不同几何尺寸及弹性模量混合纤维混凝土力学性能试验研究与机理分析.pdf

2 0 1 0年第 1 期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT P R0DUCTS 2 01 0 No1 Fe b r ua r y 不同几何尺寸及弹性模量混合纤维混凝土 力学性能试验研究与机理分析 刘 冬 ， 黄 真 ， 伏俊 杰 ， 王 璞 ( 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院， 2 0 0 2 4 0 ) 摘要 ： 对不 同几何 尺寸及 弹性模量 的钢纤维和聚丙烯纤维混凝土进行了单轴压 、 劈拉 、 弯折和冲击力学性 能试验研究 ， 特别 设计 了抗 冲击试验装置 ， 比较了不同纤 维几何 尺寸、 种类 和掺量对混合纤维混凝土 的抗压强度 、 劈裂抗拉 强度 、 抗 折强度及抗冲击 性能的影响 ， 分析了混合纤维混凝 土的增 强机理 ， 并 总结 了增强混凝土力学性能较为突 出的混合纤维的种类和掺量。 关键词 ： 混合纤维 ； 钢纤维 ； 聚丙烯纤维 ； 混凝土 ； 力学性能 中 图 分 类 号 ： T U5 2 8 5 7 2 文献 标 识码 ： A 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 0) 0 1 - 3 7 - 0 4 0前 言 纤 维作 为一种混凝土增强材料 ，在工程建设领域 中有着广泛 的应用 ， 它可 以有效改善混凝土 的脆性 ， 提 高混凝 土抗拉强度和韧性【 1 J 。 目前研 究较 多的是单一纤 维混凝 土 ，纤维的种类包括金属纤维 、无机非金属纤 维 、 合成纤维和天然纤维等。 不同纤维对混凝土 的力学 性能有不 同程度的改善 ，钢 丝钢纤 维可提高混凝土开 裂后 的韧性 ，铣削型钢纤维 可明显 提高混凝土的初始 开裂强度 ，聚丙烯纤维有助 于提高混凝 土的耐火和抗 冲击性能。根据 复合材料理论 删， 不 同纤 维混合 ， 其性 能可以互补 。本文研究 的是将不 同种类 的钢纤维 和聚 丙烯纤 维按 一定 比例 加 以混 合制成 混 合纤 维 混凝 土 ( HF RC ， h y b r i d f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ) ，通过 产生 正 混合效应 ， 达到一加一大于二的效果 。为此 ， 本文进行 了不 同种类和掺量的钢纤维与聚丙烯纤维混合 ，对混 合纤维混凝土的单轴压 、 劈拉 、 弯折 和冲击力 学性能进 行 了试验研究 ， 特别设计 了抗 冲击试验装 置 ， 分析 比较 了不 同纤维种 类和掺 量对混合 纤维混凝 土抗压强 度 、 劈裂抗拉强度 、 抗折强度及抗 冲击性能 的影 响 ， 进 而分 析了混合纤维混凝 土的增强机理 ，总结 了力学性 能较 为突出的混合纤维混凝土 中混合纤维的种类 和掺量 。 1 试 验概况 1 1 试验材料 采用 P 0 5 2 5级普通硅酸盐水 泥。细骨料为河砂 ( 中粗 ) ， 细度 模数 2 5 。粗骨料为碎 石 ， 粒径 5 2 0 mm。 四种纤维分别为长 钢丝纤维 ( 型号 C W0 3 5 0 1 0 0 0 ， 简 称长钢丝 ) 、 短钢丝纤 维 ( 型号 C W0 3 3 0 1 0 0 0 ， 简称短 钢丝 ) 、 铣 削型钢纤 维 ( 型号 A m i 0 4 3 2 6 0 0 ， 简称铣 削 型) 、 聚丙烯纤维 ( 简称 P P纤 维) ， 四种纤维 的形 貌见 图 基金项 目： 上海交通大学国防研究基金。 1 ， 主要物理性 能参数见 表 1 。混凝 土基 准配合 比见 表 2 ， 标养 2 8 d ， 设计强度 3 O MP a 。 图 1 四种纤维的形貌 表 1 四种纤维 的物理性能参数 1 2 试验 方法 抗压 强度 、劈 裂抗 拉 强度及 抗 折强 度试 验参 照 C E C S 1 3 ： 8 9 ( 钢纤维混凝土试验方法 进行 。 抗压和劈裂 抗拉 强度试 验 的试 件尺 寸为 1 0 0 mmx 1 0 0 mmx 1 0 0 mm， 抗压加 载速率 0 5 MP a s ， 劈裂加 载速率 0 0 5 MP a s 。抗 折强 度试验 的试件 尺寸 为 1 0 0 m mx 1 0 0 m mx 5 5 0 m m， 采 用液压式万 能试验机 四点加载 ，加 载速率 0 0 5 MP a s ， 记 录荷载 、 变形和加载破坏过程 。 冲击试验 的试件尺寸 一 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 1 期 为 1 5 0 m m x 1 5 0 m mx 5 0 m m， 试验装置 为 自行设计 ， 将试 件放 入角钢焊制 的金属框架中形成试件 的四边简单支 撑 ， 周边保持约 l c m的间隙防止金属框架对 试件产生 横向约束 ， 冲击球 重 7 2 k g ， 下落高度为 3 0 e m， 测试时 ， 冲击球沿试件 中心线 自由落下 ，记录初裂及破坏时 的 冲击次数 。 为分析 比较不同种类 和掺量 的纤维对混凝土力学 性能 的影响 ， 我们 设计 了素混凝土试件 、 单一纤维混凝 土试件和混合纤维混凝 土试件 的对 比。试件编号形式 是 MB C D ， 表示对 应的长钢丝 、 短钢丝 、 铣 削型维 、 P P 纤维 的掺量分别为每 m 混凝土掺人 A公斤 、 B公斤 、 C 公斤 、 D公斤。 2试验结果与分析 2 1 抗压强度 试验结果见表 3 ， 从表 3可 以看 出 ， 除聚丙烯纤 维 混凝土外 ，其余纤维混凝土抗压强度均较素混凝土有 所提高 。三种单 掺钢纤维混凝土的抗 压强度分别提高 了 1 0 2 1 、 8 7 7 和 2 1 7 。三种配比的混合纤维混凝 土则分别提高了 6 2 4 、 5 1 8 和 6 2 4 。从整体上看 ， 掺入钢纤维对抗 压强度 的提高作用并不明显 ，可以不 计人其对混凝土强度 的增强作用 。 需要 注意 的是 ， 单掺 P P 纤维 可能在一定程度 上降低混凝 土的抗压强度 ( 本 次试验降低约 2 2 1 ) ，这是因为 P P纤维弹性模量 较 低 ， 且 长度 较小 ， 如有结 团会增加混凝 土的初始缺 陷 ， 反而对混凝土抗压强度不利 。 破坏形态上 ，素混凝土为典型的倒 四角锥型突然 压坏 。加入纤维后 ， 试件上先出现细小的竖向裂缝 ， 直 至破坏时 ， 试件仍 为整体 。 2 2劈裂抗拉强度 试验结果见 表 3 。由表 3可见 ， 纤 维的加入能显著 提高混凝土的劈 裂抗拉强度 ，三种单掺钢纤维混凝土 分别 提高 了 3 5 3 7 、 3 5 6 8 和 1 1 0 1 。单掺 P P纤 维 混凝土提高 了 2 0 3 ，三种配 比的混合纤维混凝 土分 别提高 4 4 3 4 、 2 4 4 3 和 4 3 1 5 。混合纤维混凝土的 劈裂抗拉强度较单掺纤维混凝土提高很多。在钢纤维 总掺量相 同的情况下 ， 3 0 0 3 0 1 为提高混凝土劈裂抗 拉强度的最佳配 比。 破坏形态上看 ， 素混凝土为脆性 劈裂断裂 ， 破坏后 多分开为两半 。加入纤维后 ， 试件整体性加 强 ， 破坏裂 缝细小 ， 破坏后试件还保持为一个 整体 ， 并 在劈裂裂缝 处可见明显的被拔 出或拉断的钢纤 维。 2 - 3 抗折强度 混凝 土抗折试验 中， 所有试 件均在纯 弯段破坏 ， 试 验结果见表 3 。三种单掺 钢纤维混凝土 的抗折强度分 别提 高 3 1 5 0 、 2 2 5 0 和 1 2 8 3 ，单掺 P P纤维混凝 土提高 7 4 8 ，三种 配 比的混合纤维混凝土分别提 高 4 9 0 5 、 1 1 2 6 和 3 4 1 4 。 与劈裂抗拉强度规律相似 ， 3 0 0 3 0 1 配合 比的混合纤维混凝土强度峰值 的提 高幅 度最大。从荷载一 位移 曲线 的比较上可见 ， 素混凝 土及 单掺 P P纤维 的混凝土脆性 大 ， 未到下降段即已断裂破 坏 。 掺入钢纤维后 ， 脆性得到明显改善 。 混合纤维 混凝 土上升段的斜率 与单掺纤维混凝土基本一致 ，但在相 同荷载下位移要小 ， 且下降段更为平缓 。 综合 比较 ， 3 o 0 3 0 1 配比混凝土的抗折性能最好 。 破坏形态上看 ， 素混凝土为脆性 折断 ， 小梁在试验 破坏后多断为两段 ， 测不 出下降段。加入纤 维后 ， 试件 表 3 纤维掺量及 主要力学性能试验结果 的整体性 增强 ， 在受拉区有多条细小裂缝 ， 逐渐 向受压 区发展 ， 发 生典型 的受压 区混凝土压碎延性破坏 ， 到达 峰值加载点后 ， 荷 载减小 ， 试 件可 以继 续承载 ， 直 到裂 缝处的钢纤维被拔 出或拉断。试验中可以测得荷载变 形曲线的下降段 ， 见 图 2 。 2 4 抗冲击性能 试验结果见表 4 。试件破坏裂缝呈十字形 ， 与文献 一 3 8一 4 】 描述 的破坏形式接近。素混凝土在初始裂缝出现时 迅速断裂破坏 ， 除单掺 聚合纤维外 ， 其它单掺钢纤维及 混合纤维均可 以明显提 高混凝 土抗冲击性能 。从表 4 可 以看 出 ，配 比 1 5 1 5 3 0 1的混合纤维对混凝 土的抗 冲击性能提高幅度最大 ， N N 值也最高 ， 说明材料不易 断裂 ， 在裂缝 出现 以后仍然有 良好的工作性能 。 其它两 种混合纤 维混凝 土与单掺长钢丝纤维混凝土的提高幅 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘冬 ， 黄真， 伏俊杰 ， 等 不同几何尺寸及弹性模量混合纤维混凝土力学性能试验研究与机理分析 2 c 芝 罐 控 O 0 O 5 1 O 1 5 2 O 2 5 3 0 3 5 位移 ram 图 2 抗折试验的荷载一 位移 曲线 比较 表 4 抗 冲击试验结果 度 接近 。 3混合纤维 混凝土增强机理分析 3 I 混合效应系数 混合效应系数应同时考虑各 单纤 维的作用 ，可采 用差值法 和比值法定义 ， 本 文在参考其 他文献I 5 基 础 上建议采用式 ( 1 ) 进行计算 ： = E 3 = 1 其中 ， 为混合效应 系数 ； 厂 为混合纤维混 凝土力 学性 能参数 ； 为素混凝 土力 学性能 参数 ； 为单掺 i 纤维 的混凝土力学性能参 数 ( 单纤维体 积分数与混合 纤维相 同 ， 若不 同应对其力 学性 能参数进行折算 ) ； V 为混 合纤维混凝 土 中纤维体 积 ； 为 混合纤 维混凝 土 中所有纤维的总体积 。 1 时产生 正混合效应 ， 0 1 时 产生负混合效应 。 将表 3 和表 4中测得的混凝土力学性能参数代人 式 ( 1 ) ， 可得 到不 同纤 维配 比的混合 效应 系数 ， 如 表 5 表 5 不同纤维配 比的混合纤维混凝土混合效应 系数 所 不 。 从 表 5 可 以看 出 ，正混合效应 的产生不仅与纤维 种类有 关 ， 还与各种纤维 的掺人量密切相关 。 在设计混 凝土纤 维配 比的时候 ，需要 同时考 虑混合 效应系数和 各单掺 纤维混凝 土的力学性 能。 3 2 混合纤维混凝土的阻裂机理 纤 维对混凝 土性 能的改善 ，主要通过 阻止裂缝扩 展 ， 增加混凝土基体 的强度和断裂能来实现 5 1 。关 于纤 维的阻裂机理有 多种理论模 型 ，其 中运用 较多的是复 合材料模型 、 多缝开裂模型和断裂力学模型7 1 。 纤 维主要依靠两种方式 与混凝 土结合 ，一是 两端 弯起形成 的钩状结构 ， 二是本身 的摩擦 。 当两种材料之 间的结合失效时 ， 纤维 即退出工作。 三种钢纤维极 限强 度都相对较大 ， 试验 中未 出现拉断 ， 破坏面均有钢 纤维 拔 出， 因此在单压 ， 劈拉和弯折试验 中对提高混凝 土强 度起决定作用 的是钢纤维与混凝土 的粘结 强度 。配 比 3 0 0 3 0 1的性 能 要 好 于 配 比 1 5 1 5 3 0 1 ，这 说 明在 3 0 ram的尺度上 ，极 限强度低但 与混凝土粘 结强度 高 的铣削型钢纤维加强效果已经满足要求 ，增加长钢丝 纤维 的掺量 可以在更 大尺度 上提升材 料 的整体 性能 。 冲击试验 中， 加入的 P P纤维 在钢纤维整体加强下可 以 更有效 地吸收冲击能量 ， 当裂缝发 展到一定宽度之后 ， P P纤维可 以持续承受 冲击 而不断裂 ，这在单掺 P P纤 维试件 的 N N 值上就能体现 出来 。 本 文 的试验结 果表 明 ， 多种不 同尺寸 、 不 同材料 、 不同几何形状 、不 同弹性模量 的纤维混合 能在不同受 荷 阶段 和不 同结构层 面对混凝土加 以增强 。在受 荷初 期 ，整个材料处于弹性阶段 ，纤维与基体共 同承担外 力 ， 共 同变形 ， 符合 以混合律为主要依据 的复合材 料理 论 。随着荷载 的增大 ， 部分混凝土达到极 限应变 ， 在强 度和弹性模量大的钢纤维处 出现多缝开裂 ，继而裂缝 不断发展 ， 最终汇聚出现宏 观裂缝 ， 如 图 3所示 。非连 续纤 维分布存 在随机性 ，因而长钢丝纤维有更大 的概 率横跨宏观裂缝 ， 将 应力传 递给两 侧混凝 土。 宏观裂缝 尖端仍处 于多缝开裂状态 ， 其上存在 一个 微裂缝 区， 大 量 的微裂缝 由几 何尺寸小 、 数 量大 、 问距小 的 P P纤维 微裂缝 PP纤 维 铣 削型 长钢 丝 宏 观裂 缝 图 3 混合纤维 阻裂机理 ( 下转第 4 2页) 一 3 9一 如 加 加 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 1 期 混凝土与水泥制品 总第 1 7 1 期 土抗冻性能效果显著 ； 当二者的总量较大时 ， 对混凝土 的抗 冻融性能 的改善作用较小 ， 甚至会起反作用。 3 聚丙烯 纤维与引气剂对 混凝土抗冻性 能影响机理 分 析 混凝土冻融破坏首先表现 为表层剥落 ，由表及里 进行冻害损伤 。冻融循 环损伤 可看作蠕变损伤和疲劳 损伤的合成 ， 混凝土 中毛细孔 的孔径大小及数量 ， 是混 凝土抗冻融能力的主要影响因素。 在混凝土 中掺入少量的引气剂可 以改善混凝土 的 毛细孔结构及数量 ， 提高混凝土 的抗冻性能 。同时 ， 掺 入聚丙烯纤维后 ，可在混凝土 中形成均匀分布 的不相 连微孔 ，并在气液界面上堵塞或 阻断混凝土毛细孔渗 水通道 ， 改善混凝土的细观微孔结构 ， 延缓 因水结冰所 产生的膨胀应力 。 聚丙烯纤维不 仅抑制混凝 土的早期塑性 开裂 ， 阻 止混凝土内部微裂缝的扩展 ，限制混凝土基体破坏 的 进程 ， 而且抑制冻胀压力形成的裂纹 ， 使混凝土 的孔结 构和孔间隔满足抗冻性要求 ，水分在这种孔径范 围内 很难迁移到临近的孔隙 中去 ，冻融循 环时产生液体压 力就 比较难 ， 从而提高 了混凝土的抗冻融性能 。 4结论 ( 1 ) 当聚丙烯和引气 剂单独 掺人混凝土 中 ， 二者均 能改善混凝土的抗冻融性 能。 ( 2 ) 当聚丙烯纤维 和引气剂掺人混凝 土 中总量 合 理 时 ， 二者可 以明显提高混凝土 的抗冻融性 能。 ( 3 ) 当聚丙烯纤维 和引气剂掺入混凝 土 中总量 较 大 时， 二者对提高混凝土 的抗冻融性能作用较小 ， 甚至 具有反作用 。 参考文献 ： 【 1 】 金伟 良 赵羽 习 混凝土结构耐久性【 M】 北京： 科学 出版社 ， 2 0 0 2 2 王庆， 王 艳云， 邢 海峰 聚丙烯纤维混凝 土在低 温条件下力 学性 能 的研究【 J I 石河子大学学报 ( 自然科学版) ， 2 0 0 7 ， 2 5 ( 2 ) ： 2 2 9 2 3 1 【 3 黄功学 聚丙烯纤维混凝土 ( 砂浆 ) 物理力学性能 实验研究【 D 】 郑 州 ： 郑州大学 ， 2 0 0 5 0 5 【 4 J中华 人民共 和国水力行业标 准 D UT 5 1 5 0 2 0 0 1 水 工混凝 土试 验规【 s 】 北京 ： 中国电力出版社 ， 2 0 0 2 5 P i g e o n M， Ga g n e R ， A i t c u P F r e e z i n g a n d t h a w i n g t e s t s o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e 【 J 】 C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ，1 9 9 1 ，2 1 ：8 4 4 8 5 2 6 王立久， 袁大伟 关于混凝 土冻害机理 的思考 J 低温建筑技 术， 2 0 0 7 ( 5 ) ： 1 3 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 1 0 4 作者简介 ： 李光辉 ( 1 9 8 1 一 ) ， 男 ， 硕士 、 助理工程师。 通讯地址 ： 河南省郑州市二七 区航海中路 2 1 9号 联 系电话 ： 1 3 6 3 3 8 5 9 7 5 3 毒kr 夸 9 j盔 ，9kr 妊 毒 e j 专 坐宣 k 盅 宣kr 富拓 坐壹kr 窜kr 鹫已窖妊 夸 r 宣 啦啦宣 毫 r 业 自 业夸k一 坐 妊 I 括 业 - - _ w= - 夸 l ( 上接第 3 9页 ) 加以约束。 同时由于 P P纤维弹性模量小 、 延性 大 ， 在 承 受 冲击荷 载时可 以发挥 类似 于弹 簧的缓 冲作 用( 图 3 ) ， 将部分 冲击能转化为纤维的弹性势 能 ， 冲击荷 载结 束后弹性势能释放 ， 纤维 回弹 ， 使裂缝 回缩 。 4结论 ( 1 ) 掺入纤维对混凝土抗压强度提高不明显 ， 但 能 增强其整体性 ， 可有效抑制裂缝 的进一 步开展 。 ( 2 ) 掺人 纤维可 明显 提高混凝土 的劈裂抗拉 和抗 折强 度 ， 其 中混合纤 维的提高 幅度更 为显著 ， 配 比 3 0 0 3 0 1的混凝 土 较素 混凝 土 的劈 裂抗 拉 强度 可提 高 4 4 3 4 ， 抗折强度提高 4 9 0 5 ， 为较优 的纤维配比。 ( 3 ) 混合纤维可 以较大幅度地 提高混凝 土的抗冲 击性 能 ，配 比 1 5 1 5 ， 3 0 1的混凝 土 比素混凝土 的抗冲 击性能提高 7倍多。 ( 4 ) 在设计混合纤维 配合 比时 ， 应综合考虑混合效 应系数和各单掺纤 维混凝 土的力学性能参数 。 参考文献 ： 1 】H F a l k n e r ， Z Hu ang a n d M T e u t s c h ： C o m p ara t i v e S t u d y o f P l a i n a n d S t e e l F i b e r R e i n f 0 r c e d C o n c r e t e G r o u n d S l a b s f J C o n c r e t e 一 4 2一 I n t e r n a t i o n a l ，T h e Ma g a z i n e o f A C I ，D e t mi t ，U S A ，Vo l u me 1 7 ( 1 ) ， J a n u a r y 1 9 9 5 ： 4 5 5 1 2 徐至钧 纤维混凝土技术及应用 M】 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 3： 2 4 5 9 3 闻荻江 复合材料原理【 M 武汉工业 大学出版社 ， 1 9 9 8 4 张平 中， 黄新华 ， 李文华 钢一 聚丙烯混 杂纤维 混凝 土抗 冲击 强度 研究m 山西 建筑 ， 2 0 0 7 ( 3 3 ) ： 3 3 【 5 王成启 ，吴 科如 不同几何尺寸纤 维混杂混凝土 的混 杂效应【 J J 建筑材料学报 ， 2 0 o 5 ： 第 8卷第 3期 6 华渊 ， 连 俊英 ， 周太全 长径 比对混杂 纤维增强 混凝土力学性 能 的影响【 J J 建筑材料 学报， 2 0 0 5 ： 第 8卷第 1期 7 】 沈荣熹 ， 崔琪 ， 李 清海 新型纤维增强水泥基复合材料【 M 中国建 材工业 出版社 ， 2 0 0 4： 5 9 一 g 5 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 1 2 - 1 1 作者简介 ： 刘冬( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 硕 士研究生 。 通讯地址 ： 上海交 通大学 B 0 7 0 1 0 9 5 联系电话 ： 1 3 9 1 6 1 7 6 3 6 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m