钢纤维掺量对活性粉末混凝土断裂性能的影响.pdf

弟l，巷 弟l别 2 0 1 4年 2月 娌现 料罕张 J OURNAL OF BUI LDI NG MATE RI AL S Vo 1 17， No 1 Fe b， 2 01 4 文 章 编 号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 0 2 4 0 6 钢纤维掺量对 活性 粉末 混凝 土断裂性能的影响 张倩倩 ， 魏亚 ， 张景硕 冯 鹏 ( 清华大学 土木工程系 ， 北京 1 0 0 0 8 4 ) 摘 要 ：采 用三点 抗 弯试验 ， 研 究 了不 同钢 纤 维掺 量对 活性 粉末 混凝 土( R P C ) 抗 断 裂性 能 的影 响 ； 通 过 扫描 电镜 ( S E M) 对 钢 纤维与 R P C基 体 的黏 结 情 况进 行 了研 究 ； 通 过拉 拔 试 验 得 到 了钢 纤维 与 R P C基体的界面黏结强度 结果表明： 对于素 R P C， 其脆性大， 断裂能值低 ， 蒸养使其脆性增加 ； 掺 加钢纤维后 ， 蒸养可改善钢纤维与 RP C基体的界面过渡区， 增加界 面黏结强度， 使钢纤维被拔 出需 要 消耗 更 多的能 量 ， 从 而提 高 了 R P C的抗 断裂性 能 ， 与钢 纤维掺 量 为 1 ( 体 积 分数 ) 相 比 ， 当其掺 量为 2 时， 蒸养对提 高 R P C抗断裂性能的作用不显著 关键词 ：活性粉末混凝土； 钢纤维；蒸养 ； 抗断裂性能； 黏结强度；界面过渡 区 中 图分类 号 ： TU5 2 8 5 7 2 文献标 志 码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 4 0 1 0 0 5 I nf l u e n c e o f S t e e l Fi b e r Co nt e nt o n Fr a c t u r e Pr o p e r t i e s o f RPC ZHANG Qi a n q i a n， W EI Yn， ZHANG Ji n g s h u o， FENG Pe n g ( De p a r t me n t o f Ci v i l En g i n e e r i n g ，Ts i n g h u a Un i v e r s i t y ，Be ij i n g 1 0 0 0 8 4 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Thr e e po i nt be ndi ng t e s t wa s u s e d t o i nv e s t i g at e t he e f f e c t o f s t e e l f i be r c o nt e n t by v o l u m e on t h e c r a c k i n g r e s i s t a n c e o f r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e ( RP C) S c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y wa s e mp l o y e d t o s t ud y t he b ond i ng b e t we e n t he s t e e l f i b e r a nd t he c e m e nt i t i ou s m a t r i x The bo ndi ng s t r e ng t h was e x a mi n e d v i a f i b e r p u l l o u t t e s t Th e r e s u l t s s h o w t h a t u n r e i n f o r c e d RP C i S b r i t t l e a n d l O W i n f r a c t u r e e n e r g Y， a nd t he s t e a m c ur i ng m a ke s RPC e ve n mor e s us c e pt i bl e t o br i t t l e f a i l ur e On t he o t he r ha n d，s t e a m c ur i ng c a n i m p r o v e t he t r a ns i t i o n z o ne i n t he PRC ma t r i x t ha t i mm e d i a t e l y s ur r o und s t he s t e e l f i be r Th u s h e a t t r e a t me n t i mp r o v e s t h e b o n d i n g b e t we e n t h e f i b e r a n d t h e PRC ma t r i x ， r e s u l t i n g i n b e t t e r f r a c t u r e r e s i s t a n c e I n c o mp a r i s o n wi t h s p e c i me n s wi t h 1 s t e e l f i b e r v o l u me f a c t i o n，wh e n t h e v o l u me f r a c t i on o f s t e e l f i be r i s 2 ，he a t t r e a t m e nt c a n no l on ge r gi v e n ot a bl e i m pr o ve m e nt of t he f r a c t u r e r e s i s t a ne e o f RPC Ke y wo r d s：r e a c t i v e p owe r c o n c r e t e；s t e e l f i be r ；s t e a m c ur i n g；f r a c t u r e r e s i s t a nc e；bo n di n g s t r e n gt h；t r a n S j t i o n z o ne 1 9 9 3年 ，Ri c h a r d等 研制 了一种高强度 、 高 耐久性及高韧性的新型水泥基复合材料 ， 由于提高 了组 分细度 和 反应 活 性 ， 因此 被 称 为活 性 粉 末 混凝 土 ( r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e ， R P C ) R P C通 过 以下 方法减少了材料内部 的缺陷 ， 改进了基体 内部 的微 观结 构 ， 从 而获 得 了高 强 度 与 高耐 久 性 ： ( 1 ) 取 出粗 骨 料 ， 提 高匀 质性 ； ( 2 ) 采 用最 佳颗 粒级 配 ， 并 在凝 固 前 和凝 固期 间加压 以提 高密实 度 ； ( 3 ) 通 过热 处理 改 善微结构 ； ( 4 ) 掺人短细钢纤维 以提高韧性 根据组 成 和 热 处 理 方 式 的不 同 ， RP C 的 抗 压 强 度 可 达 到 2 0 0 8 0 0 MP a ； 抗拉 强 度可 达 到 2 O 5 O MP a ； 弹性 模量 可达 到 4 O 6 0 G P a ； 断 裂 能 为 4 0 k J m。 ， 是 普 收稿 日期 ： 2 O 1 2 - 0 9 0 3 ；修订 日期 ： 2 0 1 2 - 1 0 1 8 基金项 目： 清华大学 自主科研计划资助项 E t ( 2 0 1 1 TH2 0 2 1 ) ； 云南省交通厅科技项 目( 2 0 1 3 ( A) 0 6 ， 2 0 1 3 ( C ) 0 2 ) 第一作者 ： 张倩倩 ( 1 9 8 6 一) ， 女 ， 山东德州人 ， 清华 大学助理工程师 ， 硕士 E ma i l ： q q z h a n g 0 0 5 2 g ma i l C O rn 通信作者 ： 魏亚( 1 9 7 6 一 ) ， 女 ， 河南驻马店人， 清华大学 副教授 ， 博士 E ma il ： y a we i ma i l t s i n g h u a e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 张倩倩 ， 等 ： 钢纤维掺量对活性粉末混凝土断裂性能 的影 响 通混凝土的 2 5 0倍 目前 ， R P C已在法 国、 加拿大等 国家应用于工程实践 2 中国青藏铁路冻土 区桥梁 上也已采用 了 R P C材料人行道体系 近 2 O年来 ， 国 内外对 R P C已有 比较系统的研究 4 。 ， 涉及配合 比、 制备工艺、 尺寸稳定性、 力学性能 、 微观结构和耐久 性等诸多方面 作为超高性能混凝土 ， RP C的抗断裂性能对提 高结构性能， 尤其是提高极 端荷载下的结构抗倒塌 能力具有重要的意义 目前， 对 R P C断裂性能 的研 究主要涉及钢纤维掺量的影响 研究表明， 钢纤维掺 量( 体积分数) 约为 2 5 时 R P C的断裂能达到峰 值L 1 明； 也有研究认为 R P C的断裂能随钢纤维掺 量的增加呈单调递增趋势 9 迄今为止 ， 钢纤维掺量 对 R P C的影响 尚未有较为统一的结论 本文研究了 2种养护条件下 ， 2种钢纤维掺量 的 RP C断裂性 能， 通过纤 维拔 出试 验对钢纤维 与 RP C基体的界面黏结状况进行研究 ， 分析了钢纤维 掺量及养护条件对 R P C抗断裂性能的影响 1 试 验 1 1材料 与 配合 比 水 泥 ( C) ： “ 金 隅 ” 牌 P 04 2 5普 通 硅 酸 盐 水 泥 ， 比表面 积为 3 6 0 m k g ； 硅 灰 ( S F) ： 奥 斯 凝 聚 硅 灰 ， 比表面积 为 2 0 0 0 0 m2 k g ， 平均 粒 径为 0 1 5 p t m； 石英砂 ( S ) ： S i O 含量 ( 质量分数 ) 9 5 ， 粒 径为 0 2 0 8 mm， 表 观密 度 为 2 6 5 0 k g m。 ； 钢纤 维 ： 鞍 山龙 昌钢纤维 厂生 产 的钢丝 切断 型纤维 ， 直 径约 0 1 5 mm， 长度 1 2 1 4 mm， 抗拉强度2 5 0 0 MP a ； 减水剂 ( A) ： 早强型聚羧 酸高效减水剂 ， 固含量( 质 量分数) 4 5 R P C配合 比如表 1所示 裹 1 RP C配合 比 T a b l e 1 RPC mi x p r o p o r t i o n s FO F1 F2 No t e ： F 0 ，F 1 ，F 2 d e n o t e ，a c c o r d i n g l y ，t h e v o l u me f r a c t i o n o f s t e e l f i b e r o f t h e RP C s a mp l e s ： 0 ，1 ，a n d 2 1 2试验 方法 1 2 1 断 裂性 能试验 三点弯 曲试件尺寸 为长 5 5 0 mm， 宽 1 0 0 mm， 高 1 O 0 mm， 在 R P C 试 件 成 型 面 的 对 面 切 一 个 2 0 mm深 ， 宽 2 mm 的预切 口 试 件养护 2 8 d后 ， 在 TONI NOR M2 0 0 0试 验 机 上 进 行 三 点抗 弯试 验 ， 两 支 撑 点 之 间 的 距 离 为 4 0 0 mm 采 用 标 准 TONI 线性 变 形传 感 器 ( L VD T) 测 定挠 度 ， 并 控 制加 载 速 度 为 0 1 mm mi n ， 裂 纹 口 张 开 位 移 ( C MOD) 由变形传感 器( e x t e n s o me t e r ) 测定 ， 加载 示 意 图见 图 1 图 1 三点抗 弯试验加载示意图 Fi g 1 I l l u s t r a t i o n o f t h r e e - p o i n t b e n d i n g t e s t 试 验 采 用 标 准 养 护 ( B， 温 度 为 2 0 ， R H 9 5 ) 和 9 0蒸 养 ( Z ) 2种 养护 方式 ： ( 1 ) 标准 养 护 ： RP C浇筑 4 8 h后 拆 模， 置 于标 准养 护 室养 护 至 2 8 d ； ( 2 ) 蒸养 ： R P C成 型 4 8 h后 拆模 ， 置 于 9 O蒸 养箱中养护 7 2 h ， 然后置于标准养护室养护至 2 8 d 每个配合 比测试 3 个平行试件 1 2 2 钢 纤维 拉拔 试验 试 件 尺寸 如 图 2 ( a ) ， ( b ) 所示 试件 的 I I截面 ( 固定钢纤维装置 ， 4 0 mm4 0 mm1 mm) 分为固 定端和拔出端 2部分I I截面上均匀分布 9根钢 纤维 ， 连接着试件的 2部分 ， 如图 3所示 采用 9根 钢纤 维 的原 因是 增 大 钢纤 维 拔 出总 荷 载 ， 减 小试 验 结果 的误 差 钢 纤 维 在 固定 端 采 用 弯 钩 形 式 ， 拔 出端 长度 为 8 mm 拉拔试件分 2次浇筑成型 ： ( 1 ) 将钢纤维置于模 具 中 ， 浇 筑 固定 端 R P C； ( 2 ) 4 8 h后拆 模 ， 取 出 固定 装置 ， 用保鲜膜包裹 已成型部分端部 以防止与新浇 筑 RP C黏结 ； ( 3 ) 浇筑拔 出端 RP C， 浇筑完成后4 8 h 拆模养护至规定龄期 图 2 ( c ) 为成型 的拉拔试件 拉拔试验采用标准养护和蒸养 2种养护方式， 每种 养护方式测试 6个平行试件 n 驼 0 批 i m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 张倩倩 ， 等 ： 钢纤维掺量对活性粉末混凝土断裂性 能的影 响 式 中： 为试件的跨中挠度， mm； 为跨中荷载 ， N； d 为试件 的高度 ， mm； t 为试件的厚度， mm； a 。 为初始 裂缝 长度 ， mm 图 6为试件的断裂 能计 算结果 对于 一1 的 R P C， 蒸养条件 下断 裂能 比标 准养 护条件 下增 加 了近 1倍 ， 而 对 于 一2 的 R P C， 2种 养 护条 件 下 的断 裂 能 差 别 不 大 这 主要 是 由 于 钢 纤 维 强 度 高 ， 混凝土抗弯拉破坏 时， 钢纤维一般 都是被拔 出 而 不是 被 拉 断l_ l ， 而 蒸 养 可 以 明显 改 善 钢 纤 维 与 基体 的界面黏结强度 ， 从而提高了 R P C的断裂能 ； 而当钢纤 维掺量 增加 到某一 临界 点时 ， 基体 内由 于 钢纤 维 数 量 的增 多 ， 在 R P C抗 弯拉 破 坏 时 ， 就需 要 更 多 的钢 纤 维 被 拔 出 ， 这 时 R P C断 裂 能 的提 高 主要 由钢 纤维掺 量来决 定 ， 此 时养护 方式 对其影 响 作 用并 不 显 著 2 1 2 断裂 阻力 曲线 本研究采用断裂阻力曲线 1 对 R P C的断裂行 为进行分析 断裂 阻力 曲线是应力 强度因子 KI 随 有效 裂 缝长 度 a变化 的 曲线 ， 被用来 表 征岩石 、 混 凝 土等材料的裂缝增 长趋势 ， 它还可 以用来衡量钢纤 维 的增韧效果 断裂阻力 曲线 根据 荷载一C MO D 曲线 CM OD ram ( a ) 9 70 1 妒 图 6 不 同钢纤 维掺量 R P C在 2 种养护方式下 的断裂能 Fi g 6 P l o t o f f r a c t u r e e n e r g y a s f u n c t i o n o f s t e e l f i b e r c o nt e n t s u nd e r t wo c u r i ng c o nd i t i on s 得 到 2种 养 护 条 件 下 不 同 钢 纤 维 掺 量 RP C 的 荷载一 C MOD曲线 如 图 7所 示RP C 的 荷 载 一 C MO D 曲线 与 荷 载 一 挠 度 曲 线 的 变化 规 律一 致 ： 对 于素 RP C， 其达到最大破坏荷载时即发 生脆 断， 标 准养护和蒸养条件下的 C MOD都很小； 掺入钢纤维 后 ， R P C的荷 载 峰值及 C MO D 均增 加， 且 蒸养 对 1 钢纤维掺量 R P C的作用效果 明显； 蒸养虽能够 改善钢纤维与基体 的界面黏结力， 但在钢纤维掺量 为 2 时， R P C基体的整体匀质性变差 ， 蒸养对钢纤 维与基体界面的改善作用不显著 CM0D ram C o ) p FI CM OD n u n ( c ) 9 T2 图 7 不 同养护方式下 R P C荷 载一C MO D曲线 Fi g 7 Lo a d v e r s u s CM OD pl ot o f RPC s p e c i me ns c ur e d un de r di f f e r e nt c o nd i t i o ns 根 据 图 7的荷 载 一C MOD 曲线 可用 式 ( 2 ) 计 算 有效 裂缝 长度 n 景 。 一 式 中 ： f( a d) 一0 7 6 2 2 8 a d+ 3 8 7 ( a i d) 。 一 2 o 4 ( 。 d ) 。 + 兰 ； c ( n 。 ) ， c ( n ) 分别 为A ( R P C的起 裂 点 ) ， A ( R P C开 裂 过 程 中 任 意 一 点 ) 点 的柔 度 C， 其 测 定 方 法 如 图 8所 示 ， 柔 度 即 为 荷 载一 C MOD 曲线 中对 应点 连接 原点 的直线 的斜 率 相 应 的应力 强度 因子 K 为 ： KI ( 口 )一 7 c 口 g( a d ) ( 3 ) O 9 8 7 6 5 4 3 2 1 O 一 目 h 。 采一 莹 芑B J 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 连巩 科子搬 式中： 为弯 曲应 力 ， 一3 p S 2 d 。 t ， S为支点 间距 ， mm； g( a d )= = ： 12 5( a d )+4 4 9 ( a d) 一 3 9 8 ( a d ) 。 + 1 3 3 ( a d ) ( 1 一a d ) 根据 上 述 计 算 公 式 ， 即可 得 到 K 随有 效 裂 缝 长度 a的变化 曲线 ( 即断裂 阻力 曲线 ) ， 如 图 9所 示 由图 9 可见 ， 标准养护和蒸养条件下 ， 为 1 ， 2 的 R P C 在 断 裂 破 坏 时 的 应 力 强 度 因 子 均 在 6 0 0 MP a mm 。 以上 ， 而对于素 R P C， 在 达到起裂点 后 即断裂破坏 ( 图 7 ( a ) ) ， 其 断裂 破坏 时的标 准 养护 、 蒸养应 力强 度 因子 分 别 为 7 5 1 ， 5 1 2 MP amm 钢纤维 R P C的这种高韧性对防止构件 出现突然破 坏 具有重 要 的意义 由图 9还可 看 出 ， 为 1 9 ， 6 ， 2 的 R P C在蒸养条件下的断裂阻力曲线变化 幅度基 本 一致 ， 其增 韧效果 相 当 ， 与其 荷载 一 C MO D 曲线 变 化规律一致 蒸养通过改善钢纤维与基体 的界面黏 结 力 ， 显 著提 高 了 为 1 的 R P C韧性 ； 而对 于 为 2 的 R P C， 由于 RP C基体 的整 体 匀 质 性 较 差 ， 蒸养条件对提高其韧性不明显 l 曼 9断 裂 阻力 曲线 Fi g 9 Fr a c t ur e r e s i s t a nc e c ur ve s 2 2钢 纤维 与 R P C基 体界 面黏 结状 况 2 2 1界 面黏结 强度 对钢纤维水泥基材料， 钢纤维与基体界面 的黏 结力是阻止基体裂纹扩展 的关键性因素 当基体 内 裂 纹产生 时 ， 钢纤 维 在 界 面 的脱 黏 与 滑 移对 裂 纹 扩 展 时 的能量 消耗 ( 即 断 裂 能 ) 有 重 要 影 响 1 图 1 0 为标 准养 护 和 9 0蒸养 2种 养 护方 式 下 2 8 d龄 期 钢纤 维拔 出荷 载一 位移 曲线 由图 1 O可见 ， 开 始时 钢 纤维拔出荷载随拔 出位移增加迅速达到荷载峰值， 而后随着拔 出位移的增大 ， 钢纤维与 R P C基体的黏 结强 度 因滑移 量增加 而减 弱 ， 拔 出荷 载逐渐 减小 ； 在 钢纤维全部被拔出( 拔出位移为 8 ram) 后 ， 拔出荷载 减小到零 在蒸养条件下 ， 钢纤维与 R P C基体 的黏 结力 增大 ， 钢纤 维被拔 出需 要克 服更多 的 阻力 ， 拔 出 荷载峰值高于标准养护下的荷载峰值 图 1 O 不 同养 护方式下钢纤维拔 出荷载一 位移 曲线 F i g 1 0 P u l l o u t l o a d v e r s u s d i s t a n c e c u r v e o f s p e c i me n s c ur e d un de r di f f e r e nt c on di t i o ns 本文 通过 拔 出荷 载一 位 移 曲线 积分 1 叩得 到 了标 准养 护 、 蒸 养条 件下 钢纤维 拔 出能量 ， 分别 为 1 7 3 6 ， 2 1 9 4 N mm， 相对于标准养护 ， 蒸养条件下的拔出 能量 增加 了 2 6 ， 因此 在 一 定 钢 纤 维 掺 量 范 围 内 ， 蒸养 可 以明显 增加 R P C的韧性 钢纤 维与 基体 的界 面 黏 结 力是 提 高 R P C韧性 的关键性因素 根据式 ( 4 ) 可计算得到不同养护条件 下钢纤维与 R P C基体 2 8 d的黏结强度E l o Z ma x一 Pm a x ( 4) 式 中 ： Z m a x 为界 面黏接 强 度 ， MP a ； P 为最 大 拉 拔荷 载 ， N； 为钢 纤 维 数 量 ， 本研 究 中 为 9 ； D 为 钢纤 维直 径 ， 本 研究 中 D 为 0 1 5 mm； Z 为钢 纤 维埋 置深 度 ， 取 z 一8 mm 式( 4 ) 的计算结果如表 2所示， 其中 C OV为变 异系数( ) 由表 2可见 ， 标准养护和 9 0蒸养条 件下钢纤维与 R P C基体界面 2 8 d龄期的平均黏结 强度分别为 1 3 1 1 ， 1 6 4 2 MP a ， 蒸养提高了界面黏 结强 度 2 2 2 钢 纤维 与 R P C基体界 面微 观形 貌 标准养护 、 9 O蒸养 2种养护条件下 7 d龄期 表 2 钢纤维与 R P C基体 2 8 d黏结强度 Ta b l e 2 2 8 d b o n d s t r e n g t h b e t we e n s t e e l f i b e r a n d RPC b a s e ma t e r i a l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m