活性粉末混凝土力学特性及疲劳寿命研究.pdf

第 13卷 第 7 期第 13卷 第 7 期 2016年 7 月2016年 7 月 铁道科学与工程学报铁道科学与工程学报 Journal of Railway Science and Engineering Volume 13 13 Number 7 7 July 2016 2016 活性粉末混凝土力学特性及疲劳 寿命研究 姚志雄“ 2 (1.福建工程学院土木学院， 福 建 福 州 350118; 2.福建省土木工程新技术与信息化重点实验室， 福 建 福 州 350118) 摘 要 :摘 要 :根据活性粉末混凝土密实配合比设计原理， 结合福建当地材料制备3 3 个系列混凝土试件， 研究不同纤维品种、 掺量 对RPC基本力学性能的影响规律， 并采用Instron电液伺服式疲劳试验得到纤维增强RPC疲劳寿命发展情况及分布规律。 掺入聚丙烯纤维对RPC抗压强度、 劈裂强度、 弯折强度及延性具有一定程度提升， 但效果不明显。钢纤维掺量对RPC强度 具有较明显增强效果， 抗压强度随掺量呈抛物线增长规律;劈裂、 弯折强度随钢纤维掺量呈线性及指数增长趋势。RPC平 均疲劳寿命随聚丙烯纤维掺量呈抛物线增长规律， 随钢纤维掺量呈明显递增趋势。分析给出各力学指标随2种纤维掺量 的回归关系式。统计分析各系列试件的疲劳试验数据，RPC弯曲疲劳寿命与对应的概率函数线性相关显著， 服从两参数威 布尔分布， 计算给出存活率-疲劳寿命曲线。 关键词关键词： 活性粉末混凝土； 纤维增强； 基本力学性能； 弯曲疲劳寿命;威布尔分布 中图分类号:中图分类号:TU5 文献标志码5 文献标志码:A 文章编号:1672-7029 (2016) 07-1275-07 文章编号:1672-7029 (2016) 07-1275-07 Study on mechanical properties and fatigue life of reactive powder concreteStudy on mechanical properties and fatigue life of reactive powder concrete Abstract：According to the dense proportion principle of RPC, three series of concrete specimens were prepared with Fujian local materials. The influence law of different fiber types on basic mechanical properties of RPC was studied. The bending fatigue tests were performed using the Instron electro hydraulic servo fatigue testing machine to get the development and distribution law of fatigue life of fiber reinforced RPC. Results show the in corporation of polypropylene fiber for RPC has a certain degree of improvement on compressive strength, splitting strength, bending strength and ductility, but the promoting effect is not so obvious. Steel fiber content has obvi ous enhancement on RPC strength. Compressive strength with the steel fiber content is the parabola growth law, splitting tensile strength and bending strength with the content are linear growth and exponential growth trend re spectively. The average fatigue life with the polypropylene fiber is the parabola law, with the steel fiber content is significantly increasing trend. The regression relations of mechanical indexes with two kinds of fiber content are given Statistical analysis on fatigue test data of each serials of specimen indicates that bending fatigue life of RPC is in linear correlation with the corresponding probability significantly, and obeys the two parameter weibull 收稿日期：2015-07-24 基金项目：基金项目：国家自然科学基金资助项目（51504070,51508098);福建省自然科学基金资助项目（2016J01205);校科研启动基金资助项目 (GY-Z14069) 通讯作通讯作者:姚志雄（1978-),男， 福建福州人， 高级工程师， 博士， 从事岩土工程宏细观力学、 建筑材料力学方面的研究;E-mail:3113993 1276 铁 道 科 学 与 工 程 学 报2016年 7 月 distribution. The survival-fatigue life curve was also given. Key words： ： reactive powder concrete; fiber reinforced; basic mechanical properties; bending fatigue life; weibull distribution 活性粉末混凝土（ Reactive Powder Concrete， 简 称RPC)是一种新型建筑材料， 它是在20世纪90年 代初由鑛菌最大變造公司之一的布尹格(Bou.ygu殘） 公司以Pier Richard. 为首的研究小粗率先研制成 功的E13。它是继无宏观缺陷水泥、 超细粒聚密水泥、 化学结合陶瓷以及高性能混凝土之后的一种高性能 材料,其突出性能优势根滬在于低孔暸率、 高度致密 的微观结构M。由于该材料具有高抵抗力， 低渗 透性等优异耐久性， 可大大延长结构寿命， 所以芷逐 步应用于jt木、 地下人防、 核电和軍X等工程领域。 由于RPC存在制备技术难、 脆性大、 成本高等缺点, 仍在一走程度上限制其在工中的大量应用 为 此， 国内夕卜学者对RPC的配合比设计、 养护制度、 力 学性能以及材料选取等方面开展了大量的研究， 也 取得一定成果。高燕W 进行掺固硫灰活性粉末混凝 土配合比的正交设计试验， 研究了养护制度对掺固 硫灰RPC强度和收缩性能的影响以及固疏灰对 RPC收缩性能的影响。葛涛等6为研究新型遮弹 材料钢纤维活性粉末混凝土的抗冲击性能， 利用自 行研制的纤维增强RPC试件进行多组侵彻与接触 爆炸试验,并得到压缩爆炸系数。鞠彦忠7通过试 验研究了粉煤灰掺量和养护条件对活性粉末混凝i 力学性能的影响。B雪源等81对活性粉末混凝寬 方体抗压强度尺寸效应、 轴心抗压强度、 轴心抗拉强 度、 弹性模量 峰值压应变和极限压应变等基本力学 性能指标进行分析， 获得了活性粉末混凝A相关力 学性能指标之间的换算关系。刘 娟 研 究 了 大 掺 ft矿物细粉活性粉末混凝土高温爆裂性能和高温后 的抗压强度。罗华m和柯开展等 u 切众多学者也 对活性粉末混凝土的力学性能及强度影响机理进行 了有益探索。可见作为一种新型的建筑材料， 关于 RPC宏细观力学性能等方面,仍有许多问题值得深 人研究本文主要结合福虜当地材料， 根 据RPC密 实设计原理， 制作无纤维、 聚丙烯纤维和钢纤维共3 个系列8 组试件， 通过室内试验研究不同纤维品种、 , 掺量等对活性粉末混凝i基本力学性能、 延性及破 坏特征等;酵响规.律!并.卿. 1贿W :电:液伺服式:疲 劳试验机对其施加循环荷载， 研究纤维掺董对RPC 疲劳寿命的影响情况， 并对试件疲劳寿命的双参数 威布尔分布进行检验9 1试验概况 1 . 1 原材料1 . 1 原材料 水泥： 采 用 “ 炼 石 牌 P. 042. 5 普通硅酸盐 水泥$ 硅灰:采用會海西宁铁合金有限责任公司的产 品。汾02含量大于90%， 平均粒径0.1 _。该材 料具有良好的球形， 旦活性高， 可起到很好润滑作 用， 改善混合物流动性， 并可发生二次反应, 生成物 填充孔隙， 提高强度。 石英粉r采用厦门花王公司生产的产品， 其平 均粒径为10 m， Si0 2含量大于99%6 减水剂； 采用厦H 花王公司生产的高效减水 剂， 棕褐色液体， 减水率达30%以上n 细砂:采用该砂场的闽江河砂进行筛分， 除去 砂.中大于630 pm的颗粒,该砂含.寵量少c 聚丙烯纤维： 为束状单丝纤维， 长 度 为 14- 15 mm， 直 接 5- 100叫11， 断裂強度衾450 MPa,初 始模量洚3.5 GPa， 熔 点 165173丈 ， 比重0.91。 钢纤维:采用赣州大业金属纤维有限公司冷拉 钢丝钢纤维， 纤维直径是0.2 0.25 mm,纤维长度 是 :13 rara( . 长度傭差5 矣5 % ),长径比Z/d = 65 ( : 长 径比偏羞5 矣I5% )， 抗拉强度彡2 5 0 MPaD掺 加的2 种纤维如图1 所示。 fs抗压强度 W劈裂强度5知)拉压比“ A)猶折强度 图1 试验用纤维 Fig.2 Fibers used in test 1 . 2 试验方法及试验装置1 . 2 试验方法及试验装置 基本的力学性能试验均在2 000 kN 的万能 第7:_姚志雄j：活性粉末混凝土力学特性及疲劳寿命研究 1277 试 验 机 上 进 行 。由T 混 凝 I中 无 粗 朞 料 ， 同砂 浆,故制作边长为70.7 mm的立方体试件进行抗 压、 劈 裂 试 验 进 行 抗 折 和 疲 劳 试 验 时 ， 采用英 国 In. sta?n 匡际賓.限公爾幾产的电液伺服式疲劳 试验机， 能保证混凝土准脆性材料破坏试验的稳 定进行a 根据伺服加载设备特点， 制作的试件尺 寸 为 40 x40 x 160 分为无纤维、 聚丙烯釺维和 钢 纤 维 3 个 系 列 共 8 组 RPC试 件 ， 每 组 试 件 6 个 。RPC拌 合 物 黏 聚 性 及 保 水 性 较 好 ， 但由子 RPC水胶比低， 纤维的插销作用一定程度上阻止 了胶凝材料的流动， 故 拌 合 物 流 动 性 一 般 ， 测的 游落度为8 1 mm， 试件制作过程中霄要加强 振捣。施加循环荷载波.型为正弦波， 加载频率为 5 P代表聚丙烯纤维增强RPC; S代表钢纤维增强RPC。 高0 降低， 呈 抛 物 线 趋 势 ， 在掺量，为 .i5% 时 达 到 最 大 值 ， 劈 裂 强 度 和 抗 压 强 度 分 别 提 高 I.68% 和I.5% ， 提高效果不明显，其余掺講下 强度甚至不如素混凝土， 可见加人聚丙烯纤维 对提高混凝土强度意义不大。通过回妇分析发 现 ， 抗 压 强 度 、 劈裂强度和聚丙烯纤维体积掺 量之间存在较好的H次 函 数 关 系 ， 具体详见图 3.( a)和.(b.). 。 不同尤聚丙烯纤维， 钢纤维加人对混凝土抗压 强度及劈裂强度都有不同程度的提高6 从结果可 看出， 混凝土抗压强度随钢纤维体积掺釐的增加先 增大,后减小， 呈抛物线分布规律， 本方案得到的最, 优掺量为1免， 此时强度提高48.9%。而 RPC劈裂 强度随钢纤维体积掺量的増加而増加,呈线性增长 规律， 掺量3 % 时提升368%， 增长幅度大9 通过回 归分析,可知混凝土坑压强度、 劈裂强度和钢纤维 体积掺量之间存在较好的3 次函数及线性函数关 系， 具体如图4(a)和) 麵。 1 . 31 . 3配 合 比 各材料的配合比参数如表1 所示。 P/MPa (b) Pma.x- . v .；=- T(s) (a)抗压强度； （b)劈裂强度； （c)拉压比;（d)抗折强度 图2试验用纤维 Fig.2 Fibers used in test 2基本力学性能试验 2 .1强 度 分 析 从 结 果 可 看 出 ， 随 聚 丙 烯 纤 维 掺 量 的 增 加 ， 劈 裂 强 度 和 抗 压 强 度 呈 现 同 样 的 规 律 ， 即先提 1278 铁 道 科 学 与 工 程 学 报2016年 7 月 vf/% P系 列 y = 413.33x3- 166x2+ 18.067x+ 12.19 (a)抗压强度； （b)劈裂强度； （c)拉压比;（d)抗折强度 图3聚 丙 烯 纤 维 对RPC基本力学性能指标的 影响 Fig.3 Influence of polypropylene fiber on basic me chanics performance of RPC 在抗折试验中， 掺人聚丙烯纤维虐， RPC的抗折 强度较素RPC有所提升， 然而提升微小， 结果显示， P1组增幅为4.6%, P2 组增幅为3.0%， 而P3 组增幅 仅为2.3%。通过回归分析， 抗折强度和聚丙烯纤维 掺量之间存在较好的二次函数关系， 具体详见图3 (d)。结果表明， 加人钢纤维对RPC抗折强度提高 明显。S0 组RPC抗折强度为素RPC的 1.28 倍 ， 随 着体积掺量的增加， 杭折强度也一直在增长， S1 组的 抗折强度增加f 29.2% ， S2 组的抗折强度增加f 59. 6%.， . 而S_ 3 粗RPC的抗折强度:更基达.到了 28. 3lMPa,是素 RPC 的 2 .3 倍。见图 4( d)fl 拉压比是体现材料延性的一个比较重要的参 数从试验结果可以看出， 聚丙烯纤维体积掺量为 0.15%时拉压比最大值为7.20%， 钢纤维体积掺量 为 3.0%时拉压比值最大， 为 7.7 3 % ， 相对体现较好 的延性， 但増幅效果都不是很大， 而其他掺量下拉 压比的值甚至出现了不苘程度的降低。如图3(c) 和图4(c)所示。 可 见,纤维对RPC抗压强度和劈 裂强度的增强效果术一V导致其拉压比不同程度的 降低。这是由纤维的加人在提高混凝土强度的 同时， 也在混凝土中引人新的薄弱界面， 存在正面 效应和负面效应的麄加,这就薷最优摻量4而每 个强度指标体现出综合的正面效应对应的纤维掺 _ .a)劈裂強:壞(:4_座比味抗折強廣， 图4钢纤维对RFC基本力学性能指#的影响 Fig .4 Influence of steel fiber on basic mechanics performance of RPC 2 . 2 破坏现象2 . 2 破坏现象 从破坏现象分析， 素RPC立方体抗压试件破 坏前， 表面都无坷见裂缝7表现出突然的、 爆炸式的 破坏， 并发出_ .大的清脆的爆裂声3 式件瞬间破坏 为碎块， 材料脆性很大。聚丙烯纤维増强的破坏时 ij 第7:_姚志雄j：活性粉末混凝土力学特性及疲劳寿命研究 1279 发沉相对低沉的爆裂声， 试件破坏为几个性对较大 的碎块， 完整性稍好， 延性有所提升0 钢纤维增强 的， 其破坏形式发生了根本的改变。试件受压加载 过程中， 试块四周先出现表层剥落现象， 随加载进 行试块侧面出现45 度斜向剪切面， 而后逐渐发展 成为横向肿胀的韧性破坏模式， 即使达到极限荷 载,试件裂而不碎， 还保持完整的形状， 表现出极高 的延性。如图5 所示。 A. _(.4:裂缝产生； (拍 麵 扩 嚴 图 6锏 纤 维RPC塑性破坏过程 Fig. .6 Plastic failure process of steel fiber RPC (a)素RPC;(b)钢纤维增强RPC 图5试件破坏现象 Fig.5 .5 Typical damage phenomenon of specimens 3疲.爱寿命分析 3 . 1 疲劳试验结果3 . 1 疲劳试验结果 建 立 在 8 组RPC试件疲劳试验的基础上， 对其疲劳寿命进行分析（ 对于出现异常结果， 给 予剔除） 。结果表明， 无纤维RPC及聚丙烯纤维 RPC试件破坏ft现明显.的脆性， 破坏无征兆， 通 过自测无法观察到试件开裂、 裂缝发展过程， 试 件的破坏时瞬间的s食验.中对试件跨中挠度数 据 以 50个A的速率进行实时采集， 素RPC试件 破坏前跨中挠度都很小， 不 到 0.1 mm,而聚丙烯 纤 维 的 也 仅 约 为 0.1 mm。表明疲劳加载过程 中， 裂缝一麗产生便迅速扩展到全截面， 试件即 告破坏。而对于钢纤维RPC， 其破坏表现出明显 的塑性。当钢纤维掺量增至1 % 时 ， 即使出现裂 缝 后 ， 试件还能带裂缝继续f作 ； 掺 量 为 2 % 时 ， 裂缝扩展至20 25 m ni高度时， 试件能带裂缝继 续承受疲劳荷载。试件加载过程中发出明显的 嘎吱嘎吱的声音， 这是钢纤维被拔出的声音。这 是由于钢纤维具有插铕抗拉拔作用， 纤维的闭合 开K裂缝的作用拔出破坏机理完全改变了试件 的破坏形式， 如 图 6 所示。 与普通RPC相比， 聚丙烯纤维掺量0.1 % 的 RPC弯曲疲劳寿命有明显提商， 平均疲劳寿命约为 素 RPC的 2.61倍;继续増大掺量到0.15% 时疲劳 寿命有所下降， 但仍比素RPC有所提高； 当掺量提 高到0.2% 时 ， 疲劳寿命出现显著下降， 甚至低f f 素 RPC, 可见瑋量的聚丙烯纤维有利于RPC疲劳寿 命的提升， 过量巻:C程 学 报 2016 # 7 1 ( - IjlP) I ,即给定任意的存活率P， 可以求出P 所 相 应 的 疲 劳 寿 命 限 于 篇 幅 ， 图 8 给出几个系列 的 P -N 曲线图。 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 _ 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 循环次数（x 103) 循环次数（X 10) 图图8 RPC. 试件疲劳寿命对比图 Fig.8 Fatigue life comparison of RPC 图7 RPC试件疲劳寿命对比图 Fig.7 Fatigue life comparison of RPC 4结 论 由f RPC疲劳实验的离散性， 为安全可靠， 在 i ； 式中取最小寿命参数iV。 = ， . 简化为两参数的威. 拿:尔分布： A N) b I N exp iN) (NN ): p(N N) = exp 两边取二次自然对数， 得 (N_ 1丨 P(N N) = exp 丨 N -N0、 d ivj (2) In ln P, blnN - blnNn (4) (5) k A A A 即 y 二 a + 。式 中 ，y = InIn P, 61riia , x = lni s 通过上式来检验RPC试件疲劳寿命符合双参 数威布尔分布匈否。通过回归计算并采用r 检验 法进行显著性检验。结果表明，lnln(l/P) gp( : ? _ )与 h iV 即（ :之间线性相关关系显著， 因此 RPC疲劳寿命服从两参数威布尔分布s 对双参数威布尔分布， 存活率 (N N J P(N N) = exp 则 =兄 dl l i s f t d l t e s 第 7 期姚志雄:活性粉末混凝土力学特性及疲劳寿命研究 1281 368%， 抗折强度提升130%， 给出纤维掺量与各强 度的回归关系。工程实践中可根据结构对强度指 标要求情况进行合理掺配。 3) 钢纤维具有插销抗拉拔、 闭合裂缝的作用， 该作用机理较好体现纤维在材料延性方面的贡献。 观察试件破坏现象， 钢 纤 维RPC受压试件裂而不 碎 ， 抗折试块甚至带裂缝能持续工作， 到完全失效 时试件烧度显著。 4) 纤维对RPC疲劳寿命提升明显， 聚丙烯纤 维掺量0.1%时， 平均疲劳寿命约为素RPC的 2.61 倍;钢纤维掺量为3 % 时， 平均疲劳寿命约为素RPC 的 11.35倍。对疲劳试验数据进行统计分析， 发现 各系列RPC疲劳寿命与对应的概率函数线性关系 显著， 服从两参数威布尔分布， 分析给出存活率P 和疲劳寿命W曲线。 参考文献：参考文献： 1 RICHARD P, CHEYREZY M. 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