聚丙烯纤维混凝土力学特性及在异形柱结构中的应用.pdf

2 0 1 0年 第 4 期 (总 第 2 4 6 期 ) N u mb e r 4i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 4 6) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM n I CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 0 0 4 0 2 6 聚丙烯纤维混凝土力学特性及在异形柱结构中的应用 张学辉 ，路南飞 ( 河北科技大学 建筑工程学 院，河北 石家庄 0 5 0 0 1 8 ) 摘要 ： 对 目 前聚丙烯纤维混凝土力学特性和作用机理等方面的研究成果进行归纳总结， 肯定了聚丙烯纤维混凝土的增强机理， 将其浇 筑于异形柱框架柱脚及节点核心区等抗震薄弱部位并进行对比试验分析， 研究表明应用聚丙烯纤维混凝土可以显著改善异形柱结构的破 坏形态 ， 并能有效提 高异形柱结构 的整体承载能力 。 关键词 ： 聚丙烯纤维 ；混凝土 ；力学特性 ；异形柱 中图分类 号： T U5 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 0) 0 4 0 0 7 9 0 4 Me ch ani c a l pr op er t i e s o f pol ypr op yI e ne f i be r c onc r e t e a nd appl i c a t i o n i n s t r uc t ur e wi t h s pe c i al l y s ha pe d c ol u m n ZHANG Xu e h u i ， LU Na n f e ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， He b e i Un i v e r s i t yo f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y， S h i a z h u a n g0 5 0 0 1 8 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e r e s e a r c h r e s u l t s a t p r e s e n t wi t h me c ha n i c a l p r o pe rti e s a n d a c t i o n me c h a n i s m e t c o f p o l y p r o p y l e n e fib e r c o n c r e t e we r e s u mma fiz e d， t h e e n h a n c e me n t me c h a ni s m o ft h i s ki n d c o n c r e t e wa s a ffi r m e dTh e p o l y p r o p y l e n e fi b e r c o n c r e t e wa s p o u r e d i n t o t h e we a k p a r t a s c o l u mns b o t t o m a n d j o i n t s c o r e o f fl a me wi t h s p e c i a l l y s h a p e d c o l u mn s ， and the f r a me wa s e x p e ri me n t e d u n d e r l o w fr e q u e n c y c y c l i c l o a d i n g ， a l s o c o m p a r e d wi t h t h e f r a m e p o u r e d o r dina r y c o n r e t e I t i s s h o wn tha t p o u tin g the p o l y p r o p y l e n e fib e r c o n c r e t e i n t o t h e we a k p a r t of t h e fr a me c o ul d i m p r o v ethed a m a g ef o rm o f t h e s t r u c t u r ewi th s p e c i a l l y s h a p e d c o l u mns ， a n d e nh a n c et h ewh o l eb e a r i n g c a p a c i t yo ft h e s t r u c t u r e Ke y w o r ds ： p o l y p r o p y l e ne fib e r ； c o nc r e t e ； me c h an i c a l p r o pe rti e s ； s p e c i a l l y s h a p e d c o l u mn 0 引言 混凝土材料在近二百年来有了突飞猛进的发展， 但由于混 凝土材料本身抗拉强度低 、 韧性差等固有缺点依然限制其优势 的发挥， 为克服混凝土的弱点， 人们一直致力于混凝土的改性 研究 ， 采用纤维增强混凝土则是一种重要的解决途径 l I。 聚丙烯 纤 维混凝 土是一种掺 人少量短 切聚丙烯 纤维来增 强或改 善混 凝土某些性能的复合材料。由于掺入聚丙烯纤维改善了混凝土 的品质， 使混凝土的综合使用性能得到提高， 美国联邦公路战 略计划( S H R P ) 通过大量试验研究和工程经验总结后认为可将 聚丙烯纤维等有机纤维增强混凝土当作路面高性能混凝土的 一 种。国内对聚丙烯纤维混凝土力学特性、 作用机理及在工程领 域的应用等方面进行了大量研究， 取得了丰富的研究成果 2 - 6 。 研究表明， 高轴压比高地震作用下钢筋混凝土异形柱底层柱脚 及部分节点混凝土易过早开裂破坏， 成为异形柱结构的薄弱部 位， 限制了异形柱结构的楼层高度， 不利于该结构的推广应用。 本文在 阐述 聚丙烯 纤维混凝土力学性能和 阻裂原理 的基础上 ， 将聚丙烯纤维混凝土浇筑于异形柱框架柱脚及节点核心区等 抗震薄弱部位 ， 并与普通异形柱框架进行低周反复荷载对 比试 验， 研究聚丙烯纤维混凝土对异形柱框架抗震性能的影响。 1 聚 丙烯纤维 聚丙烯纤维是一种以聚丙烯为主要原料 ， 以独特生产工艺 收稿 日期 ：2 0 0 9 1 1 6 基金项 目：国家 自然科学基金项 目( 5 0 8 7 8 1 4 1 ) 制造而成的高强度束状单丝纤维， 它是无毒无害的安全材料， 符 合当今社会高科技材料洁净环保要求。聚丙烯纤维的物理性能 如表 1 所示 。 表 1 聚丙烯纤维的物理性能表 2 聚 丙烯 纤维混凝 土性 能 2 1 改善混凝土力学性能 研究表明， 聚丙烯纤维混凝土与素混凝土相比， 随着纤维体 积率的增加( 0 - 1 1 ) ， 纤维混凝土的抗压强度变化很小， 抗折强 度则提高了 1 2 2 6 。虽然不同的试验方法得出的纤维混凝土 改善韧性的程度有所差异， 但总的结论都是能较大地增强混凝土 的抗冲击性和柔韧性。圣荷西大学的试验表明， 纤维混凝土抗冲 击能力可提高一倍 ， 柔韧性比普通混凝土大约提高 4 0 ， 抗疲劳 性能增加三倍。L a n n i n g介绍， 根据已进行的许多试验综合得出 结果 ： 纤维混凝土按开裂后整体 - 的韧性指标 ( AS T M 方法 ) 可提高 1 5 ， 抗冲击力增加 1 0 5 0 0 S o r o u s h i a n等人用破坏圆 柱试样的落锤次数表示抗冲击性， 含量 0 1 的聚丙烯纤维混凝土 79 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 是对照素混凝土的2 9倍。 按照 AS T M C1 0 1 8进行的试验表明， 纤维达0 5 体积含量时， 残余强度系数可达到与钢纤维含量为 2 0 k g m 的水平相当。 有试验表明， 素混凝土压裂后马上完全破 碎 ， 而纤维混凝土在承受超 出 1 0 的压力后仍不碎裂 ， 这对受地 震破坏 的建筑结构中人员和财产安 全有很大意义。 2 2 减少混凝土塑性收缩裂缝 聚丙烯纤维抑制了混凝土的塑性收缩龟裂 ， 提高了建筑物 的整体性 、 耐久性和使用寿命 ， 美国许多研究部门对此作了试 验研究。美国加州圣荷西大学试验结果表明， 纤维对混凝土龟 裂程度的控制效果， 比普通混凝土高出9 0 o 1 0 0 。美国P a r d o n 与 Z o l l o等人分析了混凝土塑性收缩的性质，用模拟体积变化 的平面试样代替 AS T M沿用的只能反映线收缩的试样来做试 验， 结果证明， 加人体积含量 0 1 聚丙烯纤维的砂浆和混凝土， 裂缝面积比对照试样分别减少 8 7 和 8 2 ， 砂浆收缩量比对照 减少 3 2 - 4 0 ， 混凝土试样收缩量有一组比对照减少 4 8 ， 另 一 种则与对照相同。同济大学混凝土材料研究国家重点实验室 的测试表明，聚丙烯纤维含量为 0 0 5 和0 1 5 的砂浆于缩裂 缝加权宽度分别为对照试样 的 6 3 5 和 3 7 3 。李光伟研究表 明， 与普通混凝土相比， 掺加 0 6 、 0 9 k g m， 和 1 2 k g ms 纤维时， 收缩变形分别减少 7 、 1 1 和 1 8 。从一些资料看 ， 试验方法 对结论有较大影响， 如美国伊文斯敦西北大学的 G r y b o ws k y等 人采用环型试样进行的试验得出了掺量 0 1 的聚丙烯纤维对 减少混凝土塑性收缩量及开裂宽度效果不显著的结论 。大量工 程实践也表明， 使用聚丙烯纤维对减少混凝土塑性收缩和防止 开裂作用十分明显 。 2 3 提 高混凝 土抗渗性 圣荷西大学试验表明含量 0 , 5 k g m 的纤维网混凝土渗水 性减少3 3 4 4 ， 而含量 1 k g m 的纤维混凝土则可减少 7 9 n 。 南京水利科学研究院进行的抗渗试验表明， 掺聚丙烯纤维的混 凝土水灰比虽比普通混凝土大， 但最终加压到 2 1 MP a时， 其掺 水高度比普通混凝土减少 1 6 - 4 9 ， 可见其抗渗能力优于普通混 凝土嘲 。同济大学 昆 凝土材料研究国家重点实验室的试验得出， 纤维含量 O 8 k g m ， 的混凝土抗渗强度等级从素混凝土的 S 1 0 提高到 S 1 4 ， 体积含量 O 0 5 的纤维砂浆， 抗渗压力提高 2 5 。 纤维混凝土抗渗性好对防止和延缓渗水、 潮湿气体和氯化物等 有害介质对混凝土的侵蚀和对受力钢筋的防锈蚀起了良好作 用， 可延长建筑物的使用寿命。 2 4 提 高混凝土抗冲磨性 在混凝 土中掺入一定量 的聚丙烯纤维可 以提 高混凝土 的 抗冲磨强度。根据挪威政府公路实验室的模拟抗磨损试验， 加 入纤维的混凝土， 抗磨损能力提高 5 2 ， 并减少材料损耗3 4 4 。 当聚丙烯纤维的掺入量为0 6 k g m， 时， 混凝土的抗冲磨强度可 提高 3 7 4 0 。纤维体积掺入量为 0 1 、 0 2 时， 混凝土的耐 磨性能较对照试样提高了2 0 、 2 5 。Mi n d e s s 等研究表明， 当 聚丙烯纤维掺量为 0 6 、 0 9 k g m 和 1 2 k g m 时， 与水泥用量相 同的普通高强度混凝土相比， 抗冲磨强度分别提高了 3 3 、 4 9 和 5 8 。许多工程实践也证明， 聚丙烯纤维混凝土有较好的抗 磨损性能。 3 聚丙烯纤维混凝土作用机理 R o m u a l d i 和 B e t s o n 1 9 6 3年提出了纤维间距理论 ： a = ( S 一 1 ) 。 。 ( 1 ) 8 0 式中： 广一纤维混凝土抗拉强度； If 一基本混凝土抗拉强度； 试验常数； JS 纤维间距。 因此纤维增强主要取决于纤维间距。理论分析与试验表 明， 当s 小于 7 6 mm时， 聚丙烯纤维混凝土抗拉、 抗弯、 阻裂强 度均有提高。 在混凝土中加入一定量的聚丙烯纤维， 可降低微裂缝尖端 的应力集中， 防止裂缝扩展并防止产生连通裂缝。 图 1 纤维的阻裂作用 由图 1 可知， 一旦裂缝产生， 前端与纤维交叉使引起裂缝 的拉应力得以削弱或消除， 由于聚丙烯纤维在混凝土中呈现三 维乱向分布， 可有效抑制裂缝产生， 使大于 0 5 r n lT l 的裂缝大大 减小 ， 从 而达到阻裂 目的。 4 聚丙烯纤维增强异形柱框架 对两榀异形柱框架， 其中一榀框架一二层柱脚和节点核心 区浇筑聚丙烯纤维混凝土( Yx K J l a ) 以增强其抗震能力 ， 另外 一 榀未浇筑纤维混凝土( Y XK J 1 ) ， 对二者进行了同条件下的 低周反复荷载试验。框架模型试验加载装置如图2所示。 加 力架 横梁 图 2 框架试验加载装置 4 1 破坏特征 Y XK J 1 破坏时， 一层柱底混凝土破坏极为严重， 腹板处混 凝土均大面积压溃剥落， 柱纵筋外露， 二层框架柱也有裂缝出现； Y X KJ 1 a 破坏时一层柱底与 Y X K J 1 相 比， 混凝土破坏程度明 显改善 ， 其中 A轴柱底破坏较轻 ， 柱底腹板处水平裂缝 开展很 少 ， 宽度 较小 ， 混凝 土未出现破 坏 ， 柱底翼缘 内未发 现裂缝 ， B 轴柱底腹板内水平裂缝分布较少， 左右两侧腹板内均有一条明 显的竖向裂缝， 宽度较大， 破坏较严重， 但未发生混凝土压溃剥 落现象， B轴柱底翼缘内未见明显裂缝出现， C轴柱底破坏现象 与 B轴类似， 水平裂缝较少 ， 腹板内也有一条明显的竖向裂缝， 且此处混凝土已完全破坏， 随时会剥落， c轴柱底翼缘内也未见 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 明显裂缝出现 ， 而框架二层柱底除 B轴腹板内出现一条水平裂 缝外， 其他轴柱底未见裂缝H 现。图3为Y XK J 一 1 和YX K J l a C 轴一层柱底破坏照片。 1) l YXK J 一1 a 图 3 YX K J 一 1和 Y XK J 一 1 a C轴 一层柱 底破坏 照片 YX K J 一 1 一二层节点腹板内均有不同程度的破坏，混凝土 开裂较为严重 ， m现多个 x形交叉斜裂缝 ， 但节点翼缘内混凝 土未出现裂缝； YX KJ 一 1 a 节点内裂缝基本是在试验后期出现 ， 一 二层节点内仅 A轴一层边节点、 B轴一二层中节点腹板内 现几条斜裂缝， 且直至加载结束， 这些节点裂缝始终保持不变， 未见再继续发展， 而同层其余节点内未见斜裂缝出现。图 4为 Y X K J 一 1 和 YX K J l a B轴一层节点 破坏照片。 通过对 比两榀框架的破坏特征可 以看 出： 当异形柱框架 底层柱脚及一二层节点等薄弱部位应用聚丙烯纤维增强后 ， ( a ) YXKJ 一1 ( b ) Y XKJ 一1 a 图4 Y X K O 一 1 和 Y X K J 一 1 a B轴一层节点破坏照片 其受力性质明显改变 ， 框架梁首先破坏 ， 且最终破坏程度与框 架柱相比更为严重 ；底层框架柱与普通异形柱框架相 比破坏 明显减轻， 克服了普通异形柱框架底层柱脚薄弱的不利现象 ； 应用聚丙烯纤维增强的异形柱节点在整个试验过程中表现出 良好的抗震特性 ， 未发生破坏现象。可见， 从框架最终破坏特 征的角度来看，聚丙烯纤维对改善异形柱薄弱部位的抗震能 力 ， 提高异形柱结构的抗震性能具有很好的效果 ， 得到增强的 异形柱框架结构完全符合抗震规范规定的“ 强柱弱粱， 更强节 点 ” 的要求 。 4 2 承载能力、 变形能力 两榀框架的开裂荷载、 屈服荷载、 极限荷载 、 开裂位移、 屈 服位移、 极限位移、 破坏位移及位移延性系数见表 2 。 表 2 两榀框 架的承载 力、 位移 及延性 系数 承载能力和延性是工程结构抗震中的重要指标 。由表 2 可见 ， Y X KJ 一 1 a的各项承 载能力均远 大于 Y X K J 1 ，造成 这种 现象 的原 因有两点 ： 一是 材料 因素 ， YX KJ 一 1 a实际所用 的混凝 土强度比YX KJ 一 1混凝土强度高 7 7 MP a ， 但其钢筋实际拉伸 强度总体上略低于 YX K J 一 1的钢筋强度， 所以材料是结构承载 能力提高的一个因素 ， 但并不是主要因素 ； 二是由于异形柱薄 弱部位浇筑了聚丙烯纤维t 昆 凝土， 改善了结构的受力性质 ， 使 底层柱脚 、 一二层节点这些原本薄弱， 但对结构承载能力起关 键作用的部位得 到加强 ， 在整个受力过程巾这些部位破坏较 晚 ， 破坏程度较轻或者不发生破坏 ，从而可以很大程度上提高结 构的承载能力。表中两榀框架的各项位移值相差不大， 应用聚 丙烯 纤维加 强 的异 形柱框架 变形能 力略有提 高 。YX K J l a 试 验结束时， 正向承载力并没有显著降低 ， 但由于此时变形已经 很大 ， 框架梁破坏严重 ， 为安全考虑 ， 正向荷载未加至下降到 极 限荷载 的 8 5 而结束 了试 验 ， 所 以虽 然 YX K J 1 a的位 移延 性系数略小于 YX KJ 一 1的位移延性系数， 但 YX KJ l a的延性不 会低 于 Y XK J 一 1的延性 。 5结论 通过 阐述 聚丙烯纤维混凝 土的力学 特性及阻裂机理 ， 并将 聚丙烯纤维混凝土应用于钢筋混凝土异形柱框架薄弱部位 ， 得 出以下 主要结论 ： ( 1 ) 聚丙烯纤维混凝土可以改善普通混凝土的多项力学性 能， 弥补普通混凝土的部分缺陷， 具有广泛的应用前景。 8】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 2 ) 将聚丙烯纤维混凝土应用于混凝土异形柱框架底层柱 脚和节点核心区等抗震薄弱部位后， 可以显著改善普通异形柱 框架柱脚及节点核心区混凝土的破坏特征， 提高异形柱框架整 体抗震能力。 ( 3 ) 采用聚丙烯纤维增强后的异形柱承载能力远大于普通异 形柱， 这是由于柱、 节点往往是结构承载能力的关键部位， 而普通 异形柱一层柱底、 一二层节点易发生过早破坏， 从而使结构过早的 丧失继续承受荷载的能力， 聚丙烯纤维可以保证异形柱的这些 关键部位不发生过早破坏， 从而有效地提高结构的承载能力。 参考文献 ： 1黄承逵 纤维混凝土结构【 M 】 E 京 ： 机械工业出版社， 2 0 0 4 【 2 孙海燕， 龚爱民， 彭玉林 聚丙烯纤维混凝土性能试验研究阴 云南农 业大学学报， 2 0 0 7 ， 2 2 ( 1 ) ： 1 5 5 1 5 8 【 3 】 王艳云， 邢海峰， 唐艳娟 改性聚丙烯纤维混凝土力学性能的试验研 究【J J 石河子大学学报， 2 0 0 6 ， 2 4 ( 6 ) ： 7 5 5 7 5 7 上接第 4页 3 理论 结果和试验 结果 的对 比 根据式( 3 ) 和式( 4 ) 所确定的强度为 1 1 9 MP a 及 9 5MP a混 凝土的本构关系及相应的损伤函数表达式如下： 强度为 1 1 9 MP a ： ( r ( e ) = 4 0 x e x f 1 -z a r c t a n ( ( 7 3 3 1 8 x 1 0 ) x e 他 ) 1 ( 1 0 ) ， D ( e ) = a r c t a n ( ( 7 3 3 1 8 x 1 0 ) x 6 0 2 。 ) ( 1 1 ) 1 T 强度为 9 5MP a ： 0 r ( s ) = 4 0 x e x f I -z a r c t a n ( ( 3 9 6 3 l x l 0 ) s 。 ) 1 ( 1 2 ) 、 1T D ( e ) = a r c t a n ( ( 3 9 6 3 1 x 1 0 - 5 ) x e 4 7 o 5 8 ) ( 1 3 ) 丌 根据式( 1 1 ) 所得的强度为 1 1 9 d _ P a的混凝土的理论损伤 图像和试验图像对比见图4 ， 根据式( 1 2 ) 所得的强度为 9 5 MP a 的混凝土理论应力应变曲线和试验图像的对比见图 5 。经过和 试验图像的对比表明， 本文建立的损伤函数能够较好的模拟混 凝土的损伤演化 ， 并且本文建立的损伤本构关系和试验所得的 应力应变曲线吻合较好。从而为高强高性能混凝土随机损伤本 构关系的研究建立了一定的基础。 1 0 0 8 盆o 6 0 2 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 40 4 5 应 变 s 1 0 图 4 1 1 9 MP a混凝土实验 图像和理论结果图像对比 4结 论 通过提出一种新的损伤函数来模拟混凝土的应力应变关 系曲线 ， 从而得到由该函数表达的高强高性能混凝土的损伤本 82 4 徐礼华， 夏冬桃， 夏广政钢纤维和聚丙烯纤维对高强混凝土强度的 影响 J 武汉理工大学学报， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 4 ) ： 5 8 6 0 ， 9 8 5 】 陈良， 刘仍光， 刘坚勇聚丙烯纤维混凝土的性能和国内外应用【 J J 青 岛理工大学学报， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 2 ) ： 2 7 3 0 6 王禄超， 盛松涛 聚丙烯纤维混凝土及其有关问题探讨【 J 】 四川建筑 科学研究， 2 0 0 6 , 3 2 ( 1 ) ： 1 3 1 1 3 3 7 】S HE N R o n g - x i ， e t a 1 C r a c k - a r r e s t i n g e ff e c t o f p o l y p r o p y l e n e mo n o fi l a - me n t fi b e r a t s ma l l d o s a g e i n c o n c r e t e C P r o c e e d i n g s o f t h e I n t e r n a - t io n a l Co n f e r e n c e o n F i b e r Re i n f o r c e d Co n c r e t e Ed i t e d b y s h i e n L i e t c Gu a n g z h o u， 1 9 9 7： 3 6 55 8 】 卢安琪， 祝烨然， 李克亮， 等 聚丙烯纤维混凝土试验研究啪水利水 运工程学报， 2 0 0 2 ( 1 2 ) ： 1 4 1 9 作者简介 ： 单位地 址 ： 联 系电话 ： 张学辉( 1 9 8 0 一 ) ， 男。 博士 ， 讲师。 河北省石家庄市裕华区裕华东路 7 0 号 河北科技大学建 筑工程学院( 0 5 0 0 1 8 ) 1 5 2 3 0 8 3 5 8 2 9 1 0 0 8 0 日 6 0 山 盏 b 4 0 2 0 0 l 0 0 0 20 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 L L s 图 5 9 5 MP a混凝土的受压应力应变 曲线 构关系， 并对该损伤函数以及由该损伤函数表示的应力应变关 系进行了数值模拟， 并给出了其图像， 与试验所得到的损伤变 量拟合曲线和应力应变关系曲线进行对比， 结果表明本文提出 的损伤函数能够较好的模拟高强高性能混凝土的损伤本构关 系， 为今后的高强高性能混凝土的随机损伤本构关系的研究建 立了一定的基础 。 参考文献 ： 【 1 车顺利 适用于型钢混凝土的高强高性能混凝土及其损伤本构关系 研究【 D 西安 ： 西安建筑科技大学， 2 0 0 6 2 】李海涛 ， 邓樱 M A T L A B程序设计教程【 M 】 - 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