聚烯烃粗合成纤维混凝土抗弯韧性试验

第30卷第1期建筑科学与工程学报Vol 30 No. 12013年3月Journal of architecture and Civil engineeringMar.2013文章编号:1673-2049(2013)01-0019-06聚烯烃粗合成纤维混凝土抗弯韧性试验邓宗才,师亚军,曹炜(北京工业大学城市与工程防灾减灾省部共建教育部重点实验室,北京100124)摘要:为了解新型粗合成纤维对改善混凝土抗弯韧性的效果,试验研究了纤维掺量、基体强度、纤维直径等因素对混凝土抗弯韧性的影响规律。结果表明:单掺或混摻不同几何尺寸粗合成纤维后,试件具有很妤的韧性,呈延性破坏;抗弯韧性指数随纤维掺量的増加而增大;基体强度提高时,抗弯韧性指数略有上升;纤维直径不同时,抗弯韧性指数变化不明显;3种合成纤维与钢纤维混掺后,其抗弯韧性指标大于单掺钢纤维或3种合成纤维混掺的试件;混掺粗合成纤维可有效改善梁裂后行为,即峰值荷载后仍保持较高荷载;而单掺钢纤维梁在峰值荷栽后,荷载下降较快;新的抗弯韧性评价方法能够准确地反映粗合成纤维混凝土裂后阻裂能力高、变形大的特点。关键词:粗合成纤维;抗弯韧性;剩余强度;混凝土;配合比;纤维掺量中图分类号:TU528.58文献标志码:AExperiment on Flexural Toughness of Polyolefin Macro-fiberReinforced ConcreteDENG Zong-cai, SHI Ya-jun, CAO WeiKey Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of EducationBeijing University of Technology, Beijing 100124, ChinaAbstract: In order to grip the flexural toughness impact of new type synthetic macro-fiber onreinforced concrete, the effects of the fiber content, the matrix strength of reinforced concreteand the diameter of fiber on the flexural toughness were studied. The results show that theaddition of synthetic macro-fiber changes the failure mode of reinforced concrete from brittlenessto ductility. The flexural toughness index increases with the fiber content, it also increases whenthe matrix strength increases; and it has't evidently changed when the diameter of fiber changesThe flexural toughness of reinforced concrete with steel fiber and three synthetic macro-fiberhigher than those of steel fiber or three synthetic macro-fiber, and synthetic macro-fiber canincrease the toughness of reinforced concrete. The synthetic macro-fiber reinforced concrete canhave a higher load after the peak load, but the load of concrete with steel fiber decreases quicklyafter the peak load, the characteristic of reinforced concrete with synthetic macro-fiber can beproved by the new toughness evaluation method.Key words: synthetic macro-fiber; flexural toughness; residual strength; reinforced concretemix proportion; fiber content收稿日期:2012-10-20基金项目:国家自然科学基金项目(50678011)中国煤化工作者简介:邓宗才(1961-),男陕西扶风人,教授博士研究生导师,工学博土, E-mail: deHiCNMHG20建筑科学与工程学报2013年0引言试件时,先将称好的砂、水泥、石依次放入搅拌机,干拌2min,再将水分2次或3次加入,将纤维分散加普通混凝土易裂,严重影响结构耐久性,掺入纤人并搅拌3min左右,混凝土搅拌好后倒入模具内维后,可有效改善抗裂性121。粗合成纤维价格低振捣并抹平,浇注24h后脱模并在标准养护室养护廉,施工方便,能有效阻止裂缝扩展,可增强混凝土28d试验前3h从养护室取出晾干,试件编号及纤变形能力和韧性,提高抗疲劳、抗冲击性能等31维掺量见表3纤维混凝土抗弯韧性指标极为重要58,可反映表3试件编号及纤维掺量纤维对混凝土的增韧效果,它是开发新纤维品种、确Tab 3 Numbering Specimens and Fiber Contents定纤维品种及纤维掺量、检测和控制混凝土质量的粗合成纤维重要指标凝土强试件编号直径/长度/掺量/钢纤维掺量/度等级本文中笔者通过试验研究了3种不同直径和长g·m-3mmmm(kg·m-3)度的粗合成纤维增强混凝土的抗弯韧性,并与素混C25-0.5-6C25凝土、单摻钢纤维及钢纤维与合成纤维混掺试件进C25-0.58C250.540行了对比,探讨了纤维掺量、纤维直径、基体强度、混C25-0.5-11C25C25-0.8-6掺方式等对抗弯韧性的影响规律。00000C25-0.8-80.8458.01试验概况C25-0.8-11C250.811.0C251-6C251.0506.01.1纤维材性C251-8聚烯烃粗合成纤维(聚丙烯与聚乙烯的共聚物)C2511c25.05301.0力学性能指标见表1。圆丝浪形钢纤维由江西赣州C50-0.56C50大业金属纤维有限公司提供,直径和长度分别为C500.5-8C50C50-0.5-11C5011.00.9mm和50mm,强度均为700MPa。C50-0.8-6C50表1粗合成纤维力学性能指标C500.88c508.0Tab 1 Mechanical Property Indexes of Macro-fibersC50-0.8-11500.84511.0直径/抗拉强密度/初始模C50-1-6伸长率/%长度/000000000度/MPa(g·cm-)量/GPa484C50-1-11C50526415C35-H8C352混凝土配合比1.052,7普通混凝土C25,C35采用P.O32.5普通硅酸盐水泥,高强混凝土C50采用P.O42.5普通硅酸盐C35HG33C350.8451.02.7水泥砂采用中砂,石为人工碎石,水为自来水。为C35G25C350.000.0了更好地研究混凝土基体强度对纤维增韧效果的影响,试验考虑3种混凝土强度,混凝土配合比如表21.4试验方法所示抗弯韧性试验在 Instron1343伺服系统机上采表2混凝土配合比用三分点加载方式进行,试件跨度为300mm,采用Tab 2 Mix Proportions of Concrete恒位移控制加载,加载速率为0.10mm·s-1。挠度各材料用量/(kg·m-3)测定时将夹式引伸仪置于试件的中性轴来测定试件混凝土强度等级水灰比水泥的挠度,计算机自动记录数据,并自动绘制荷载挠64311941800.48度曲线,抗弯韧性试验测试装置如图1所示186618115018C5050061411421800.362试验结果与分析中国煤化工1.3试件制作2.1破坏过试件尺寸为100mm×100mm×400mm。制作CNMHG单掺或混疹m成后,风件具有很好的抗第1期邓宗才,等:聚烯烃粗合成纤维混凝土抗弯韧性试验212.0挠度mm图2试件C250.56荷载挠度曲线Fig 2 Load-deflection Curve of Specimen C25-0 5-6图1抗弯韧性试验测试装置Fig. 1 Testing Equipment of FlexuralToughness Experiment弯韧性,呈延性破坏,各抗弯韧性指数随着纤维掺量的增加而增大。当基体强度为C25时,各试件的抗弯强度相差较小。开裂前,荷载增长较快,荷载-挠度曲线呈直挠度线上升趋势;开裂后,挠度增长速度加快,曲线斜率略有下降;当荷载达到峰值以后,荷载迅速下降,挠图3试件C2505-8荷载挠度曲线度也随之有较大增长,试件中部有明显的裂缝出现,Fig 3 Load-deflection Curve of Specimen C25-0 5-8之后裂缝缓慢向上发展,裂缝处纤维被逐渐拔出,纤维起到了很好的连接增韧作用。然后荷载缓慢下降,但有部分试件荷载保持不变或略有上升裂缝逐渐变宽挠度增大直至试件破坏。当基体强度为C50时,各试件的抗弯强度同样相差较小,抗弯强度比基体强度为C25时有明显的1.01.52.0增大挠度/mm种合成纤维混掺后的试件明显呈延性破坏;图4试件C250.8-8荷载-挠度曲线单掺钢纤维的试件有较高的峰值荷载,但是开裂后Fig 4 Load-deflection Curve of Specimen C25-0 8-8荷载下降较快,然后荷载保持在较低值;粗合成纤维与钢纤维混掺的试件,呈现出良好的延性,粗合成纤维和钢纤维能够发挥各自作用,使试件在出现裂缝后,仍保持较高的荷载,起到了很好的增强增韧作用。2.2荷载挠度曲线纤维混凝土试件典型的荷载挠度曲线如图2~9所示。挠度/mm2.3抗弯韧性指数图5试件C25-1-8荷载挠度曲线2.3.1美国ASTM方法Fig 5 Loaddeflection Curve of Specimen C25-1-8按照美国ASTM方法求得的纤维混凝土抗弯1.0,1.25mm时的荷载;l,b,h分别为试件的长度、韧性指数1,n,I3及剩余强度SA见表4。剩余强宽度和高度度SAR的表达式为相对剩余强度SR的表达式为SLP0s+P+P。+P(1)凵中国煤化工(2)CNMHG式中:P3,P,P10,P13分别为挠度0.5,0.75,式中Ro为纤维酰硬王的弯拟独度。建筑科学与工程学报2013年表4抗弯韧性试验结果Tab 4 Experiment Results of Flexural Toughness抗弯强初裂韧性试件编号Is I1o I3o SAR/MPa SIR/%部度/MPa(N·mm)25-0.5-64.C250.58:323.43.6|5.815.21.844259C250.5-114.25213.634.78.419.52.1650.86挠度/mmC250863.77346.543.6379.11.2232.27图6试件C50-0.8-8荷载-挠度曲线c50.883.79414.4513.34.81.2751Fig 6 Load-deflection Curve of Specimen C50-0 8-8C250.8144430.293.7|5.712.11.7238.74C25-1-64.12262.173.3|6.21.o1.1527.99C25-1-82.88352.433.35.513.41.70|58.93C25114.11133325.815.722053.53C500.5-64.72429.033.45.310.31.2626.69C500.5-84.83210.873.88.8114.51.7536.19C50-0.5-114.70591.693.3|5.014.72.0643.81C00.865.41553.922.63.79.20.9417.38c50.884.76304.923.4.81.82134.75挠度/mmC500.8-115.37470.923.5|5.612.22.3343.39图7试件C35-H-8荷载-挠度曲线C50164.38649.472.5449.91.5134.38Fig. 7 Load-deflection Curve of Specimen C35-H-8c50-1-85.06661.113.06.811.51.3226.02C50-1-113.43226.993.76.515.61.8955.10C5H84.263063214.16.313.01.543615C35HG334.08468.164.86.819.13.2178.68部10C35G254.90449.154.65.910.61.3126.73素混凝土提高了4.0~7.8倍,抗弯韧性指数l3比素混凝土提高了9.3~18.5倍。直径为0.8mm的挠度/mm纤维,当掺量由6kg·m-3增加到11kg·m-3时,抗弯韧性指数I比素混凝土提高了1.6~2.7倍,图8试件C35G-25荷载挠度曲线Fig 8 Load-deflection Curve of Specimen C35-G-25I1比素混凝土提高了2.7~4.8倍,I3o比素混凝土提高了7.2~11.2倍。直径为1mm的纤维,当掺量由6kg·m-3增加到1lkg·m-3时,抗弯韧性指数I5,I1o,s分别比素混凝土提高了1.5~2.7,3.4~5.8,8.9~14.7倍。(2)当基体强度提高时,抗弯韧性指数略有上升。如单掺直径0.8mm的合成纤维,当基体强度由C25增加到C50时,抗弯韧性指数I3分别由挠度mm9.1,9.6,12.0增加到9.2,11.8,12.2图9试件C35HG33荷载-挠度曲线(3)纤维直径对抗弯韧性指数的影响规律不明Fig 9 Load-deflection Curve of Specimen C35-HG-3确但从总体上看,掺入直径1mm纤维的试件,其由表4可以看出抗弯韧性指数比直径为0.5mm或0.8mm纤维的(1)对于基体强度为C25和C50的合成纤维混试件小。为改善韧性,宜选用直径相对较小的纤维。凝土试件,随着纤维掺量的增加,抗弯韧性指数明显(4)混掺钢纤维和合成纤维对于改善混凝土裂增加。直径为0.5m的纤维,当掺量由6后行为效果中国煤化工果非常显著。kg·m-3增加到11kg·m3时,抗弯韧性指数Is比当基体强度CNMH昆掺后试件的素混凝土提高了2.3~3.7倍,抗弯韧性指数I1o比抗弯韧性指数i。,i,13分别比素混凝土提高了第1期邓宗才,等:聚烯烃粗合成纤维混凝土抗弯韧性试验233.1,5.3,12.0倍;单掺钢纤维后试件的抗弯韧性指随纤维掺量的增加而增加。数l,I1,l30分别比素混凝土提高了3.6,4.9,9.6混掺3种合成纤维的混凝土试件韧度因子a为倍;同时掺入合成纤维和钢纤维后试件的抗弯韧性1.71MPa,单掺钢纤维的混凝土试件韧度因子a为指数l5,l,I30分别比素混凝土提高了3.8,5.8,1.46MPa,同时混掺合成纤维和钢纤维的试件韧度18.1倍。合成纤维与钢纤维共同作用,使抗弯韧性因子σ达到了3.24MPa,远高于其他试件。可见,指数得到有效提高。这种混掺方式可有效提高混凝土试件的韧性。(5)剩余强度随纤维掺量的增加而提高,如基体2.3.3新评价方法强度为C25、单掺直径1mm纤维的试件,掺量分别上述方法可以评价纤维对混凝土的增韧效果,为6,8,11kg·m2时,剩余强度分别为1.15,1,70,但也存在不足之处,美国ASTM方法中的抗弯韧性2.20MPa。指数对初裂挠度要求较高,但初裂点不易确定且其(6)合成纤维与钢纤维混掺后,对于改善试件剩离散性较大,不同试验者采用的方法也各不相同,要余强度效果明显。3种合成纤维混掺后剩余强度为想取得准确的荷载挠度曲线,对试验机要求较高;1.54MPa,单掺钢纤维后剩余强度为1.31MPa,合日本JSCE方法中峰值荷载容易确定,但不能反映成纤维与钢纤维混掺后的剩余强度达到了3.21纤维对混凝土开裂后的增韧作用。由荷载-挠度曲MPa,高于上述2种掺法剩余强度之和。线可知,粗合成纤维混凝土具有良好的延性,峰值荷2.3.2日本JSCE方法载后仍可保持较高水平,甚至有上升的趋势,试件挠按照日本JSCE方法求得的纤维混凝土抗弯韧度为2mm时,纤维对韧性的作用还很明显,挠度大性指标和韧度因子试验结果见表5,其中,Tb为抗于2mm后,伺服试验机费时且纤维增韧作用下降,弯韧性指标,a为韧度因子为了较好地反映粗合成纤维的增韧效果,剩余强度表5抗弯韧性指标和韧度因子计算可以将梁挠度为2mm作为结束标准。建议剩Tab. 5 Flexural Toughness Indexes and Toughness Genes余强度SAR为试件编号Tb/(N·mm)a/MPa(3)C25-0.5-612577.93SARbh2 4C250.5-813312.022.00式中:P15,P20分别为挠度为1.5,2.0mm时的荷载。3.13采用新评价方法计算得到的剩余强度见表6。C25-0.8-69463.941.42与表4相比,单掺合成纤维试件剩余强度SARC250.8-89664,83变化较小,变化幅度在3%以内,但是单掺钢纤维试C25-0.8-1112135,17C25-1-68795,401.32件采用新评价方法计算,其剩余强度SAR减小了C25-1-8l1781.651.776.85%,3种合成纤维混掺后剩余强度SA增加了C25-11115253.084.54%。粗合成纤维可有效提高混凝土试件韧性,C50-0.5-610257.261.54峰值荷载后可保持较高的荷载,而单掺钢纤维试件C50-0.5-812967.831.95在峰值荷载后,荷载下降较快,延性较差。采用此评15422.782.31价方法可充分反映合成纤维混凝土具有良好的阻裂C50-0.8-68781.12能力和变形特性。C500.8-814992.982.25C50-0.8-1116285.972.443结语C50-1-6C50-1-8(1)掺人粗合成纤维后,试件具有很好的弯曲韧C50-1-1113171.61.98性,呈延性破坏。C35-H811416.271.71(2)当基体强度为C25,C50时,单掺粗合成纤C35-HG-33维试件的抗弯韧性指数随纤维掺量增加而增加C35-G-259839.60(3)当基体强度提高时,单掺粗合成纤维试件的由表5可知,纤维掺量增加对提高抗弯韧性指抗弯韧性指中国煤化工化时抗弯韧标效果明显。当基体强度为C25和C50时,3种合性指数变化CNMHG成纤维单掺的试件,抗弯韧性指标T和韧度因子a(4)3种合成纤维混掺后,试件的剩余强度为24建筑科学与工程学报2013年表6采用新评价方法计算的剩余强度Subcommittees]Tab. 6 Residual Strength Calculated by[3]邓宗才,高性能合成纤维混凝土[M].北京:科学出版New evaluation method社,2003试件编号SAR/MPaS1R/%DENG Zong-cai, High Performance Synthetic FiberC25-0.5-61.7340.27Reinforced Concrete[M]. Beijing: Science Press, 2003C250.5-8[4]邓宗才,何唯平,孙成栋.聚丙烯腈纤维增强水泥混凝C25-0.5-1151.53土的抗弯性能[J].公路,2004(2):129-13425-0.8-6DENG Zong-cai, he Wei-ping, SUN Cheng-dongC25-0.8-83134.60Flexural behaviour of Cement Concrete Reinforced1.64th Polyacrylonitrile Fiber [J]. Highway, 2004(2)C25-1-6129-134C25-1-81.7058.93[5]邓宗才,李建辉,刘国栋混杂粗纤维增强混凝土力学C25-1-112.2855.37特性试验研究[门].混凝土,2006(8):50-55C50-0.5-627.30DENG Zong-cai, LI Jian-hui, LIU Guo-dong. ExperiC50-0.5-834.78mental Study on Mechanical Properties of HybridC50-0.5-112.11Macro-fiber Reinforced Concrete [J]. Concrete, 2006C50-0.8-60.9717.93(8):50-55C50-0.8-82.11[6]杜明干纤维混凝土细观力学模型与应用[D].北京:C50-0.8-11清华大学,2004C50-1-633.58DU Ming-gan Microscopic Models of Fiber reinforcedC50-1-81.2925.49Concrete and Their Applications[D]. Beijing Tsinghua1.87University, 2004C35-H837.79[冂]邓宗才,张鹏飞,李建辉,等.预应力AFRP加固混凝C35-HG333.22土梁的疲劳与静载特性[J].中国公路学报,2007,20C35-G251.2224.90(6):49-551.54MPa,单掺钢纤维试件的剩余强度为1.31DENG Zong-cai, ZHANG Peng-fei, LI Jian-hui, et al.MPa,3种合成纤维与钢纤维混掺后,试件的剩余强Fatigue and Static Behaviors of RC Beams Strength度达到了3.21MPa,高于3种合成纤维混掺试件与ened with Prestressed AFRP [J]. China Journal of单掺钢纤维试件的剩余强度之和,使不同纤维的性Highway and Transport, 2007, 20(6):49-55.[8]李炳宏,江世永,飞渭,等.纤维增强塑料筋混凝土能得到了充分发挥。梁抗弯设计数值分析[J].长安大学学报:自然科学版,(5)粗合成纤维混掺可有效提高混凝土梁的韧2011,31(5);50-56.性,峰值荷载后可保持较髙荷载,而单掺钢纤维混凝LI Bing-hong, JIANG Shi-yong, FEI Wei, et al. N土梁在峰值荷载后,荷载下降较快,延性较差,采用merical Analysis of Flexural Design of Concrete Beams新评价方法可充分反映出粗合成纤维混凝土裂后阻Reinforced with FRP Bars [J]. Journal of Chang'an裂能力高、变形大的特点。University: Natural Science Edition, 2011, 31(5):50-参考文献:[9]邓宗才,彭书成.哑铃型钢纤维粉煤灰混凝土基本力References:学性能及抗弯韧性[J].公路,2003(9):149-155.[1 ASTM C1018-97, Standard Test Method for FlexuralDENG Zong-cai, PENG Shu-cheng. Basics Perform-Toughness and First-crack Strength for Fiber Rein-Characteristics and Flexural Toughness of Dumb-forced Concrete[S]bell Steel Fiber Reinforced Fly Ash Concretes [J][2] JSCE 1984, Steel Fiber Reinforced Concrete ResearchHighway,2003(9):149-155中国煤化工CNMHG