混杂纤维混凝土单轴抗拉力学性能研究

混杂纤维混凝土单轴抗拉力学性能研究

1总结在混凝土的基础上，混合纤维可以在不同的结构层次上发挥有益的作用，并从不同的结构层次中发挥有益的作用，因此它受到了人们的关注。2性能测试方法胶凝材料:冀东水泥厂生产42.5普通硅酸盐水泥(C),I级粉煤灰(F)和SF93硅灰(SF);集料:粗集料为粒径4.75~16mm的石灰岩碎石(A),细集料为洁净天然河砂(S);纤维:高弹模聚乙烯(PE)纤维和聚丙烯粗合成纤维(CPP),其技术指标如表1所示;减水剂:聚羧酸高性能减水剂(SP),固含量20%,减水率30%;拌合水:饮用自来水(W)。本研究所采用配比如表2所示。表2中除了PE和CPP为混凝土的总体积掺量(%)外,其它均为与水泥的质量之比。混凝土搅拌均匀后浇筑成图1所示的抗拉试件,每组配比成型3个试件。养护至28d后按照图2所示测试原理在SANS试验机上进行抗拉性能测试,加载速率为0.1mm/min。测试过程中荷载和试件变形分别由压力传感器和位移传感器传至数据采集系统,由计算机同时记录试件变形和外部荷载数据,测试完成后绘制出荷载-变形曲线。同时,每组配比成型3个300mm×150mm×150mm棱柱体试件,养护至28d后测试其抗压弹性模量。3结果与讨论3.1混凝土材料pe/cpp各组配比的抗拉性能指标测试结果如表3所示,表中σ各组试件在轴拉状态下的典型应力-应变曲线规律如图3所示。从图3可以看出,混杂纤维的加入使得混凝土材料的受拉变形出现了明显的变化,初裂产生以后试件并没有快速破坏,所承受的荷载反而缓慢增大,极限拉应变大大提高,材料的破坏过程缓慢,时间历程大大增长。总体来看,单轴受拉应力-应变曲线可以根据其变化规律划分为三个阶段:弹性阶段(OA段)、应变硬化阶段(AB段)和破坏阶段(BC段)。在OA阶段,应力应变线性增长,材料近似为弹性体;在AB阶段,初裂产生后,应力增长速度逐渐变缓,塑性变形增长明显;BC阶段,达到极限承载力后裂缝贯通,承载力迅速下降,试件破坏。通过连续观测试件的开裂过程发现,初始裂缝产生以后,新的微细裂缝在其附近平行出现,由一条逐步发展成多条,裂缝间距缩小,随着外部荷载的增大裂缝宽度逐渐张开。当荷载达到峰值时,试件上的某一条或多条裂缝开始局部扩展,裂缝逐渐贯通,试件破坏。其中,P-2和P-3的裂缝形态如图4所示,需要指出的是,由于裂缝区域大量的微细裂缝在卸载后发生了闭合,所以实际的裂缝分布比图4中的更为紧密。可以看出,微细裂缝的扩展较为曲折,所以试件在开裂过程中吸收了大量的能量,导致变形能力的大幅提升。可以看出,采用PE/CPP混杂纤维增强技术可以制备出具有优异变形性能的混凝土材料。从细观尺度来看,PE纤维具有很高的抗拉强度和模量,并且其分子结构中无亲水基团,与水泥基体的粘结较差,所以在出现微细裂缝以后,PE纤维桥联在裂缝两侧,通过拔出滑移过程来耗散破坏能,消除裂缝尖端应力,提高混凝土的韧性。从宏观尺度来看,当裂缝开口较大时PE纤维的桥联作用开始失效,而CPP纤维由于尺寸较大开始对大裂缝起到阻滞作用,延缓裂缝的扩展和混凝土的破坏。所以,采用高弹模PE纤维和低弹模CPP纤维可以从不同尺度上对混凝土进行互补增韧,并大幅提高其变形性能。3.2本结构模型的受拉变形曲线根据前文的分析,本文所制备的混杂纤维混凝土相比于普通混凝土具有优异的延性特征和裂缝控制能力,因此在描述其抗拉力学性能时仅采用抗拉强度指标是不够的,为进行结构非线性力学分析以及优化材料设计,需要建立能够反映其应力-应变关系特征的抗拉本构关系模型。由于其断裂模式与延性材料很相似,因此可采用具有塑性变形硬化特征的Ramberg-Osgood法则来描述其变形特征式中,ε根据式(1)可知Ramberg-Osgood法则没有下降段,而混杂纤维混凝土在峰值荷载之后仍具有较高的残余强度,所以采用式(1)无法对混杂纤维混凝土的受拉全曲线特征进行完整描述。文献[11]曾建议采用式(2)对混凝土的受拉变形曲线下降段进行表征:式中,α所以,根据式(2)则可以计算得到混杂纤维混凝土抗拉变形曲线的下降段,如图5所示。从图5可以看出,式(2)能完整描述混杂纤维混凝土峰值荷载后的承载力发展趋势。经对比分析,当取α综合以上分析,可以采用式(3)所示分段模型对混杂纤维混凝土在单轴受拉状态下的应力-应变关系全曲线进行表征:式中,α通过测试得到各组试件的弹性模量分别为21.4GPa、22.5GPa、20.5GPa和19.8GPa,均低于普通混凝土。结合抗拉性能和弹性模量测试结果,采用式(3)对各组混凝土试件的抗拉全曲线进行拟合分析,结果如图6所示。从图中可以看出,本文推荐的分段模型与实测曲线基本吻合,能够较好的反映应力-应变曲线的发展趋势。并且,由式(3)计算得到理论曲线的弹性变形区、应变硬化区和下降区的特征差异较明显,能够描述混杂纤维混凝土的变形发展规律和损伤过程。相关参数的计算结果如表4所示。为简化计算过程和本构关系模型的建立,对表4中参数α和n的取值进行拟合分析后得到其计算公式分别为式(4)和(5):为了对式(4)和(5)的计算准确性进行检验,将其计算值与表4中的结果进行相关性检验,结果如表5所示。从表5可以看出,式(4)和(5)的计算值与实际值很接近,相对误差较小。因此,结合式(3)~(5)可以简化混杂纤维混凝土在单轴受拉条件下本构关系模型的计算分析,并能较好的表征其应力-应变关系。4硅灰界面缺陷(1)制备的混杂纤维混凝土受拉应力-应变曲线可以根据变化规律划分为三个阶段:弹性阶段、应变硬化阶段和破坏阶段;在受拉过程中出现了多缝开裂现象,微细裂缝的扩展较为曲折,在开裂过程中吸收了大量的能量,导致变形能力的大幅提升;(2)掺入硅灰后导致界面过渡区密实程度提高,所以界面粘结性能得以改善,从而导致极限抗拉强度和拉应变的增大;纤维掺量过大时纤