聚丙烯纤维网混凝土负温断裂能研究.pdf

杨晓丰等： 聚丙烯纤维网混凝土负温断裂能研究 1 7 聚丙烯纤维 网混凝土负温 断裂能研究 杨晓丰， 王剑英， 邢娇秀 ( 黑龙江工程学院土木与建筑 工程学院 哈尔滨1 5 0 0 0 1 ) 【 摘要】 为了改善混凝土低温抗裂抗冲击性能 ， 在混凝土中加入聚丙烯纤维网。本文通过对聚丙烯纤维 网混凝土低温断裂能试验分析， 纤维混凝土的断裂能高于基准混凝土 ， 并且随着纤维掺入量的增加 ， 断裂能有所 增加。但是在纤维掺人量为 0 、 0 9 和 1 8 k g T n 3 三种情况之间并非直线关系， 可以认为纤维掺人量为O 9 k g m 3 的 混凝土性价比最高的结论。 【 关键词】 聚丙烯纤维网； 混凝土 ； 断裂能 【 中图分类号】 T U 5 2 8 5 7 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 1 7 0 2 1 试 验方 案 在 + 2 0 常温、 一 4 0 持续冻结、 一1 8一+ 5 冻 融循环三种实验条件下， 测定分别掺量为 0 9 、 1 8 k g 的聚丙烯纤维网混凝土与基准混凝土断裂能。 实验采用 C A0混凝土。水泥采用哈尔滨水泥厂 天鹅牌 C 5 2 5普通硅酸盐水泥； 碎石采用粒径为 0 5 2 0 e ra连续级配的玄武岩碎石； 砂为级配良好的中 粗砂， 细度模数为2 6 2 7 ； 水灰比控制在0 4 5以下； 纤维网采用西安博赛特公司水泥混凝土用聚丙烯纤 维网 F i b e r m e s h F i b e me t TM o 机械拌和， 振动台振动， 标准养生， 2 4 h 脱模， 之后 继续养生直至规定龄期。实验加载龄期为 2 8 d 。 实验采用带有中心裂纹的水泥混凝土试件， 试件 尺寸 1 0 0 ra m1 0 0 m i l l 5 1 5 ra m。手工切割 中心裂纹， 裂纹深度控制在 3 0 5 I n n l ， 裂纹宽度小于 5 m m。 2实验方法 实验采用 P WS 一 3 0 0型液压伺服疲劳实验机。三 点弯曲法加载 ， 支点间测量跨距 4 0 0 m m。实验加荷速 度由位移 ( 即压 头 位 移 速 度)控 制， 加 荷 速 度 为 0 1 m m m i n ( 即0 0 0 1 6 7 m m s ) ， 取位移达到 2 m m时截 止， 测得荷载与位移对应实验数据。 实验数据采集 的方式为实验机的控制程序瞬时 自动采集 ， 采集的数据量从 1 0 ， 0 0 01 0 0 ， 0 0 0个不等。 为方便后续计算 ， 首先对原始数据进行初步处理， 得到 荷载数据点和对应的位移数据点， 然后以位移为横坐 标、 荷载为纵坐标 ， 绘制大比例尺“ 荷载 一位移” 曲线 ( 见图 1 ) ， 并记录试件破型前重量、 断面尺寸、 切 E I 尺 寸和断裂面尺寸作为后续进一步计算断裂能的基础。 通过对荷载与位移曲线的计算取得构件的断裂能。 实验条件分为3种情况， 分别为： ( 1 ) 试件在常温下标准养生至2 8 d ， 进行实验。 基金项目 黑龙江省自然基金项目( E 2 0 0 7 1 7 ) 图 l 断裂能实验数 据曲线 ( 2 ) 试件在常温下标准养生至 2 8 d ， 保持湿度， 在 一 4 0 ( 实际温度达到 一4 1 ) 的温度下冷冻 2 4 h 。 然后保持冻结状态， 迅速直接进行实验。 ( 3 ) 试件在标准养生 2 5 d后， 从第 2 6 d起放置 在普通房间正常室温环境下进行晾干。当重量基本不 再减少时放入快速冻融循环实验机， 以 一l 8一+5 c I = 的 温度变化幅度 ， 冻融循环 1 5次。然后在融化状态， 进 行实验。 ( 4 ) 针对每种纤维掺量、 每种实验条件分别做 5 个试件的平行实验。基准混凝土配合比和纤维混凝土 配合比见表 1 。 表 1 基准混凝土配合比和纤维混凝土配合比 k g m- 3 3实验数据及处理 冻融循环次数与质量损失率的关系如图2所示。 根据国际材料和结构实验室联合会 ( R I L E M) 推 荐的标准实验方法 ， 利用闭路液压伺服控制的材料实 l 8 低温建筑技术 2 0 1 1 年第4期( 总第 1 5 4期) 质量损失率对比 冻融循环次数， 次 一 基准混凝士一 纤维混凝土 图2 质量损失率对比 验系统( M T S ) ， 通过带切 口的三点弯曲梁确定混凝土 断裂能 G ， 其计算公式如下： C F =( + ) A 式中， W 。 为带切 口的三点弯曲梁荷载变形曲线下 的面积 ， N m m； m为支点间梁及与梁连接的加载装 置重量， N s 2 m； g为重力加速度， 9 8 m s ； 为梁最 终破坏时的变形值 ， m m； A g 为与梁正交的断裂区域面 积 ， n l n l 2 。 针对实验中取得的4 5条荷载 一 位移曲线 ， 利用上 式进行断裂能计算。为提高计算精度， 采用计算软件 O r i g i n 7 5进行断裂能计算 ， 得到4 5个断裂能数据。 数据分组 ， 以备进一步进行 回归计算。依据实验 条件的不同将数据分为 3个大组， 即常温组、 冻融循环 组和负4 0度组。每大组又依据纤维网的掺人量不同 分为3个小组， 即掺入量为 0 k g m 组、 0 9 k g m 3 组、 1 8 k g 1 1,1 3 组 ， 每小组 5个数据平均值 ， 见表 2 。 表2 实验数据计算 数据采用求平均值和 We i b u l 1 分布两种回归方法 进行分析。 其中 We i b u l 1 分 布是瑞典科 学家 W We i b u l l 于 1 9 5 1 年在研究链强度时提出的一种概率分布 函数。 它适用性广、 覆盖性强， 在疲劳可靠性分析方面广泛应 用。We i b u l l 的分布函数为 F ( 1 V )-l _e x p _( 存活率： P=e x p 一( ) 一 Y0 式中， b 为形状参数 ； 0 为最小寿命 ； 为特征寿 命( 失效率为 6 3 2 时的寿命) 。 We i b u l 1 分布是失效分布中常用的一种方法， 它可 描述失效率随时间递增型和递减型的情况； 能以较少 的样本给出较为精确的失效预测。数学处理简单 ， 物 力背景明确， 所以在实际应用中具有较大的灵活性。 从某种意义上讲混凝土断裂能与产品失效似乎 存在着相似性。产品失效表示产品自诞生起消耗了多 少时间而丧失了功能 ， 混凝土断裂能表示混凝土构件 自加载起消耗了多少能量而断裂。从这个意义上讲 ， 可以把原本用于失效分析的 We i b u l 1 分布转而用于断 裂能的分析。 数据分析采用存活率为 9 0 的 we i b u U分析结 果， 详见表2 ， 因为样本容量小于 2 0个， 所以秩评定采 用中位秩， 具体采用公式： F( i )=i 一0 3 I n+0 4 。 We i b u l l 参数估算方法采用线性回归方法， 具体为最小 二乘法。 4结语 ( 1 ) 常温下试件的断裂能高于冻融循环后的断 裂能 ， 体现了冻融循环对材料的破坏性不容忽视。 ( 2 ) 一 4 0 C冰冻状态下试件的断裂能高于常温 下试件的断裂能 ， 体现出冰冻状态下试件的抗裂能力 产生了虚假的增长， 类似于冰冻状态的土体比常温状 态的土体更加难以被破坏。但这种虚假的增长只需待 到试件彻底融化时便可消失殆尽 ， 而且还会低于未经 冻结的情况。 ( 3 ) 对比未掺入纤维网的基准混凝土和纤维混 凝土， 可见纤维混凝土的断裂能高于基准混凝土， 并且 随着纤维掺入量的增加断裂能有所增加。但是在纤维 掺入量为0 、 0 9和 1 8 k g m 三种情况之间并非直线 关系， 即纤维掺入量从 0 k g r I l 3 增加到 0 9 k g m 导致 的断裂能增量大于从 0 9 k g m 3 增加到 1 8 k g m 3 导致 的断裂能增量。基于这一点 ， 并考虑到纤维混凝土的 成本问题， 可以认为纤维掺人量为0 9 k g m 的混凝土 性价比最高。 ( 4 ) 对比平均值方法和 We i b u l 1 分布方法， 可见 按照 We i b u l 1 分布方法计算的存活率为 9 0 的断裂能 明显小于平均值方法计算的断裂能 ， We i b u l 1 分布方 法具有更大的安全储备 ， 特别是当数据 中有个别特大 值时， 导致平均值偏大， 偏于不安全。 收稿日期】 2 O l O一 1 2一 l 3 作者简介】 杨晓丰( 1 9 6 4一) ， 女， 黑龙江伊春人， 教授， 研究 方向： 道路与铁道工程。 、 静 鞲簟