多组合混杂纤维增强UHPC断裂特性试验研究_于跟社.pdf

第 卷 第 期 年 月北京工业大学学报 多组合混杂纤维增强 断裂特性试验研究于跟社，邓宗才，王 珏（中南大学土木工程学院，长沙；北京工业大学建筑工程学院，北京；中交第三公路工程局有限公司，北京）摘 要：为研究混杂纤维增强超高性能混凝土（，）的断裂性能，对带预制裂缝 梁进行了三点弯曲断裂测试，以研究钢纤维分别与 种非金属纤维混掺对断裂性能的影响 钢纤维体积分数为.，混掺合成 无机纤维体积分数均为.通过测得荷载裂缝嘴张开位移（）曲线，分析了起裂韧度、失稳韧度、断裂能等断裂参数，研究了切口梁弯曲强度、残余强度等 试验表明：混掺纤维 的 曲线具有明显的二次强化特性，钢纤维与其他非金属纤维混掺具有一定的协调阻裂、控裂能力 混掺合成 无机纤维提高了切口梁裂后的变形能力；混掺直径为.的聚烯烃纤维有利于提高断裂能；混掺直径为.的聚乙烯醇纤维可明显提高 断裂参数；混掺玻璃纤维有利于提高 抗断裂能力，其长度不宜大于 ；聚酯纤维的直径不宜大于.；混掺弹性模量较高的非金属纤维更有利于改善 抵抗断裂的能力，混掺纤维后显著提升了 的断裂能关键词：混杂纤维；超高性能混凝土；断裂性能；断裂能；断裂韧度；起裂韧度中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：收稿日期：；修回日期：基金项目：北京市教育委员会重点科技资助项目（）作者简介：于跟社（），男，正高级工程师，主要从事道路工程方面的研究，：通信作者：邓宗才（），男，教授，博士生导师，主要从事超高性能混凝土及其结构方面的研究，：，（，；，；，）：（），.，.（），北 京 工 业 大 学 学 报 年 .，.：；（）；超 高 性 能 混 凝 土（，）不但应具有超高的抗压强度，而且应具有良好的阻裂能力、韧性和抗疲劳、抗冲击能力 超高强度混凝土的脆性明显增加，如何降低其脆性，提高其裂后抵抗断裂的能力至关重要 如果 脆性大、阻裂能力弱，将严重影响结构的变形能力和安全性等 提高 韧性和抵抗断裂能力的有效方法是采用高性能纤维增韧技术 钢纤维（，）具有增强增韧作用，但多掺钢纤维会增加成本，降低施工性，且钢纤维在裂缝宽度较小时，阻裂增强效果明显，较大变形时钢纤维出现明显滑移，增韧效果降低；而粗的合成类纤维对改善 后期变形能力作用明显，钢纤维与非金属纤维混杂，优势互补，以充分发挥不同品种、不同尺度纤维的增强和增韧作用，提高 的断裂能和降低制备成本，促进 制备技术发展和工程应用一些学者研究了单掺钢纤维或者钢纤维与合成纤维混掺对改善混凝土韧性、断裂性能的影响 梁宁慧等研究聚丙烯纤维增强混凝土断裂韧度，给出软化本构模型 徐世烺等研究混凝土双 断裂参数，表明用双 断裂参数可以更好地分析混凝土起裂和断裂特性 等研究具有应变硬化特性的高性能水泥基复合材料的拉伸断裂性能，表明合理的纤维掺率是实现应变硬化行为的关键 徐平等、罗素蓉等分别研究纤维尺寸、混杂纤维掺率对高强混凝土、再生骨料混凝土断裂性能的影响，表明混杂纤维可改善再生骨料混凝土的断裂参数杨益伦等研究不同钢纤维掺率的 断裂性能，表明较高的钢纤维掺率可提高 断裂能，但是钢纤维掺率过高会明显降低施工性能、增加成本 等研究钢纤维对改善混凝土断裂性能的效应 等研究纤维增强 断裂性能的评价方法 等研究蒸汽和水养护制度下 的基本力学性能和断裂参数，发现蒸汽养护更有利于提高 的力学性能 岳健广等研究钢纤维混凝土断裂破坏机理，建立了受拉损伤本构模型 罗素蓉等、马银华等分别研究纤维种类、钢纤维掺量对混凝土断裂性能的影响，并建立了计算模型 等研究在蒸汽和水的养护下超高性能纤维混凝土的断裂参数和胶凝材料用量的优化 等等研究高温下钢纤维掺量对自密实混凝土断裂性能的影响过去关于直径小于.的微细聚烯烃（，）、聚乙烯醇（，）和聚酯（，）纤维混凝土研究较多，发现微细、和 纤维的主要贡献是改善初裂性能 直径大于.的钢纤维、和 粗纤维，其中钢纤维弹性模量高，不但可以提高断裂荷载值，而且可以改善抵抗断裂的变形能力和韧性；而中等弹性模量的 粗纤维可以改善 裂后抵抗断裂的能力，显著提高断裂能和韧性 目前关于粗和微细纤维混杂改善 断裂性能的研究甚少本文将钢纤维分别与粗聚烯烃纤维、聚乙烯醇纤维、粗聚酯纤维及细的耐碱玻璃纤维（，）、玄武岩纤维（，）等混掺，通过三点断裂试验，研究混杂纤维对改善 断裂特性的贡献，比较不同品种和尺度纤维增强 抵抗断裂的能力，分析混杂纤维的阻裂效应，试验结果将为甄选纤维品种、确定纤维几何尺寸和制备高韧性 提供参考 试验研究.试验材料和配合比 基体配合比中，水泥为 .普通硅酸盐水泥，；复合矿物掺合料，主要由硅灰（比表面积为 ）、级矿粉（比表面积为 ）按一定比例配制而成；细骨料为不同粒径组合的河砂组成，包括 目（.），目（.第 期于跟社，等：多组合混杂纤维增强 断裂特性试验研究.），目（.）；减水剂为减水率不小于 的高效聚羧酸，；消 泡 剂，；水 为 自 来 水，.制备 所用的钢纤维为镀铜、无端钩型钢纤维：长度为 ，直径为.，长径比为，抗拉强度为 为研究不同混杂纤维 的增强增韧效果，在钢纤维 体系中分别添加不同种类的非金属纤维 图 为试验所用钢纤维和非金属纤维实物照片，图 为非金属纤维的命名原则 非金属纤维的尺寸和力学参数列于表，并参考纤维混凝土结构技术规程（：）的相关规定，认为纤维直径小于.的为细纤维，大于.的为粗纤维图 钢纤维与非金属纤维照片 图 非金属纤维命名 制备 时，在钢纤维体积分数.基础上，外掺了体积分数均为.的非金属纤维 考虑到外掺体积分数为.的非金属纤维对 成本的增加相对较小，故以掺入.的钢纤维试件作为对比对象 配合比中保持非金属纤维掺率不变，为便于比较不同品种和尺寸纤维对改善 抵抗断裂能力的作用 试件编号列于表，每种混杂纤维 梁试件均为 个 试件编号方式为：先是钢纤维及其体积分数，后是合成 无机纤维代号、体积 分 数 和 纤 维 长 度（）本 试 验 中 长 度 的 纤维、纤维具有相同纤维长度，但是直径不同 因此，试件编号用、加以区分，为纤维直径小的细纤维 例如编号试件.，代表钢纤维体积分数为.，纤维体积分数为.、长度为，微细 纤维直径为.代表钢纤维体积分数为.，纤维体积分数为.、长度为 、直径为.的粗纤维每种断裂梁浇筑时同批浇筑尺寸为 北 京 工 业 大 学 学 报 年 表 非金属纤维的尺寸及力学参数 序号纤维种类密度（）纤维长度直径抗拉强度弹性模量伸长率纤维粗细.粗.粗.细.粗.粗.细.细.细.粗.粗.细表 试件编号及纤维体积分数 序号试件编号钢纤维体积分数 外加纤维种类外加纤维体积分数 个数.立方体试块 个，在标准养护条件下 后进行抗压试验，测得抗压强度平均值 各组 立方体试件抗压强度平均值列于表，可知：单掺 的 抗压强度为.，而钢纤维混掺其他合成纤维 无机纤维后，强度均有增加与单掺 比较，分别与长度为、，直径均为.的粗 混掺时，抗压强度分别提高.、.即混掺粗 纤维对改善 抗压强度效果最明显，最高达到.与粗 纤维混掺，抗压强度提高.与粗 纤维混掺，抗压强度提高.试件制备将搅拌均匀的混合料浇筑在 的模具中，在（）、相对湿度 的表 纤维增强 抗压强度平均值 试件编号抗压强度.第 期于跟社，等：多组合混杂纤维增强 断裂特性试验研究条件下养护 后脱模，标准养护 ，试验前 取出晾干 试验前在试件非成型面中间位置切割深度 、宽度 的预制裂缝，如图 所示图 小梁试件切口 图 试件几何尺寸及加载装置 .三点弯测试采用闭环伺服控制系统 对试件进行三点弯曲加载测试 试件几何尺寸及加载装置如图 所示，为荷载 在预制裂缝两侧各粘贴 个带坡口的玻璃片安装夹式引伸计，用来测量裂缝嘴张开位移（，用 表示）试验采用闭环伺服控制系统，按照位移控制加载，加载速率为.，以确保稳定获得包括下降段的 曲线 试验结果与分析.破坏形态 梁切口起裂处的纤维分布形态如图 所示 由于小梁有预制切口，所有试件均在切口处起裂 钢纤维和混掺纤维 试件在加载过程中，均未出现脆性断裂破坏，试验完成后试件整体性良好图 梁切口起裂处纤维分布形态 当加载较小时，钢纤维和混掺纤维试件未发生起裂，梁的挠度变形小 当加载至一定值时，试件发生清脆的“砰砰”声，试件底部切口处出现微细裂缝 声音是试件切口处微细裂缝萌生和扩展过程中纤维拔出或拉断所产生的 此后，试件出现变形强化现象，即荷载继续增加，裂缝开口位移和跨中挠度持续增加 当荷载达到最大值后，荷载开始减小，跨中挠度和裂缝开口位移仍然增加从试件切口处初裂至加载结束全过程，持续听见“砰砰”声，表明纤维被拔出或拉断不断发生 随着加载的进行，切口处裂缝宽度不断变大，从试件侧面看，侧面裂缝不断向上扩展，试件有效受力面积下降，抗弯刚度下降，荷载也随之减少，直至试验结束图 是试件.的侧面裂缝扩展路径 可看出由底部至顶端侧面裂缝呈不规则曲折状，不同于普通混凝土或者高强度混凝土的直线扩展路径 所有混掺纤维 试件破坏后，完整性保持良好，未发生分离混掺纤维后，纤维在裂缝处起桥接和阻裂、控裂作用，阻滞 裂缝的延展，明显不同于普通混凝土或者高强度混凝土的脆性断裂 普通混凝土三点弯曲断裂加载过程中，全程只有 条或 条裂缝出现，从初裂荷载到峰值荷载，底部裂缝逐渐变北 京 工 业 大 学 学 报 年图 梁的侧面的破坏形态 大，侧面裂缝快速扩展，试件出现明显的脆性断裂破坏，最后试件完全断裂不同混杂纤维 试件破坏过程也有不同：弹性模量较高、直径较细的、和 纤维，试件从起裂到失稳扩展的过程较长，且能够有效控制裂缝的扩展，具有较好的变形硬化特点，试件破坏过程缓慢；弹性模量较低、直径较粗的、纤维，可以有效降低裂缝后期扩展的速率，当裂缝张开位移较大时，试件仍然具有一定的承担外力的能力.曲线 梁的 曲线如图 所示 由图 混掺纤维的 曲线可知，混掺、纤维的 曲线具有明显的二次强化特征，在曲线的直线上升段结束处，试件开裂，达到了第 个峰值荷载，开裂后由于钢纤维与合成 无机纤维的协同阻裂和桥联作用，其承载力继续上升 由于混掺纤维的品种和几何尺寸不同，对于 初裂后的 曲线的影响不同 混掺纤维品种和尺寸对 曲线的影响具体分析如下由图（）混掺粗 纤维的 曲线可知：混掺粗 纤维的 下降段比单掺 平缓，纤维长度增加，下降段略变平缓，但是改善幅度不显著由图（）混掺 纤维的 曲线可知：混掺粗 纤维的 下降段比单掺 明显平缓，峰值荷 载 也 明 显 增 加，其 中 长 度 、直 径.的 纤维下降段更加平缓，增韧阻裂效果略微优于直径.的；长度 比 的改善效果稍好由图（）混掺粗 纤维的 曲线可知：与直径.的 比较，直径.的 纤维的峰值荷载高，且下降段更加平缓 即 直径不宜超过.由图（）所有混掺粗合成纤维的 曲线可知：与较低弹性模量的 和 纤维比较，具有较高弹性模量的 纤维的峰值荷载高、下降段更加平缓 种长度的 纤维的抵抗断裂的能力比直径.的 强由图（）所有混掺细的玻璃纤维和玄武岩纤维的 曲线可知：与长度、的 纤维比较，长度 的 纤维的峰值荷载较高，且 曲线下降段更加平缓 长度 的 纤维对抵抗断裂的贡献也比较明显，呈现较好的韧性.弯曲强度从 曲线可以看到纤维种类不同，峰值荷载不同 带预制裂缝梁的三点弯曲强度 计算公式为 （）（）式中：为峰值荷载；为跨度；和 分别为试件高度和宽度；为预制裂缝长度带预制裂缝梁的三点弯曲强度 计算结果见表.残余强度文献提供了用梁起裂后残余强度 评价断裂能力的方法 当 分别为.、.、.时，其对应的残余强度分别为.、.、.，的计算公式为（）（）式中 为每个 值所对应的荷载值残余强度计算如图 所示 表 列出了残余强度 平均值，与单掺 试件的残余强度比较可知：）混掺粗 纤维试件残余强度.和.分别提高约 和.；）混掺 纤维试件.、.和.分别提高.、.和；）混掺 纤维试件的.、.和.分别提高.、.和；）混掺 纤维试件的.、.和.分别提高、和，且混掺直径.的 纤维，对于改善切口试件残余强度的贡献明显优于直径.结果表明：混掺直径.的 稍微优于直径.；长度 的 纤维的改善效果优于其他长度的 纤维；混掺较高弹性模量纤维对于提高残余强度的作用优于低模量纤维 第 期于跟