水饱和聚丙烯纤维混凝土的单轴抗压试验研究.pdf

2 0 1 4 年 第 1 期 (总 第2 9 1期) Nu mb e r l i n 2 01 4( To t a l No 2 9 1 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL A ND ADM I NI CLE 水饱和聚丙烯纤维混凝土的单轴抗压试验研究 郜珊珊。陈有亮，索晓航，王朋，周雪莲，赵卉子 ( 上海理工大学 环境与建筑学院，上海 2 0 0 0 9 3 ) 摘要： 采用液压伺服试验设备对水饱和状态下掺加聚丙烯纤维的混凝土进行单轴压缩试验研究 ； 分析了水饱和条件及聚丙烯 纤维掺量对混凝土的抗压强度 、 弹性模量和应力一 应变关系等力学性能的影响 ； 探讨混凝土抗压强度 、 弹性模量和应力一 应变关系 与水饱和条件及聚丙烯纤维掺量的变化规律 ， 发现纤维的掺人能有效改善混凝土塑性， 当纤维掺量为 2 k g m 时这种现象尤其显 著 ， 水饱和条件导致混凝土塑性变形能力下降， 在相同的应力水平下 ， 水饱和混凝土的开裂应力 明显低于干燥混凝土的开裂应 力 ， 并通过对应力一 应变曲线归一化处理 ， 建立了聚丙烯纤维混凝土在干燥与水饱和条件下的应力应变本构关系表达式 。 关键词 ： 混凝土 ；聚丙烯纤维；水饱和；应力一 应变关系；弹性模量 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 0 6 8 0 4 S t u d i e s o n m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f w a t e r - s a t u r a t e d p o l y p r op y l e n e f i b e r c o n c r e t e GAO S ha n s h a n， CHEN You l i a n g， SUO Xi a o h a n g， WANGPe n g， ZHOUXu e l i a n， ZHAO Hu i z i ( E n v i r o n m e n t a n d B u i l d i n g D e p a r t me n t ， U n i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S h a n gha i 2 0 0 0 9 3 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： T he u ni a x i a l c o mpr e s s i o n t e s t s of wa t e r - s a t u r a t e d p o l y pr op y l e n e fib e r c o nc r e t e h a s b e e n c o n d u c t e d b y u s i ng a s e r v o h yd r a ul i c t e s t i n g s y s t e m Th e i n flu e n c e o f wa t e r s a tur a t e d c o n d i t i o n a n d t h e a mo un t o f p o l y pr o py l e n e fi be r s on me c han i c a l p r o pe r t i e s o f c o nc r e t e， s u c h a s c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h， mo d u l u s o f e l a s t i c i ty and t h e s t r e s s s t r a i n r e l a t i o n h a v e b e e n s t u d i e d T h e me c h a n i s m o f c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s tre n gth ， mo d u l u s o f e l a s t i c i t y a n d the s t r e s s s tr a i n r e l a t i o n a ff e c t e d b y d i ffe r e n t am o u n t o f p o l y p r o p y l e n e o r wa t e r s a t u r a t e d c o n d i t i o n h a ve b e e n ana l yz e d， t h e r e g ul a r pa t t e m ha v e b e e n foun d tha t t h e pl a s t i c o f c o nc r e t e c o ul d b e i mp r o ve d wi th the i n c o r po r a t i o n o f t he fibe r s， pa r t i c ul a r l y wh e n t he a mo u n t o f fi be r wa s 2 k g m3 The c o n c r e t e pl a s t i c d e c l i n e s wh e n u nd e r t h e wa t e r s a t u r a t e d c o nd i t i o n At the s a me s tre s s l e ve l ， t h e c r a c k i n g s t r e s s of wa t e r - s a t u r a t e d c o nc r e t e wa s s i g n i fic an t l y l o we r t h a n the d r y c o n c r e t e By the n o r ma l i z e d p r o c e s s i ng o f s tre s s s t r a i n c u r v e， t h e s t r e s s s tra i n r e l a t i o n e x p r e s s i o n of po l y p r o p yl e n e fib e r c o n c r e t e i n dr y i n g or wa t e r s a t u r a t e d s t a t e s ha v e be e n e s t a b l i s h e d Ke y wo r d s ： c o n c r e t e ； p o l y p r o p y l e n e fi b e r ； wa t e r s a t u r a t e d ； s t r e s s s tra i n r e l a t i o n s ； mo d u l u s o f e l a s t i c i ty 0 引言 混凝土是一种脆性材料 ， 其韧性及抗疲劳性差 ， 纤维 在提 高混凝 土性能方面起到重要作用 。 相对 于混凝土 ， 纤 维是一种柔性材料 ， 将纤 维掺人混凝土 中 ， 能够起 到改善 混凝 土韧性 、 抗疲 劳性等作用 。 在合成纤 维中聚丙烯材料 的强度 、 耐腐蚀性 、 抗碱反应优于其他纤维_ l 1 。 研究表明 ， 在 混凝 土中添加纤维是一种有效改善混凝土性能 的方法 r2 _ 。 A MAl h o z a i my 3 等研究了聚丙烯钢筋混凝土的力学性 能 ， 得出聚丙烯纤维的掺入对所研究的常规混凝土抗压强度 与韧性没有显著的影响。 王晨飞 、 牛荻涛问 通过试验探讨 纤 维掺 量对 混凝 土耐久性 的影响 ， 研究试 件强度 、 质量损失 率 、 相对动弹模损 失率 、 氯 离子渗 透深度 随循环 次数的变 化规律 。 众 多专家学者对聚丙烯纤维混凝土的力学性能进 行了广 泛而深刻 的研究 。 而实际工程 中 ， 许 多混凝 土结构 都是在水环境中工作的， 由于混凝土 中存在大量空隙 ， 在水 压力作用下， 水将渗透到混凝土的孔隙和裂缝中， 进而影 响混凝土 的力学性能 。 目前对于混凝土材料 的研究多以 自 然干燥条件下的混凝土试件为基础 ， 对水环境下混凝土力 学性能的研 究相对 较少 圈 。 混凝 土的冻融破 坏现象 在严寒 地区普遍存在 ， 对 混凝土抗冻性起重要影响作用 的是混凝 土 的水饱和程度阎 。 Y a ma n I O 同 等研究 了湿态混凝 土抗 压 强度、 弹性模量随孔隙率变化的规律， 研究表明： 随着孔隙 率和孔 隙中含水量 的增加 ， 混凝土 的强度 降低 ， 弹性模 量 升高。 姚启均嗍 研究了水饱和条件对混凝土强度 的影响 ， 结 果表 明混凝土 的强度 与变形特性不仅取决 于混凝 土的水 饱和程度， 而且与水介质作用的持续时间有关。 大多研究 是针对普通混凝土在水饱和条件下荷载及疲劳作用的断 裂损伤问题， 而缺少对在水饱和条件下聚丙烯纤维混凝土 的研究。 因此， 有必要对水饱和条件下掺加聚丙烯纤维的混 收稿 日期 ：2 0 1 3 ) 7 1 6 基金项 目：国家 自然科学基金 ( 1 0 8 7 2 1 3 3 ) ； 上海市教委科研创新重点项 目( 1 1 Z Z 1 3 4 ) 6 8 轴向应变 1 0 图4 聚丙烯纤维掺量为 2 k g m。 的混凝土应力一 应变曲线 轴向应变 1 0 图 5 聚丙烯纤维掺量为 3 k g m。 的混凝土应力一 应变曲线 轴向应变 1 0 图6 聚丙烯纤维掺量为 4 k g m。 的混凝土应力一 应变曲线 轴向应 变 1 0 图7 普通混凝土干燥条件下应力一 应变曲线 下降， 峰值应变也有所减小， 达到峰值后的曲线下降段时 相对平缓， 延性增加， 产生这些变化主要是由于混凝土材 料中孔隙与微裂缝中的自由水对基体的作用导致。 2 3 干燥与水饱和条件下聚丙烯纤维混凝土应力一 应变曲线的解析表达式 由于聚丙烯纤 维混凝 土在 干燥 与水饱 和条 件下的应 力一 应变 曲线有着很好 的相似性 ， 因此对两种条件下的混凝 土采用同一 曲线方程 。 由图形特征可以设此 曲线表达式为： 7 0 + ( 1 ) J0 式中 ： 应力 ； 峰值应力； 应变 ； 峰值应变 。 当聚丙烯掺量为 2 k g m 时， 干燥条件下 ， 式( 1 ) 中的 系数为 ： 0 f = 0 1 3 3， b t =1 1 5 6， 。 l = O 2 2 2； a 2 = O 9 5 3 5， b 2 =O 8 8 3 1 ， c z =O 5 6 1 ； 水饱 和条件下 ， 式( 1 ) 中的系数为 ： 。 1 = 0 1 0 0 0， b 1 = 0 9 6 8 7， c 1 = 0 4 8 1 7； =0 2 0 6 6， b 2 = O 4 0 7 8 1 ， c 2 =0 2 8 0 6； 由图 8 9 可看出， 实际曲线与拟合曲线具有良好的相 似性 ， 此表达式 同样适用于纤维掺量为 3 、 4 k ed m 的混凝 土受压时的应力一 应变关系。 因此可以将式( 1 ) 作为聚丙烯 纤维混凝土的受压应力一 应变本构关系表达式。 图 8 干燥条件下聚丙烯纤维掺量为 2 k g m 。 混凝土试验 与计算拟合的应力一 应变全 曲线 图9 水饱和条件下聚丙烯纤维掺量为 2 k g m。 混凝土试验 与计算拟合的应力一 应变全曲线 2 4 峰值应力与聚丙烯纤维掺量及水饱和条件 的 关 系 将纤维掺量分别为 2 、 3 、 4 k g m 的干燥 及水饱 和条件 下混凝土 的峰值应力与纤维掺量关系表示在 图 1 0中。 从 图中可以看出， 随着纤维含量的增加 ， 峰值应力呈现下降 趋势 ： 干燥条件下 ， 当纤维掺量分别为 1 、 2 、 4 k g m 时， 聚 丙烯纤维混凝土的峰值应力分别为普通混凝土峰值应力 的 8 6 5 、 7 4 5 、 7 7 2 ； 水饱和条件 下 ， 当纤维 掺量分别 为 1 、 2 、 4 k g m3 时 ， 聚丙烯纤维混凝土的峰值应力分别为普 聚P g 烯纤维 掺量 l ( k g l m ) 图 1 0 聚丙烯纤维混凝土峰值应力与纤维掺量的关系 通混凝土峰值应力的 8 3 1 、 6 6 2 、 7 2 3 。 这是 由于聚丙 烯纤维属于低弹性模量合成纤维， 当将其掺人混凝土后， 依 靠纤维与水泥的黏结应力 ， 给水泥砂浆提供了一定的抗拉 应力 ， 但 由于纤维的弹性模量太低， 当混凝土承受轴向受 压荷 载后 ， 其横向将受到拉应力 ， 当达到抗拉强度时混凝 土出现裂缝直到破坏， 所以聚丙烯纤维的掺人并不能阻止 裂缝 的发展从而提高抗压强度 ； 聚丙烯纤维增大了混凝土 基体的孔隙及微裂缝， 反而减小了混凝土的密实度从而降 低 了混凝土的抗压强度。 相 同纤维掺量下 ， 水饱和条件下混 凝土的峰值应力明显低于普通混凝土的峰值应力， 随着纤 维掺量的增大也是呈现下降趋势。 当混凝土受到单轴压缩 荷载时 ， 混凝土微裂缝逐渐开展 ， 自由水推进到裂缝尖端 ， 促进了裂缝的开展， 从而降低了峰值应力。 2 5 峰值应变与聚 丙烯纤维掺量及水饱和条件的 关 系 将纤维掺量为 2 、 3 、 4 k pJ ms 的干燥和水饱和条件下混 凝 土的峰值应变与纤维掺量的关系表示在图 I I 中。 从 图 中可以看出， 水饱和条件下混凝土的峰值应变整体比干燥 条件下的峰值应变要低， 当纤维掺量为 2 k g m 时相差量 最 大 ， 0 、 4 k g m 时也有差距 ， 但不是很 明显 ； 干燥条件下 ， 纤维掺量为 2 、 3 、 4 k g m 时， 混凝土的峰值应变分别是普 通混凝土的 2 1 6 、 1 9 9 、 1 7 8 倍 ； 水饱和状态下 ， 纤维掺量为 2 、 3 、 4 k g m3 时， 混凝土的峰值应变分别是普通混凝土的 1 9 1 、 1 7 1 9 、 1 8 1 倍 。 在纤维掺量不超过 2 k g m 时 ， 混凝土 峰值应变随着 聚丙烯纤维掺量 的增大而增大 。 相同纤维掺 量下， 水饱和条件下混凝土峰值应变明显低于干燥条件下 混 凝土 的峰值应变 。 说 明纤维 的掺入改善 了混凝 土 的塑 性 ， 但纤维掺量超过一定限度时， 混凝土内部空隙增多， 反 聚丙烯纤维掺量 ( k g m ) 图 1 1 聚丙烯纤维混凝土峰值应变与纤维掺量的关系 而有所减缓这种趋势。 2 6 弹性模量与聚丙烯纤维掺量及水饱和条件 的 关 系 对聚丙烯纤维混凝 土轴压应力一 应变 曲线的直线段进 行拟合， 可以计算得到聚丙烯纤维混凝土的切线弹性模量。 该弹性模量 随纤维掺量的变化规律如 图 1 2所示。 从 图 1 2 中可以发现随着聚丙烯纤维的加入， 混凝土的弹性模量急 剧下降， 纤维掺量不超过 2 k g m3 时， 混凝土的变形能力在 干燥条件下优于水饱和条件下 ， 当纤维掺量超过 2 k g m 3 时 ， 水饱 和条件下混凝土变形能力相对于干燥条件下存 有稍 许优势。 这说明聚丙烯纤维的掺人， 使得混凝土的变形能力 增强 ， 但纤维掺量超过一定限度时 ， 混凝土 内部空隙增多 ， 混凝土变形能力没有得到提高。 图 1 2 干燥与水饱和条件下聚丙烯纤维混凝土 弹性模量与纤维掺量的关系 3结 论 通过对三种不 同纤维掺量 的干燥与水饱和条件下 的 聚丙烯纤维混凝土 ， 得到以下结论 ： ( 1 ) 混凝土的抗压性能及相应的变形性能随纤维掺入而 发生变化， 纤维的掺入能有效改善混凝土的塑性， 当纤维掺 量为2 k g m 3 ， 其抗压I生 能最不利， 但其变形性能最佳。 纤维掺 量不超过2 k g m ， 时， 随着纤维的增多， 抗压强度呈不断降低 而变形能力呈不断提高的趋势； 纤维掺量超过 2 k g m3 时， 抗 压I生 能及相应的变形性能随纤维掺人无明显的变化趋势。 ( 2 ) 水饱和条件导致混凝土塑性变形能力下降， 在相 同的应力水平下 ， 水饱和混凝土的开裂应力明显低于干燥 混凝土的开裂应力。 ( 3 ) 建立 了聚丙烯纤维混凝土在干燥 与水饱和条件下 的应力一 应变关系表达式 。 参考文献 ： 【 1 】盛黎明， 邓运清 混凝土聚丙烯纤维的发展与应用J 铁道标准 设计， 2 0 0 2 ( 6 ) ： 2 4 2 5 【 2 】王静， 曲辉 聚丙烯纤维混凝土的特点及工程应用 J 科技风， 2 0 1 1 ( 1 ) ： 1 2 6 1 2 6 【 3 A L HOZ AI MY A M， S O RO US HI AN P， MI RZ A F Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f p o l y p r o p y l e ne f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n d e f f e c t s of p o i i o l a n i e J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 1 9 9 6 ( 1 8 ) ： 8 5 9 2 【 4 】王晨飞， 牛荻涛 聚丙烯纤维混凝土的耐久性试验研究 J 混凝 下转第 7 5 页 7l