活性粉末混凝土断裂力学性能试验研究.pdf

第 4 O卷第 5期 2 0 1 4年 5 月 水 力 发 电 活 性 粉 末 混 凝 土 断 裂 力 学 性 能 放 验 研 究 尹 志 刚 1 , 2 ( 1 大连理工大 学水利工程 学院，辽 宁 大连1 1 6 0 2 4 ； 2 长春工程 学院吉林省水工程安全 与灾害 防治工程 实验 室，吉林长春1 3 0 0 1 2 ) 摘 要 ：采用应力强度因子法和能量法 ，对掺有聚丙烯纤维 。钢纤维 、混杂纤维 的活性粉末混凝土( R P C )的断裂 性能进行了分析 ，结果表 明纤维 的阻裂效果明显 ,R P C的裂缝 开 口位移、裂纹尖端张 13位移大大提高 。掺人钢纤维 掺的 R P C断裂韧度可提高 3 倍 以上。以能量 释放率 G为基础建立 的双 G准则与双 K准则 ，都可 以用来判 定 R P C的 断裂性能。 关键词 ：活性粉末混凝土 ( R P C) ；断裂性能 ；应力强度因子 ；能量释放率 ；纤维 Ex p e r i m e n t a l S t u d y o n F r a c t u r e P r o p e r t i e s o f Re a c t i v e P o wd e r Co n c r e t e YI N Z h i g a n g ( 1 S c h o o l o f Hy d r a u l i c En g i n e e r i n g , Da l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , Da l i a n 1 1 6 0 2 4 L i a o n i n g , C h i n a ； 2 J i l i n Wa t e r E n g i n e e r i n g S a f e t y a n d Di s a s t e r P r e v e n t i o n E n g i n e e rin g L a b o r a t o r y ， C h a n g c h u n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , C h a n g c h u n 1 3 0 01 2 ， J i l i n , Ch i n a ) Ab s t r a c t= T h e f r a c t u r e p r o p e r t i e s 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)mi x e d w i t h p o l y p r o p y l e n e fi b e r , s t e e l fi b e r a n d h y b r i d fi b e r a r e a n a l y z e d b y t h e s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r a n d t h e e n e r g y me t h o d r e s p e c t i v e l y T h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e c r a c k e x t e n s i o n i s c o n t r o l l e d a n d t h e f r a c t u r e t o u g h n e s s o p e n i n g d i s p l a c e me n t a n d c r a c k t i p o p e n i n g d i s p l a c e me n t a r e g r e a t l y i n f l u e n c e d b y fi b e r f r a c t i o n T h e f r a c t u r e t o u g h n e s s o f s t e e 1 fi b e r RP C c a n b e i n e r e a s e d mo r e t h a n 3 t i me s Th e e n e r g y r e l e a s e r a t e b a s e d o n d u a l - - G a n d d u a l - K c ri t e r i o n c a n b e u s e d t o j u d g e t h e f r a c t u r e p r o p e r t i e s o f r e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e Ke y W o r d s ： r e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e ； f r a c t u r e p r o p e r t y ； s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r ；, e n e r g y r e l e a s e r a t e ； fi b e r 中图分类号： T V 4 3 1 3 文献标识码： A 文章编号i O 5 5 9 - 9 3 4 2 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 0 9 1 - 0 4 活性 粉 末 混 凝 土( RP C)具 有 超 高强 度( 抗 压 强 度 可 达 到 2 0 0 MP a以上 ) 、 良好 的 耐 久 性 和 抗 渗 性 ，在水 利 、建筑 、核 电 以及 军 事设 施 等 领域 得 到 了广 泛 的应 用n 卅。 目前 高 强 高性 能 混 凝 土 的配 制 以 及 抗 拉 、抗 压 等一 般 力学 性 能 得 到广 泛 研 究 ，而 活 性 粉 末 混 凝 土 的断 裂 力 学 性 能研 究 尚 处 于 起 步 阶 段 5 1 掺 入 纤 维 的 活 性 粉末 混凝 土 断 裂 性 能研 究 较 少 。 活性 粉 末 混 凝 土 管 桩 、压 力 管 道 等 预 制 构 件 ， 不 但要 求 强 度 高 ，还 要求 抗 断 裂性 能好 ，故有 必 要 研 究 活 性 粉 末 混 凝 土 的 断 裂 力 学 性 能( 断 裂 韧 度 、 断裂 能 ) 。本 文通 过实 验室 制备 掺人纤 维 的 活性粉 末 混 凝 土 ，从 应 力 强 度 因 子 和 能 量 释 放 率 两 个 方 面 研 究 活 性粉 末 混凝 土加 入 聚丙 烯 纤 维 、钢 纤 维 、混 杂 纤 维 后 的 断 裂 力 学 性 能 1 试验概况 为 3 0 0 mmx 6 0 mmx 4 0 mm，根 据 试 验 目 的 共 制 作 了 4个 系列( 素 RP C 、钢纤 维 、聚丙 烯纤 维 、混杂 纤 维 )的试 件 ，每 个 系列 制作 5个 试件 。试 件 的跨 高 比 = 4，初 始 缝 长 C t o = l 5 mI n 。 ( 2)试 验材 料 。水 泥 为 4 2 5普 通 硅 酸 盐水 泥 ， 硅 灰 密 度 为 2 0 0 2 5 0 k g m，0 0 0 1 mm 以 下 粒 径 占 8 0 以上 ，平 均粒 径 为 0 0 0 0 1 0 0 0 0 3 mm比表 面 积 为 2 0 3 0 m2 g 。石英 砂 为普 通 细 河 沙 。减 水 剂 为 聚 梭 酸 系 高 性 能 减 水 剂 。 粉 煤 灰 密 度 为 1 6 6 6 k g m ，粒 度 为 0 O 1 0 1 mm，聚 丙 烯 纤 维 掺 量 0 1 ， 钢纤 维 掺量 1 。 收稿 日期 ：2 0 1 3 1 1 - 1 8 基金项 目：吉林省教 育厅 “ 十一五” 科学技术研究项 目： 住 房和城 乡建设部研究开发项 目( 2 0 0 9 一 K 4 1 5 ) 作 者简 介 ：尹 志刚 ( 1 9 7 2 一 ) ，男 ，吉林 九 台人 ，副 教授 ，博 ( 1 )试 验 方 法 。采 用 三 点弯 梁 试 验 ，试 件 尺 寸 士，主要从事水工结构计算及水工混凝土材料研究 W a t e r P o w e r V o 1 4 0 N o 5 团 u l t4 0 1= 3 ( 3 ) 试 验 设 备 。 标 准 恒 温 恒 湿 养 护 箱 ，混 凝 土 热 水 养 护 箱 ，电 液 伺 服 疲 劳 试 验 机 。 2 试验结果及分析 2 1 双 断裂 参数 的确 定 用应 力 强 度 因子 K表 征 混凝 土 断 裂 性 能 ，K 的 表 达 式 为 K： X h k ( ) ( 1 ) 2t h 式 中 ，P是 荷 载 ；s 、t 、h分 别 为梁 的跨 度 、厚度 和 高 度 ； 是 相 对 梁 高 的 缝 长 ，a = a h；k ( ) 是 对 应 于 跨 高 比 I8的 形 状 函 数 ， k p ( )= V ( 1 一 ) fe 2 ( ) + 4 P ,( o z ) 一 4 P 2 ( o ) 1 ， P t ( ) ： 1 9 + 0 4 1 + 0 5 1 2一 l j 0 1 7 。 ， 只 ( ) ：1 9 9 十 0 8 3 一 0 3 1 0 , 2 - 0 1 4 。 。 相 对 初 始缝 长 O Z 相对 临界 缝 长 ，的计 算 公 式 详 见 文 献 6 】 。将 起 裂 荷 载 、最 大 荷 载 、 相 对 初 始缝 长 O t 。 、相 对临 界 缝长 及 试 件尺 寸带 入 式 ( 1 ) 可 得 到 起 裂 断 裂 韧 度 K 和 失 稳 断 裂 韧 度 Kl c， 临 界裂缝 口张开 位移 C MOD 临 界 裂缝 尖端 张 口位 移 CT O D ，计 算 结 果 见 表 1 。 表 1 各 系列试件的断裂参数 注 ：A 是 素 R P C；C， 、C 、C ， 分 别表 示 聚丙 烯 纤维 掺 量为 0 1 、0 1 5 、O 2 ；D 1 、 D 2 、 D 3 、 D 分 别表 示钢纤 维掺 量 为 0 5 、1 、2 、3 ；E I 、 E 2、E 3 分别表示混杂纤维掺量 为 0 5 、 1 、2 ，混杂纤维是在 钢纤维加入 的基础上再掺人 体积掺量为 0 1 的聚丙烯纤维 从 表 l可 知 ， 由 于 纤 维 的 阻 裂 作 用 各 组 试 件 的 裂 缝 口 的 张 口位 移 和 裂 纹 尖 端 张 口位 移 都 有 明 显 的增 加 ，可 见 RP C的延性 有 所提 高 。掺 人 聚丙 烯纤 维 对 于提 高 RP C的断 裂韧度 作 用不 明显 ：掺入 钢 纤 维 可 提高 RP C的开 裂荷 载 、极 限荷 载 、起 裂韧 度 和 断 裂 韧 度 ，其 中 掺 入 钢 纤 维l 的 RP C 效 果 最 为 明 显 ， 起 裂 韧 度 比 普 通 RP C 提 高 了 2 4 8 ， 断 裂 韧 度 比 普 通 RP C 提 高 了 3 3 0 ； C MO D 提 高 了 4 6 9 ， 伽 D D 提 高 了 7 7 9 ，可 见 钢 纤 维 的 增 强 增 韧 效 果 明 显 。 不 同 纤 维 掺 量 与 混 凝 土 断 裂 韧 度 的 关 系 如 图 l所 示 1 8 1 6 室 1 。 。8 0 0 5 0 1 0 0 1 5 聚丙烯纤维掺 量 O 20 垂 钢纤维掺 量 b 混杂纤 维掺量 C 图 1 不同纤维掺量 与混凝 土断裂韧度 的关 系 由 图 l可 知 ：聚 丙 烯 纤 维 掺 量 对 RP C 的 起 裂 韧 度 与断 裂 韧 度 基本 没 有 影 响 ；随着 钢纤 维 掺 量 的增 加 ，RP C 的起 裂韧 度 与 断 裂韧 度相 应 增加 ，当钢 纤 ， t b 1 3 ： t - I 。 l 工 小， E 匕 上 I 衣J于 I 工 日匕 皑1 盯 7 维 掺 量 达 到 2 后 ，增加 钢 纤 维 的掺 量对 RP C的起 裂韧 度 增 加 效 果 不 明显 ，而 钢 纤 维 掺 量 为 1 时 的 断裂 韧度 最大 ；混杂 纤维 的掺 量 对 RP C的断 裂参 数 影 响趋 势 与钢纤 维一 致 。 2 _ 2 双 G 断 裂参 数的确 定 混 凝 土 的 断 裂 能 是 混 凝 土 从 起 裂 到 断 裂 破 坏 的 平 均 能 量 吸 收 ，不 涉 及 混 凝 土 断 裂 破 坏 过 程 中 裂 缝 稳 定扩 展 和失稳 断裂 两个 阶段 。赵艳 红5 1 提 出类似 双 K 断裂 参数 的 双 G断裂 参 数来 表 征混 凝 土 断裂 过 程 的能 量 变化 。对 于三 点 弯梁 试 验 ，混 凝 土试 件 的能 量 释放 率 为 G： ： ( 2) 2 t d a 2 t h d a 根 据 点 弯 梁 试 验荷 载 挠度 公 式 可 求 得 d c d a。 与求双 断裂参数类似 ，将起裂荷载 最大荷载 、 相 对 初 始 缝 长 O L 、相 对 临 界 缝 长 及 试 件 尺 寸 带 人 式( 2 ) 可 得 到 起 裂 断 裂 韧 度 G 和 失 稳 断 裂 韧 度 G 。 G 为 混凝 土 断裂 时粘 聚 力 引起 的能 量 损耗 ，G C = G ， u 。 n i ni G， c 。 2 3 双 与双 G 断裂参 数 的比较 双 K与 双 G断裂模 型 都是 依据 修 正后 的线 弹 性 断 裂 力 学 对 混 凝 土 断 裂 稳 定 性 进 行 判 定 ，二 者 具 有 等 效性 。为 了便 于 数值 比较 ，将 能 量 释放 率 转 化 成 相 应 的应 力 强 度 因 子 即 -g=、 俪 ( 3 ) 式 中 ， 是用 能 量释 放率 表示 混凝 土 断裂 韧 度 ；E是 混 凝 土 弹 性 模 量 。 双 K 与 双 G 断 裂 参 数 对 比结 果 见 表 2 表 2 试验结果 图 2为用 能量 释 放率 表示 的 RP C起 裂韧 度 、断 裂韧 度 与纤 维 掺 量关 系 曲线 ，从 图 2可知 ，其 变化 趋 势 与用 应力 因子表 示 的断裂 韧度 有很 好 的一致 性 ， 霪 薷 煎 塑 聚丙烯纤维掺量 钢纤维掺量 b 混 杂 纤 维 掺 量 C 图 2 不 同纤维掺量与混凝土能量释放率表示断裂韧度 的关 系 因 此 该 参 数 也 可 用 来 衡 量 RP C 的 断 裂 性 能 。 3 结论 通 过 对掺 入 纤 维 的 活性 粉 末 混凝 土 断裂 性 能 进 行 试 验研 究 ，可 知 ： 聚丙烯 纤 维对 提 高 R P C的强 度 作 用不 大 ，但 可 以提 高 R P C的延性 ； 钢纤 维 不 仅 可 以提 高 RP C 的延 性 。而 且 对 提 高 RP C的 强 度 W a t e r P o w e r V o 1 4 0 N o 5 囫 效 果 显 著 ，钢 纤 维 掺 量 为 1 时 ，起 裂 韧 度 比普 通 RP C 高 了 2 4 8 ， 断 裂 韧 度 比 普 通 RP C 提 高 了 3 3 0 ， 提高 了 4 6 9 ， 提 高 了 7 7 9 ，可 见 钢纤 维 的增 强 增 韧效 果 明显 。 应 用 应力 强 度 因子法 和 能 量 释 放 率 分 析 R P C 的 断 裂 特 性 ， 二 者 有 很 好 的 一 致 性 ，均 可 以 作 为 判 断 RP C 的 裂 缝 产 生 、 裂 缝 扩 展 及 失 稳 断 裂 。 参考文献 ： 1 姚志 雄 新 型活性 粉末混凝 土为基底 材料 的断裂性能研 究 D 福州 ：福州大学 ，2 0 0 5 2 DU G A T J ，R OU X N， B E R NI E R GMe c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f r e 一 ( 上 接 第 6 5页 )水库运用对三峡水库汛末蓄水影响的初步 分析 J 水 文，2 0 1 2 ，3 2 ( 1 ) ： 3 2 3 8 3 李 琼芳 ，白雪 ，陆国宾 ，等 峡水 库不 同蓄水方 案对于下游 生态径流的影响 J 水力发电学报 ，2 0 1 1 ，3 0 ( 4 ) ： 1 2 4 1 2 8 4 刘 攀 ，郭生练 ，王才君 ，等 峡水库动态 汛限水 位 与蓄水 时 机选定的优化设 计 J 水利学报 ，2 0 0 4 ，3 6 ( 7 ) ： 8 6 9 1 f 5 刘志武 ，张继顺 ，鲍正风 三峡 水库蓄水 方式的优 化设计研 究 J 水力 发电，2 0 0 9 ，3 5 ( 1 2 ) ： 6 1 6 3 6 刘 心愿 ，郭生 练 ，等 考虑综合 利用要求 的 峡水 库提前 蓄水 方案 J 水科学进 展，2 0 0 9 ，2 0 ( 6 ) ： 8 5 1 - 8 5 6 a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e s J Ma t e ri a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 6 ， 2 9( 5 ) ： 2 3 3 2 4 0 3 赖建 中，孙伟 ，焦楚杰 ，等 生态型 R P C材料 的动态 力学性能 J 工业建筑 ，2 0 0 4，3 4( 1 2) ： 6 3 6 6 4 何雁斌 活性粉末混凝t ( R P C ) 的配制技术 与力学性能试验研究 D 福州：福 州大学 ，2 0 0 3 5 张 阐尹 碎 石活性粉末混 凝土断 裂性 能试验 研究 D 北京 ：北 京交通大学 2 0 1 0 6 赵艳 红 混凝土 断裂过程 中的能量分 析 D 大连 ：大连理 _ 大 学 2 0 0 2 ( 责 任编 辑王 琪 ) 7 E B E RH A R T R C ，K EN N E D Y J A n e w o p t i mi z e r u s i n g p a r t i c l e s w a F IT I t h e o l7 C P r o c e e d i n g s o f t h e S i x t h I n t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m o n Mi c r o ma c h i n e a n d Hu ma n S c i e n c e ， J a p a n ，1 9 9 5 ： 3 9 4 3 8 K E N N E D Y J ， E B E R HA R T R C P a rt i c l e s w a l 3 1 1 o p t i m i z a t i o n C P r o c e e d i n g s o f I EE E I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Ne u r a l Ne t wo r k s ， NJ ，1 9 9 5 ：1 9 4 2 1 9 48 9 Y A N J i a n g ， HU T ， HU A N G C h o n g c h a o ， e t a 1 A n i m p r o v e d p a rt i c l e s w a m3 o p t i mi z a t i o n a l g o r i t h m J A p p l i e d Ma t h e m a t i c s a n d C o m p u t i o n 2 0 0 7 1 9 3 ：1 9 4 2 一l 9 4 8 ( 责 任编 辑 陈 萍) 水电工程枢 纽布置 出版发行 由陈道周编著 、中国水电工程 顾问集团资助的 水电工程枢纽布置在作者 9 0高 龄前 夕由中国水利水 电出版社 出版发行。 该书分 十章 ：枢纽 布置工 作依 据 ，枢纽布置 中的地质 因素 ，水 电工程枢纽布置 ，抽水 蓄能电站布置 ，水电站建筑物 ，泄洪消能 建筑物 ，水库泥 沙处 理和排沙建筑 物 ，通航 、过木 、过 鱼和排漂建筑物 ，水电工程 的补 强加 固和扩建改造 ，施工导流 二 程等 ， 作者结合典型工程实例 ，深刻阐述枢纽 总体设计 中的关键因素。书稿 案例翔实 ，图文并茂 ，全书约 3 O万字 。 水 电工程枢纽布 置是 水电工程建设 的蓝图 ，也是前期工作成果 的集 中体现 ，涉及工程选址 、选 型 、建筑物布置 、施工方 案 以及运行方式 ，是影响水 电工程建设前期工作 中最具挑 战性 的问题 之一。作者退休以来 ，有感于 国内外有关枢纽布置工作 的参 考 文献 较少 ，在广泛收集资料并根据历年积 累的国内外工程案列 ，结合 自身工作 经验体会 ，着手撰写本书 ，试 图提供有 关方 面 工作参考 。 本 书收集 了国内外近百个 程的枢 纽布置 ，对典型案例了进行分析和点评 ，论述 内容丰 富，归纳总结精炼 ，具有独到 见地 ， 是 十分难得的关于水 电站枢纽布置 的专业文献 。编撰 中作 者不 辞辛苦 ，反复推敲 ，数易其稿 ，务求反映客观情况 ，以冀 有助于 水 电建设规划设计施工运行人士加深水 电工程认识 、吸取 实践 经验教训 、开拓设计思路 、提高运行管理水平 ，减少工程建设和 运行失误 ，促进水 电建设事业健康发展。 陈道周 1 9 4 6年毕业于上海交 通大学土木系毕业 ，数十年从事国内水 电工程 的勘测设计 ，曾主持古 田溪一级 、上犹江 、刘 家 峡和三 门峡工程改建等工程设计 ，参加 葛洲 坝 、二滩 、天生桥二级 、百色 、广州抽水蓄能 、东风 、羊卓雍 湖 、龙羊峡等工程 选 址和设计咨询 、审查和 j _ 峡 工程论证 及其技 术设 计审查 ，先后赴美国 、埃及 、瑞士 、日本 、奥地利等 国考 察境 外水电站建设 经 验 。历任水 电部北京勘测设计 院 、水利 水电规划设计 总院等单位副总工程师 ，中国水力发 电工程学会水 工及水电站建筑物专 业 委员会第一届 、第二届副 主任 委员 ，亚 洲开发银行注册专家 ，中 国国际工程咨询公 司和 中国水 电工程 顾问集团公司 、水 电水 利 规划设计总院咨询专家 ，享受政府特殊津贴 。 ( 杨泽艳 ) 四W a r e r P o w e r V o 4 D N o 5