纖維混凝土抗沖擊力學(xué)性能試驗(yàn)研究

纖維混凝土抗沖擊力學(xué)性能試驗(yàn)研究

混凝土的優(yōu)點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度高，訪(fǎng)問(wèn)簡(jiǎn)單、易于加工、價(jià)格低廉，可與材料結(jié)合形成各種承受組件。但是混凝土致命弱點(diǎn)為抗拉強(qiáng)度低、脆性大、易開(kāi)裂、韌性差,從而降低混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力,縮短使用壽命,成為各種災(zāi)難事故的隱患。特別是混凝土的抗沖擊性能差,即使是鋼筋混凝土,在沖擊荷載作用下混凝土也易于脆性斷裂和脫落。這也是受沖擊荷載作用的橋梁、道路、堤壩等民用工程結(jié)構(gòu)和軍用工程結(jié)構(gòu)的混凝土易于損傷斷裂的原因。纖維增強(qiáng)混凝土是以混凝土為基體,纖維為增強(qiáng)材料所制成的水泥基復(fù)合材料的總稱(chēng)。由于纖維可以很好地抑制裂縫的開(kāi)展,纖維增強(qiáng)混凝土是改善混凝土受力性能的有效方法。長(zhǎng)期以來(lái),人們較多地關(guān)注單一纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)效果。事實(shí)上,不同種類(lèi)的纖維,如鋼纖維、碳纖維、合成纖維和天然纖維等對(duì)混凝土的增強(qiáng)效果不同,有些可以提高混凝土的抗沖擊性能;有些可以提高混凝土開(kāi)裂后韌性,限制裂縫寬度發(fā)展;有些有抗爆防火能力等。根據(jù)復(fù)合材料理論,通過(guò)不同纖維混合,它們之間性能互補(bǔ),通過(guò)產(chǎn)生正混雜效應(yīng),可以達(dá)到一加一大于二的效果,從而產(chǎn)生性能可靠,且具有較好社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的新型高性能復(fù)合材料。這一方面國(guó)內(nèi)外研究較熱,主要研究集中在混雜纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料研究,對(duì)于混雜纖維混凝土抗沖擊性能的研究較少。本文研究目的是將不同幾何尺寸和彈性模量的碳纖維、鋼纖維和聚丙烯纖維按一定比例加以混合制成抗沖擊性能高的混雜纖維混凝土,通過(guò)產(chǎn)生正混雜效應(yīng),達(dá)到一加一大于二的效果。為此,本文參考美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)ACI的混凝土落錘沖擊試驗(yàn)裝置,自行設(shè)計(jì)落錘彎曲沖擊試驗(yàn)裝置,進(jìn)行了不同種類(lèi)和摻量的碳纖維、鋼纖維和聚丙烯纖維混雜纖維混凝土的沖擊力學(xué)性能試驗(yàn)研究,分析比較了不同纖維種類(lèi)和摻量對(duì)混雜纖維混凝土的抗沖擊性能的影響,并分析混雜纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理。通過(guò)定義混雜效應(yīng)系數(shù),定量評(píng)價(jià)混凝土抗沖擊力學(xué)性能的正混雜效應(yīng),比較了增強(qiáng)效應(yīng)較為突出的混雜纖維的種類(lèi)和摻量。1試驗(yàn)總結(jié)1.1試驗(yàn)用雙組分纖維細(xì)度計(jì)算試驗(yàn)纖維的選用和設(shè)計(jì)是在前一系列試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì),同時(shí)參考已有研究成果完成。所用纖維如圖1所示,分別為鋼絲纖維(型號(hào)為CW03-50-1000),銑削型鋼纖維(型號(hào)為Ami04-32-600),碳纖維(長(zhǎng)度為10mm),聚丙烯纖維(長(zhǎng)度為10mm),其主要物理性能參數(shù)見(jiàn)表1。本試驗(yàn)采用P.O52.5普通硅酸鹽水泥。細(xì)骨料為河沙,中砂,細(xì)度模數(shù)為2.5。粗骨料為碎石,粒徑為5~20mm。混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為40MPa,實(shí)測(cè)混凝土的28天單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)平均值為41.23MPa。1.2試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)目前,國(guó)內(nèi)外沒(méi)有統(tǒng)一的試驗(yàn)方法來(lái)測(cè)試混凝土的抗沖擊性能,常用的試驗(yàn)方法有落錘沖擊試驗(yàn)、爆炸試驗(yàn)、子彈沖擊試驗(yàn)、鐘擺沖擊試驗(yàn)等等。其中落錘沖擊試驗(yàn)法由美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)ACI提出,根據(jù)試件支撐條件(餅狀全支撐和條狀受彎支撐)分為壓沖擊試驗(yàn)和彎曲沖擊試驗(yàn)法。落錘沖擊試驗(yàn)法由一定重量的鋼錘從一定高度自由下落沖擊試件,記錄試件初裂與破壞的沖擊次數(shù)。混凝土試件的抗沖擊性能通過(guò)比較初裂與破壞的鋼錘沖擊次數(shù)得出。本文參考美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)ACI的混凝土落錘沖擊試驗(yàn)裝置,自行設(shè)計(jì)落錘彎曲沖擊試驗(yàn)裝置(圖2)。自行設(shè)計(jì)的沖擊試驗(yàn)的落錘沖擊動(dòng)能與美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)ACI的沖擊試驗(yàn)法的落錘沖擊動(dòng)能相近。試件為方形薄板,尺寸為200mm×200mm×50mm。將試件放入角鋼焊制的金屬框架中形成試件的四邊簡(jiǎn)單支撐,周邊保持約1cm的間隙防止金屬框架對(duì)試件產(chǎn)生橫向約束。沖擊球重7.2kg,下落高度為30cm,測(cè)試時(shí),沖擊球沿試件中心線(xiàn)自由落下,試件在沖擊荷載作用下受彎,每次沖擊加載后仔細(xì)檢查試件是否開(kāi)裂或破壞,記錄試件初裂及破壞時(shí)的沖擊次數(shù)。1.3試驗(yàn)構(gòu)件的選取為分析比較纖維的不同種類(lèi)和摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的增強(qiáng)效果,設(shè)計(jì)了無(wú)纖維混凝土試件、單一纖維混凝土試件和混雜纖維混凝土的不同對(duì)比。試件編號(hào)為A/B/C/D,表示對(duì)應(yīng)的鋼絲纖維、銑削型鋼纖維、碳纖維和聚丙烯纖維的纖維摻量分別為每立方米混凝土摻入Akg、Bkg、Ckg、Dkg。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)的7組混雜纖維總體積率為0.76%,分別由不同纖維比例組成,表2為試驗(yàn)試件編號(hào)、纖維配比、試件分組匯總。其中Vf表示纖維體積率,用百分比(%)為單位。2破壞形態(tài)及破壞次數(shù)在沖擊試驗(yàn)的初期,每次沖擊的聲音都非常響亮,試件幾乎沒(méi)有變形,中心表面混凝土也沒(méi)有局部受損,重錘沖擊后會(huì)有一定的回彈。然后,幾乎所有的試件初裂都是先沿著試件中心出現(xiàn)裂縫,該裂縫平行于邊長(zhǎng)發(fā)展并貫通。隨著初裂的發(fā)生,沖擊的聲音開(kāi)始變得低沉、不清楚,失去了清脆的撞擊聲,試件出現(xiàn)不同程度的變形。試件沖擊破壞發(fā)生時(shí),試件一般出現(xiàn)貫穿的十字裂縫,達(dá)到破壞狀態(tài)。圖3為素混凝土與碳纖維混雜纖維混凝土試件沖擊破壞的破壞形態(tài)比較。素混凝土在初始裂縫出現(xiàn)時(shí),幾乎同時(shí)發(fā)生斷裂破壞,斷裂成幾塊(圖3(a))。混雜纖維混凝土在初始裂縫出現(xiàn)后仍能繼續(xù)承受沖擊荷載,其變形逐漸變大,裂縫充分發(fā)展,在開(kāi)裂處可見(jiàn)裂縫間有鋼纖維和碳纖維約束裂縫開(kāi)展(圖3(b))。表3為試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表,其中初裂次數(shù)N’和破壞次數(shù)N表示試件受到N’或N次沖擊后出現(xiàn)初始裂縫或出現(xiàn)貫通裂縫破壞。比值N/N’的大小可以看出破壞形態(tài)是延性或脆性破壞。比值N/N’大,表示試件開(kāi)裂后仍然可以繼續(xù)抵抗沖擊荷載,裂縫有逐漸延伸和擴(kuò)展過(guò)程,試件不會(huì)出現(xiàn)脆性破壞。另一方面,混雜纖維混凝土與素混凝土的初裂和破壞沖擊次數(shù)比較,可以反映混雜纖維對(duì)混凝土抗沖擊能力的提升效應(yīng),如圖4中豎向坐標(biāo)軸所示為混雜纖維對(duì)混凝土抗沖擊能力的提升倍數(shù)。從表3和圖4可以看出,配比20/20/2/1和11/11/6/1的碳纖維混雜纖維對(duì)混凝土的抗沖擊性能提高幅度最大,抗沖擊能力提升倍數(shù)分別達(dá)到8.38和6.75。3混合纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理分析3.1不同纖維配比對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響混雜效應(yīng)系數(shù)應(yīng)同時(shí)考慮各單一纖維的作用,可采用差值法和比值法定義,本文建議采用下列公式計(jì)算混凝土的抗沖擊力學(xué)性能的混雜效應(yīng):其中:α為混雜效應(yīng)系數(shù);f為混雜纖維混凝土力學(xué)性能參數(shù);f0為素混凝土力學(xué)性能參數(shù);fi為單摻i纖維的混凝土力學(xué)性能參數(shù)(單纖維體積分?jǐn)?shù)與混雜纖維相同。若不同,應(yīng)對(duì)其力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行折算);Vi為混雜纖維混凝土中i纖維體積;V為混雜纖維混凝土中所有纖維的總體積。α>1時(shí)產(chǎn)生正混雜效應(yīng),α<1時(shí)產(chǎn)生負(fù)混雜效應(yīng)。將表3中測(cè)得的混凝土沖擊力學(xué)性能參數(shù)代入式(1),并參考文獻(xiàn)的一些試驗(yàn)數(shù)據(jù),可由式(1)計(jì)算得到不同纖維配比的混雜效應(yīng)系數(shù)如表4所示。表4中可見(jiàn),配比20/20/2/1和11/11/6/1的混雜纖維的混凝土抗沖擊性能提高幅度最大,分別達(dá)到2.38和2.27,出現(xiàn)明顯的正混雜效應(yīng)。表4中可見(jiàn),如果僅僅是鋼絲纖維與碳纖維混雜,則混雜效應(yīng)系數(shù)小于2,加入PP纖維可以有效提升混雜纖維混凝土抗沖擊性能的正混雜效應(yīng)。3.2試驗(yàn)結(jié)果分析纖維主要通過(guò)阻止裂縫擴(kuò)展、增加混凝土基體的強(qiáng)度和斷裂能來(lái)實(shí)現(xiàn)混凝土性能增強(qiáng)。關(guān)于纖維的阻裂機(jī)理有多種理論模型,其中運(yùn)用較多的有復(fù)合材料模型、多縫開(kāi)裂模型和斷裂力學(xué)模型。從幾何形狀及尺寸上來(lái)看,本次試驗(yàn)所用纖維的外形上具有銑削鋸齒及兩端錨鉤等結(jié)構(gòu),長(zhǎng)度從10mm~50mm,等效直徑從0.01mm~1mm不等,這種幾何形狀及尺寸的多層次性與混凝土復(fù)合材料多相、多層次的結(jié)構(gòu)組成相呼應(yīng),可以對(duì)小到水泥凈漿,大到粗骨料的各級(jí)混凝土組分進(jìn)行加強(qiáng),形成纖維加強(qiáng)材的級(jí)配結(jié)構(gòu),從而抑制各個(gè)層面的裂縫,多級(jí)極配結(jié)構(gòu)有利于纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能相互補(bǔ)充、促進(jìn),進(jìn)而產(chǎn)生1+1>2的正混雜效應(yīng)。試驗(yàn)中的纖維主要依靠?jī)煞N方式與混凝土結(jié)合并共同工作,一種是纖維兩端彎起形成的鉤狀結(jié)構(gòu)與混凝土抓緊,另一種為纖維與混凝土的粘結(jié)與摩擦。當(dāng)兩種材料之間的結(jié)合失效時(shí),纖維即退出工作。兩種鋼纖維極限強(qiáng)度都相對(duì)較大,沖擊試驗(yàn)中未出現(xiàn)拉斷,破壞面裂縫間均有鋼纖維拔出。沖擊試驗(yàn)中,在鋼纖維對(duì)于混凝土整體加強(qiáng)條件下,加入的碳纖維和聚丙烯纖維可以更有效地吸收沖擊能量,當(dāng)裂縫發(fā)展到一定寬度之后,混凝土內(nèi)部的碳纖維和聚丙烯纖維可以持續(xù)承受沖擊而不斷裂。本文的試驗(yàn)研究結(jié)果表明,多種不同尺寸、不同材料、不同幾何形狀、不同彈性模量的纖維混合能在不同沖擊受荷階段和不同結(jié)構(gòu)層面對(duì)混凝土加以增強(qiáng)。在受荷初期,整個(gè)材料處于彈性階段,纖維與基體共同承擔(dān)外力,共同變形,符合以混合律為主要依據(jù)的復(fù)合材料理論。隨著荷載的增大,部分混凝土達(dá)到極限應(yīng)變,在強(qiáng)度大、彈性模量大的鋼纖維約束下混凝土出現(xiàn)多縫開(kāi)裂,繼而裂縫不斷發(fā)展,最終匯聚出現(xiàn)宏觀(guān)裂縫。如圖5所示,非連續(xù)纖維分布存在隨機(jī)性,因而幾何尺寸較長(zhǎng)的鋼絲纖維有更大的概率橫跨宏觀(guān)裂縫,將應(yīng)力傳遞給兩側(cè)混凝土。宏觀(guān)裂縫尖端仍處于多縫開(kāi)裂狀態(tài),其上存在一個(gè)微裂縫區(qū),大量的微裂縫由幾何尺寸小、數(shù)量大、間距小的碳纖維和聚合纖維加以約束。同時(shí)由于聚合纖維彈性模量小、延性大,在承受沖擊荷載時(shí)可以發(fā)揮類(lèi)似于彈簧的緩沖作用(圖5),將部分沖擊能轉(zhuǎn)化為纖維的彈性勢(shì)能,沖擊荷載結(jié)束后彈性勢(shì)能釋放,纖維回彈,使裂縫回縮。與此同時(shí),碳纖維有較高的彈性模量,因此對(duì)于沖擊動(dòng)能的吸收以及抵抗微裂縫的開(kāi)展都起到一定作用。4混雜纖維對(duì)混凝土抗沖擊性能的影響本文進(jìn)行了碳纖維混雜纖維混凝土的沖擊力學(xué)性能試驗(yàn)研究,分析比較了不同纖維種類(lèi)和摻量對(duì)混雜纖維混凝土抗沖擊性能的影響及纖維增強(qiáng)混凝土的機(jī)理和阻裂模型,根據(jù)本文的試驗(yàn)研究和機(jī)理分析,可以得到以下主要結(jié)論:(1)混凝土加入混雜纖維可以明顯提高混凝土的抗沖擊強(qiáng)度,其中碳纖維混雜纖維混凝土的提高幅度更為顯著,纖維配比20/20/2/1可以將抗沖擊性能提高到素混凝土的8倍以上。(2)采用本文