混杂纤维水泥基复合材料轴心受压应力应变关系研究闫维明

混杂纤维水泥基复合材料轴心受压应力应变关系研究闫维混杂纤维水泥基复合材料轴心受压应力应变关系研究闫维 明明 Industrial ConstructionVol 49 No 6 2019工业建筑2019年第49卷第6期141 混杂纤维水泥基复合材料轴心受压应力 应变关系研究 闫维明1王 志超1钱增志2何浩祥1崔涛1 1 北京工业大学工程抗震与结构诊治北 京市重点实验室 北京100124 2 中铁建设集团有限公司 北京1000 40 摘要 在混杂纤维总体积掺量为2 的条件下 改变钢纤维 聚丙 烯纤维和聚乙烯醇纤维的体积掺量 设计制作了两类混杂纤维水泥 基试块 通过轴心受压试验 分别研究钢 聚丙烯和聚乙烯醇 聚 丙烯混杂纤维水泥基复合材料的轴心受压应力 应变关系 并提出 了不同纤维掺量变化对峰值应力 峰值应变影响的计算式 结果表明 钢纤维和聚乙烯醇纤维能提高试块的抗压强度 聚丙烯纤 维能显著提高试块的峰值应变 当聚丙烯纤维体积掺量大于0 5 时 混杂纤维水泥基复合材料的抗压强度会低于基体 关键词 混杂纤维 峰值应力 峰值应变DOI 10 13204 j gyjz201906 025 ESEA CH ONST ESS ST AIN ELATIONSHIP OFHYB ID FIBE CEMENTPOSITES UNDE AXIAL P ESSIONYAN Weiming1WANG Zhichao1QIAN Zengzhi2HE Haoxiang1CUI Tao1 1 Beijing Laboratoryof EarthquakeEngineering andStructure etrofit Beijing Universityof Technology Beijing100124 China 2 China ailway ConstructionGroup Co Ltd Beijing100040 China Abstract Under thecondition thatthe totalvolume of the hybrid fiber was2 the volumesof steelfiber polypropylene fiber and polyvinyl alcohol fiberwere changed Two kindsof cementfiber based test blocks weredesignedand manufactured and theaxial pressiontest wasconducted The stress strain relationshipsof steel polypropylene andpolyvinyl alcohol polypropylene hybrid fiber cement based positesunder axialpression werestudiedand theformulae forthe effectof differentfiber contentchanges on peak stressand peak strain wereproposed The resultsshowed thatthe steelfiber andpolyvinylalcoholfiber canimproved the pressive strength of thetestblock and the polypropylene fibercould significantlyincrease thepeak strainof thetestblock When thevolumecontent of thepolypropylenefiber wasgreater than0 5 thepressivestrengthofhybridfibercement positeswouldbe lowerthan thatofthesubstrate Keywords hybridfiber peak stress peakstrain 国家重点研发计划 xxYFC1500600 中铁建设集 团有限公司科技发展计划 LX16 07 第一作者 闫维明 男 1960年出生 教授 电子信箱 yanwm bjut edu 2018 10 20混杂纤维水泥基复合材 料 HF CC 是指在水泥砂浆中掺入两种及两种以上乱向分布的纤维 从而形成一种新型工程水泥基复合材料 其具有高延性 高强度 裂缝控制能力等特点 具有广泛的应用前景 其中最为常用的是 钢纤维 S 聚丙烯纤维 PP 和聚乙烯醇纤维 PVA 1 3 相关研究表明 钢纤维具有较高的弹性模量 增强效果好 但成本较 高且易锈蚀 聚丙烯纤维具有增韧作用且价格低廉 但弹性模量较低 聚乙烯醇纤维具有耐酸碱 亲水等优点 但其价格较高 通过不同纤维之间的掺杂 纤维材料之间可以取长补短 互有补充 弥补单一纤维存在的缺陷 是解决该问题的有效途径 4 7 关于混杂纤维水泥基复合材料的基本力学性能研究已经有不少报道 张元元等对30组钢 聚丙烯 S PP 混杂纤维水泥基试块进行了轴心受压试验 采用正交试验法分析 了混杂纤维对抗压强度 峰值应变 弹性模量 泊松比等的影响 并建立了轴心受压本构方程 8 王振波等对5组钢 聚乙烯醇 S PVA 混杂纤维水泥基试块进行了立方体抗压试验 结果表明其具有 优异的力学性能 实现了混杂纤维水泥基材料高强度与高延性的相 互匹配 9 本课142工业建筑2019年第49卷第6期题组在已有研究的基础上 对 钢 聚丙烯 S PP 和聚乙烯醇 聚丙烯 PVA PP 两类混杂纤维水泥基复合材料进行试验研究 通过单轴受压试验 测出相应的应力 应变全曲线 分析不同纤维掺量对轴心受压应 力 应变曲线形态及特征点的影响 并建立关于纤维特征值的应力 应变曲线方程 1试验概况1 1试块设计及制作试验采用的混杂纤维水泥基复合材料 组成如下 水泥 P O42 5 级粉煤灰 石英砂 钢纤维 S 聚丙烯纤维 PP 聚乙烯醇纤维 PVA 水和聚羧酸高效减水剂 钢纤维类型为端钩型 纤维长度为25mm 直径为0 4mm 抗拉强度不 低于1100MPa 聚丙烯纤维类型为束状形 纤维长度为6mm 直径为21 m 抗拉强度不低于500MPa 聚乙烯醇纤维类型为束状型 纤维长度 为12mm 直径为40m 抗拉强度不低于1200MPa 文献 10 表明 当纤维的总体积掺量为2 时 可以保证造价和施工 要求 同时试块的各项力学性能较为优异 所以本次试验是在保证 纤维总体积掺量为2 的前提下 分别改变钢纤维 聚丙烯纤维和聚 乙烯醇纤维体积掺量 设计制作了10组尺寸为150mm 150mm 300mm 的棱柱体试块 每组3个 共30个试块 基体配合比见表1 试块分 组及编号见表2 表1基体配合比Table1Matrix mixratio kg m3水泥粉煤灰石英砂水减水剂4757104154000 016表2试块分组及 编号Table2Grouping andnumbering of specimenskg m3编号钢纤维聚丙烯纤维聚乙烯醇纤维S156 SP11176 SP27812 SP33918 P 24 AP1 187AP2 1213AP3 620A 26JT 1 2试验方法试验加载采用美斯特公司生产的YAW6306电液伺服压力 试验机 试验机最大轴向荷载3000kN 试验控制模式全程采用位移加载控制 加载速率0 05mm min 荷载 的采集采用试块正下方放置的荷载传感器 位移的采集采用应变片 和两个位移计 试验加载过程以及数据采集均由计算机系统自动完 成 为了获取试块完整的下降段 在加载板之间放置两个700kN的千 斤顶 试验加载步骤如下 1 放置试块 找出试块的中心点 保证加载板的 中心与试块的轴心对齐 2 安装位移计测量轴向变形 连接应变片导线和数据采集装置 3 预加载 将试块反复预压三次并卸载至零 预压荷载为200kN 预 压时以10kN s的加载速率连续均匀地对试块加载至目标荷载 4 正式加载 重新调整数据初始值 加载方式改为位移加载 加载 速度恒定位0 05mm min 加载的控制和数据的采集均由计算机自动 进行 2试验现象两类混杂纤维水泥基复合材料试验应力 应变曲线形状无 明显差异 与基体试块相比 纤维起到了很好的桥接阻裂作用 曲 线下降段较为平缓 如图2所示 具体试验现象描述如下 图1轴心受压应力 应变全曲线Fig 1Axial pressivestress strain curve1 弹性阶段 OA 加载初期 试块所受应力小于40 峰值应力 试块没有出现裂缝 纤 维没有明显的增强作用 试块所受的全部荷载由基体承担 应力 应变曲线接近一条直线 此时试块的变形主要是骨料和水泥受力产 生的弹性变形 2 裂缝稳态扩展阶段 AB 当加载至峰值应力40 90 时 试块表面没有肉眼可见裂缝 但是 应力 应变开始表现出非线性特征 曲线呈现上凸特征 同时伴随 着试块非弹性变形出现 此时试块内部初始裂缝开始扩展 并向表面延伸 荷载主要由基体 承担开始逐渐向开裂处横跨裂缝的纤维转移 桥接裂缝两端的混杂 纤维开始发挥阻裂作用 3 裂缝失稳扩展阶段 BD 当加载至峰值应力的90 时 试块表面裂缝开始延伸和扩展 此时混 杂纤维水泥基复合材料轴心受压应力 应变关系研究 闫维明 等143的应变增长速度明显大于应力的增长速度 曲线开始 弯曲 可以听到试块内发出的 噼啪 声 随着变形的增加 试块的承载力达到峰值后开始逐渐下降 此时试块出现第一条宏观裂缝 裂缝逐渐延伸 并出现多条纵向裂 缝 裂缝开始贯通 此时断面处的纤维应力逐渐提高 部分纤维逐渐被拉出 此阶段承载力达到峰值点C后 由于试块内部固有的缺陷以及纤维分 布的不均匀 存在薄弱层 下降段曲线会出现一定的离散型 部分 试块曲线会急剧下降后出现短暂的上升 4 收敛阶段 D后 此时试块破碎带形成 试块其他裂缝趋于稳定不再发生扩展 应力 应变曲线趋于稳定 曲线凸向应变轴 此阶段试块的承载力基本 由纤维的拉力和纤维与界面的摩擦力以及基体碎块之间的摩擦力提 供 各试块破坏后形态如图2所示 对比单一纤维S P A组和无纤维JT组试块 A组试块破坏后的纵向 裂缝多而密 变形也最大 而JT组试块破坏后的纵向裂缝单一 变 形最小 对比混合纤维SP AP组试块 SP组试块破坏裂缝多而细 AP 组试块破坏后以斜向裂缝为主 可以明显看到裂缝处纤维被拉出或 拉断 图2试块破坏形态Fig 2Failure modeof specimen3纤维对应力 应变全曲线的影响试验测得的试块单轴受压 应力 应变曲线如图3 图5所示 曲线形状与GB50010 xx 混凝土结构设计规范 中普通混凝土的应力 应变曲线形状相 似 都是偏态的单峰曲线 但是纤维体系试块的塑性变形能力明显 提高 充分体现了纤维对普通混凝土延性的改善 11 S P A JT 图3单一纤维试块轴心受压应力 应变曲线Fig 3Stress strain curvesof singlefiberspecimen underaxial pression分析单一纤维掺量试块轴心受压应力 应变曲线 图3 每 组试块均值数据如表3所示 单掺纤维试块 S P A 收敛强度分别 比基体试块 JT 提高9 91 7 27 6 89MPa 收敛应变分别比基体试 块 JT 提高0 00218 0 00381和0 00289 延性能力显著提升 对于峰值应力 单 掺钢纤维试块 S 和聚 S SP1 SP2 SP3 P 图4混杂纤维S PP试块轴心受压应力 应变曲线Fig 4Stress strain curvesof fiberS PP specimenunderaxial pression A AP1 AP2 AP3 P 图5混杂纤维PVA PP试块轴心受压应力 应变曲线Fig 5Stress strain curvesof fiberPVA PP specimenunderaxialpression乙烯醇纤维试块 A 分别比基体试块 J T 提高2 06 1 85MPa 而单掺聚丙烯纤维试块 P 比基体试块 JT 降低2 32MPa 表明钢纤维和聚乙烯醇纤144工业建筑2019年第49卷 第6期表3试块特征点试验数据平均值Table3Average valueof testdata fromcharacteristicpoint test试块编号f c MPa c f c1 MPa c1S29 320 0037315 840 00748SP127 680 0038514 040 00 763SP226 710 0039815 230 00644SP325 830 0045813 780 00859P2 4 940 0049013 200 00911AP125 110 0046813 620 00958AP226 160 0043612 090 00794AP327 500 0041213 320 00855A29 110 004041 2 820 00819JT27 260 003515 930 00530维都能在一定程度上提高 试块的抗压强度 而聚丙烯纤维会降低试块的抗压强度 对于峰值应 变 单掺钢纤维 S 聚丙烯纤维 P 和聚乙烯醇纤维试块 A 分别比 基体试块 JT 提高0 00022 0 0014和0 00053 表明聚丙烯纤维能显著提高试块的峰值 应变 当混杂纤维总体积掺量固定为2 时 混杂纤维试块如图4和图5所示 混杂纤维体系试块的峰值应变均大于基体 同时试块的抗压曲线 均处在两个单掺纤维试块曲线之间 抗压强度低于单掺钢纤维 S 或 单掺聚乙烯醇纤维 A 试块 而试块的峰值应变高于单掺聚丙烯纤维 试块 P 随着聚丙烯纤维掺量的增加 试块的峰值应力逐渐下降 峰值应变 逐渐增大 曲线的上升段斜率减小 但试块的收敛强度和收敛应变 基本保持不变 当聚丙烯纤维体积掺量小于0 5 时 SP 1 AP1试块峰值应力和峰值应变均高于基体 试块的力学性能最优 当聚丙烯纤维体积掺量大于0 5 时 SP 2 SP 3 AP 2 AP3试块峰值应变均高于基体 但峰值应力均低于基体 为量化纤维对曲线的影响 12 引入钢纤维特征值 sf 聚丙烯 纤维特征值 pf和聚乙烯醇纤维特征值 af sf sf l sf d sf 1a pf pf l pf d pf 1b af af l af d af 1c 式中 sf pf af分别表示钢纤维 聚丙烯纤维 聚乙 烯醇纤维的体积掺量 lsf d sf lpf d pf laf d af分别表示钢纤维 聚丙烯纤维 聚乙烯醇纤维的长径比 3 1峰值应力与纤维特征值的关系以上研究表明 钢纤维和聚乙烯醇 纤维的掺入会提高试块的峰值应力 聚丙烯纤维的掺入会降低试块 的峰值应力 对本次的试验数据进行回归分析 见图6 得到峰值应力与纤维特征 值的计算关系式为 f csp csp fc0 2a f cap cap fc0 2b 其中 csp 1 0 05159 sf 0 01594 pf cap 1 0 00887 af 0 01823 af式中 f csp f cap分别表示钢 聚丙烯 聚丙烯 聚乙烯醇混杂纤维水泥基复合材 料的峰值应力 fc0表示基体的峰值应力 a 混杂纤维S PP试块 b 混杂纤维PVA PP试块 试验值 拟合曲线 图6纤维特征值对峰值应力的影响规律Fig 6Effects offiber characteristicvalues onpeak stress3 2峰值应变与纤维特征值的关系试验表明 钢纤维 聚丙烯 纤维和聚乙烯醇纤维的掺入都能提高试块的峰值应变 聚丙烯纤维 提高作用最为显著 对本次的试验数据进行回归分析 见图7 得到峰值应变与纤维特征 值的计算关系式为 csp csp c0 3a f cap cap c0 3b 其中 csp 1 0 0 xx sf 0 06572 pf cap 1 0 02153 af 0 06827 pf式中 csp cap分别表示钢 聚丙烯 和聚丙烯 聚乙烯醇混杂纤维水泥基复合材料的峰值应变 c0表示 基体的峰值应变 4轴心受压应力 应变曲线方程单轴受压应力 应变全曲线是材料基 本受压性能的整体性宏观反映 也是研究其结构或构件承载力和变 形计算理论的重要依据 为了准确拟合混凝混杂纤维水泥基复合材料轴心受压应力 应变关 系研究 闫维明 等145a 混杂纤维S PP试块 b 混杂纤维PVA PP试块 试验值 拟合曲线 图7纤维特征值对峰值应变的影响规律Fig 7Effects offiber characteristicsonpeakstrain土的受压应力 应变曲线 国内外许 多学者对此进行了大量的研究 比较常见的几种数学函数有指数式 多项式 三角函数和有理式 目前 统一公式在一定程度上难以准确兼顾全曲线上升段和下降段 的拟合度 所以一般采用分段式来拟合全曲线 13 拟合混凝土的应力 应变曲线一般采用无量纲化的表达式 令x 0 y 0 0为曲线峰值应力对应的应变 0为曲线的峰值应 力 根据混凝土应力 应变曲线的特征 参考文献 13 可知 典型的混 凝土应力 应变曲线应满足以下几个数学条件 1 当x 0时 y 0 2 0 x 1 d2y dx2 0 即上升段的斜率单调减小 无拐点 3 当x 1时 y 1 dy dx 0 即曲线单峰 4 当x 1时 曲线存在一点d2y dx2 0 即曲线下降段存在一个拐点 5 当x 1时 曲线存在一点d3y dx3 0 即曲线下降段存在一个曲率 最大点 6 当x 时 y 0 dy dx 0 即下降段曲线收敛于横坐标轴 7 全曲线x 0 0 y 1 本文拟合采用GB50010 xx的分段式曲线方程 y ax 3 2a x2 a 2 x30 x 1 4a y x b x 1 2 x 1 x 4b 式中统一将曲线的上升段参数设为初始弹性 模量与峰值割线模量的比值 下降段参数设为b 0 b 当b 0 时 y 1 即曲线峰值点后为水平线 材料本构为全塑性 当b 时 y 0 即曲线峰值点后为垂直线 材料本构为全脆性 依据最小二乘法 对每组试块进行非线性回归 取平均值得到参数 及相关系数 拟合结果如表4所示 表4试块轴心受压应力 应变曲线拟合Table4Axial pressivestress strain curvefitting试块编号a 2a b 2bS1 79620 96281 27810 9604SP11 91930 95961 55510 9334SP 21 81740 93651 19340 9979SP31 90170 95681 03890 9653P2 0724 0 95261 48000 9952AP11 94110 95960 86990 9682AP21 89920 934 01 88320 9825AP31 68840 94161 55070 9641A1 71660 93631 4153 0 9764本文采用纤维特征值 sf pf和 sf对表3中的参数a和b进 行统计分析 得到计算式 钢 聚丙烯混杂纤维 S PP 水泥基复合材料曲线参数 a1 1 7 1 0 0756 sf 0 0539 pf 5a b1 1 21 1 0 0652 sf 0 0053 pf 5b 聚乙烯醇 聚丙烯纤维 PVA PP 水泥基复合材料曲线参数 a2 1 7 1 0 0235 af 0 0623 pf 6a b2 1 21 1 0 1950 af 0 0279 pf 6b 式中 a 1 a2代表曲线上升段参数 b 1 b2代表曲线下降段参数 为验证式的普适性 本文采用文献 8 中A19试件数据参数代入计 算式 5a 式 5b 绘出应力 应变曲线 如图8所示 A19试验曲线 8 预测曲线 图8文献 8 试件曲线与本文预测曲线对比Fig 8Comparison betweenthe curveofspecimenA19in literature8and thepredicted curveof thispaper146工业建筑2019年第49卷第6期对比文献中试验曲线与本 文预测曲线 可以看出 两者的上升段较为吻合 但是两者的下降段 有一定的差别 原因主要是试块内部固有的缺陷以及纤维分布的不 均匀 会导致下降段曲线出现一定的离散性 5结束语1 在纤维水泥基复合材料受压过程中 纤维的阻裂增强作用 明显 其受压变形全过程可分为4个阶段 弹性阶段 裂缝稳态扩展 阶段 裂缝失稳扩展阶段和收敛阶段 2 当混杂纤维总体积掺量为2 时 钢 聚丙烯和聚乙烯醇 聚丙烯 混杂纤维体系与基体试块相比 收敛应力 收敛应变和峰值应变均 显著提高 但当混杂纤维体系中聚丙烯纤维体积掺量大于0 5 时 试块的抗压强度会略有降低 3 基于试验实测的轴心受压应力 应变曲线 提出了关于钢 聚丙 烯和聚乙烯醇 聚丙烯这两类混杂纤维水泥基复合材料的轴心受压 应力 应变曲线方程以及峰值应力和峰值应变的计算公式 参考文献 1 沈荣熹 崔琪 李清海 新型纤维增强水泥复合材料 M 北京 中国建材工业出版社 xx 2 潘钻峰 汪卫 孟少 平 等 混杂聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料力学性能 J 同 济大学学报 自然科学版 xx 43 1 33 40 3 王成启 吴科如 混杂纤维水泥基复合材料及其 应用 J 工业建筑 xx 32 9 51 53 4 TAMAS F BALAZS GL High PerformanceFiber einforcedCement Composites HPF CC2 J Cement Concrete esearch 1995 31 5 801 802 5 李淑进 吴科如 钢 PP纤维混杂水泥基材料的力学行为研究 J 混凝土与水泥制品 xx 4 35 37 6 LI VC Tensile Strain Hardening Behaviorof PolyvinylAlcoholEngineered CementitiousComposite J ACI MaterialsJournal xx 98 483 492 7 徐世烺 蔡向荣 张 英华 超高韧性水泥基复合材料单轴受压应力 应变全曲线试验测 定与分析 J 土木工程学报 xx 11 79 85 8 张元元 钢 聚丙烯混杂纤维混凝土单轴受压 本构关系与受拉性能研究 D 武汉 武汉大学 xx 9 王振波 聚乙烯醇 钢纤维混杂增强水泥基复合材料力学性能研究 D 北京 清华大学 xx 10 张志伟 混合纤维增强水泥基复合材料 的力学性能试验及数值模拟 D 广州 华南理工大学 xx 11 中华人民共和国住房和城乡建设部 混凝土结构设计规范 GB5001 0 xx S 北京 中国工业建筑出版社 xx 12 徐礼华 梅国栋 黄乐 等 钢 聚丙烯混杂纤维混凝土轴心受拉应力 应变关系 研究 J 土木工程学报 xx 7 35 45 13 秦萌 高延性纤维混凝土受压力学性能试验研 究 D 西安 西安建筑科技大学 xx 上接第140页 参考文献 1 AB AMS MS Compressive Strength of ConcreteTemperature to1600 M Detroit American ConcreteInstitute 1972 2 EHM C SCHNEIDE U The High Temperature BehaviourofConcrete UnderBiaxial Conditions J Cement andConcrete esearch 1985 15 1 27 34 3 ULM FJ COUSSY O BAZANT ZP The Chunnel Fire I Chemoplastic Softeningin apidly HeatedConcrete J Journal ofEngineeringMechanics 1999 125 3 272 282 4 ULM FJ ACKE P LEVY M The Chunnel Fire II Analysis ofConcrete Damage J Journal ofEngineeringMechanics 1999 125 3 283 289 5 KODU V SULTAN MA Effect ofTemperature onThermalProperties ofHigh strength Concrete J Journal