粗聚烯烃纤维混凝土圆板弯曲韧性和表征方法.pdf

第 1 8卷第 1 期 2 0 1 5年 2月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG MATERI ALS V01 ．1 8， N0． 1 Fe b ．， 2 0 1 5 文 童 编 号 ： 1 0 O 7 — 9 6 2 9 ( 2 0 1 5 ) O 1 — 0 0 0 7 — 0 6 粗聚烯 烃纤维混凝土 圆板弯 曲韧性和表征方法 邓 宗才 ， 曲玖龄 刘 国平。 ， 施 慧聪 ( 1 ． 北京工业大学 城市与重大工程安全减灾省部共建重点实验室 ， 2 ． 上海罗洋新材料科技有限公司 ， 上海 2 0 0 1 2 0 ) 2 北 京 1 0 0 1 2 4 ； 摘 要 ：通过 圆板 试件 研 究 了新型 粗 聚烯烃 纤 维混凝 土 的 弯曲韧 性 ， 探 讨 了纤 维掺 量 、 纤 维长 度和 基 体 强度 等 对 圆板 能 量吸 收值 的影 响规 律． 试验发 现 ： 纤维掺 量与 圆板 能量 吸 收值 成 正 比 ； 纤 维 长度 介 于 3 8 ～ 6 0 mm 时 ， 圆板 能量吸 收值 随 纤维 长度 增 加 而 增 大 ， 当纤 维长 度≥ 4 8 mm 时 ， 其 荷 载一 挠 度 曲线 下 降段 出现应 变强化特 征 ， 荷 载有 2次峰 值． 分 析 了美 国 AS TM C 1 5 5 0在评 价 韧 性 方 面存 在的问题 ， 提 出了以圆板初裂挠度为初始参考挠度 ， 基于能量 比值法的韧性指标评 定方法， 该方法 可表征粗纤维对混凝土板初裂后韧性的贡献 ， 并可直接与理想弹塑性材料的韧性指标进行比较． 关 键词 ：粗聚 烯 烃 纤维 ；弯曲韧性 ；圆板 ； 韧 性 指标 ；能量 吸收 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 5 ． 0 1 ． 0 0 2 Fl e x u r a l To u g h ne s s a nd I t s Cha r a c t e r i z a t i o n o f a Ne w Ki nd o f M a c r o - p o l y o l e f i n Fi b e r Re i n f o r c e d Co n c r e t e Pl a t e DENG Z o n g c a i ， QuJ i u l i n g ， LI UGu o pi n g。 ， SHI Hu i c o n g。 ( 1 ． Ke y La b o r a t o r y o f Ur b a n S e c u r i t y a n d Di s a s t e r En g i n e e r i n g，Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n，B e i j i n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y， B e i j i n g 1 0 0 1 2 4，Ch i n a ；2 ． S h a n g h a i Ro y a n g I n n o v a t i v e Ma t e r i a l Te c h n o l o g i e s Co ．，Lt d ．，S h a n g h a i 2 0 0 1 2 0，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：I n o r d e r t O e x a mi n e t h e t o u g h n e s s o f c o n c r e t e c i r c u l a r p l a t e s r e i n f o r c e d wi t h a n e w t y p e o f ma c r o - p o l y — o l e f i n f i b e r ，a c i r c u l a r p l a t e t e s t wa s p e r f o r me d a n d t h e e f f e c t s o f f i b e r u s e l e v e l ，f i b e r l e n g t h a n d t h e ma t r i x s t r e n g t h o n t h e f l e x u r a l t o u g h n e s s ，e n e r g y a b s o r p t i o n v a l u e we r e i n v e s t i g a t e d ．Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e a b — s o r p t i o n e n e r g y v a l u e i s p r o p o r t i o n a l t O f i b e r u s e l e v e l ；wh e n f i b e r l e n g t h i s b e t we e n 3 8 t o 6 O mi l l ，t h e a b s o r p t i o n e n e r g y v a l u e i n c r e a s e s wi t h i n c r e a s i n g f i b e r l e n g t h ．Wh e n t h e f i b e r l e n g t h i s g r e a t e r t h a n o r e q u a l t o 4 8 mm ， i n t h e d e s c e n d i n g s t a g e s o n t h e l o a d - d e f l e c t i o n c u r v e s t r a i n h a r d e n i n g b e h a v i o r a p p e a r s wi t h t WO p e a k l o a d s ．Th e p r o b — l e ms wi t h e v a l u a t i n g t h e fl e x u r a l t o u g h n e s s u s i n g AS TM C1 5 5 0 we r e a n a l y z e d b a s e d o n t h e e n e r g y r a t i o me t h o d ， a n d a n e w t o u g h n e s s e v a l u a t i n g me t h o d wa s p r o p o s e d ．Th i s n e w me t h o d ，t a k i n g t h e fi r s t - c r a c k d e fl e c t i o n a s t h e i n i t i a 1 r e f e r e n c e d e fl e c t i o n 。c a n b e u s e d t o c h a r a c t e r i z e t h e c o n t r i b u t i o n o f ma c r o - p o l y o l e f i n f i b e r t o t h e fl e x u r a l t o u g hn e s s a f t e r i n i t i a l c r a c k，a n d c a n d i r e c t l y u s e d t O c o mp a r e t h e t o u g h n e s s i n d e x wi t h p e r f e c t e l a s t o p l a s t i c ma t e r i a 1 ． Ke y wo r d s：ma c r o — p o l y o l e f i n f i b e r ； f l e xu r a l t ou gh ne s s；c i r c ul a r pl a t e； f l e xu r a l t ou gh ne s s i n de x；a bs o r p — t i o n o f e n e r g y 普通 混凝 土 容 易 开 裂 并 发 生脆 性 破 坏 ， 而乱 向 分布于混凝土 中的高性能纤维对裂缝扩展具有 良好 的抑 制 作 用 ， 可 显 著 改 善 混 凝 土 的 裂 后 性 能 和 韧 性 ． 韧性指标定量表征了纤维混凝土材料 、 构件或 结构在出现裂缝后 的带裂缝工作能力 、 纤维阻裂能 力、 能量吸收能力或结构整体变形能力等 ． 本文 试验 研究 了新 型粗 聚烯 烃纤 维混 凝土 圆板 试件 的弯 曲韧性 ， 测定 了其荷载一 挠度全 曲线 ， 分析 收稿 日期 ： 2 0 1 3 — 0 7 - 2 6 I修 订 日期 ： 2 0 1 3 — 1 0 — 2 3 基金项 目： 国家 自然科 学基金资助项 目( 5 1 3 7 8 0 3 2 ) } 北京 自然科 学基金 资助项 目( 8 1 4 2 0 0 5 ) 第一 作者 ： 邓宗才( 1 9 6 l ～ ) ， 男 ， 陕西扶风人 ， 北 京工业 大学教授 ， 博士生 导师， 博士． E — ma i l ： d e n g z c @b j u t ． e d u ． c n 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 建筑材料学报 第 l 8卷 裹 3圆板试件的初裂挠度、 蜂值挠度及对 应的荷载、 能量 吸收值 Ta ble 3 De fle c t i o n。lo a d，a b s o r p t i o n o f e n e r g y a t fir s t c r a c k a n d p e a k f o r s p e c i me n s wi t h p o l y o le f i n f i b e r 由图 2可见 ， 每条荷载一 挠度全曲线在峰值挠度 前基本重合 ， 且初裂挠度与峰值挠度很接近． 由表 3 并结合表 2可知 ： ( 1 ) 基体强度一定时 ， 纤维掺量、 纤 维长度对试件初裂挠度、 初裂荷载和初裂 时的能量 吸收 值影 响很 小 ， F C 3 0系列 试件 初 裂时 的能 量 吸收 均值为 1 6 ． 7 J ， 标准差为 1 ． 3 1 J ； F C 4 0系列试件初裂 时 的 能 量 吸 收 均 值 为 2 3 ． 8 8 J ， 标 准 差 为 2 ． 1 J ． ( 2 ) 板开裂后纤维掺量和纤维长度对 能量吸收值的 影响 程度 随着 挠度增 加 而逐渐增大 ， 在挠 度为 4 0 I T t m 时 F C 3 O系列试 件 比素混 凝 土试 件 C 3 0的能 量 吸收 值增 加 3 1 ． 4 ～ 4 7 6 ． 5 J ， 提 高 7 6 ． 6 ～ 1 1 6 2 ． 2 ； F C 4 0系列试件 比素 混凝土试 件 C 4 0的能量 吸收 值增 加 3 7 ． 2 ～ 5 7 2 ． 5 J ， 提 高 8 8 ． 6 9 ， 6 ～ 1 3 6 3 ． 1 ％． 可 见 ， 纤 维混 凝 土 板 开 裂 后 ， 主 要 通 过 裂 缝 处 纤 维 拉拔 做功而消耗能量 ， 纤维长 度、 纤维掺 量是影响 其裂后耗能能力的主要 因素． 因此 ， 本 文 采 用 粗 聚 烯 烃 纤 维 混 凝 土 初 裂 挠 度 作为圆板试件荷 载一 挠度 全曲线上 的初始参 考变形 ， 以衡量纤 维对试件裂后耗能 能力的贡献． 基 于能 量 吸 收 的 韧 性 指 标 定 义 为 ： ( 1 ) 给 定 挠 度 缄 下纤维的韧性贡献 △ E E 一B ， 其 中 为该挠度变形所对应的荷载一 挠度全 曲线下 面积 ； E 为初裂挠度对应的面积 ； ( 2 ) 给定挠度 ” 下 的 韧 性 指标 T 2 ( ( ) 为 ： T2 ~ 1 ) ( 咒 )一 下A En ~ p： ( 2 ) ( 咒 )一 下： — ( 2 ) B p L p 式 中： n为计算韧性指标时所取 的纤 维混凝 土初裂 挠度 。 的倍数． 显然 ， 当 一1时 T ( ) 一0 ， 表 示 素混 凝土 开裂 后 的韧性 指标 为零 ． 对 于 理 想 弹 塑 性 材 料 7 ] ， 韧 性 指 标 T 2 - ( ) 满足 ： ( 一1 )( )一 2 ( 一 1 )， 一 5， 6 ， 7， ⋯ ( 3 ) 本文定义的韧性指标 T 2 一 ( n ) 直观和定量地 表征 了粗纤维混凝土相 比理 想弹塑性材料韧 性 的 改 善程 度 ． 表 4列 出 了给 定 挠 度 ( 一5 ， 1 0 ， 1 5 ， 2 0， 2 5 ) 时按式( 2 ) 计算 的各试件韧性 指标值 ， 并 与 按式( 3 ) 计算的理 想 弹塑性 材料 的韧 性指标 进行 了对 比． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 邓 宗才 ， 等 ： 粗聚烯烃纤维混凝土 圆板 弯曲韧性和表征方法 袭 4粗聚 烯烃纤维 混凝 土圆板试 件的裂后韧性 指标 t J ( n) T a b l e 4 T o u g h n e s s i n d e x孔( a -- t l ( n )f o r c o n c r e t e s p e c i me n s wi t h p o l y o l e fin f i b e r 2 ． 4 ． 1 纤维 长度 对 裂后 韧性 指标 的影 响 由表 4可见 ， 随 着纤 维长 度增 加 ， 混 凝 土板 的裂 后韧性指标 T 2 ( ) 显著提升 ， F C 3 0 - 6 0系列试件 在 挠 度 为 2 5 6 。处 的 裂后 韧性 指 标 比 F C 3 0 — 4 8系 列 试件 分别 提 高 约 6 8 ， 3 4 和 3 0 ％ ， 比 F C 3 0 — 3 8系 列试件分别提高约 2 4 3 ， 2 0 8 和 1 4 7 9 ／ 5 ． F C 4 0 - 6 0系列试件 在挠度 为 2 5 6 。 处 的裂后 韧 性 指标 T 。 ( ( ) 比 F C 4 0 — 4 8系列 试 件 分别 提 升 约 5 2 ， 6 6 和 9 2 9 ／ 5 ， 比 F C 4 0 — 3 8系列试件分别 提升 约 1 9 3 ， 2 0 5 oA 和 1 4 2 ． 这 说 明 当纤 维 长 度 增 加 时 ， 裂缝处纤维与基体界面拉拔滑移做功也增加 ， 更 能有效地发挥纤维的阻裂增韧和耗能效用。 2 ． 4 ． 2 纤维 掺 量对 裂后 韧性 指标 的影响 由表 4看出， 随着纤维掺量增加， 板裂后韧性指 标 7 " 2 ( ( ) 明显提高． 对于纤维长度 3 8 ， 4 8 ， 6 0 mi l l 的 F C 3 0系列试件 ， 纤 维掺量为 9 k g ／ m。时在挠度 为 2 5 3 处 的裂 后 韧性 指 标 T 2 ( )比掺 量 为 6 k g ／ m。 时分别提高约 4 3 ， 1 9 和 1 5 ， 比掺量为 3 k g ／ m。 时分别提高约 1 7 0 ％， 1 5 1 9 ／ 5 和 9 4 ． 对 于纤 维 长 度 3 8 ， 4 8 ， 6 0 mm 的 F C 4 0系列 试 件 ， 纤维掺量为 9 k g ／ m。 时在挠度为 2 5 处 的裂后 韧性指标 比掺量为 6 k g ／ m。时分别 提高 约 8 5 ， 2 6 ％和 4 7 ％， 比掺 量 为 3 k g ／ m。时分 别 提 高 约 2 3 7 ％， 1 1 9 ％和 1 7 8 ． 这说 明当纤维掺 量增 加时 在裂缝界面处会有更 多的纤维拉拔滑移做功 ， 从而 耗散更 多的能量 ， 提升了板 的裂后韧性． 另外 ， 在挠 度为 5 和 1 O 。 处 的纤 维混凝土裂后韧性指标 与 理想弹塑性材料的韧性指标 比较接近 ； 随着挠度增 加 ， 纤维混凝土韧性指标与理想弹塑性材料的韧性 指标 差距 变大 ． 3 结 论 ( 1 ) 纤维掺量是影 响混凝土 圆板弯 曲韧性的重 要因素之一 ， 随着纤维掺量增加 ， 圆板试件的荷载一 挠度全曲线下面积增大 ， 纤维从基体 拔出时耗散的 能量更多， 抗弯韧性明显改善． ( 2 ) 当纤 维 掺 量 为 6 ～ 9 k g ／ m。 纤 维 长 度 ≥ 4 8 mm时 ， 荷载一 挠度 曲线下降段 出现二次 上升现 象 ， 即呈现变形强化特征． ( 3 ) 随着 纤 维 长度 增 大 ， 圆板 试 件 的荷 载一 挠 度 全曲线下降段变得平缓 ， 其抗弯韧性明显改善． ( 4 ) 随着基体强度增大 ， 圆板试件的弯曲韧性指 标略有提升 ， 但基体强度对其弯 曲韧性的影响程度 小于纤维掺量和纤维长度． ( 5 ) 根据粗纤维混凝土板变形能力大 的特点 ， 提 出了基 于能量 比值 的裂后 韧性 指标 评价 方法 ， 取 ( 5 ～2 5 ) 挠度时纤维的韧性贡献与初裂时的能量 吸收值之比作为裂后韧性指标 ， 更能科学地表征粗 纤 维对 圆板 试 件 韧性 的提 升 程 度． 圆板 试 件 的韧 性 指 标 随纤 维 长度 、 纤维 掺量 的增 加 而 明显 提 高． 参 考 文献 ： [ 1 ] 邓宗才． 高性能合成纤维混凝土[ M] ． 北京 ： 科学 出版社 ， 2 0 0 3 ： 4 5 — 48 ． DENG Zo n g c a i ．The h i g h p e r f o r ma n c e s y n t h e s i s f i b e r r e i n — f o r c e d c o n c r e t e [ M] ．B e i j l n g： S c i e n c e P r e s s ， 2 0 0 3 ： 4 5 — 4 8 ．( i n Ch i n e s e ) [ 2 ] RAMAK RI S HNAN V． P e r f o r ma n c e c h a r a c t e r i s t i c s a n d a p p l i — c a t i o n o f h i gh - p e r f o r ma n c e p o l y o l e fi n f i b e r r e i n f or c e d c o n c r e t e s [ c ] ∥P r o c e e d i n g s o f t h e Th i r d CANME T／ A CL I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e， S P 一 1 7 1 ．De t r o i t ： Ame r i c a n Co nc r e t e I n s t i t u t e ， 1 9 9 7： 6 7 1 - 6 9 2 ． I s ] GO P AL RATNAM V S ， S HAH S P， B AT S ON G B， e t a 1 ． F r a c — t u r e t o u g h n e s s o f f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e [ J ] ． AC I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 1 ， 8 8 ( 4 ) ： 3 3 9 — 3 5 3 ． [ 4 ] B A NTHI A N， T RO T TI E R J ． T e s t me t h o d s f o r fl e x u r a l t o u g h n e s s c h a r a c t e Hz a t io n o f f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e： S o me c o n c e r n s a n d a p r o p o s i t io n [- J ] ． A C I Ma t e r i a l s J o u rna l ， 1 9 9 5 。 9 2 ( 1 ) ： 4 8 — 5 7 ． ( 下转 第 l 6页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑材料学报 第 1 8 卷 ( 上接第 l l页) E s 3 Ame r i c a n S o c i e t y f o r T e s t i n g a n d Ma t e r i a l s ． S t a n d a r d C1 5 5 0— 0 3 a，s t a n d a r d t e s t me t h o d f o r f l e xu r a l t o u g h n e s s o f f i b e r r e i n — f o r c e d c o n c r e t e ( u s in g c e n t r a l l y l o a d e d r o u n d p a n e 1 ) [ s ] ． We s t Co ns h o h o c ke n： ASTM Co mmi t t e e。 2 0 0 3 ． [ 6 ] 沈荣熹． 聚烯烃粗纤维增强混凝土的性能及应用 [ J ] ． 混凝 土世 界 ， 2 0 0 7 ( 9 ) ： 4 2 — 4 9 ． S HEN Ro n g x i ． The p e r f o r ma n c e a n d a p pl i c a t i o n o f f i b e r r e i n — f o r c e d c o n c r e t e wi t h p 0 l y o l e f i n [ J ] ． Bu i l d i n g De c o r a t i o n Ma t e r i — a l s W o r l d， 2 O O 7 9 )： 4 2 - 4 9 ． ( i n Ch i n e s e ) E 7 3 鞠杨 ， 刘红彬 ， 陈健 ， 等 ． 超 高强度 活性 粉末混 凝土 的韧性 与表 征方法[ J 3 ． 中国科学 ， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 4 ) ： 7 9 3 — 8 0 8 ． j u Ya n g ， L I U Ho n g h i n ， C HE N J i a n ， e t a 1 ． F l e x u r a l t o u g h n e s s t e s t r e s e a r c h a n d t o u g h ne s s e v a l u a t i ng me t ho d f o r u l t r a s t r e n g t h RP C E J ] ． S c i e n c e C h i n a ， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 4 ) ： 7 9 3 — 8 0 8 ． ( i n C h i — n e s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m