纤维纳米混凝土劈拉性能试验研究.pdf

2 0 1 4年第 9期 9月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCT S 2 01 4 No 9 S e p t e mb e r 纤维纳米混凝土劈拉性能试验研究 周 长伟 ， 高丹盈 ， 赵 亮平 ( 郑州大学新型建材与结构研究中心 ， 4 5 0 0 0 2 ) 摘 要 ： 通过劈拉 试验 ， 测定 了 2 0组 纤维纳米混凝土试块 的劈 拉强度和劈拉荷 栽一 横 向变形曲线 ， 探 讨 了钢 纤 维掺 量及 类型、 纳米矿粉种类及掺 量、 混凝 土强度时纤 维纳 米混凝土劈拉性 能的影响 。结 果表 明 ： 随钢纤维掺 量增 加 ， 纤维纳米混凝土劈拉性能 明显提 高； 端钩型纤维更能有效地提 高纤维纳米 混凝 土的劈拉性能 ， 约束横向变形 ； 随 纳米 S i O： 掺 量增加 ， 劈拉 强度 先升 高后 降低 ， 韧性 变化 不显著 ； 随纳米 C a C O。 掺量增加 ， 劈拉 强度先升高后降低 ， 韧 性 大致呈增长趋势 ； 较 高的混凝 土基体强度有利 于劈拉 性能的提 高； 掺入适量 的纤维和纳 米矿 粉 ， 改善 了混凝 土的 微细观结构 ， 提 高 了混凝土 自身的密 实度 ， 有效提 高 了混凝土的劈拉性能。 关键 词 ： 纤 维 ； 纳 米 矿 粉 ； 劈 拉 荷 载 一横 向 变形 ； 劈 拉 性 能 Ab s t r a c t ： Ba s e d o n t h e s p l i t t i n g t e n s i l e t e s t s , t h e s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h a n d s p l i t t i n g t e n s i l e l o a d t r a n s v e r s e d e f o r - ma ri o n c u r v e o f 2 0 s e t s fi b e r a n d n a n o me t e r ma t e ria l s r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( F NMRC) s a mp l e s w e r e s t u d i e d T h e e f f e c t s o f s t e e l fi b e r c o n t e n t a n d i t s t y p e ，n a n o me t e r ma t e ria l t y p e a n d i t s c o n t e n t ，a n d c o n c r e t e ma t ri x s t r e n g t h o n t h e s p l i t t i n g t e n s i l e p r o p e r t i e s o f F NMRC we r e i n v e s t i g a t e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t ： t h e s p l i t t i n g t e n s i l e p r o p e r t i e s o f F NMRC i n c r e a s e s o b v i o u s l y w i t h t h e i n c r e a s i n g s t e e l fi b e r c o n t e n t ；t h e e n d- h o o k e d s t e e l fi b e r c a n i mp r o v e t h e s p l i t t i n g t e n s i l e p r o p e rti e s o f F NMR C a n d r e s t r a i n t t r a n s v e r s e d e f o r ma t i o n mo r e e ff e c t i v e l y ； wi t h t h e i n c r e a s i n g r e p l a c e me n t r a t e o f c e me n t b y n a n o me t e r S i O2 ， t h e s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h fi rst i n c r e a s e s a n d t h e n d e c r e a s e s ， b u t t h e r e i s n o s i g n i fi c a n t c h a n g e i n t h e s p l i t t i n g t e n s i l e t o u g h n e s s ；w i t h t h e i n c r e a s i n g r e p l a c e me n t r a t e o f c e me n t b y n a n o me t e r Ca C O3 ， t h e s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h fi rst i n c r e a s e s a n d t h e n d e c r e a s e s ， t h e s p l i t t i n g t e n s i l e t o u g h n e s s i n c r e a s e d g r a d u a l l y ； h i g h e r c o n c r e t e ma t ri x s t r e n g t h i s b e n e fi c i a l t o i mp r o v i n g t h e s p l i t t i n g t e n s i l e p r o p e rt i e s ；b y a d d i n g r i g h t c o n t e n t o f s t e e l fib e r a n d n a n o me t e r ma t e r i a l s i n t o t h e c o n c r e t e ， t h e mi e r o s t r u c t u r e ， c o mp a c t n e s s a n d t h e s p l i t t i n g t e n s i l e p r o p e r t i e s o f F NMRC a r e a l l i mp r o v e d Ke y wo r d s ：F i b e r ； Na n o me t e r ma t e r i a l ； S p l i t t i n g t e n s i l e l o a d - t r a n s v e rse d e f o r ma t i o n ； S p l i t t i n g t e n s i l e p r o p e rti e s 中图分类号 ： T U 5 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 4 ) 0 9 4 5 0 4 0前 言 目前 ，提高混凝土性能的主要途径是复合化 ， 复合化可分为宏观复合和微细观复合。宏观复合有 钢筋混凝土 、 钢管混凝土 、 预应力混凝土等。细观复 合是在混凝土中加入分散性 良好 的高强高韧纤维 如钢纤维 、 聚合物纤维等形成纤维增强混凝土 。微 观复合是在混凝土 中加人微观尺寸的物质 ， 如纳米 S i O ： 、 C a C O ， 等。纳米微粒具有量子效应 、 尺寸效应 、 表面效应 以及界面效应 ， 将纳米微粒引人 到混凝土 中， 可填充水泥浆体与骨料之 间的微细空 隙 ， 提高 混凝土 自身的密实度口 _ 3 】 。 劈 拉 性 能是 混凝 土基本 力 学 性 能 中的 一项 重 要 指 标 。荷 载一 变形 曲线是 混 凝 土 在各 个 受力 阶段 的 变形 、 内部微细裂缝的发展 、 损伤积累至最后破坏 形成等一系列变化过程的宏观反映 。 是研究 和分析 混凝土结构与构件承载力及变形 的重要依 据。因 此 。仅仅研究纤维纳米混凝土 的劈拉强度是 不够 基金项 目： 国家 自然科 学基金项 目( 5 1 1 7 8 4 3 4 ) 。 的 有必要对劈拉变形过程进行研究 。 如果 将 纤 维 、 纳 米微 粒 共 同掺 人 到混 凝 土 中形 成纤 维 纳 米混 凝 土 ， 其劈 拉 强度 及 变 形如 何 ? 改变 纤维 、 纳米微粒掺量 ， 其劈拉强度和变形 又将 如何 变化?笔者着重测试了纤维纳米混凝土 的劈拉荷 载 一 变形 曲线 ， 以研 究 纤 维纳 米混 凝 土 的劈 拉性 能 ， 为其发展和应用提供依据。 1 试 验概 况 1 1 原材料及配合 比 采用 4 2 5级普通硅酸盐水泥 ：粒径 1 0 2 5 m m、 连 续级 配 石 子 ：级 配 良好 的 中砂 ； J K H 一 1 型 粉 状 高 效 减 水 剂 ； 钢 纤 维 类 型 有 端 钩 型 、 铣 削 型 、 剪 切 型 ， 其 特 征 参 数 见 表 1 ； 聚 丙 烯 纤 维 为 杜 拉 纤 维 ， 长 表 1 钢纤维特征参数 45 2 0 1 4年第 9期 混凝 土 与水泥 制 品 总第 2 2 1 期 注： 单方混凝 土中掺人 0 9 1 k g m 聚丙烯纤维 。 1 9 ra m， 比重 0 9 l ， 熔 点 1 6 0 E； 纳 米 S i O 2 ， V K S H 3 0 白色 粉 末 ， 粒径 3 0 n m， 比表 面积 ( 2 0 0 l O ) mV g ， 表 观 密度4 0 6 0 g L，杂质含量 0 5 ；纳米 C a C O 3 ， VK C a 0 1白色粉末 ， 比重 2 5 2 6 g c i n ， 粒径 1 5 4 0 n m， 杂质含量 2 5 。分别 以钢纤维体积率 、钢纤维类 型 、 纳米矿粉掺量 ( 纳米矿粉替代水泥量 ) 和混凝 土 强度为变量 ， 设计配合比及抗压强度 ， 见表 2 。 表 2编 号 中前 两 个数 字 表 示混 凝 土设 计 强 度 ， 即 C 4 0 、 C 6 0 、 C 8 0 ： D、 X、 J分别表示端钩型 、 铣削型 、 剪 切 型 ； S F为 钢 纤 维 ， N S为 纳 米 S i O 2 ， N C为 纳 米 C a C O 3 ， 其后面的数字表示掺量 ， 如 S F I表示钢纤维 掺量为 1 。 1 2 试验方法及设备 依据 G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 普通混凝土力学性能 试验方法标准 和 C E C S 1 3 ： 2 0 0 9 纤维混凝土试验 方法标 准 的规定进行 试验 ，试 件尺 寸 1 5 0 mmx 1 5 0 m m 1 5 0 mm试验设备采用 WHY 一 3 0 0 0全 自动 压力试验机 ， 试验装置见图 1 。加载后 ， 电脑每隔 1 s 采集 1 次荷载值和变形值 。 试件的劈拉强度按式 ( 1 ) 计算 ： F = 0 6 3 7 辛 ( 1 ) n 式 中 ： 为混凝 土劈拉强 度 ， MP a ； 为最大 荷载 ， N； A为试件劈裂面面积 ， mm 。劈拉韧性用劈 46 图 1 劈 拉 试 验 装 置 拉荷载一 横 向变形关系曲线包围的面积 ，即试件吸 收 的能量表 示 。 2试验 结果 与分 析 2 1 钢纤 维 掺量 的影 响 由图 2可见 ， 随着钢纤维掺量 的增加 ， 纤 维纳 米混凝土的劈拉强度明显提高 未掺钢纤维时劈拉 强 度 为 3 9 8 MP a ，掺 1 钢纤 维 时 劈 拉 强 度 为 6 2 4 MP a 提高 5 6 7 8 ； 掺 2 钢纤维时劈拉强度为 7 4 5 MP a 提高近 1倍。由图 3可见 ， 未掺钢纤维的混凝 土表现为脆性 ， 掺钢纤维的表现为延性 ， 且随钢纤 维掺量增加 劈拉荷载一 横 向变形 曲线包 围的面积 ( 即劈拉韧性 ) 逐渐增大 ， 掺 2 钢纤 维曲线包 围的 面积 是 掺 0 2 钢纤 维 的 3倍左 右 。可见 ， 掺 钢纤 维 可有效提高纤维纳米混凝土 的劈拉性能 。 约束横 向 变形 ， 使破坏形式由脆性转为较好的延性 。 钢纤维均匀 、乱 向分散在纤维纳米混凝土中 ， 周长伟 ， 高丹盈 ， 赵亮平 纤维纳米混凝土劈拉性能试验研究 图 2 钢纤维掺量 与劈 拉强 度的关系 0 1 2 3 4 5 6 横 向变形 ram 1 0；2 02 ；3 0 4 ；4 05 ；5 0 7 6 1 0 ：7 1 5 ：8 一 一2 O 图 3 不 同钢纤维掺量下劈拉荷载与横 向变形关系 曲线 形成空间网格结构 ， 且随钢纤 维掺量增加 ， 空间网 格 结构 更 加 紧密 。受荷 过 程 中 ， 钢 纤 维 的桥 接 阻 裂 作用减轻 了混凝土 内部微缺陷的产生和发展 ， 减小 了基体 内部缺陷的尺寸 ， 降低 了裂纹尖端的应力集 中 改善了混凝 土的劈拉破坏形式 使 之 由脆 性破 坏转变为较好的延性破坏 ， 提高了劈拉性能 。 2 2钢纤 维类 型 的影 响 由 图 4可见 ， 掺 端 钩 型钢 纤 维 的 纤 维纳 米 混 凝 Z 褥 挺 辍 蔷 ；R 钢纤维类型 图 4 钢纤维类 型与劈拉强度 的关 系 O l 2 3 4 5 6 横向变形 m m 图 5 不同类型钢纤维的劈拉荷载与横 向变形 的关 系 土劈拉 强度最大 ， 为 6 3 2 MP a ， 剪 切型为 5 8 2 MP a ， 铣削型为 5 1 1 MP a 。由图 5可见 ， 端钩型钢纤维的曲 线 包 围面 积 明显 大 于铣 削 型 和剪切 型 ， 而后 两 者 的 面 积相 差不 大 。可 见 ， 端钩 型钢纤 维相 对于铣 削 型 、 剪切型 ， 能更有效地提高纤维纳米混凝土的劈拉性 能 ， 约束横向变形 。 端 钩 型钢 纤 维相 对 于铣 削型 、 剪 切 型有 较 高 的 长径 比 ， 且两端有弯钩 ， 能更好地锚 固在混凝 土 内 部 增强 了与混凝土间的锚固力和机械 咬合力 ， 劈 拉过程中将其拔出需要更大的能量 ， 尤其是需要将 弯钩拉直 ， 其间钢纤维要经过弹性 、 屈服 、 强化甚至 破坏 等阶段 ， 有效减缓 了试件破坏过程 ， 提高 了纤 维纳米混凝土的劈拉性能。 2 3 纳 米 S i O ， 和 C a C O 的影 响 由 图 6可见 ， 随 纳 米 S i O 掺 量 增 加 ， 纤 维 纳 米 混凝土的劈拉强度先升高后降低 ， 其 中掺 0 5 S i O ： 时劈拉强度最大 ， 为 6 4 8 MP a ， 相对于未掺 ， 掺 1 和 1 5 时 。 纤维纳米混凝土 的劈拉强度分别有 7 1 l 、 2 6 9 、 3 3 5 的提高 。 由图 7可 见 ， 随纳米 S i O 掺量 的增加 ， 曲线包 围的面积相差不多 ， 其 中 0 5 掺量 曲线包围的面积略大于其他三者。可见 ，纳米 S i O ： 对纤维纳米混凝 土的劈拉性 能有所提高 ，掺量 为 0 5 时提 高量 最大 。 Z 挺 翅 躲 鹱 蔷 R 0 O5 1 O 1 5 2 O 纳米 S i O 2 掺量 图 6纳米 S i O ： 掺量与劈拉强度 的关系 1 O； 2 O 5 ； 3 1 O ； 4 1 5 图 7 不同纳米 S i O 掺量下劈拉荷载与横 向变形的关系 由图 8可见 ， 随 纳米 C a C O ， 掺 量 的 增 加 ， 纤 维 纳米 混凝土 的劈拉强度 先升高后 降低 ，其 中 l C a C O 掺量的劈拉强度最大 ， 为 6 1 9 MP a ， 相对于未 4 7 O O O O O O O 12 m 乏 ) I ， 褥挺 敞 O 2 2 l l 2 0 1 4年第 9期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 1 期 Z 繇 ：c超 图 8 纳米 C a C O 掺量与劈拉强度的关系 图 9 不 同纳米 C a C O 掺量下劈拉荷载与横 向变形 的关系 掺 、 2 掺量 、 3 掺量分别有 2 3 1 、 4 0 3 、 5 8 1 的 提高。由图 9可见 ， 随纳米 C a C O 掺量的增加 ， 曲线 包围的面积逐渐增加 ， 韧性大致呈增长趋势 。可见 ， 纤维纳米混凝土的劈拉强度在纳米 C a C O ， 掺量 为 1 时最大 韧性 在 3 时最 好 。 掺入适量的纳米 S i O ： 和 C a C O ， 填充了混凝土 微细观结构中存在的各种空隙， 改善了混凝土的微 细观结构 ， 提高 了混凝土 自身的密实度 ， 进一步增 强 了钢纤维与混凝土基体之间的粘结性能 ， 抑制 了 混凝土基体内微裂缝的开展与延伸 ， 提高了混凝土 的劈拉性能。 Z 螂 握 敞 8 至6 4 z O 混凝 土强度 图 1 0基体混凝土强度与劈拉强度 的关 系 图 1 1 不同混凝 土强度下劈拉荷载与横 向变形 的关系 4 8 2 4 混 凝土 强度 的影 响 由图 1 0可见 ， C 4 0 、 C 6 0 、 C 8 0混凝土 的劈 拉强 度分 别 为 5 2 4 MP a 、 6 2 6 MP a 、 6 5 2 MP a ， 呈 增大 趋 势 ， 且从 C 4 0到 C 6 0的增幅较大 。由图 l l可见 ， C 8 0曲 线包围的面积略大于 C 6 0 ， 但明显大于 C 4 0 。可见 ， 混凝土基体强度对纤维纳米混凝 土的劈拉性能有 影响， 较高的基体强度有利于劈拉性能的提高。 混凝土基体强度对其 内部孔结构影响较大 ， 基 体强度降低 ， 内部孔 隙增多增大 ， 混凝土基体密 实 度降低 ， 水泥石与骨料界面及水泥石与纤维界面的 性能劣化 ， 降低了纤维纳米混凝土的劈拉性能。 3 结论 ( 1 ) 钢纤维的掺入 ， 使混凝土 的劈拉破坏形 式 由脆性转变为延性 ， 且随钢纤维掺量增加 ， 纤 维纳 米混凝土的劈拉性能明显提高。 ( 2 ) 端 钩 型钢 纤维 相 对 于铣 削 型 、 剪 切 型 ， 能更 有效 提高纤 维 纳米混凝 土 的劈拉 性 能 。 ( 3 ) 随纳米 S i O 掺量的增加 ， 纤维纳米混凝 土 的劈拉强度先升高后降低 但韧性变化不显著。 ( 4 ) 随纳米 C a C O 掺量 增加 ， 纤 维纳米混凝 土 的劈拉强度先升高后降低 ， 韧性大致呈增长趋势 。 ( 5 ) 较高的混凝土基体强度有利于提高纤维纳 米混凝土的劈拉性能。 参考文献 ： 1 吴人洁 复合材料【 M】 天津： 天津大学 出版社 ， 2 0 0 2 【 2 高丹盈， 赵军， 朱海堂 钢纤维混凝土设计与应用【 M 北京： 中国建筑工业出版社 ，2 0 0 2 【 3 】 王宝 民 纳米 S i O ： 高性 能混凝 土性能及机理研究【 D 】 大连： 大连理工大学， 2 0 0 9 4 G A O D a n y i n g ， Z H A O L i a n g p i n g ， Y A N G S h u h u i S p l i t t i n g Te n s i l e P r o p e r t i e s o f F i b e r Re i n f o r c e d Gr o u n d Gr a n u l a t e d B l a s t F u rna c e S l a g C o n c r e t e a t H i g h T e mp e r a t u r e s J J O U R N A L O F T H E C H I N E S E C E R A M I C S O C I E T Y， 2 O 1 2 ( 5 ) ： 6 7 7 6 8 4 【 5 S H I G u o z h u ， H A N J n h o n g S p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t n o f s t e l l fi b e r r e i nfo r c e d c o n c r e t e w i t h b i g a g g r e g a t e J C o n c r e t e ， 2 0 0 9 ( 9 ) ： 8 78 9 【 6 G A O D a n y i n g ， Z H A O J u n ，T A N G J i y u A n e x p e ri me n t a l s t u d y o n t h e b e h a v i o u r o f fi b e r r e i n f o r c e d h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e u n d e r s i l i t t i n g t e n s i o n J C h i n a C i v i l E n g i n e e ri n g J o u rna l ， 2 0 0 5 ( 7 ) ： 21 2 6 f 7 】 李 晗， 高丹盈， 赵军 纤维纳米混凝 土力 学性 能和抗氯离子 渗透性能 的研究l J 1 华北水利水 电学 院学报， 2 0 1 2 ( 6 ) ： 3 9 4 5 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 6 1 6 作者简介 ： 周长伟 ( 1 9 8 8 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 。 通讯地址 ： 郑州市文化路 9 7号 联 系电话 ： 1 5 1 3 6 2 8 7 6 5 8 E- ma i l ： z h a olp1 9 8 6 2 1 6 3 c orn