聚烯烴粗合成纖維混凝土抗彎韌性試驗

第30卷第1期建筑科學(xué)與工程學(xué)報Vol 30 No. 12013年3月Journal of architecture and Civil engineeringMar.2013文章編號:1673-2049(2013)01-0019-06聚烯烴粗合成纖維混凝土抗彎韌性試驗鄧宗才,師亞軍,曹煒(北京工業(yè)大學(xué)城市與工程防災減災省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,北京100124)摘要:為了解新型粗合成纖維對改善混凝土抗彎韌性的效果,試驗研究了纖維摻量、基體強度、纖維直徑等因素對混凝土抗彎韌性的影響規律。結果表明:單摻或混摻不同幾何尺寸粗合成纖維后,試件具有很妤的韌性,呈延性破壞;抗彎韌性指數隨纖維摻量的増加而增大;基體強度提高時(shí),抗彎韌性指數略有上升;纖維直徑不同時(shí),抗彎韌性指數變化不明顯;3種合成纖維與鋼纖維混摻后,其抗彎韌性指標大于單摻鋼纖維或3種合成纖維混摻的試件;混摻粗合成纖維可有效改善梁裂后行為,即峰值荷載后仍保持較高荷載;而單摻鋼纖維梁在峰值荷栽后,荷載下降較快;新的抗彎韌性評價(jià)方法能夠準確地反映粗合成纖維混凝土裂后阻裂能力高、變形大的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞:粗合成纖維;抗彎韌性;剩余強度;混凝土;配合比;纖維摻量中圖分類(lèi)號:TU528.58文獻標志碼:AExperiment on Flexural Toughness of Polyolefin Macro-fiberReinforced ConcreteDENG Zong-cai, SHI Ya-jun, CAO WeiKey Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of EducationBeijing University of Technology, Beijing 100124, ChinaAbstract: In order to grip the flexural toughness impact of new type synthetic macro-fiber onreinforced concrete, the effects of the fiber content, the matrix strength of reinforced concreteand the diameter of fiber on the flexural toughness were studied. The results show that theaddition of synthetic macro-fiber changes the failure mode of reinforced concrete from brittlenessto ductility. The flexural toughness index increases with the fiber content, it also increases whenthe matrix strength increases; and it has't evidently changed when the diameter of fiber changesThe flexural toughness of reinforced concrete with steel fiber and three synthetic macro-fiberhigher than those of steel fiber or three synthetic macro-fiber, and synthetic macro-fiber canincrease the toughness of reinforced concrete. The synthetic macro-fiber reinforced concrete canhave a higher load after the peak load, but the load of concrete with steel fiber decreases quicklyafter the peak load, the characteristic of reinforced concrete with synthetic macro-fiber can beproved by the new toughness evaluation method.Key words: synthetic macro-fiber; flexural toughness; residual strength; reinforced concretemix proportion; fiber content收稿日期:2012-10-20基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(50678011)中國煤化工作者簡(jiǎn)介:鄧宗才(1961-),男陜西扶風(fēng)人,教授博士研究生導師,工學(xué)博土, E-mail: deHiCNMHG20建筑科學(xué)與工程學(xué)報2013年0引言試件時(shí),先將稱(chēng)好的砂、水泥、石依次放入攪拌機,干拌2min,再將水分2次或3次加入,將纖維分散加普通混凝土易裂,嚴重影響結構耐久性,摻入纖人并攪拌3min左右,混凝土攪拌好后倒入模具內維后,可有效改善抗裂性121。粗合成纖維價(jià)格低振搗并抹平,澆注24h后脫模并在標準養護室養護廉,施工方便,能有效阻止裂縫擴展,可增強混凝土28d試驗前3h從養護室取出晾干,試件編號及纖變形能力和韌性,提高抗疲勞、抗沖擊性能等31維摻量見(jiàn)表3纖維混凝土抗彎韌性指標極為重要58,可反映表3試件編號及纖維摻量纖維對混凝土的增韌效果,它是開(kāi)發(fā)新纖維品種、確Tab 3 Numbering Specimens and Fiber Contents定纖維品種及纖維摻量、檢測和控制混凝土質(zhì)量的粗合成纖維重要指標凝土強試件編號直徑/長(cháng)度/摻量/鋼纖維摻量/度等級本文中筆者通過(guò)試驗研究了3種不同直徑和長(cháng)g·m-3mmmm(kg·m-3)度的粗合成纖維增強混凝土的抗彎韌性,并與素混C25-0.5-6C25凝土、單摻鋼纖維及鋼纖維與合成纖維混摻試件進(jìn)C25-0.58C250.540行了對比,探討了纖維摻量、纖維直徑、基體強度、混C25-0.5-11C25C25-0.8-6摻方式等對抗彎韌性的影響規律。00000C25-0.8-80.8458.01試驗概況C25-0.8-11C250.811.0C251-6C251.0506.01.1纖維材性C251-8聚烯烴粗合成纖維(聚丙烯與聚乙烯的共聚物)C2511c25.05301.0力學(xué)性能指標見(jiàn)表1。圓絲浪形鋼纖維由江西贛州C50-0.56C50大業(yè)金屬纖維有限公司提供,直徑和長(cháng)度分別為C500.5-8C50C50-0.5-11C5011.00.9mm和50mm,強度均為700MPa。C50-0.8-6C50表1粗合成纖維力學(xué)性能指標C500.88c508.0Tab 1 Mechanical Property Indexes of Macro-fibersC50-0.8-11500.84511.0直徑/抗拉強密度/初始模C50-1-6伸長(cháng)率/%長(cháng)度/000000000度/MPa(g·cm-)量/GPa484C50-1-11C50526415C35-H8C352混凝土配合比1.052,7普通混凝土C25,C35采用P.O32.5普通硅酸鹽水泥,高強混凝土C50采用P.O42.5普通硅酸鹽C35HG33C350.8451.02.7水泥砂采用中砂,石為人工碎石,水為自來(lái)水。為C35G25C350.000.0了更好地研究混凝土基體強度對纖維增韌效果的影響,試驗考慮3種混凝土強度,混凝土配合比如表21.4試驗方法所示抗彎韌性試驗在 Instron1343伺服系統機上采表2混凝土配合比用三分點(diǎn)加載方式進(jìn)行,試件跨度為300mm,采用Tab 2 Mix Proportions of Concrete恒位移控制加載,加載速率為0.10mm·s-1。撓度各材料用量/(kg·m-3)測定時(shí)將夾式引伸儀置于試件的中性軸來(lái)測定試件混凝土強度等級水灰比水泥的撓度,計算機自動(dòng)記錄數據,并自動(dòng)繪制荷載撓64311941800.48度曲線(xiàn),抗彎韌性試驗測試裝置如圖1所示186618115018C5050061411421800.362試驗結果與分析中國煤化工1.3試件制作2.1破壞過(guò)試件尺寸為100mm×100mm×400mm。制作CNMHG單摻或混疹m成后,風(fēng)件具有很好的抗第1期鄧宗才,等:聚烯烴粗合成纖維混凝土抗彎韌性試驗212.0撓度mm圖2試件C250.56荷載撓度曲線(xiàn)Fig 2 Load-deflection Curve of Specimen C25-0 5-6圖1抗彎韌性試驗測試裝置Fig. 1 Testing Equipment of FlexuralToughness Experiment彎韌性,呈延性破壞,各抗彎韌性指數隨著(zhù)纖維摻量的增加而增大。當基體強度為C25時(shí),各試件的抗彎強度相差較小。開(kāi)裂前,荷載增長(cháng)較快,荷載-撓度曲線(xiàn)呈直撓度線(xiàn)上升趨勢;開(kāi)裂后,撓度增長(cháng)速度加快,曲線(xiàn)斜率略有下降;當荷載達到峰值以后,荷載迅速下降,撓圖3試件C2505-8荷載撓度曲線(xiàn)度也隨之有較大增長(cháng),試件中部有明顯的裂縫出現,Fig 3 Load-deflection Curve of Specimen C25-0 5-8之后裂縫緩慢向上發(fā)展,裂縫處纖維被逐漸拔出,纖維起到了很好的連接增韌作用。然后荷載緩慢下降,但有部分試件荷載保持不變或略有上升裂縫逐漸變寬撓度增大直至試件破壞。當基體強度為C50時(shí),各試件的抗彎強度同樣相差較小,抗彎強度比基體強度為C25時(shí)有明顯的1.01.52.0增大撓度/mm種合成纖維混摻后的試件明顯呈延性破壞;圖4試件C250.8-8荷載-撓度曲線(xiàn)單摻鋼纖維的試件有較高的峰值荷載,但是開(kāi)裂后Fig 4 Load-deflection Curve of Specimen C25-0 8-8荷載下降較快,然后荷載保持在較低值;粗合成纖維與鋼纖維混摻的試件,呈現出良好的延性,粗合成纖維和鋼纖維能夠發(fā)揮各自作用,使試件在出現裂縫后,仍保持較高的荷載,起到了很好的增強增韌作用。2.2荷載撓度曲線(xiàn)纖維混凝土試件典型的荷載撓度曲線(xiàn)如圖2~9所示。撓度/mm2.3抗彎韌性指數圖5試件C25-1-8荷載撓度曲線(xiàn)2.3.1美國ASTM方法Fig 5 Loaddeflection Curve of Specimen C25-1-8按照美國ASTM方法求得的纖維混凝土抗彎1.0,1.25mm時(shí)的荷載;l,b,h分別為試件的長(cháng)度、韌性指數1,n,I3及剩余強度SA見(jiàn)表4。剩余強寬度和高度度SAR的表達式為相對剩余強度SR的表達式為SLP0s+P+P。+P(1)凵中國煤化工(2)CNMHG式中:P3,P,P10,P13分別為撓度0.5,0.75,式中Ro為纖維酰硬王的彎擬獨度。建筑科學(xué)與工程學(xué)報2013年表4抗彎韌性試驗結果Tab 4 Experiment Results of Flexural Toughness抗彎強初裂韌性試件編號Is I1o I3o SAR/MPa SIR/%部度/MPa(N·mm)25-0.5-64.C250.58:323.43.6|5.815.21.844259C250.5-114.25213.634.78.419.52.1650.86撓度/mmC250863.77346.543.6379.11.2232.27圖6試件C50-0.8-8荷載-撓度曲線(xiàn)c50.883.79414.4513.34.81.2751Fig 6 Load-deflection Curve of Specimen C50-0 8-8C250.8144430.293.7|5.712.11.7238.74C25-1-64.12262.173.3|6.21.o1.1527.99C25-1-82.88352.433.35.513.41.70|58.93C25114.11133325.815.722053.53C500.5-64.72429.033.45.310.31.2626.69C500.5-84.83210.873.88.8114.51.7536.19C50-0.5-114.70591.693.3|5.014.72.0643.81C00.865.41553.922.63.79.20.9417.38c50.884.76304.923.4.81.82134.75撓度/mmC500.8-115.37470.923.5|5.612.22.3343.39圖7試件C35-H-8荷載-撓度曲線(xiàn)C50164.38649.472.5449.91.5134.38Fig. 7 Load-deflection Curve of Specimen C35-H-8c50-1-85.06661.113.06.811.51.3226.02C50-1-113.43226.993.76.515.61.8955.10C5H84.263063214.16.313.01.543615C35HG334.08468.164.86.819.13.2178.68部10C35G254.90449.154.65.910.61.3126.73素混凝土提高了4.0~7.8倍,抗彎韌性指數l3比素混凝土提高了9.3~18.5倍。直徑為0.8mm的撓度/mm纖維,當摻量由6kg·m-3增加到11kg·m-3時(shí),抗彎韌性指數I比素混凝土提高了1.6~2.7倍,圖8試件C35G-25荷載撓度曲線(xiàn)Fig 8 Load-deflection Curve of Specimen C35-G-25I1比素混凝土提高了2.7~4.8倍,I3o比素混凝土提高了7.2~11.2倍。直徑為1mm的纖維,當摻量由6kg·m-3增加到1lkg·m-3時(shí),抗彎韌性指數I5,I1o,s分別比素混凝土提高了1.5~2.7,3.4~5.8,8.9~14.7倍。(2)當基體強度提高時(shí),抗彎韌性指數略有上升。如單摻直徑0.8mm的合成纖維,當基體強度由C25增加到C50時(shí),抗彎韌性指數I3分別由撓度mm9.1,9.6,12.0增加到9.2,11.8,12.2圖9試件C35HG33荷載-撓度曲線(xiàn)(3)纖維直徑對抗彎韌性指數的影響規律不明Fig 9 Load-deflection Curve of Specimen C35-HG-3確但從總體上看,摻入直徑1mm纖維的試件,其由表4可以看出抗彎韌性指數比直徑為0.5mm或0.8mm纖維的(1)對于基體強度為C25和C50的合成纖維混試件小。為改善韌性,宜選用直徑相對較小的纖維。凝土試件,隨著(zhù)纖維摻量的增加,抗彎韌性指數明顯(4)混摻鋼纖維和合成纖維對于改善混凝土裂增加。直徑為0.5m的纖維,當摻量由6后行為效果中國煤化工果非常顯著(zhù)。kg·m-3增加到11kg·m3時(shí),抗彎韌性指數Is比當基體強度CNMH昆摻后試件的素混凝土提高了2.3~3.7倍,抗彎韌性指數I1o比抗彎韌性指數i。,i,13分別比素混凝土提高了第1期鄧宗才,等:聚烯烴粗合成纖維混凝土抗彎韌性試驗233.1,5.3,12.0倍;單摻鋼纖維后試件的抗彎韌性指隨纖維摻量的增加而增加。數l,I1,l30分別比素混凝土提高了3.6,4.9,9.6混摻3種合成纖維的混凝土試件韌度因子a為倍;同時(shí)摻入合成纖維和鋼纖維后試件的抗彎韌性1.71MPa,單摻鋼纖維的混凝土試件韌度因子a為指數l5,l,I30分別比素混凝土提高了3.8,5.8,1.46MPa,同時(shí)混摻合成纖維和鋼纖維的試件韌度18.1倍。合成纖維與鋼纖維共同作用,使抗彎韌性因子σ達到了3.24MPa,遠高于其他試件?？梢?jiàn),指數得到有效提高。這種混摻方式可有效提高混凝土試件的韌性。(5)剩余強度隨纖維摻量的增加而提高,如基體2.3.3新評價(jià)方法強度為C25、單摻直徑1mm纖維的試件,摻量分別上述方法可以評價(jià)纖維對混凝土的增韌效果,為6,8,11kg·m2時(shí),剩余強度分別為1.15,1,70,但也存在不足之處,美國ASTM方法中的抗彎韌性2.20MPa。指數對初裂撓度要求較高,但初裂點(diǎn)不易確定且其(6)合成纖維與鋼纖維混摻后,對于改善試件剩離散性較大,不同試驗者采用的方法也各不相同,要余強度效果明顯。3種合成纖維混摻后剩余強度為想取得準確的荷載撓度曲線(xiàn),對試驗機要求較高;1.54MPa,單摻鋼纖維后剩余強度為1.31MPa,合日本JSCE方法中峰值荷載容易確定,但不能反映成纖維與鋼纖維混摻后的剩余強度達到了3.21纖維對混凝土開(kāi)裂后的增韌作用。由荷載-撓度曲MPa,高于上述2種摻法剩余強度之和。線(xiàn)可知,粗合成纖維混凝土具有良好的延性,峰值荷2.3.2日本JSCE方法載后仍可保持較高水平,甚至有上升的趨勢,試件撓按照日本JSCE方法求得的纖維混凝土抗彎韌度為2mm時(shí),纖維對韌性的作用還很明顯,撓度大性指標和韌度因子試驗結果見(jiàn)表5,其中,Tb為抗于2mm后,伺服試驗機費時(shí)且纖維增韌作用下降,彎韌性指標,a為韌度因子為了較好地反映粗合成纖維的增韌效果,剩余強度表5抗彎韌性指標和韌度因子計算可以將梁撓度為2mm作為結束標準。建議剩Tab. 5 Flexural Toughness Indexes and Toughness Genes余強度SAR為試件編號Tb/(N·mm)a/MPa(3)C25-0.5-612577.93SARbh2 4C250.5-813312.022.00式中:P15,P20分別為撓度為1.5,2.0mm時(shí)的荷載。3.13采用新評價(jià)方法計算得到的剩余強度見(jiàn)表6。C25-0.8-69463.941.42與表4相比,單摻合成纖維試件剩余強度SARC250.8-89664,83變化較小,變化幅度在3%以?xún)?但是單摻鋼纖維試C25-0.8-1112135,17C25-1-68795,401.32件采用新評價(jià)方法計算,其剩余強度SAR減小了C25-1-8l1781.651.776.85%,3種合成纖維混摻后剩余強度SA增加了C25-11115253.084.54%。粗合成纖維可有效提高混凝土試件韌性,C50-0.5-610257.261.54峰值荷載后可保持較高的荷載,而單摻鋼纖維試件C50-0.5-812967.831.95在峰值荷載后,荷載下降較快,延性較差。采用此評15422.782.31價(jià)方法可充分反映合成纖維混凝土具有良好的阻裂C50-0.8-68781.12能力和變形特性。C500.8-814992.982.25C50-0.8-1116285.972.443結語(yǔ)C50-1-6C50-1-8(1)摻人粗合成纖維后,試件具有很好的彎曲韌C50-1-1113171.61.98性,呈延性破壞。C35-H811416.271.71(2)當基體強度為C25,C50時(shí),單摻粗合成纖C35-HG-33維試件的抗彎韌性指數隨纖維摻量增加而增加C35-G-259839.60(3)當基體強度提高時(shí),單摻粗合成纖維試件的由表5可知,纖維摻量增加對提高抗彎韌性指抗彎韌性指中國煤化工化時(shí)抗彎韌標效果明顯。當基體強度為C25和C50時(shí),3種合性指數變化CNMHG成纖維單摻的試件,抗彎韌性指標T和韌度因子a(4)3種合成纖維混摻后,試件的剩余強度為24建筑科學(xué)與工程學(xué)報2013年表6采用新評價(jià)方法計算的剩余強度Subcommittees]Tab. 6 Residual Strength Calculated by[3]鄧宗才,高性能合成纖維混凝土[M].北京:科學(xué)出版New evaluation method社,2003試件編號SAR/MPaS1R/%DENG Zong-cai, High Performance Synthetic FiberC25-0.5-61.7340.27Reinforced Concrete[M]. Beijing: Science Press, 2003C250.5-8[4]鄧宗才,何唯平,孫成棟.聚丙烯腈纖維增強水泥混凝C25-0.5-1151.53土的抗彎性能[J].公路,2004(2):129-13425-0.8-6DENG Zong-cai, he Wei-ping, SUN Cheng-dongC25-0.8-83134.60Flexural behaviour of Cement Concrete Reinforced1.64th Polyacrylonitrile Fiber [J]. Highway, 2004(2)C25-1-6129-134C25-1-81.7058.93[5]鄧宗才,李建輝,劉國棟混雜粗纖維增強混凝土力學(xué)C25-1-112.2855.37特性試驗研究[門(mén)].混凝土,2006(8):50-55C50-0.5-627.30DENG Zong-cai, LI Jian-hui, LIU Guo-dong. ExperiC50-0.5-834.78mental Study on Mechanical Properties of HybridC50-0.5-112.11Macro-fiber Reinforced Concrete [J]. Concrete, 2006C50-0.8-60.9717.93(8):50-55C50-0.8-82.11[6]杜明干纖維混凝土細觀(guān)力學(xué)模型與應用[D].北京:C50-0.8-11清華大學(xué),2004C50-1-633.58DU Ming-gan Microscopic Models of Fiber reinforcedC50-1-81.2925.49Concrete and Their Applications[D]. Beijing Tsinghua1.87University, 2004C35-H837.79[冂]鄧宗才,張鵬飛,李建輝,等.預應力AFRP加固混凝C35-HG333.22土梁的疲勞與靜載特性[J].中國公路學(xué)報,2007,20C35-G251.2224.90(6):49-551.54MPa,單摻鋼纖維試件的剩余強度為1.31DENG Zong-cai, ZHANG Peng-fei, LI Jian-hui, et al.MPa,3種合成纖維與鋼纖維混摻后,試件的剩余強Fatigue and Static Behaviors of RC Beams Strength度達到了3.21MPa,高于3種合成纖維混摻試件與ened with Prestressed AFRP [J]. China Journal of單摻鋼纖維試件的剩余強度之和,使不同纖維的性Highway and Transport, 2007, 20(6):49-55.[8]李炳宏,江世永,飛渭,等.纖維增強塑料筋混凝土能得到了充分發(fā)揮。梁抗彎設計數值分析[J].長(cháng)安大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,(5)粗合成纖維混摻可有效提高混凝土梁的韌2011,31(5);50-56.性,峰值荷載后可保持較髙荷載,而單摻鋼纖維混凝LI Bing-hong, JIANG Shi-yong, FEI Wei, et al. N土梁在峰值荷載后,荷載下降較快,延性較差,采用merical Analysis of Flexural Design of Concrete Beams新評價(jià)方法可充分反映出粗合成纖維混凝土裂后阻Reinforced with FRP Bars [J]. Journal of Chang'an裂能力高、變形大的特點(diǎn)。University: Natural Science Edition, 2011, 31(5):50-參考文獻:[9]鄧宗才,彭書(shū)成.啞鈴型鋼纖維粉煤灰混凝土基本力References:學(xué)性能及抗彎韌性[J].公路,2003(9):149-155.[1 ASTM C1018-97, Standard Test Method for FlexuralDENG Zong-cai, PENG Shu-cheng. Basics Perform-Toughness and First-crack Strength for Fiber Rein-Characteristics and Flexural Toughness of Dumb-forced Concrete[S]bell Steel Fiber Reinforced Fly Ash Concretes [J][2] JSCE 1984, Steel Fiber Reinforced Concrete ResearchHighway,2003(9):149-155中國煤化工CNMHG