聚丙烯纖維混凝土抗裂性能研究

關(guān)鍵詞:普通混凝土,聚丙烯纖維混凝土,斷裂能

中圖分類號(hào): TU528. 572 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

引言

　　材料的斷裂能和斷裂韌性是基于斷裂力學(xué)概念發(fā)展而來一種反映混凝土抗裂能力和抗沖擊能力的力學(xué)性能指標(biāo),在近30多年來,混凝土的斷裂參數(shù)研究受到普遍關(guān)注。斷裂能是指形成單位斷裂面所需消耗的能量,以GF 表示。這一概念在用于混凝土研究之前,已在其他材料的研究中應(yīng)用。從20 世紀(jì)60 年代初開始隨著斷裂力學(xué)被用于研究混凝土力學(xué)行為,尤其是在70 年代以來逐漸形成的混凝土非線性斷裂理論中,斷裂能GF 已經(jīng)成為描述混凝土斷裂性能的主要概念,具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土和鋼纖維混凝土的斷裂能和斷裂韌性的研究已取得一些成就,并借助于斷裂力學(xué),建立了混凝土斷裂損傷模型。文中借助對(duì)普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土斷裂能和斷裂韌性的測(cè)量和比較,用來分析聚丙烯混凝土的破壞機(jī)理。

1 　試驗(yàn)方法

　　按照斷裂力學(xué)的研究思路,試樣中一般要預(yù)制一個(gè)或兩個(gè)初始裂紋,以保證斷裂從預(yù)制裂紋尖端開始擴(kuò)展。Petersson 于1980年用帶裂縫的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)梁求混凝土的斷裂能,證明了其可行性,使得對(duì)混凝土斷裂能的測(cè)試前進(jìn)了一步。后來RIL EM 也推薦“用帶切口的三點(diǎn)彎曲梁確定砂漿和混凝土斷裂能”作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。如圖1 所示,其定義斷裂能是產(chǎn)生單位面積的裂縫所必須的總能量。在平行于裂縫方向的平面中的投影面積為裂縫面積。所測(cè)量的三點(diǎn)彎曲切口梁的荷載—加載點(diǎn)位移曲線如圖2所示。曲線下的面積可用來計(jì)算斷裂能。最終斷裂時(shí)的變形可以由圖中求得。

　　文中按上述思想設(shè)計(jì)并完成試驗(yàn)。用于三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的混凝土試件尺寸為100 mm ×100 mm ×400 mm 并帶中心裂紋。測(cè)量跨距為300 mm ,梁高度為100 mm ,跨高比為3 。梁切口深度分別為3 cm 和5 cm ,每種切口深度有2 個(gè)試件。

2 　試驗(yàn)結(jié)果

2. 1 　裂縫觀察

　　在試驗(yàn)過程中,手工記載了裂縫擴(kuò)張和延伸過程,將全部裂縫進(jìn)行描繪,得到每個(gè)試件的全部裂紋,圖3 ,圖4 分別為兩類混凝土的典型裂縫。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在加載的最后階段,普通混凝土試件均為脆性斷裂,即混凝土試件完全斷開;而聚丙烯纖維混凝土均未完全斷開且發(fā)現(xiàn)斷面內(nèi)仍有聚丙烯纖維相連。由于聚丙烯纖維的存在,導(dǎo)致聚丙烯纖維混凝土裂縫的發(fā)生途徑不同于普通混凝土的直線上升,并且裂縫數(shù)量多于普通混凝土。這表明,聚丙烯纖維的存在導(dǎo)致了裂縫發(fā)展受到限制,并且有利于分散裂縫,能夠降低混凝土基體的脆性。

2. 2 　斷裂能的試驗(yàn)結(jié)果

　　圖5 為普通混凝土和體積摻量分別為0. 1 %和0. 2 %聚丙烯纖維混凝土的荷載—變形( P —δ) 原始曲線。

　　在圖5 中,Cc 表示普通混凝土,Fc - 1 表示體積摻量為0. 1 %的聚丙烯纖維混凝土,Fc - 2 表示體積摻量為0. 2 %的聚丙烯纖維混凝土。對(duì)于荷載—變形關(guān)系曲線,用n 個(gè)多次拋物線進(jìn)行回歸時(shí),相關(guān)系數(shù)均大于0. 99 。因此,可從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中取荷載Pj 時(shí)對(duì)應(yīng)的撓度值δj ,由0 到δj 對(duì)多次多項(xiàng)式中撓度進(jìn)行n 次積分,即可得到W0 ,即斷裂能。表1 為普通混凝土和體積摻量分別為0. 1 % ,0. 2 %聚丙烯纖維混凝土斷裂能的試驗(yàn)結(jié)果。

　　從斷裂能試驗(yàn)結(jié)果看,聚丙烯纖維的加入,對(duì)改善混凝土的脆性作用是顯著的,摻加0. 1 %和0. 2 %聚丙烯纖維,斷裂能可分別提高58 % ,88 %。并且切口深度不同,斷裂能有很大差別。

　　隨著試件韌帶尺寸增大,斷裂能GF 相應(yīng)會(huì)減少。說明斷裂能GF測(cè)量結(jié)果具有明顯的尺寸效應(yīng)。本試驗(yàn)測(cè)量的斷裂能GF 的尺寸效應(yīng)的來源主要是由于混凝土斷裂能本身具有尺寸效應(yīng),即尺寸效應(yīng)是混凝土斷裂能的屬性。

2. 3 　最大破壞荷載及變形

　　圖5 是聚丙烯纖維混凝土和普通混凝土典型荷載—撓度原始曲線,求最大破壞荷載及破壞時(shí)的變形必須要對(duì)曲線進(jìn)行修正。表2 為普通混凝土和體積摻量分別為0. 1 % ,0. 2 %聚丙烯纖維混凝土的最大破壞荷載及其變形的試驗(yàn)結(jié)果。

　　從表2 可以得出:當(dāng)切口深度為3 cm 時(shí),體積摻量為0. 1 %聚丙烯纖維和普通混凝土比較,最大破壞荷載降低了3 % ,相應(yīng)的變形卻提高了16 % ,體積摻量增加到0. 2 %時(shí),最大破壞荷載相對(duì)應(yīng)的變形可以提高20 %;當(dāng)切口深度為5 cm 時(shí),摻加0. 1 %的聚丙烯纖維,最大破壞荷載稍有提高,相應(yīng)的變形提高了24 %,聚丙烯纖維的體積摻量為0. 2 %時(shí),最大破壞荷載降低了8 %,而相應(yīng)的變形提高了33 %。

3 　結(jié)語

　　1) 斷裂能試驗(yàn)結(jié)果說明聚丙烯纖維的加入對(duì)改善混凝土的脆性作用是明顯的,并且切口深度不同,斷裂能有很大差別。2)0. 1 %～0. 2 %的聚丙烯纖維不能明顯提高最大破壞荷載,并且有可能引起最大破壞荷載的降低。3) 聚丙烯纖維的加入,最大破壞荷載對(duì)應(yīng)的變形較普通混凝土有明顯的提高。并且隨著切口深度不同,最大破壞荷載有很大的區(qū)別,對(duì)應(yīng)的變形也不一樣,這說明了混凝土試件具有明顯的尺寸效應(yīng)。4) 從圖5 可以進(jìn)一步看出,聚丙烯纖維的加入使得荷載—位移曲線的峰值后的曲線變得平緩,表明裂縫的擴(kuò)展得到抑制。

參考文獻(xiàn):

　　[1 ]唐春安,朱萬成. 混凝土損傷與斷裂—數(shù)值計(jì)算[M] . 北京:科學(xué)出版社,2002.

　　[2 ]李方元,趙人達(dá). 高強(qiáng)混凝土和鋼纖維高強(qiáng)混凝土斷裂能試驗(yàn)研究[J ] . 混凝土,2002 (8) :56257.

　　[3 ]張　東,吳科如. 關(guān)于三點(diǎn)彎曲法確定混凝土斷裂能的分析[J ] . 建筑材料學(xué)報(bào),1999 ,2 (3) :88289.