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。國內(nèi)外對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。文中借助對普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土斷裂能和斷裂韌性的測量和比較,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,使得對混凝土斷裂能的測試前進(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)對應(yīng)的撓度值δj ,由0 到δj 對多次多項(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測量結(jié)果具有明顯的尺寸效應(yīng)。本試驗(yàn)測量的斷裂能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。

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