强度、劈拉强度分别比基准混凝土提高了26%和46%。其原因可能在于SF纤维为刚性纤维, 体积率高后本身较易成团所致。

③就混杂纤维而言, 对比掺单种纤维混凝土其抗压强度影响不明显, 而混杂纤维对比单掺纤维混凝土劈拉强度有较显著的影响, 随钢纤维掺量的增大, αm, S-P先逐渐增大后减小, 并仅在SF30PPA和SF50PPC组中出现αm, S-P小于1的情形, 即S-P HFRC呈现出负的混杂效应, 在SF40PPC组中, 混杂纤维对混凝土劈拉强度增长最明显, 其αm, S-P值达到1.21。

注:NC代表基准混凝上, PP代表聚丙烯纤维混凝土, SF代表钢纤维混凝土。

④在SF纤维掺量相同的情况下, PP纤维随长度的增加, 对HFRC抗压强度影响并不明显。因此, 在进行S-P HFRC抗压强度设计时, 基本可不考虑聚丙烯纤维长度的影响。PP纤维长度对劈拉强度的影响较显著, 当SF掺量较小时, HFRC劈拉强度均随PP纤维的长度的增加而增大, 而当SF掺量达到50kg/m3时, HFRC劈拉强度随PP纤维的长度的增加而减小, 其原因可能在于, 当钢纤维掺量太大时, 对聚丙烯纤维的分散性会产生消极的影响, 从而使得该掺量下的三组混杂纤维混凝土的劈拉强度均有减小的趋势, 尤其是对长度较大的C类PP纤维影响尤为显著。

⑤在试验范围内, S-P HFRC材料随钢纤维掺量及与聚丙烯纤维配比的变化, 对混凝土的劈拉强度均出现了正负两种混杂效应, 由此说明合理的设计可使两种纤维相互取长补短, 在不同结构层次和不同受荷阶段发挥正混杂效应, 实现单一纤维增强材料所不可能达到的力学性能。

我们分析认为, 引起HFRC正、负混杂效应的原因主要是高弹性SF纤维与高延性PP纤维在混凝土基体中呈均匀三维乱向分布, 相互配合, 在不同的结构层次中起增强增韧作用, 在受荷的各个阶段发挥了混杂效应。SF纤维在较宏观的层次上增强, 当SF纤维增强混凝土出现宏观裂缝后, 裂缝将沿垂直于主应力方向迅速扩展;而PP纤维则在较微观层次上对复合材料进行增韧, 因PP纤维弹性模量较小, 使裂纹的扩展受到其阻碍而延缓或停止, 从而提高了SF纤维的平均断裂应变, 使在HFRC应力作用下呈复合破坏。当SF纤维掺量及PP纤维长度较适宜时, 产生正的混杂效应。HFRC出现负混杂效应的原因是SF纤维掺量太大影响PP纤维在基体中的均匀分散, 致使纤维间相互搭接、交叉、缠绕重叠, 从而使纤维与水泥砂浆的接触面积减少, 纤维与基体的粘结削弱, 劈拉强度降低。表现在宏观性能上, 就是纤维对混凝土的增强作用弱化, 导致负混杂效应产生。

2.2 混杂纤维混凝土抗裂性能的研究

本试验用读数显微镜测量了每条裂缝在环的1/4侧面高度、1/2侧面高度和3/4侧面高度三个部位的裂缝宽度, 取其平均值 (若这三个部位中有未开裂部位, 就取剩下的部位平均值) 为平均裂缝宽度, 每个环上所有裂缝的平均裂缝宽度之和作为裂缝宽度。由试验观察到, 5d后混凝土裂缝的发展趋于稳定, 故本文取5d后裂缝宽度和开裂龄期作为纤维混凝土收缩开裂性能的评定指标。不同组纤维混凝土开裂龄期和5d时裂缝宽度分别见表7和表8。

由表7和表8可以看出, 对于单掺钢纤维混凝土, 开裂龄期分别为2.3d、2.8d、3.2d, 5d的裂缝宽度分别为0.221mm、0.228mm、0.232mm。随钢纤维体积掺量的增加, 开裂龄期有所提前, 5d裂缝宽度有所增加, 原因可能是钢纤维为刚性纤维, 体积率高后本身较易成团所致。对比素混凝土可以看出, 单掺钢纤维在一定程度上能延迟混凝土环开裂龄期, 使裂缝宽度变小, 其原因在于, 裂缝的前端与纤维相交, 钢纤维混凝土中一旦有裂缝出现, 只要微裂缝的长度大于纤维的间距, 纤维就会跨越裂缝起到传递荷载的作用, 使混凝土内的应力场更加连续和均匀, 微裂缝尖端的应力集中得以钝化, 裂缝的进一步扩展受到约束, 起到了削弱和消除裂缝的拉应力作用。当微裂缝的长度小于纤维的间距时, 纤维将迫使其改变方向或跨越纤维生成更微细的裂缝场, 显著增加了微裂缝扩展的能量消耗, 使裂缝扩展速度得到延缓, 开裂程度减小, 故纤维混凝土开裂龄期延迟, 且裂缝宽度减小、细化。

由表还可以看出, SF40PPA、SF40PPB、SF40PPC三组混杂纤维混凝土的开裂龄期分别为4.1d、4.3d和4.8d, 5d的裂缝宽度分别为0.142mm、0.138mm、0.125mm, 表明与掺单一纤维相比, 混杂纤维能够在更大程度上延迟混凝土环的开裂龄期, 使裂缝宽度明显变小。在钢纤维混凝土中复掺聚丙烯纤维, 混凝土收缩能量进一步分散到高延性的聚丙烯纤维上, 钢纤维混凝土中一旦出现宏观裂缝, 裂缝将沿垂直主应力的方向迅速扩展;而聚丙烯纤维则在较微观层次上对复合材料进行增韧, 因聚丙烯纤维弹性模时较小, 使裂纹的扩展受到其阻碍而延缓或停止, 从而提高了混凝土的阻裂性能。三种混杂纤维混凝土抗裂性相比, SF40PPC效果最好, SF40PPA效果最差, 原因可能是随聚丙烯长度的增加, 其与混凝土基体的粘结力增强。

通过以上分析可知, 本实验的三组混杂纤维混凝土中, 抗渗性能以SF40PPC最优, 其次是单掺钢纤维混凝土。

3 结论

(1) 单掺聚丙烯纤维时, 纤维长度和掺量的变化对混凝土的综合力学性能有一定程度的影响, 三种尺度聚丙烯纤维最佳掺量均为1.8kg/m3, 其中长度为19mm的纤维对混凝土性能的影响尤为显著。

(2) 单掺钢纤维时, 混凝土的综合力学性能均随钢纤维纤维掺量的增大而减小, 30kg/m3为钢纤维在混凝土各性能层面上可以接受的掺量。

(3) 掺入混杂纤维混凝土的抗压强度, 相对于基准混凝土, 整体增幅在10%~31%;对混凝土劈拉强度的增强作用较为明显, 低掺量情况下, 其提高幅度在52%~96%, 表现出钢纤维与聚丙烯纤维混凝土强度相叠加的效果。

(4) 混杂纤维混凝土存在较优混掺问题, 试验研究表明, 按40 kg/m3钢纤维与1.8kg/m3长度为19mm的聚丙烯纤维混杂时, 其强度和抗裂性能最佳。

(5) 本文通过圆环法对各组纤维混凝土的抗裂性进行试验分析, 研究结果表明混杂纤维混凝土的抗裂性在整体上要优于掺单种纤维的混凝土, 且以SF40PPC最优。

(6) 采用高弹模钢纤维与高延性聚丙烯纤维混杂改性混凝土, 可获得单一纤维增强混凝土不能达到的综合力学性能。但因聚丙烯纤维尺度和两种纤维掺量匹配的不同, 在混杂纤维增强混凝土中出现了正、负两种混杂效应。

参考文献

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混杂纤维增强混凝土 篇8

不同纤维材料对纤维混凝土的力学性能有不同的影响。对混杂纤维混凝土的力学性能而言, 纤维的材料、几何尺寸和弹性模量是最主要的影响因素。近年来, 钢纤维在建设工程中应用较多, 但钢纤维的价格较贵, 应用受到一定限制。与钢纤维相比, 竹纤维更价廉经济, 且绿色环保。同时, 竹纤维的抗拉强度可达180MPa, 接近普通Q235钢材的抗拉强度。根据复合材料理论[1], 不同纤维混合后可协同作用, 性能可能产生互补效应, 从而产生性能优异且具有较好经济效益的新型复合材料。已有研究文献表明, 混合纤维混凝土可以产生正混合效应, 即将两种或者更多类型的纤维材料按照适当配比进行混合后, 可能产生更好的协同工作效果, 提高混凝土的整体性能[2,3]。

本文通过试验, 研究了竹、钢纤维混杂混凝土的抗冲击力学性能。试验参考ACI建议的冲击试验测试方式, 设计并自制了混凝土抗冲击试验装置, 对六组不同的混凝土试件进行了试验研究。试件分别为不含纤维的素混凝土、含有不同体积率的竹纤维、含有不同体积率的钢纤维以及同时含有不同体积比的竹、钢纤维混凝土试件。通过测试与对比这六组不同试件的冲击试验结果, 研究竹钢混杂纤维对混凝土抗冲击性能的提升效果。

1 试验研究

试验用原材料有P·O 42.5级水泥;粒径5~20mm的粗骨料;细度模数为2.5的河砂;竹纤维直径为1.5mm, 长度为45mm, 抗拉强度大于150MPa;钢丝纤维型号CW03-50-1000, 直径为0.9mm, 长度为50mm, 抗拉强度大于1000MPa。

竹纤维的材质为毛竹, 是从原竹上剥取竹片加工成的圆形杆, 再经过干燥后制成, 圆杆的直径为1.5mm。钢丝纤维的两端有锚钩, 混凝土开裂后可起到锚固作用, 该型号的钢丝纤维可由生产厂家按要求加工生产。以上两种纤维的性能参数见表1。

本试验配合比设计主要依据JGJ 55—2000《普通混凝土配合比设计规程》的规定, 同时考虑纤维掺入对混凝土和易性的影响, 经过调整, 最终采用的是使混凝土具有较好施工性能的配合比, 具体见表2。

为了测试混杂纤维混凝土的抗冲击性能, 参照ACI建议的冲击试验方式, 考虑本试验研究的现场试验条件, 设计自制了冲击试验装置[4,5]。试件尺寸为200mm×200mm×50mm。试件底座用角钢焊制而成, 用来固定试件, 使试件处于四边简支状态。底座周边保持约1cm的间隙防止金属框架对试件产生横向约束, 中间悬空形成双向板受弯状态。冲击荷载是由一个5kg重的铅球从120cm高度自由下落而形成。测试时, 冲击球沿试件中心线自由落下, 记录试件产生初次裂缝及破坏时的冲击次数。冲击试验装及试验方法见图1。

试验按以下步骤进行:

(1) 在试件表面上用黑色记号笔画出间距为40mm的网格线, 然后将试块放入正方形底座中, 将重物压于两根钢梁的两端, 使支座连同试件固定在地面上。

(2) 将铅球升高到事先计算好的位置并稳定铅球, 使其球心与试块几何对中。待铅球稳定后松开钢丝绳, 使其自由落下, 冲击试块。

(3) 移开铅球, 观察试件破损情况并对出现的阶段性破损现象进行记录, 例如什么时候出现第一条裂纹, 什么时候开始破坏等。

(4) 记录最终破坏时的冲击次数, 当试件表面出现第一条裂缝时定义为初裂, 当试件断裂时定义为破坏。重复步骤2~4, 直到试件破坏。分别记录试件初裂时和破坏时的冲击次数和试件表面状况。

试验中需记录的数据: (1) 铅球的质量M=5kg; (2) 铅球自由下落点到试件表面的距离H=120cm; (3) 产生第一条裂缝时和破坏时的冲击次数N′和N; (4) 第一条裂缝出现时和破坏时试件的表面状况。

为了比较不同纤维类型和体积率对于混凝土抗冲击性能的影响, 本次试验了多组不同类型的混凝土试件, 分别为素混凝土、不同体积率的竹纤维混凝土、不同体积率的钢纤维混凝土以及不同体积率的竹纤维钢纤维混杂纤维混凝土。所有试件都以 (A/B) 的形式来命名, 其中A和B分别表示在单位体积 (1m3) 中, 钢丝纤维的体积含量 (Vs) 和竹纤维的体积含量 (Vb) 。

2 试验结果分析

表3为各掺量竹纤维和钢纤维对混凝土抗冲击性能影响的试验结果。由表3可见, 竹纤维和钢纤维能明显提升混凝土的抗冲击性能。

由表3的试验结果还可以看出, 无论是“初裂”还是“破坏”的统计数据, 掺入钢纤维的试件抗冲击次数都有明显增长, 其中钢纤维体积率为1.0%的试件破坏时, 其抗冲击性能可以提升650%, 说明钢纤维对混凝土的抗冲击性能有显著的提升作用, 钢纤维有很好的抗冲击性能。

三组不同比例 (Vb分别为0.5%、1.0%、2.0%) 竹纤维混凝土的抗冲击性能与素混凝土相比, 也有明显的提升, 分别提升了50%, 200%, 250%。可见, 竹纤维掺量越大, 试件的抗冲击性能越好。

分析竹纤维掺量对于混凝土抗冲击性能的影响可以发现, 在体积掺量为0~1.0%范围内, 试件的抗冲击效果随着竹纤维掺量的增加而增加, 这主要是由于竹纤维数量的增加使竹纤维的加固作用增强。但在1.0%~2.0%体积掺量范围内, 试件的抗冲击性能增强不明显。分析认为, 混凝土抗冲击性能受到混凝土抗压性能、抗拉性能、材料的均质性等多重影响, 而竹纤维体积率的增加, 一方面可以增强竹纤维的抗拉强度, 同时也会稍微降低混凝土的抗压性能, 使混凝土的受力更加复杂, 在这几种因素共同影响下, 混凝土的冲击性能基本维持不变。

仅加入钢纤维 (Vs=1.0%) 的纤维混凝土, 其抗冲击性能与素混凝土相比提高了650%。同时掺入竹纤维 (Vb=0.5%) 与钢纤维 (Vs=0.5%) 的纤维混凝土与素混凝土相比, 抗冲击性能提升了550%。这意味着竹钢混杂纤维混凝土与纯钢纤维 (Vs=1.0%) 混凝土的抗冲击性能十分接近。因而, 在实际工程应用中, 采用竹、钢纤维混合掺入混凝土的方法能够大幅度提升混凝土的抗冲击性能, 同时具有更好的经济效应与环境效应。

3 试件的破坏形态

在冲击试验初期, 每次冲击的声音都非常响亮和清脆, 试件中心混凝土表面也没有局部受损, 只是稍微有点下凹, 重锤冲击后会有一定的回弹, 如图2a。随着初裂的发生, 冲击的声音开始变得低沉、浑浊, 失去了清脆的撞击声, 最终混凝土试件断裂成几块, 达到最后破坏状态, 见图2b。

冲击试验中, 素混凝土试件的冲击声比较清亮, 冲击1~2次表面便出现了初始裂缝, 在裂缝出现之后便迅速延伸、扩大, 整体呈十字形, 试件很快断裂, 碎成3~4块。竹纤维混凝土试件冲击2次左右便出现初始裂缝, 但在裂缝出现后延伸、扩大速度较慢, 且裂缝数量较多, 分布也相对杂乱, 无固定形式, 试件出现较多裂缝之后仍能够继续承受冲击, 最终碎裂成很多小块。

分析认为, 竹纤维混凝土的抗冲击作用在于混凝土出现裂缝之后, 竹纤维对混凝土起到开裂约束作用, 防止或减缓了裂缝的扩大与延伸, 同时, 竹纤维不定向分布还能改变混凝土受到冲击后主应力的方向, 防止出现由于主应力方向确定而容易形成主裂缝的情况。竹纤维的掺入极大地增强了混凝土带裂缝工作的变形能力与抗冲击性能。

冲击试验中, 素混凝土试件的破坏模式为脆性破坏, 当初次裂缝产生后, 试件很快到达极限破坏状态, 见图3a。竹纤维和钢纤维的掺入提升了试件的整体性, 使试件在开裂与破坏之后, 形态仍然保持完整, 见图3b;试件的破坏表面可以观察到十字形裂缝, 并且在裂缝之间可以看到被拔出以及拉断的竹纤维和钢纤维。

4 结语

钢纤维、竹纤维以及竹钢混杂纤维可以显著提升混凝土的抗冲击性能, 并且在试件产生初裂之后继续承受冲击荷载。冲击试验中, 混凝土试块的破坏模式为十字型断裂, 而素混凝土试件在发生初裂之后立即破坏。按照 (Vs/Vb=0.5/0.5) 的体积掺量的混杂纤维混凝土试件可将混凝土的抗冲击性能提升550%, 并且其N/N′数值 (试件破坏冲击次数/试件初裂冲击次数) 是最大的。这表明竹钢混杂纤维混凝土不易开裂, 并且在初裂产生之后可以继续承载。

参考文献

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