聚丙烯纤维混凝土单轴压缩性能研究.pdf

2 0 1 2 年 第 6 期 (总 第2 7 2 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 O 1 2 ( T o t a l No 2 7 2 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE oRETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 6 0 0 7 聚丙烯纤维混凝土单轴压缩性能研究 蒋国平 ，刘武 2 ( 1 广州大学工程抗震中心，广东 广州 5 1 0 4 0 5 ； 2 中南林业科技大学， 湖南 长沙 4 1 3 4 0 0 ) 摘要： 通过低速加载得到了不同条件下聚丙烯纤维混凝土的应力与应变关系曲线， 通过对聚丙烯纤维与基体混凝土的界面力学分析， 得到了聚丙烯纤维在混凝土中的适用范围， 对单轴压缩下的聚丙烯纤维混凝土进行了细观机理研究 ， 得到了单轴压缩混凝土的本构方程。 关键词 ： 聚丙烯 ；混凝 土；压缩 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 2 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 2 0 0 3 Me c ha ni c al pr op er t i e s of pol y pr opy l ene c onc r e t e u nde r u ni a xi al c ompr e s s i on J I ANG Gu o - pi n g UU Wu l ( 1 E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n gR e s e a r c hT e s t C e n t e r ， G u a n g z h o uUn i v e r s i t y ， Gu a n g z h o u 5 1 0 4 0 5 。 C h i n a ； 2 C e n t ml S o u t hUn i v e r s i t yo f F o r e s t r y a n dT e c h n o l o g y( CS U F T) ， C h ang s h a 4 1 3 4 0 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e s t r e s s and s t r a i n C U l Ve S o f t h e p o l y pr o p y l e n e c o n c r e t e un d e r d i ffe r e n t c o n d i t i o n s a r e a l l o b taine d Th e ma t r i x i n t e r f a c e me c h an i c a l i s a na l y z e d T h e a p pl i c a t i o n s c o p e po l y p r o p y l e n e f i b e r u s e d i n t h e c o n c r e t e i s o b tai n e d T he m i c r o s c o p i c me c h an i s m o fr e s e arc h i s c a r de d o u t Th e c o n s t i t ut i v e e q u a t i o ni so b t a i n e db yt h eu n i a x i a l c o mp r e s s i o n ： Ke y wor ds ： p o l y pr o p y l e ne ； c o n c r e t e； c o mp r e s s i o n 0 引言 混凝土材料最重要的性能就是静态或者是准静态受压 ， 所 以研究混凝土材料的单轴压缩性能有着重要的意义。 基于单轴 压缩准静态试验的本构关系在相关文献资料报道的非常多 ， 然而即使在准静态试验中， 也有一定的加载速率， 在许多的研 究中往往忽视了此时的动态效应， 现已公认混凝土材料在静载 荷与动载荷下性能截然不同。 混凝土材料的强度和模量在某一 应变率范围之上会随着动态加载速率的增加而迅速提高， 并且 增加的比例视受拉和受压等受力方式不同而有所区别。 通常定 义动态强度放大因子 D I F来定量描述这种强度增长程度。 已有 诸多研究 ， 通过基于冲击试验数据来研究 D I F的计算方法， 如 文献 6 9 。 B i s h c h o ff和 P e y q 以及 C o t s o v o s 和P a v l o v i c 】 对此 进行了系统的综述和评价 ， 认为这些试验结果相互之间存在太 大差别， 加之近期一系列这方面的研究都是从某个或某几个侧 面试图解释遇到的一些问题 ， 不够全面， 导致目前对混凝土材 料动态拉压强度 D I F因子产生的机理与本质原因还没有统一 认识 【 】 。 同时， 纤维混凝土应用非常广泛， 有必要对纤维与混凝土 基体的结合性能进行研究 ， 另外 ， 在以往的本构关系研究中通 常采用的是对试验曲线进行拟合 ， 为经验公式， 不能反应混凝 土材料的细观机理， 为此 ， 本试验对上述问题进行了研究。 1 混凝土中的材料结合性能研究 由于混凝土等复合材料界面处比较薄弱， 结合材料的破坏 收稿 日期 ：2 0 1 1 1 2 - 2 0 基金项目：国家自然科学基金项 目( 5 1 0 7 8 0 9 4 ) 20 往往从界面处开始， 于是研究界面的奇异应力有着重要的意义 ， B o g y t q 最先采用 Me l l i n变换方法得到了复合材料界面处的应 力分布： A 2 B o tl 3 + C a 2 + 2 ) 3 + 2 E a + F - O ( 1 ) 式中 ： A= K( O 。 ) K ( 0 2 ) ； 2 A s i n 2 0 l K ( 0 2 ) + 2 A s i n 2 0 2 K( 0 1 ) ； C = 4 A ( A 乙1 ) s i n 2 0 I S i I l + K ( l 一 0 2 ) ； D = 2 A ( A 2 _ 1 ) s i n 2 0 1 s i n 2 h 0 2 一 s i n 2 O 2 s i n ： h 8 1】 ； K ( ) 一 K( O ) 一 D； F = K( O + ) ； K( O ) = s in ( A ) 一 a 2 s i n ( ) ； A特征值， 方程称为界面的特征方程； 、口 Dl 1 l l d l l r s 参数； 材料的结合角。 因为混凝土中常常添加纤维， 纤维通常被制作成为圆形或 者是方形直纤维， 此时纤维通常被包裹在混凝土基体中， 在平面 情况下， 结合面具有直角结合面， 研究此种情况下( 。= 0 2 = 9 0 。 ) 的 材料结合具有很重要的意义。 此时 ， 特征方程为： s ( A )一 A 芦 j + 2 Isin ( A )一 A Ja =o 8 + a c A 一 sin 2 )-4 ) ( 2 ) B o g y的研究表明， 上式只有在 0 0 0 h l 有应力奇异性 ( z 8 ) = 0 A = l 非零常应力 【 ( 一 ) l 高阶微量 高阶微量意味着界面端只有很小的应力集中， 应力奇异性 很少 。 至此 ， 得到了基于平面分析的复合材料结合的一个指针。 在混凝土材料中通常加入聚丙烯纤维、 钢纤维等材料以增强混 凝土的轫性 ， 将 D u n d u r s 参数代入上面的指针， 不难得到， 聚丙 烯纤维等软纤维一般可以加入基体材料较软( 混凝土强度等级 低 ) 的混凝 土中。 2 试验条件及 结果 原材料为P 4 2 5级水泥、 I 级粉煤灰 、 硅粉、 钢纤维、 中砂、 玄武岩碎石、 高效减水剂和自来水。 试件尺寸为t O 7 0 r n lT l x 1 4 0 n l l n ， 对聚丙烯纤维混凝土采用： v F 0 、 0 5 、 1 、 1 5 ，每种13 f 试件均为 4 个 ， 其中V 表示纤维含量。 试验装置为微机控制电液伺服万能 试验机 ， 采用 1 0 - 4 s 等应变率控制加载。 聚丙烯纤维一般用于配 制强度等级较低的混凝土， 所 以对聚丙烯纤维混凝土采用 了 C 3 0 混凝土做为基体材料。 采用不同的应变率对聚丙烯纤维混凝土进行试验， 得到的 结果如图 1 4所示。 应 变 图 1 v f= 0 应变 图 2 V r= 0 5 应变 图 3 v f = 1 O 0 应 变 图 4 v f = 1 5 3 动态效应研 究 现已公认混凝土材料在静载荷与动载荷下性能截然不同。 混凝士材料的强度和模量在某一应变率范围之上会随着动态加 载速率的增加而迅速提高， 并且增加的比例视受拉和受压等受力 方式不同而有所区别。 通常定义动态强度放大因子 DI F来定量 描述这种强度增长程度。 其动态增强机理， 大致由图 5 原因产生。 惯 性力 ( a ) ( b ) 图 5 轴 向压缩时的横向惯性约束 然而， 在低速加载情况下， 是否也存在动态效应呢， 其产生 的机理又是什么呢? 在以往的研究中很少涉及。 应变率与应力 峰值如图 6 所示 ， 从图可以看出， 即使在低应变率的情况下 ， 也 存在动态效应。 这表明即使在低应变率的情况下， 混凝土试件受 力也不同于静态单向受压的一维应力状态， 尤其试件中间部位 的侧向变形由于惯性作用而受到限制 ， 随着压缩的进行 ， 则限 制作用越大， 材料近似处于围压状态， 轴向冲击压缩必将引起 环向膨胀， 与试件母线近似平行的裂缝迅速产生并增宽 、 延长 与贯通导致试件破坏； 三维乱向分布的纤维如同索网将基体层 层揽系住， 延缓了环向膨胀裂缝的产生， 阻碍了裂缝的快速扩 展 ， 使试件在轴向产生更大压缩 ， 也就使试件在相同拉氏位置 压力峰值增加。 5 0 4 5 茎 4 0 3 5 3 O 0 0 0 0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 1 0 应变率 ( 1 s 1 图 6 应 变率与应 力峰 4 基 于分形理论 的混凝 土的本构 关 系研 究 混凝土材料最重要的性能就是静态或者是准静态受压 ， 所 以研究混凝土材料的单轴压缩性能有着重要的意义。 基于单轴 压缩准静态试验的本构关系在相关文献资料报道的非常多 ， 然 21 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 而 ， 这种材料无统一的组成原料、 配合比和制备工艺， 内部结构 具有高度离散性， 更何况， 1 0 0多年以来， 混凝土的研究与应用 一 直在发展， 其性能得到了不断的改进。 因此， 国内外众多专家【 4 认为难以建立适用于混凝士的普遍关系式或数学模型 ， 文献也 认为今后也不大可能确立一个公认的唯一混凝土本构模型。 所 以在混凝土本构模型要考虑的重要问题是解决以下两个难点 ： 要求满足混凝土的离散性。 要求满足混凝土的破坏机理。 本试验主要是通过对混凝土破坏的细观机理进行分析， 通过分 形理论建立与混凝土损伤相关的本构方程， 然后确定方程的参数， 然后讨论聚丙烯纤维对混凝土的增强作用。 现有的试验表明， 在静态压缩状态下， 岩石 、 混凝土等脆性 材料微裂纹的起裂表现为张拉型， 没有面内切向位移。 周维恒等 根据上述机理， 通过分形理论 ， 通过断裂力学分析， 得到： E a r E o = l 一 1 6 3 ( 1 ) A ( 3 ) 式中： A 微裂纹的分布大小与方向； E 等效变模； 泊松比。 对于单轴压缩， 根据上面的机理： A ( 4 ) 式中： 8 钡IJ 向张应变。 在此基础上根据损伤力学建立混凝土的断裂模型： o -= E r 6 ( 5 ) 又侧向张应变最与轴向压应变 的关系为： 8 - I J 8 ， 其中 为 等效泊松比。 可以得到： E c = E o ( 1 一 m矿) ( 6 ) 将式( 6 ) 代人式( 5 ) ， 并写成一般形式如下： 【 1 - f 8 s J ( 7 ) 式中： 8 完全损伤时的应变。 而在卸载时， 微裂纹不发生开裂扩展， 则本构关系变为： 嗍【 1- ( s ( 8 ) 式中： 卸载时的应变。 于是得到了混凝土的损伤本构方程。 而 n表示材料脆性的 一 个参数， n 越大， 表示材料的脆性越大。 纤维的加入改变了材料 的脆性 ， 于是可以假设 ： n ： ( 1 6 f ) ( 9 ) 式中： b 材料参数； 纤维含量 ； n 不含纤维时的脆性参数； -t 含纤维 ， 时的脆性参数。 同时， 由试验发现 ， 加载速率对 n造成影响， 此时， 根据动 态效应原理， 以及试验结果可以假设 ： n l 1 - k i n f 旦 1 m ( 1 0 ) 【 川 式中： n 一高应变率 的n值； n 低应变率 F 的 n 值。 试验中状态 m可以定为试验中的最低应变率时的状态， 在 本试验中取 1 O - 5 s 的状态值。 5结论 ( 1 ) 通过混凝土中的材料结合性能研究得到了聚丙烯纤维 2 2 适合于强度等级较低的混凝土基体材料， 并制作了以 C 3 0为基 体的聚丙烯纤维混凝土。 ( 2 ) 通过不同速率加载得到了聚丙烯纤维混凝土的应力与 应变曲线， 通过该曲线研究了在低速加载下的动力学效应， 并进 行了该动力学效应的机理分析。 ( 3 ) 通过对单轴压缩下的细观机理分析， 通过分形理论， 损 伤力学等手段建立了适合单轴压缩下的带损伤的本构模型。 参考文献： 【 1 】Z HO U X Q。 H A O HMo d e l l i n g o f c o mp r e s s i v e b e h a v i o u r o f c o n c r e t e - l i k e m a t e ri a l a t h i g h s t r a i n r a t e J I n t e r n a t i o n a l J o u rnal o f S o l i d s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 8 ( 4 5 ) ： 4 6 4 8 4 6 6 1 【 2 1李元章 灰岩及纤维混凝土的动态压缩力学性能试验研究【 D 武汉 ： 武汉理工大学， 2 0 0 6 3 1 霍俊芳， 申向东， 崔琪 混杂纤维增强轻骨料混凝土物理力学性能研 究叨新型建筑材料， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 8 0 , 8 3 4 刘永胜钢纤维混凝土力学性能和抗侵彻机理研究【 D 】 合 肥： 中国科 学技术大学， 2 0 0 6 【 5 5 焦楚杰， 孙伟， 高培正钢纤维高强混凝土的中应变率本构关系们东 南大学学报： 自然科学版， 2 0 0 7 ， 5 ( 3 7 ) ： 8 9 2 8 9 6 6 1 R O S S C A， T H O MS O N P Y， T E D E S C O J W S p l i t - h o p k i n s an p i e s - s u r e - b a r t e s t s o n c o n c r e t e a n d mo r t a r i n t e n s i o n a n d c o m p r e s s i o n I J 】 A C I Ma t e ri a l s J o u r n a l ， 1 9 8 9 ( 4 6 ) ： 4 7 5 4 8 1 【 7 】HA O H， T AR AS O V B GE x p e ri me n t al s t u d y o f d y n a mi c ma t e ri a l p r o p e r t i e s o f c l a y b r i e k and m o r ta r a t d i ff e r e n t s t r a i n r a t e s J A u s t r a l i a n J o u rnal of S t ruc t u r a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 8， 8 ( 2 ) ： 1 1 7 - 1 3 1 【 8 】G R O T D D L ， P A R K S W ， Z H OU M D y n a m i c b e h a v i o u r o f c o n c r e t e a t h i g h s t r ain r a t e s a n d p r e s s u r e ： I e x p e ri me n t a l c h ara c t e ri z a t i o n J I n t e r - n a t i o n a l J o u r n a l of I mp a c t E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 1 ( 2 5 ) ： 8 6 9 8 8 6 【 9 】F O R Q U I N P ， G A R Y G， G A T U I N G T F A t e s t i n g t e c h n i q u e f o r c o n c r e t e u n d e r c o n f i n e m e n t a t h i r a t e s of s t r a i n J I n t J J mp a c t E n g ， 2 0 0 8 ( 3 5 ) ： 4 2 5 4 4 6 【 1 0 B I S C HO F F P H， P E R R Y S H _ C o m p r e s s i o n b e h a v i o u r o f c o n c r e t e a t h i g h s t r a i n r a t e s J Ma t e ri a l s and S t ruc t u r e s ， 1 9 9 1 ( 2 4 ) ： 4 2 5 4 5 0 【 1 1 C O T S O VO S D M， P A V L O V I C M NN u me ri c a l i n v e s t i g a t i o n o f c o n c r e t e s u b j e c t e d t o h i g h r a t e s of u n i a x i al t e n s i l e l o a d i n g J I n t 1 o f I m p a c t E n g ， 2 0 0 8 ( 3 5 ) ： 3 1 9 3 3 5 【 1 2 HA O H， H AO Y F ， I ff Z X A n u m e ri c a l s t u d y o f f a c t o r s i n fl u e n c i n g h i g h - s p e e d i m p a c t t e s t s o f c o n c r e t e m a t e ri a l p r o p e r t i e s C K e y n o t e p a p e r ， Th e 8 i n t e rna t i o n a l C O n f e r e n c e o n s h o c k i mp a c t l o a d s o n s t ru c t u r e s ， Ad e l a i d e， Aus t r ali a， 2 0 0 9： 3 7 - 5 2 【 I 3 I H AO H， Z H OU X Q C o n c ret e ma t e ri al m o d e l f o r h i g h r a t e d y n am i c a n al y s i s C I ( e y n o t e P a p e r ， P r oce e d i n g s o f t h e 7 I n t C o n f o n S h o c k and I mp a c t L o a ds o n S t ru ， Oc t o b e r 1 7 -1 9， 2 0 07： 7 5 3 7 6 8 【 1 4 B O GY D B T w o e d g e b o n d e l a s t i c w e d g e s o f d i f f e r e n t ma t e ri a l a n d w e d g e ang l e s u n d e r s u r f a c e t r a c t i o n s JA p p l Me c h ， 1 9 7 1 ( 3 8 ) ： 3 7 7 - 3 8 6 【 1 5 WU K e l ,d E ff e c t o f m e t a l l i c a g g r e g a t e o n s t ren g t h a n d f r a c t u r e p r o p e r t i e s o f HP C 叨C e m e n t and C o n c r e t e R e s e a c h ， 2 0 0 1 ( 3 1 ) ： 1 1 3 1 1 8 作者简介： 蒋国平( 1 9 7 4 一 ) ， 男， 副研究员， 博士研究生。 联系地址： 广4 IN 市广州大学工程抗震中I B( 5 1 0 4 0 5 ) 联系电话 ： 1 3 3 4 2 8 8 4 2 3 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m