聚丙烯纤维混凝土抗裂性能研究

关键词:普通混凝土,聚丙烯纤维混凝土,断裂能

中图分类号: TU528. 572 文献标识码:A

引言

　　材料的断裂能和断裂韧性是基于断裂力学概念发展而来一种反映混凝土抗裂能力和抗冲击能力的力学性能指标,在近30多年来,混凝土的断裂参数研究受到普遍关注。断裂能是指形成单位断裂面所需消耗的能量,以GF 表示。这一概念在用于混凝土研究之前,已在其他材料的研究中应用。从20 世纪60 年代初开始随着断裂力学被用于研究混凝土力学行为,尤其是在70 年代以来逐渐形成的混凝土非线性断裂理论中,断裂能GF 已经成为描述混凝土断裂性能的主要概念,具有重要的学术意义和应用价值。国内外对混凝土和钢纤维混凝土的断裂能和断裂韧性的研究已取得一些成就,并借助于断裂力学,建立了混凝土断裂损伤模型。文中借助对普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土断裂能和断裂韧性的测量和比较,用来分析聚丙烯混凝土的破坏机理。

1 　试验方法

　　按照断裂力学的研究思路,试样中一般要预制一个或两个初始裂纹,以保证断裂从预制裂纹尖端开始扩展。Petersson 于1980年用带裂缝的三点弯曲试验梁求混凝土的断裂能,证明了其可行性,使得对混凝土断裂能的测试前进了一步。后来RIL EM 也推荐“用带切口的三点弯曲梁确定砂浆和混凝土断裂能”作为标准测试方法。如图1 所示,其定义断裂能是产生单位面积的裂缝所必须的总能量。在平行于裂缝方向的平面中的投影面积为裂缝面积。所测量的三点弯曲切口梁的荷载—加载点位移曲线如图2所示。曲线下的面积可用来计算断裂能。最终断裂时的变形可以由图中求得。

　　文中按上述思想设计并完成试验。用于三点弯曲试验的混凝土试件尺寸为100 mm ×100 mm ×400 mm 并带中心裂纹。测量跨距为300 mm ,梁高度为100 mm ,跨高比为3 。梁切口深度分别为3 cm 和5 cm ,每种切口深度有2 个试件。

2 　试验结果

2. 1 　裂缝观察

　　在试验过程中,手工记载了裂缝扩张和延伸过程,将全部裂缝进行描绘,得到每个试件的全部裂纹,图3 ,图4 分别为两类混凝土的典型裂缝。在试验中发现,在加载的最后阶段,普通混凝土试件均为脆性断裂,即混凝土试件完全断开;而聚丙烯纤维混凝土均未完全断开且发现断面内仍有聚丙烯纤维相连。由于聚丙烯纤维的存在,导致聚丙烯纤维混凝土裂缝的发生途径不同于普通混凝土的直线上升,并且裂缝数量多于普通混凝土。这表明,聚丙烯纤维的存在导致了裂缝发展受到限制,并且有利于分散裂缝,能够降低混凝土基体的脆性。

2. 2 　断裂能的试验结果

　　图5 为普通混凝土和体积掺量分别为0. 1 %和0. 2 %聚丙烯纤维混凝土的荷载—变形( P —δ) 原始曲线。

　　在图5 中,Cc 表示普通混凝土,Fc - 1 表示体积掺量为0. 1 %的聚丙烯纤维混凝土,Fc - 2 表示体积掺量为0. 2 %的聚丙烯纤维混凝土。对于荷载—变形关系曲线,用n 个多次抛物线进行回归时,相关系数均大于0. 99 。因此,可从试验数据中取荷载Pj 时对应的挠度值δj ,由0 到δj 对多次多项式中挠度进行n 次积分,即可得到W0 ,即断裂能。表1 为普通混凝土和体积掺量分别为0. 1 % ,0. 2 %聚丙烯纤维混凝土断裂能的试验结果。

　　从断裂能试验结果看,聚丙烯纤维的加入,对改善混凝土的脆性作用是显著的,掺加0. 1 %和0. 2 %聚丙烯纤维,断裂能可分别提高58 % ,88 %。并且切口深度不同,断裂能有很大差别。

　　随着试件韧带尺寸增大,断裂能GF 相应会减少。说明断裂能GF测量结果具有明显的尺寸效应。本试验测量的断裂能GF 的尺寸效应的来源主要是由于混凝土断裂能本身具有尺寸效应,即尺寸效应是混凝土断裂能的属性。

2. 3 　最大破坏荷载及变形

　　图5 是聚丙烯纤维混凝土和普通混凝土典型荷载—挠度原始曲线,求最大破坏荷载及破坏时的变形必须要对曲线进行修正。表2 为普通混凝土和体积掺量分别为0. 1 % ,0. 2 %聚丙烯纤维混凝土的最大破坏荷载及其变形的试验结果。

　　从表2 可以得出:当切口深度为3 cm 时,体积掺量为0. 1 %聚丙烯纤维和普通混凝土比较,最大破坏荷载降低了3 % ,相应的变形却提高了16 % ,体积掺量增加到0. 2 %时,最大破坏荷载相对应的变形可以提高20 %;当切口深度为5 cm 时,掺加0. 1 %的聚丙烯纤维,最大破坏荷载稍有提高,相应的变形提高了24 %,聚丙烯纤维的体积掺量为0. 2 %时,最大破坏荷载降低了8 %,而相应的变形提高了33 %。

3 　结语

　　1) 断裂能试验结果说明聚丙烯纤维的加入对改善混凝土的脆性作用是明显的,并且切口深度不同,断裂能有很大差别。2)0. 1 %～0. 2 %的聚丙烯纤维不能明显提高最大破坏荷载,并且有可能引起最大破坏荷载的降低。3) 聚丙烯纤维的加入,最大破坏荷载对应的变形较普通混凝土有明显的提高。并且随着切口深度不同,最大破坏荷载有很大的区别,对应的变形也不一样,这说明了混凝土试件具有明显的尺寸效应。4) 从图5 可以进一步看出,聚丙烯纤维的加入使得荷载—位移曲线的峰值后的曲线变得平缓,表明裂缝的扩展得到抑制。

参考文献:

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