纤维混凝土断裂性能试验研究.pdf

第 3 8卷第 4期 2 0 1 2年 8 月 四川建筑科学研究 S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e 21 3 纤维混凝土断裂性能试验研究 张珂峰 ， 夏正兵 ( 1 华荣建设集团有限公司， 江苏 南通2 2 6 0 0 0 ； 2 南通市广播电视大学 ， 江苏 南通2 2 6 0 0 6 ) 摘要： 围绕钢纤维一 聚丙烯腈纤维混杂增强混凝土进行了系统研究， 研究了纤维的混杂方式对断裂性能的影响， 在试验的基础上 ， 得到了表征材料断裂性能的断裂韧度 和断裂能 G 。 关键词： 钢纤维； 裂纹； 力学性能 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 8 1 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 42 1 3 0 3 Th e s t ud y o f t he i n flu e n c e o f t he h y br i d wa y o n t h e f r a c t ur e p r o p e r t i e s ZHANG Ke f e n g XI A Z h e n g b i n g 1 , 2 ( 1 N a n t o n g H u a r o n g C o n s t r u c t i o n G r o u p ， N a n t o n g 2 2 6 0 0 0 ， C h i n a ； 2 N a n t o n g R a d i o& T e l e v i s i o n U n i v e r s i t y ， N a n t o n g 2 2 6 0 0 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n t h i s p a p e r t h e me c h a n i c p r o p e r t i e s o f t h e c o n c r e t e r e i n f o r c e d w i t h t h e mi c r o s t e e l fi b e rs a n d p o l y p r o p y l e n e w e r e s t u d i e d s y s t e ma t i c a l l y T h e i n f l u e n c e o f t h e h y b ri d w a y o n t h e f r a c t u r e p r o p e r t i e s w a s s t u d i e d Ba s e d O i l t h e e x p e ri me n t r e s u l t s ，t h e f r a c t u r e d u c t i l i t y i n d e x c a n d t h e f r a c t u r e e n e r g y GF w e r e o b t a i n e d f o r t h e h y b ri d r e i n f o r c e d c o n c r e t e Ke y wo r d s： s t e e l fi b e r ； c r a c k； me c h a n i c p r o p e r t i e s 1 断裂性能对 比试 验 纤维混凝土的断裂性能是纤维混凝土力学性能 的重要领域之一 ， 确定钢纤维 混凝土的断裂参数对 更好地认识和研究纤维混凝土有一定意义。 1 1 断裂韧度 概念及计算方法 断裂韧度是表示材料断裂韧性强弱的物理量。 对于线弹性体 ， 应力强度 因子是表征裂缝尖端附近 应力场强弱程度 的一个有效参量 ， 可 以作为判断裂 缝是否将进人失衡状态的一个指标。混凝土的破坏 与其内部裂缝扩展有关 ， 在各种类型的裂缝 中， I型 缝是最危险的， 用混凝土线 弹性断裂力学研究 I型 缝时， 首先应求出缝端的应力强度因子 K。应力强 度因子与荷载成线性关系， 并依赖 于物体裂缝的几 何形状和尺寸。当 时 ， 裂缝是稳定的。与材 料力学相 比， 相当于应力 ， K 。 相当于抗拉强度 ，K t K 。 则相 当于 or 与混凝土抗拉强度一样 ， 混凝土的断裂韧度 是材料特性。它与混凝土配 合比、 强度、 龄期等有关。必须通过混凝土断裂试验 收稿 日期： 2 0 1 1 - 0 1 - 2 1 作者简介 ： 张珂 峰( 1 9 7 9一)， 男 ， 江苏 南通人 ， 硕士研究生 ， 南通 华荣 建设集 团副总工程师 ， 南通市广播 电视大学建筑工程 系主任 ， 研究方 向为建筑混凝 土结构设计 。 E ma i l ： z h a n g k e f e n g 2 21 0 1 6 3 c o m 来确定 。 的数值 。 按照断裂力学理论， 当裂缝尖端应力强度因子 达到I临 界值( 即K = K I ) 时， 材料即发生断裂破坏， 即 K。 =o r ( 1 ) 式中 or在裂缝表 面分 布并 使裂缝产生张开 位移时的拉应力 ； 口 裂缝半宽。 在混凝土中掺人钢纤维， 如图1 所示， 相当于沿 裂缝表面产生一个反 向的并阻止裂缝扩展 的应力 场， 降低了裂缝尖端应力强度因子， 即 K I =( 一 2 ) 叮 r 0 ( 2 ) 式中o r ： 因钢纤维存在产生的反向应力。 当 =or 时， 则 K 。 = 0 ， 表明裂缝尖端应力集 中 现象己消失。 f f f f J J l l l l J 川 ， f 1 f f f f f l f l l t t t t f f t t t ，儿l i l l l l l _ _ I 图 1 钢纤维混凝土与基体混凝土裂缝处应力场示意 F i g 1 S t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n d t h e b a s e c o n c r e t e c r a c k s t r e s s fie l d d i a g r a m 2 1 4 四川建筑科学研究 第 3 8卷 按照线弹性力学理论 ， 本试验参考 水工混凝 土断裂试验规程 ( 2 0 0 3年征求意见稿) 相关规定， 计算断裂韧度 。 公式如下： = 7 5 1 + 3 o ( _ 0 _ 5 ) 】 s e c ( 詈 鲁 ) ta n ( 詈 ) ( 3 ) 式中 。 断裂韧度( M P a m) ； F 最大荷载 ( k N) ； B 试件宽度 ( m ) ； 试件高度( m) ； 预制裂缝深度( m) 。 1 2 断裂能 G 概念及计算方法 混凝土断裂能的定义是裂缝扩展单位面积所需 的能量。按三点弯曲试验荷载一 挠度 曲线 ( F一6曲 线) ， 断裂能用 此曲线下的面积来量度。作用于实 际三点弯曲梁的外力功由三部分组成： 施加于梁上 的外载所作的功 ， 即荷载一 挠度 曲线下的面积 Wo ； 支 点间梁的重量 T t g所作的功 ； 加荷部件的重量 m g 所作 的功( g为重力加速 度) ， 该部件与试验机并不 连在一起 ， 它 的重量一直施加 在梁 上直至梁断裂。 在切 口断面弯矩相等的条件下 ， 可将梁重转化为作 用在加载点的集 中外力。由此 ， 加载前在梁上已作 用外力 ， 即 F 1=- 4 - m1 g+m 2 g ( 4 ) 梁 的实测荷载一 挠度曲线为 o a b ， b点变形 艿 。 时 为梁断裂时的最 大变形 ( 图 2 ) ； 当考虑梁的 自重及 加荷部件的重量后， 荷载一 挠度曲线应为梁的断裂面 吸收的总能量 ， 即 W=W o + + ( 5 ) 式中 n 6曲线下的面积。 图2 梁的实测荷载一 挠度曲线和考虑 ， 。 以后 的荷载一 挠度 曲线 F i g 2 Be a m l o a d d e fl e c t i o n c u r v e a n d c o n s i d e r F1 a f t e r t h e l o a d - d e fl ec t i o n c u r v e 1 = F 1 =( m l g+ m 2 g ) 6 o ( 6 ) 显然可 以证明 =W1 ， 故计算 G 的公式为 ( 此 公式亦即 水工混凝土断裂试验规程) 2 0 0 3年征求 意见稿 ) 规定 中所给公式 ： GF ： Wo + mg S o ( 7 ) 式中G 试件的断裂能( N m) ； F一 全 曲线 中 o a b的 面积 ( 图 2 ) ( N m) ； m m=17 1 , 1 + 2 m2 ( k g ) ； m。 试件支座间的质量( k g ) ，可用梁的质 量乘 以4 h L求得 ； m ： 与试验 机不连在一起 的附加加载装 置的质量( k g ) ； r重力加速度( m s ) ； 试件对应于 b点( 图 2 ) 的加力点位移 ( m) ； A 韧带 断面 的面 积 ( m ) ，A=B( 一 0 ) 。 1 3 试验简介 试验采用三点弯曲法测定断裂参数， 试件规格 为 1 0 0 n m l1 0 0 m m 5 2 0 n l l n， 试件 中间预制 3 c m 高的贯通切 口， 该试验在长春试验机研究所生产 的电子万能试验机测得混凝土断裂 的荷载一 挠度全 曲线 。试验装置如图 3所示 ， 试件尺寸为 1 0 0 m i l l 1 0 0 m m X 5 2 0 m i n 。断裂能( G ) 的试验结果见表 l 。 图 3 断裂韧度和断裂能试验装置示意 Fi g 3 Fr a c t ur e t o ug h 1 e s s a nd s c he ma t i c d i a gr a m o f e x p e r i m e n t a l a p p a r a t u s 表 1 断裂韧度试 验结果 Ta bl e 1 Re s ul t s o f f ra c t ur e t o ug hne s s t est 圭 型 旦 旦 兰 断 裂翅廑 ( 丛 ： 五 2 ： ! ： ： ! ： 型 ! ： 兰 注 ： 以上断裂韧度值均是两组 ( 每组 4个 ) 数据中有效值 的平均值 。 2 试验结果分析 1 )从表 1和图 4可以看出 ， 聚丙烯腈纤维 昆 凝 土的断裂韧度比素混凝 土高 6 6 2 ， 全掺量钢纤维 混凝土的断裂韧 度 比素混凝 土高 1 3 5 ， 层布 式钢