粗聚烯烃纤维混凝土圆板弯曲韧性和表征方法

第18卷第1期建筑材料学报Vol. 18. No. 12015年2月JOURNAL OF BUILDING MATERIALSFeb.,2015文章编号:1007-9629(2015)01-0007粗聚烯烃纤维混凝土圆板弯曲韧性和表征方法邓宗才1,曲玖龄1,刘国平2,施慧聪2(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,北京100124;2.上海罗洋新材料科技有限公司,上海200120)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,探讨了纤维摻量、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38~60mm时,圆板能量吸收值随纤维长度增加而增大,当纤維长度≥48mm时,其荷載-挠度曲线下降段出现应变强化特征,荷載有2次峰值.分析了美国 ASTM O1550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:TU528.572文献标志码:Adoi:10.3969/j.isn.1007-9629.2015.01.002Flexural Toughness and Its Characterization of a New Kind ofMacror-polyolefin Fiber Reinforced Concrete PlateDENG Zongcai, QU Jiuling, LIU GuopiSHI Huicon(1. Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering, Ministry of Education, Beijing University of TechnologyBeijing 100124, China; 2. Shanghai Royang Innovative Material Technologies Co, Ltd, Shanghai 200120, ChinaAbstract: In order to examine the toughness of concrete circular plates reinforced with a new type of macro- polyolefin fiber, a circular plate test was performed and the effects of fiber use level, fiber length and the matrixstrength on the flexural toughness, energy absorption value were investigated. The test results show that the absorption energy value is proportional to fiber use level; when fiber length is between 38 to 60 mm, the absorptionenergy value increases with increasing fiber length. When the fiber length is greater than or equal to 48 mm, in thedescending stages on the load-deflection curve strain hardening behavior appears with two peak loads. The prollems with evaluating the flexural toughness using ASTM C1550 were analyzed based on the energy ratio methodand a new toughness evaluating method was proposed. This new method, taking the first-crack deflection as theinitial reference deflection, can be used to characterize the contribution of macro- polyolefin fiber to the flexuraltoughness after initial crack, and can directly used to compare the toughness index with perfect elastoplastic material.Key words: macro-polyolefin fiber; flexural toughness; circular plate; flexural toughness index; absorp-tionf energy分布于混凝土中的高性能纤维对裂缝扩展具有良好力能量吸收能力或结构整体变形能力事?部普通混凝土容易开裂并发生脆性破坏,而乱向结构在出现裂缝后的带裂缝工作能力纤维阻裂能的抑制作用,可显著改善混凝土的裂后性能和韧本文试验研究了新型粗聚烯烃纤维混凝土圆板性1.韧性指标定量表征了纤维混凝土材料、构件或试件的弯曲韧性,测定了其荷载-挠度全曲线,分析收稿日期:2013-07-26;修订日期:2013-10-23中国煤化工基金项目:国家自然科学基金资助项目(51378032);北京自然科学基金资助项目(81420HCNMHG第一作者:邓宗才(1961-),男陕西扶风人,北京工业大学教授博士生导师博士E-mail:dengzc@biut.edu.cn建筑材料学报第18卷了纤维掺量、纤维长度、基体强度等对圆板试件弯曲韧性的影响规律,并与理想弹塑性材料进行比较.根据美国 ASTM C1550标准,计算了圆板试件的能量吸收值,结合粗聚烯烃纤维混凝土圆板变形大的特点,提出了新的裂后韧性指标计算方法该方法以纤维混凝土圆板的初裂挠度作为荷载-挠度全曲线上的初始参考变形,以衡量纤维对圆板裂后耗能能力的贡献,可直观地与理想弹塑性材料的韧性指图1圆板试验装置标进行比较Fig. 1 Apparatus for circular plate test1圆板试验概况的纤维逐渐从基体中拔出或拉断,呈延性破坏.纤维长度为38mm的试件中纤维基本上发生拔出破坏;1.1纤维特性及混凝土配合比纤维长度为48,60mm的试件中,纤维被拉断的平新型粗聚烯烃纤维(简称聚烯烃纤维)由上海罗均比例分别为56%和76%洋科技公司提供,纤维表面压痕、沿长度方向呈波浪2.2圆板的荷载-挠度全曲线状,长度分别为38,48,60mm,直径均为1.0mm,图2为素混凝土和部分纤维混凝土圆板试件的抗拉强度为600MPa,弹性模量为10GPa,断裂延弯曲荷载挠度(F8)全曲线伸率为17%.2种基准混凝土的设计强度分别为由图2可见:当纤维长度≥48mm时,试件的荷30,40MPa,配合比见表1载-挠度全曲线下降段出现二次上升现象,即有应变表1混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concretek强化特征;随着纤维掺量的增加,二次强化现象更加明显,荷载-挠度全曲线下降过程趋缓,且纤维长度Strength Cement Sand Gravel Water Water reducinggradegent为60mm试件的下降段比48mm试件的下降段更3337981149168为平缓40078711001642.3美国 ASTM O1550评价方法1.2试件制作及编号据美国 ASTM C1550标准,按式(1)计算了各按照美国 ASTM O1550标准,圆板试件直径为圆板试件的能量吸收值v,并列于表2.表中数值为800mm,厚度为75m,试件浇注24h后脱模,在每组试验3个试件平均值标准养护室内养护28d,试验前3h从养护室取出do(1)个圆板试件试件编号中FC后数字为基体强度,其式中:2=2-(2805),为荷载挠度曲线下面后数据分别为纤维长度及其掺量,如FC30-48-6即积;t,d分别为圆板实测平均厚度和直径;to和da表示基体强度为C30,纤维长度为48mm,纤维掺量分别为圆板标准厚度和直径,取75mm和800mm为6kg/m3的圆板试件δ为修正后的板中心处挠度1.3加载2.3.1纤维长度对板弯曲韧性的影响按美国 ASTM C1550方法对圆板试件加载,试由表2可见,纤维掺量为3,6,9kg/m3的FC30验装置如图1所示试件中心处受力,恒位移控制加60系列试件在挠度为40mm时其能量吸收值比载,加载速度为(4.0±1.0)mm/min,测定试件中心FC30-48系列试件分别提高约64%,37%和60%点挠度值;荷载及挠度值由计算机自动采集纤维掺量为3,6,9kg/m3的FC40-60系列试件在挠2圆板试验结果度为40mm时其能量吸收值比FC40-48系列试件分别提高约32%,50%和44%.这说明纤维长度是2.1试件破坏过程影响圆板试件弯曲韧性的主要因素之一,当纤维长加载过程中,素混凝土圆板在达到最大弯曲荷度为38~60mm时,试件吸收的总能量几乎与纤维载后瞬间断裂,为脆性破坏掺聚烯烃纤维的圆板当长度成正比中国煤化工拔出过程中消荷载达到一定值后,其下表面通常萌生3条裂缝,且耗的能量CNMHG裂后变形能力随荷载増加而不断扩展,至峰值荷载后,裂缝截面处提髙.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305C30FC30-48-3FC30-48-6c30FC30.603Fc30.60-6z20FC30-48-9FC30-60-905101520253035404505101520253035404o/mm(a) Load-deflection curves of FC30-48b) Load-deflection curves of FC30-6050305050C40FC40-48-3FC4048-6C40FC40-60-3FC40-48305050FC40-60-6FC40-60-905101520253035404505101520253035404o/mm(c) Load-deflection curves of FC40-48(d) Load-deflection curves of FC40-60图2混凝土圆板试件的荷载-挠度全曲线Fig 2 Load-deflection curves of specimens表2聚烯烃纤维混凝土圆板试件的能量吸收值分别提高约35%,17%和36%;对于纤维长度38,Table 2 Absorption value of energy for specimens with polyolefin fiber48,60mm的FC40系列试件,纤维掺量为9kg/m3Specimen Peak/J时的能量吸收值比纤维掺量为6kg/m3时分别提高eleA=5mm8-10mb=20mmb=4mm约62%,58%和52%可见纤维掺量会显著影响圆28.637.140.341.041,0板的弯曲韧性,圆板吸收的总能量与纤维掺量基本FC30-38-328.038.047.759.872.4成正比纤维掺量≤9kg/m°时,随纤维掺量增加,FC30-38-630.449.870.9101.0135.8圆板试件吸收能量值增大,变形能力增强FC30-38-928.459.792.4136.8184.02.3.3基体强度对板弯曲韧性的影响FC30-48-326.745.869.1107.0143.4从表2可见,当纤维掺量和长度相同时,FC4FC30-48-628.055.9104.1系列试件的总能量吸收值高于FC30系列试件,挠FC30-48-927.662.9122.3222.7322.9度为40mm时,FC40-38系列试件比基体强度为Fc306329.157.398.1161.62344C30的FC30-38系列试件能量吸收值提高3%FC30-60-627.173.7146.3255.2379.715%;FC40-48系列试件能量吸收值比FC30-48系列FC30-60-929.484.4180.5336.9517.5试件提升1%~31%,FC40-60系列试件的能量吸37.340.741.842.042.0收值比FC30-60系列试件提升3%~18%.可见,基FC4038334.239.950.062.979.2体强度也是影响粗聚烯烃纤维混凝土板韧性的因素FC40-38-635.748.166,9140.1之一,原因是随着基体强度增加,纤维与基体之间的FC40-38-936.061.2100.2159.7211,9黏结强度提高,从而使得纤维从基体中拔出时耗散FC40-48-337.853.681.2123.3156.9的能量增大FC4048640.264.8124190.7280.62.4改进的韧性指标评价方法FC40-48-941.373.18.8305.8425.7ASTM O1550评价方法仅计算了荷载一挠度曲FC40-60-337.961.399.7154.线下的总面积,即对耗能值做了评价,不能直观地与FC40-60-636.879.21540272.8404.8FC40-60-940.1105.2219.7405.8614.5理想弹塑性材料耗能能力进行比较,不便于设计者采用.因此,需要提出新的韧性评价方法,以直观表2.3.2纤维掺量对板弯曲韧性的影响征纤维对基体裂后韧性的改善程度.韧性实质上是从表2看出,在挠度为40mm时,对于纤维长衡量纤维对混rV凵中国煤化工能力的贡献度38,48,60mm的FC30系列试件,纤维掺量为表3统计了CNMHG初裂挠度、初9kg/m3时的能量吸收值比纤维掺量为6kg/m3时裂荷载、峰值挠度及其能量吸收值等韧性指标建筑材料学报第18卷mabk3Dn3國板试件的初裂挠度蛐儻搀度及对应的荷、能量吸收值load, absorption of energy at first crack and peak for specimens with polyolefin fiberDeflectionLoad at first Energy absorptionPeakPeakEnergy absorptionat firstat firstcrack/kNdeflection/mmload/kNat peakelectionC301.3927.916.11.49FC30-38-315.61.51FC30-38-628.616.21.44FC30-38-91.3726.716.128.417.1FC30-483FC30-48-616.3FC30-48-91.4716.01.5718.228.229.1FC30-60-61.591.67FC3060-91.6027.020.21.9629.425.4C4021.11.5837.324.2FC40-38-31.4233.0L.5022.0FC40-38-61.4723.6FC4038-91.4922.71.58FC4048-3FC40-48-638.124.340.228.6FC4048-91.5826.21.7241.3FC40-60-31.5924.2FC40-60-625.01.7628.8FC40-60-91.6138.226.41.7140.129.2由图2可见,每条荷载-挠度全曲线在峰值挠度基于能量吸收的韧性指标定义为:(1)给定挠度前基本重合,且初裂挠度与峰值挠度很接近由表3n6下纤维的韧性贡献△En,=En,-E4,其中E并结合表2可知:(1)基体强度一定时,纤维掺量、纤为该挠度变形所对应的荷载-挠度全曲线下面积维长度对试件初裂挠度、初裂荷载和初裂时的能量E为初裂挠度对应的面积;(2)给定挠度n0。下的吸收值影响很小,FC0系列试件初裂时的能量吸收韧性指标Tx-1(n)为:均值为16.7J,标准差为1.31J;FC40系列试件初裂△EnEE时的能量吸收均值为23.88J,标准差为2.1J.(2)板开裂后纤维掺量和纤维长度对能量吸收值的式中:n为计算韧性指标时所取的纤维混凝土初裂影响程度随着挠度增加而逐渐增大,在挠度为40mm挠度8的倍数.显然,当n=1时Tx-1(n)=0,表时FC30系列试件比素混凝土试件C30的能量吸收示素混凝土开裂后的韧性指标为零值增加31.4~476.5J,提高76.6%~1162.2%;对于理想弹塑性材料7,韧性指标T2(n-1(n)FC40系列试件比素混凝土试件C40的能量吸收满足:值增加37.2~572.5J,提高88.6%~1363.1%.T2m1)(n)=2(n-1),n=5,6,7,…(3)可见,纤维混凝土板开裂后,主要通过裂缝处纤维本文定义的韧性指标T2(m-1(n)直观和定量地拉拔做功而消耗能量,纤维长度、纤维掺量是影响表征了粗纤维混凝土相比理想弹塑性材料韧性的其裂后耗能能力的主要因素改善程度绘定墟度n(n=5,10,15,因此,本文采用粗聚烯烃纤维混凝土初裂挠20,25)时按中国煤化工性指标值,并与度a作为圆板试件荷载-挠度全曲线上的初始参按式(3)计CNMH韧性指标进行考变形,以衡量纤维对试件裂后耗能能力的贡献.了对比第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表4粗聚煬烃纤维混凝土圆板试件的裂后韧性指标T(n)韧性指标比掺量为6kg/m3时分别提高约85%,Table 4 Toughness index Tue-n(n)for concrete specimensith polyolefin fiber26%和47%,比掺量为3kg/m3时分别提高约T2(-1)(n)237%,119%和178%.这说明当纤维掺量增加时,T(5)Ts(10)T2(15)Tw(20)T4(25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Perfect elastoplasticmaterial8.0018.0028.0038004800度为58和108,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FC30-38-31.942.673.213.623.87加,纤维混凝土韧性指标与理想弹塑性材料的韧性FC3038-62.764.375.596.517.283.796.268.109.3710.43指标差距变大FC3038-9FC30-48-32714796347.417.913结论FC30-48-64.299.0212.6215.0416.705,4711.3714.9318.4519.88(1)纤维掺量是影响混凝土圆板弯曲韧性的重FC30-60-33.947.389.941.8413.27要因素之一,随着纤维掺量增加,圆板试件的荷载FC306066.29124116.5219952243挠度全曲线下面积增大,纤维从基体拔出时耗散的FC30-60-96.35135818.792217257能量更多,抗弯韧性明显改善FC40-3831.492.112.522.913.11(2)当纤维掺量为6~9kg/m3,纤维长度≥FC4038-61.923.023.964.695.6648mm时,荷载-挠度曲线下降段出现二次上升现FC40-3892.885.247.098.5510.49象,即呈现变形强化特征FC40-48-32.033.814.85(3)随着纤维长度增大,圆板试件的荷载-挠度288687.789.3410.43全曲线下降段变得平缓,其抗弯韧性明显改善FC40-48-93.827.7810.2411.9513.18(4)随着基体强度增大,圆板试件的弯曲韧性指FC40-60-33,74标略有提升,但基体强度对其弯曲韧性的影响程度FC40-60-65.379.9613.1815.5417.27FC40-60-97.0913.8819.1822.7225.37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2.4.1纤维长度对裂后韧性指标的影响出了基于能量比值的裂后韧性指标评价方法,取由表4可见,随着纤维长度增加混凝土板的裂(5~25)δ挠度时纤维的韧性贡献与初裂时的能量后韧性指标T21(n)显著提升,FC30-60系列试件吸收值之比作为裂后韧性指标,更能科学地表征粗在挠度为256。处的裂后韧性指标比FC3048系列纤维对圆板试件韧性的提升程度.圆板试件的韧性试件分别提高约68%,34%和30%,比FC3038系指标随纤维长度、纤维掺量的增加而明显提高.列试件分别提高约243%,208%和147%FC40-60系列试件在挠度为258处的裂后韧参考文献:性指标T2=1(n)比FC40-48系列试件分别提升约1]邓宗才高性能合成纤维混凝土M,北京;科学出版社,20052%,66%和92%,比FC4038系列试件分别提升45-48.DENG Zongcai. The high performance synthesis fiber rein约193%,205%和142%.这说明当纤维长度增加forced concrete[M]. Beijing: Science Press, 2003: 45-48.(in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] RAMAKRISHNAN V Performance characteristics and appli4.2纤维掺量对裂后韧性指标的影响cation of high-performance polyolefin fiber reinforced concretes由表4看出,随着纤维掺量增加,板裂后韧性指[c]/Proceedings of the Third CANMET/ACL InternationalConference, SP-171. Detroit: American Concrete Institute标To-1(n)明显提高.对于纤维长度38,48,60mm1997:671-692的FC30系列试件,纤维掺量为9kg/m3时在挠度3] GOPALRATNAM VS, SHAHSP, BATSON G B,etl.Frac为258。处的裂后韧性指标T2-1(n)比掺量为ture toughness of fiber reinforced concrete[J]. ACI Materials6kg/m3时分别提高约43%,19%和15%比掺量为Journal,1991,88(4);339-353.3kg/m3时分别提高约170%,151%和94%[4 BANTHIA中国煤化工fexuralcharacterizat对于纤维长度38,48,60mm的FC40系列试CNMHG1):48-57.件,纤维掺量为9kg/m2时在挠度为25δ处的裂后(下转第16页)16建筑材料学报第18卷[5] JUST A, MIDDENDORF B Microstructure of high-strength2007,37(2):221-230.foam concrete [J]. Materials Characterization, 2009, 60(7): [7] RAMAMURTHY K, KUNHANANDAN NAMBIAR E K741-748.INDU SIVA RANJANI G. A classification of studies on prop-[6] NAMBIAR E KK, RAMAMURTHY K Air-void characteri-erties of foam concrete[J]. Cement and Concrete Compositessation of foam concrete [J]. Cement and Concrete Research2009,31(6):388-396.上接第11页)[5] American Society for Testing and Materials, Standard C1550Is World, 2007(9):42-49. (in Chinese)03a, standard test method for flexural toughness of fiber[7]鞠杨,刘红彬陈健等超高强度活性粉末混凝土的韧性与表forced concrete( using centrally loaded round panel)[S].征方法[].中国科学,2009,39(4):793-808Conshohocken: ASTM Committee, 2003.JU Yang, LIU Hongbin, CHEN Jian, et al.[6]沈荣熹聚烯烃粗纤维增强混凝土的性能及应用[混凝土世test界,2007(9):42-49trength RPC[]. Science China, 2009, 39(4): 793-808( in ChiShen Rongxi. The performance and application of fiber rein-forced concrete with polyolefin[J. Building Decoration Materi中国煤化工CNMHG