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粗合成纖維活性粉末混凝土抗彎韌性試驗
粗合成纖維活性粉末混凝土抗彎韌性試驗
摘要：為研究不同粗合成纖維用量下活性粉末混凝土的抗彎韌性，采用四點彎曲試驗對粗合成纖維用量分別為4.75，9.5，14.25，19 kg・m-3的纖維活性粉末混凝土試件進行了研究，同時與不摻入纖維的素活性粉末混凝土進行了對比分析。
結(jié)果表明：不摻入纖維的素活性粉末混凝土彎拉試件發(fā)生脆性破壞，試件一裂即斷，未得到荷載撓度曲線的下降段;而粗合成纖維摻入后能夠提高活性粉末混凝土的韌性，使彎拉試件轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的延性破壞，荷載撓度曲線都可得到穩(wěn)定的下降段，同時曲線還出現(xiàn)了二次強化現(xiàn)象
有2個峰值;隨著粗合成纖維摻量的增加，彎拉試件荷載撓度曲線的下降段愈加平緩，韌性指數(shù)增大;粗合成纖維摻量(體積分數(shù))為1.0%～2.0%時，剩余強度在抗折強度的85%以上，此時粗合成纖維對裂后基體具有較強的阻裂能力，能夠大大提高彎拉試件開裂后的韌性。
關(guān)鍵詞：粗合成纖維;活性粉末混凝土;抗彎韌性;韌性指數(shù);剩余強度
0引言
活性粉末混凝土是一種具有超高強度和高耐久性的新型水泥基復合材料，制備過程中通過最緊密堆積理論優(yōu)選骨料，同時摻入大量活性粉末提高基體致密性[1]。
活性粉末混凝土仍具有混凝土的脆性，且由于膠凝材料較多，容易開裂，因此需要摻入纖維來提高其韌性和抗裂性。
目前活性粉末混凝土在配制過程中多通過摻入鋼纖維來達到增強增韌抗裂的目的[23]，但是鋼纖維自重較大，且有銹蝕的隱患，若施工不當造成鋼纖維外露則可能發(fā)生銹蝕進而導致基體腐蝕。
粗合成纖維(直徑大于0.1 mm)是一種新型的增強增韌材料[4]，與鋼纖維相比具有輕質(zhì)、耐腐蝕、易分散的特點，同時能提高混凝土的抗裂性[5]、抗沖擊性[67]、抗彎韌性和抗疲勞性能[89]，在活性粉末混凝土中摻入粗合成纖維可以提高試件的延性[10]。
抗彎韌性是反映纖維增韌效果及基體內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能的一個重要指標。
為研究粗合成纖維對活性粉末混凝土的增韌效果，本文中筆者采用四點彎曲試驗對粗合成纖維活性粉末混凝土進行了研究。
1試驗方案
1.1原材料及配合比
本次試驗中采用的活性粉末混凝土的原材料有：P.O42.5普通硅酸鹽水泥;超細微硅粉;粒徑為0.625～1 mm的石英砂;減水率為29%的高性能減水劑;粗合成纖維和水。
其中粗合成纖維為直徑0.91 mm、長度38 mm的聚丙烯粗纖維，表面壓痕處理，纖維密度為0.91 kg・m-3，抗拉強度大于450 MPa。
粗合成纖維摻量(體積分數(shù)，下同)為0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%五種，其用量分別為4.75，9.5，14.25，19 kg・m-3。
根據(jù)纖維摻量的不同，試驗共分5組，每組3個試件。
活性粉末混凝土試驗配合比及試件編組列于表1。
1.2試件制備及養(yǎng)護
采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試
1.3試驗方法
參考《鋼纖維混凝土試驗方法》(CECS 14：89)，采用四點彎曲方式加載，跨度為300 mm，加載點間距為100 mm。
試驗在300 kN的萬能試驗機上完成，加載速率為0.1 mm・s-1。
采用100 kN的荷載傳感器量測試驗荷載，跨中撓度采用2個量程為30 mm的位移傳感器量測，所有數(shù)據(jù)由東華測試系統(tǒng)自動采集。
2試驗過程及分析
2.1試件破壞過程及破壞形態(tài)
所有彎拉試件破壞時均在其跨中出現(xiàn)1條主裂紋。
不摻入粗合成纖維的C0組試件表現(xiàn)出明顯的脆性，在裂縫出現(xiàn)后隨即發(fā)生斷裂，試件斷成兩截，與普通混凝土彎曲破壞形式相同。
摻入粗合成纖維試件(C0.5，C1.0，C1.5，C2.0組試件)的破壞形態(tài)如圖1所示。
從圖1可以看出，粗合成纖維摻入后彎拉試件的破壞形態(tài)相似，都是在三分點內(nèi)開裂，有1條主裂縫，裂縫處有纖維相連，試件未發(fā)生斷裂，表現(xiàn)出明顯的延性破壞。
通過試驗發(fā)現(xiàn)，在加載過程中，圖1粗合成纖維試件破壞形態(tài)
Fig.1Failure Modes of Synthetic Macrofiber Specimens首先在試件底部出現(xiàn)1條細而短的裂縫;隨著荷載持續(xù)增加，裂縫逐漸增大，達到峰值荷載后，荷載開始下降，裂縫繼續(xù)變寬變長，開始向頂部發(fā)展，撓度也越來越大。
試驗過程中持續(xù)發(fā)出咯噔的聲音，裂縫長度逐漸增大，最后貫通整個試件，直到試驗停止時摻入粗合成纖維的試件都未發(fā)生斷裂，裂縫處有纖維相連。
由于裂縫寬度及跨中撓度較大，試驗繼續(xù)進行已無意義，因此在撓度達到10 mm時停止試驗。
試驗結(jié)束后，觀察試件斷面發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)粗合成纖維被拔出而不是被拉斷，基體斷面處可見纖維被拔出的孔洞。
2.2荷載撓度曲線
圖2為根據(jù)實際量測得到的荷載及跨中撓度繪制的粗合成纖維摻量為0%～2.0%時抗彎韌性試驗的荷載撓度曲線，其曲線均為每組試件的平均值曲線。
從圖2可以看出，除不摻入粗合成纖維的試件(C0組)外，摻入粗合成纖維的試件都得到了荷載撓度曲線的下降段，且曲線都出現(xiàn)了二次強化現(xiàn)象[圖2(b)～(e)]，即荷載在達到極限值后忽然下降到一定值，隨后又開始上升，達到二次峰值后緩慢下降，此現(xiàn)象與粗合成纖維普通混凝土相同[11]。
分圖2荷載撓度曲線
Fig.2Loaddeflection Curves析其原因是，粗合成纖維長度及直徑較大，摻入到活性粉末混凝土中單位面積上的纖維數(shù)量較少，但是纖維與基體間緊密結(jié)合。
試件出現(xiàn)裂縫后試驗機卸載，荷載下降，當裂縫發(fā)展到有纖維處時，纖維與基體緊密結(jié)合且具有較強的粘結(jié)力，因此將粗合成纖維由基體內(nèi)拔出需要耗費很大的能量，荷載增大。
隨著荷載繼續(xù)增大，粗合成纖維慢慢被拔出，之后荷載再次緩慢下降，荷載撓度曲線下降段中荷載反復上升、下降呈現(xiàn)鋸齒狀即為纖維拔出過程。
隨著纖維摻量的增加，荷載撓度曲線的二次強化效應愈加明顯，同時曲線下降段更加飽滿，與x軸所圍面積增大，表明試件的抗彎韌性提高。
摻入粗合成纖維后能夠提高活性粉末混凝土試件抗彎韌性的主要原因是，本次試驗中采用的粗合成纖維表面進行了壓痕處理，纖維與基體間具有很高的粘結(jié)強度。
當基體發(fā)生裂縫破壞時，裂縫處的纖維開始承受拉力，并通過與基體間的粘結(jié)力將荷載傳至裂縫兩側(cè)混凝土基體，阻止裂縫的發(fā)展，同時提高基體的能量吸收能力。
纖維拔出過程中需要吸收很大的能量，能量吸收過程與纖維和基體間的粘結(jié)強度有關(guān)，隨著纖維摻量的增加，裂縫處纖維數(shù)量增大，大量纖維的橋聯(lián)作用可有效提高基體的韌性。
當外部荷載產(chǎn)生的彎拉應力大于纖維與基體間的粘結(jié)強度時，纖維即被拔出。
由于粗合成纖維在拔出前會發(fā)生極大變形，因此即使開裂基體變形值(撓度)很大也不破壞，從而大大提高活性粉末混凝土的斷裂韌性，以此達到增韌的目的[12]。
纖維拔出過程主要體現(xiàn)在荷載撓度曲線的下降段，纖維摻量越大，纖維拔出所需要的能量就越大，相應的荷載撓度曲線也越加平緩。
3試驗結(jié)果及分析
采用《鋼纖維混凝土試驗方法》(CECS 14：89)中的公式(1)，(2)計算初裂強度及抗折強度，即
式中：Pcr，Pmax分別為試件初裂荷載和極限荷載;ffc，cr，ffc，m分別為初裂強度和抗折強度;L，b，h分別為支座間距、試件截面寬度和試件截面高度。
對于低彈性模量纖維，剩余強度可真實地反映纖維混凝土裂后強度的特性[13]，因此，本文中采用美國ASTM建議的韌性指數(shù)I5，I10，I30及剩余強度分析抗彎韌性，其中剩余強度SAR及相對剩余強度SIR可按以下公式進行計算
由于粗合成纖維混凝土的韌性較好，撓度為2 mm時，纖維的增韌作用仍比較明顯，為此鄧宗才等[14]提出在計算剩余強度時，采用撓度為2 mm作為結(jié)束標準，剩余強度可采用下式計算
從圖2還可以看出，粗合成纖維摻入后活性粉末混凝土彎拉試件的荷載撓度曲線有2個峰值，同時曲線的下降段斜率較小，即荷載達到最大值后，隨著撓度的增加，荷載降低幅度較小。
剩余強度主要考察試件開裂后特征，若在撓度較大的情況下，荷載降低較小，說明纖維對裂縫出現(xiàn)后增韌效果越明顯。
為此，本文中采用公式(3)，(5)兩種方法計算剩余強度，從而更好地反映粗合成纖維的增韌效果。
根據(jù)公式(1)～(5)及荷載撓度曲線積分，計算得到粗合成纖維摻量為0%～2.0%時活性粉末混凝土抗彎韌性結(jié)果見表2。
從表2可以看出：
(1)粗合成纖維的摻入對活性粉末混凝土初裂強度無明顯影響，粗合成纖維摻量在0%～2.0%之間變化時，初裂強度都集中在8.6 MPa左右。
粗合成纖維摻量小于1.5%時，抗折強度都在10 MPa左右，當粗合成纖維摻量增加到2.0%時，抗折強度有表2抗彎韌性試驗結(jié)果
(2)粗合成纖維摻量為0.5%～2.0%時活性粉末混凝土的彎曲韌性指數(shù)I5，I10，I30均隨粗合成纖維摻量的增加而增大。
粗合成纖維摻量為0.5%時，韌性指數(shù)I5，I10，I30分別為4.18，5.88，11.97，粗合成纖維摻量增加到2.0%時，I5，I10，I30增加到5.64，11.77，17.89，分別提高了34.93%，100.17%，49.46%，說明摻入粗合成纖維能夠大大提高活性粉末混凝土的抗彎韌性。
(3)利用公式(3)，(5)計算得到的剩余強度差別不大。
粗合成纖維摻量為1.0%～2.0%時，剩余強度都在抗折強度的85%以上，說明摻入粗合成纖維具有較高的阻裂能力，使得試件在達到峰值荷載后還可保持較高的荷載，有效提高了活性粉末混凝土的韌性。
粗合成纖維摻量為0.5%時，荷載達到極限值后急劇下降，所以剩余強度相對較小，但是裂縫處的纖維仍然能夠起到一定的增韌作用，改變了試件的破壞形式。
4結(jié)語
(1)不摻入纖維的素活性粉末混凝土彎拉試件發(fā)生脆性破壞，粗合成纖維摻入后能夠提高活性粉末混凝土試件的韌性，使破壞形態(tài)轉(zhuǎn)變成為明顯的延性破壞。
(2)粗合成纖維摻入后活性粉末混凝土彎拉試件的荷載撓度曲線具有穩(wěn)定的下降段，同時出現(xiàn)了二次強化現(xiàn)象，曲線有2個峰值，且隨纖維摻量的增加，曲線的下降段更加飽滿，與x軸所圍面積增大。
(3)粗合成纖維不能提高彎拉試件的抗折強度，但是能夠阻止試件開裂后裂縫的發(fā)展，從而有效提高了活性粉末混凝土彎拉試件的韌性，隨著纖維摻量的增加，試件的韌性指數(shù)增大，纖維摻量為2.0%時，韌性指數(shù)I5，I10，I30相比纖維摻量為0.5%時的韌性指數(shù)分別提高34.93%，100.17%，49.46%。
(4)粗合成纖維對彎拉試件基體開裂后的增韌效果明顯，纖維摻量為1.0%～2.0%時，抗彎試件的剩余強度均在抗折強度的85%以上。
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