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  哈尔滨工程大学学报  2019, Vol. 40 Issue (5): 993-999  DOI: 10.11990/jheu.201711103
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引用本文  

邓宗才, 陈海龙. 集束型玻璃纤维混凝土轴拉、弯曲和断裂性能[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2019, 40(5), 993-999. DOI: 10.11990/jheu.201711103.
DENG Zongcai, CHEN Hailong. Axial tensile properties, flexural toughness and fracture properties of bundling glass-fiber reinforced concrete[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2019, 40(5), 993-999. DOI: 10.11990/jheu.201711103.

基金项目

国家自然科学基金项目(51578021)

通信作者

邓宗才, E-mail:dengzc@bjut.edu.cn

作者简介

邓宗才, 男, 教授, 博士生导师

文章历史

收稿日期:2017-11-28
网络出版日期:2019-01-15
集束型玻璃纤维混凝土轴拉、弯曲和断裂性能
邓宗才 , 陈海龙     
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:为掌握不同掺率耐碱集束型玻璃纤维混凝土的力学韧性,本文对不同体积掺率的耐碱集束型玻璃纤维混凝土和钢纤维及粗聚烯烃纤维混凝土进行了轴拉、四点弯曲韧性和三点切口梁断裂试验。分析了纤维掺率对耐碱集束型玻璃纤维混凝土力学性能的影响规律,并和同体积掺率的钢纤维和粗聚烯烃纤维混凝土进行了比较。试验表明:耐碱集束型玻璃纤维混凝土轴拉性能优于同体积掺率的粗聚烯烃纤维混凝土,轴拉强度和极限拉应变均略高于同体积掺率的钢纤维混凝土;耐碱集束型玻璃纤维体积掺率为0.75%时,弯曲韧性值和峰值强度比素混凝土分别提高了191.73%和11.47%,断裂韧度和断裂能比素混凝土分别提高了28.16%和268.69%,该掺率下耐碱集束型玻璃纤维混凝土弯曲韧性指标和断裂力学指标增幅较大。
关键词耐碱集束型玻璃纤维    轴拉性能    弯曲韧性    断裂性能    体积掺率    钢纤维    聚烯烃纤维    纤维混凝土    
Axial tensile properties, flexural toughness and fracture properties of bundling glass-fiber reinforced concrete
DENG Zongcai , CHEN Hailong     
The Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering, Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
Abstract: In order to master the mechanical troughness the alkali-resistant bundling glass-fiber reinforced concrete, the axial tensile, four-point bending toughness and three-point incision beam fracture tests were carried out, respectively, on the alkali-resistant bundling glass-fiber reinforced concrete. The steel fiber concrete and the crude polyolefin fiber concrete had volume fractions of 0.45% and 0.75%, respectively. The influence of fiber fraction on the mechanical properties of the alkali-resistant bundling glass-fiber reinforced concrete was analyzed and compared with the steel fiber concrete and crude polyolefin fiber concrete with the same volume fraction. Test results show that the axial tensile properties of the alkali-resistant bundling glass-fiber reinforced concrete is better than that of crude polyolefin fiber concrete with the same volume fraction; meanwhile, the tensile strength and ultimate tensile strain are slightly higher than that of the steel-fiber reinforced concrete with the same volume. When the alkali-resistant bundling glass fiber volume fraction is 0.75%, the flexural toughness value and peak intensity are 191.73% and 11.47% higher than that of plain concrete, respectively, and the fracture toughness and fracture energy are 28.16% and 268.69% higher than that of plain concrete, respectively. The flexural toughness and fracture mechanics index of the alkali-resistant bundling glass-fiber reinforced concrete has increased greatly with this volume fraction.
Keywords: alkali-resistant bundling glass fiber    axial tensile properties    flexural toughness    fracture properties    volume fraction    steel fiber    polyolefin fiber    fiber reinforced concrete    

混凝土本质上是脆性材料,改善混凝土的脆性日益引起人们的重视。高性能纤维混凝土是在混凝土中加入能起到增强、增韧和阻裂作用的纤维所形成的水泥基复合材料。由于纤维在基体开裂后的桥联作用,使得它在破坏之前有较大的缓慢裂纹扩展区及在裂缝扩展区存在阻止裂缝发展的纤维跨接区,通常把纤维能起到阻裂作用的区域称为“假塑性区”,在该区域内,混凝土基体开裂,纤维起到阻止裂缝张开的作用,其阻裂、增韧效果与纤维拔出与滑移量有关。由于裂纹缓慢增长,材料中扩展裂纹所需要的能量随裂纹延伸而增加,直到能量达到一临界值使裂纹快速扩展导致断裂[1-3]

细聚丙烯、聚酰胺等纤维对于硬化混凝土阻裂效用不明显;钢纤维具有良好的阻裂和增韧作用,但钢纤维存在不易搅拌、成本高和易生锈等不足;粗聚烯烃纤维弹性模量不足混凝土基体的一半,控制裂缝扩展能力有限[4-7]。玻璃纤维的弹性模量高于混凝土基体的2倍,且与基体黏结性能良好,但试验发现细玻璃纤维在搅拌过程中容易损伤和断裂[8]。为此,需要重点研发具有分散性好、搅拌中不易断裂、增强和增韧效果明显的耐碱集束型玻璃纤维。耐碱集束型玻璃纤维中二氧化锆含量高于16.5%,是由600多条单丝玻璃纤维经过特殊工艺集束而成。本文研究了耐碱集束型玻璃纤维混凝土的轴拉性能、弯曲韧性和断裂性能,分析了纤维掺率对混凝土力学性能的影响规律,并与同体积掺率的具有增强、增韧作用的钢纤维和粗聚烯烃纤维混凝土进行了比较。

1 玻璃纤维试验概况 1.1 原材料及配合比

利用自来水搅拌PO·42.5R普通硅酸盐水泥,减水剂为奥莱特高效聚羧酸类减水剂,固含量40%,减水率大于30%。砂为中砂,细度模数为2.3。石子粒径5~25 mm,连续级配碎石。耐碱集束型玻璃纤维简称玻璃纤维,粗聚烯烃纤维简称聚烯烃纤维,3种纤维物理力学参数见表 1

表 1 纤维物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical parameters of fibers

混凝土设计强度等级为C40,减水剂用量为1.00 kg/m3,水泥、水、砂及石的配合比为mc : mw: ms: mg=1.00:0.48:2.27:3.41,其中mc=342 kg/m3

玻璃纤维体积掺率为0.25%、0.45%和0.75%,钢纤维和聚烯烃纤维体积掺率分别为0.45%和0.75%。试件编号及数量见表 2

表 2 纤维混凝土试件编号及数量 Table 2 Label and number of fiber concrete specimens
1.2 试件制作与试验方法

纤维混凝土试件制作参考GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[9]、CECS 13-2009《纤维混凝土试验方法标准》[10]。纤维混凝土搅拌采用HJW-60型强制搅拌机。玻璃纤维混凝土的制备程序为:先将石子、砂、水泥倒入搅拌机,搅拌60 s,均匀后将减水剂和水的混合液体倒入搅拌机,倒入过程控制在10 s内,待拌合物由颗粒状转变为胶体状态时,人工加入玻璃纤维再搅拌60 s(玻璃纤维搅拌时间不宜过长)。试件浇筑成型后移入标准养护室进行养护,24 h后脱模。试件标准养护至28 d后进行试验。

1.2.1 轴向拉伸试验方法

测定纤维混凝土轴拉强度时采用中间受拉断面为100×100 mm,总长为550 mm的“8”字型试块,试块详细尺寸见图 1。加载采用中国水利水电科学研究院UH-100 A材料拉伸试验机,采用荷载控制,加载速率为10 kN/min。加载装置见图 2

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图 1 “8”字型试块详细尺寸 Fig. 1 Detail dimensions of "8" type test block
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图 2 轴向拉伸试验加载装置 Fig. 2 Loading device diagram of axial tensile test
1.2.2 四点弯曲韧性试验方法

无切口梁试件截面尺寸为150 mm×150 mm×550 mm,跨度l为450 mm,加载方式如图 3所示。采用北京工业大学强度测试中心电液伺服实验机进行三分点加载,恒位移控制加载速率,控制精度为0.1 mm/min,计算机自动采集数据。加载荷载降至峰值荷载的10%时停止加载,认为试件已破坏。

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图 3 四点弯曲韧性试验加载方式 Fig. 3 Loading diagram of four-point bending toughness test
1.2.3 三点弯曲断裂试验方法

切口梁试件截面为150 mm×150 mm×550 mm,跨度l为500 mm,试验前1 d在梁跨中用切割机预制切口,切口厚度t为3 mm,切口深度a0为25 mm,加载方式见图 4

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图 4 三点切口梁试验加载方式 Fig. 4 Loading diagram of three-point cut beam test

用电液伺服实验机在跨中施加集中荷载,恒位移控制加载,位移控制精度0.1 mm/min,将加载点的净位移作为试件挠度值由计算机自动采集,采用夹式引伸计测量切口张开位移(crack mouth opening displacement,CMOD),引伸计最大量程6 mm,精度0.001 mm,加载荷载降至峰值荷载的10%时停止加载,认为试件已破坏。

2 玻璃纤维试验结果与分析 2.1 轴向拉伸试验 2.1.1 轴向拉伸试验现象

轴拉试验过程中裂缝首先发生在最薄弱截面的最薄弱位置, 继续加载,裂缝不断扩展,荷载开始下降,最后失去承载力。试件最终破坏时,仅有一条主裂缝,但主裂缝位置不固定,有的在试件中部,有的则靠近试件端部。试验过程中素混凝土破坏较突然,观察不到裂缝发展,破坏面平直光滑。玻璃纤维混凝土破坏具有一定的延性,主裂缝周围有微裂缝,破坏时玻璃纤维拔断的较多,这可能与玻璃纤维直径较细有关。钢纤维和聚烯烃纤维混凝土呈延性破坏,断裂面上纤维被拔出的较多,混凝土裂缝扩展缓慢。

2.1.2 轴向拉伸试验结果与分析

表 3是试验测得的各组纤维混凝土破坏荷载、轴拉强度和极限拉应变值。根据表 3可知,与素混凝土相比,玻璃纤维掺率为0.25%、0.45%和0.75%时,纤维混凝土轴拉强度分别提高了4.82%、6.83%和18.07%,极限拉应变分别提高了6.17%、11.95%和21.21%。当纤维掺率同为0.45%时,玻璃纤维混凝土轴拉强度比同体积掺率的钢纤维混凝土提高了3.91%,极限拉应变略高于同体积掺率的钢纤维混凝土;其原因是同体积率下,钢纤维比重大,约是玻璃纤维的3倍,因此玻璃纤维的根数明显多于钢纤维,根据纤维间距理论,玻璃纤维具有好的阻裂和增韧作用。当纤维掺率同为0.75%时,玻璃纤维混凝土轴拉强度和极限拉应变比同体积掺率的聚烯烃纤维混凝土分别提高了10.94%和6.49%,这是由于玻璃纤维的弹性模量和强度高于聚烯烃纤维,特别是其弹性模量远高于聚烯烃纤维,其对混凝土拉伸性能的增强和增韧效果优于聚烯烃纤维,高模量的玻璃纤维的阻裂效果和桥联作用优于低模量的聚烯烃纤维。掺率为0.45%的玻璃纤维混凝土轴拉强度与掺率为0.75%的聚烯烃纤维混凝土接近。

表 3 纤维混凝土轴拉强度和极限拉应变值 Table 3 Axial tensile strength and ultimate tensile strain of fiber reinforced concrete
2.2 四点弯曲韧性试验 2.2.1 四点弯曲韧性试验现象

四点弯曲韧性试验中,素混凝土表现出明显的脆性破坏特征,基本观察不到裂缝发展过程,混凝土初裂后,裂缝迅速向上扩展至试件顶部,最终断裂成两截,断裂面平直。玻璃纤维混凝土破坏过程具有一定的延性,可观察到混凝土由初裂到破坏时裂缝发展的全过程,纤维掺率越大,裂缝发展越缓慢,破坏时断裂面裂缝宽度越大,破坏所需时间也越长,断裂面上纤维拔断的较多。钢纤维和聚烯烃纤维的掺入使得混凝土裂缝扩展缓慢,试件呈延性破坏,断裂面上纤维被拔出的较多。

2.2.2 四点弯曲梁P-δ曲线

四点弯曲试验中,计算机自动记录了荷载与跨中挠度全曲线,图 5为具有代表性的四点弯曲梁P-δ曲线。

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图 5 四点弯曲梁P-δ曲线 Fig. 5 Load-deflection curves of four-point bending beams

图 5可见:素混凝土P-δ曲线峰值后直线下降,在达到峰值后立即丧失承载力,脆性特征明显。掺入玻璃纤维后,混凝土表现出明显的韧性,随着玻璃纤维体积掺率的增加,荷载峰值不断提高,玻璃纤维混凝土P-δ曲线的下降段越来越平缓,峰值荷载后持荷能力逐渐增强。当玻璃纤维体积掺率由0.25%提高到0.75%时,峰值荷载和曲线所包围面积显著增大,纤维混凝土梁破坏时吸收的能量明显增多。钢纤维混凝土P-δ曲线初峰值荷载后出现荷载下降后又继续上升的“二次硬化”现象,峰值荷载后曲线下降平缓,曲线更加饱满,峰值后持荷能力强。聚烯烃纤维混凝土达到峰值荷载后P-δ曲线迅速下降,但下降一段后又可以承担较高荷载,出现了二次峰值,下降趋势也变得平缓,裂缝扩展缓慢,呈延性破坏。

2.2.3 美国ASTM C1609韧性评价指标计算

ASTM C1609标准[11]是一个新的韧性评价标准,取代了ASTM C1018标准[12]。ASTM C1609标准以绝对值参数作为韧性评价指标,主要包括荷载P、强度f、挠度δ以及某一特定挠度的P-δ曲线下的面积T。结合本次试验得到的四点弯曲P-δ曲线,确定峰值荷载PP及特定挠度残余荷载P600P300P150,通过计算获得T150。其中P600P300P150分别为宽和高均为150 mm的梁试件其挠度达到l/600、l/300和l/150时对应的荷载,由PPP600P300P150计算的强度分别为峰值强度fP以及残余弯曲强度f600f300f150T150为挠度在0~l/150内P-δ曲线下的面积。评价韧性指标计算结果均值见表 4,其中“/”表示由于混凝土过早断裂导致韧性指标无法获取。

表 4 ASTM C1609韧性指标计算结果 Table 4 Calculation results of toughness index according to ASTM C1609
2.2.4 弯曲韧性试验结果分析

表 4可知,与素混凝土比,玻璃纤维体积掺率为0.25%、0.45%和0.75%时,纤维混凝土峰值强度分别提高了0.62%、3.02%和11.47%,弯曲韧性值TD 150分别提高了67.83%,76.69%和191.73%。即峰值强度和试件在0~3 mm挠度区间内吸收的能量明显提高,玻璃纤维掺率越大,增幅越显著。

残余弯曲强度是指带裂缝工作状态下仍可继续承担的应力值。玻璃纤维掺率较小时,试件残余强度较小,但随玻璃纤维掺率的增加,残余强度f600f300f150逐渐增加,如玻璃纤维掺率从0.25%增加到0.75%时,残余弯曲强度f600增加了68.92%。残余强度增加表明:玻璃纤维混凝土峰值荷载后,由于纤维的桥联和阻裂作用,承载力缓慢下降,变形能力得到明显改善。即玻璃纤维具有良好的阻裂能力和增韧作用,试件在受荷破坏过程中消耗更多的能量。

当纤维掺率同为0.45%时,钢纤维混凝土的峰值强度比玻璃纤维混凝土提高了25.48%。这是由于钢纤维的弹性模量高,对于提高混凝土抗弯强度作用较明显。当纤维掺率同为0.75%时,玻璃纤维混凝土的峰值强度与同体积掺率的聚烯烃纤维混凝土持平。

2.3 三点弯曲断裂试验

三点弯曲梁试验中各混凝土梁破坏形态与四点弯曲韧性试验相似,不同之处在于三点弯曲梁预制切口,能够准确预判试件初裂位置,四点弯曲梁裂缝一般随机出现在跨中纯弯段较为薄弱的位置。

2.3.1 三点切口梁P-CMOD曲线及P-δ曲线

混凝土梁的P-CMOD曲线由夹式引伸计采集,P-δ曲线由计算机自动采集。选取有代表性的试件P-CMOD及P-δ曲线如图 6所示。由图 6可见,三点弯曲切口梁P-CMOD曲线和P-δ曲线变化规律基本一致。以P-CMOD曲线,说明其变化规律:素混凝土P-CMOD曲线峰值后迅速下降,在达到峰值后迅速丧失承载力,脆性特征明显。掺入玻璃纤维后,玻璃纤维阻止裂缝扩展,混凝土抗断裂能力增强,随着玻璃纤维体积率的增加,纤维混凝土P-CMOD曲线的下降段越来越平缓,峰值荷载后曲线所围面逐渐增大,同时裂纹扩展速率降低,由素混凝土的失稳扩展变为稳定扩展,玻璃纤维具有良好的裂缝控制能力。钢纤维混凝土P-CMOD曲线峰值荷载后下降平缓,曲线更加饱满,峰值后持荷能力强。钢纤维的掺入使得裂纹的形态有了改善,试验中,可明显观察到在裂纹区存在纤维咬合区。聚烯烃纤维混凝土达到峰值荷载后P-CMOD曲线迅速下降,但下降一段后又可以承担较高荷载,出现了二次峰值,下降趋势也变得平缓,裂缝扩展缓慢,呈延性破坏。

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图 6 三点弯曲切口梁曲线 Fig. 6 Curves of three-point bending beams
2.3.2 断裂参数计算

断裂能Gf是裂缝扩展单位面积所需的能量。根据图 6,采用国际结构与材料研究所联合会RILEM标准测试方法[13],断裂能为:

$ G_{\mathrm{f}}=\frac{\int_{0}^{∝} P(\delta) \mathrm{d} \delta+m g \delta_{0}}{A_{\mathrm{lig}}}=\frac{W_{0}+m g \delta_{0}}{\left(h-a_{0}\right) b} $ (1)

式中:W0为断裂功;m为试件在2个支座间的质量;δ0为试件破坏时的挠度;Alig为韧带面积;h为试件高度;b为试件宽度;a0为切口深度。

断裂韧度K1c是表征混凝土断裂性能的重要指标,是裂缝失稳扩展临界状态下的尖端应力强度因子,其大小反应了材料阻滞宏观裂缝失稳扩展的能力,可采用简化计算方法[14-15]得到。

通过图 6P-CMOD曲线,试件的弹性模量E为:

$ E=\frac{1}{b C_{i}}\left[3.70+32.6 \tan ^{2}\left(\frac{{\rm{ \mathsf{ π} }}}{2} a_{\mathrm{h}}\right)\right] $ (2)

式中:初始柔度CiP-CMOD曲线的初始直线段得到;ah=(t+a0)/(h+t)。

据线性渐进叠加假定,临界裂缝长度ac为:

$ a_{\rm c}=\frac{2}{{\rm{ \mathsf{ π} }}}(h+t) \arctan \sqrt{\frac{b E D_{\rm c}}{32.6 P_{\max }}-0.113 \;5}-t $ (3)

式中:Dc为峰值荷载对应的裂缝张口位移;Pmax为峰值荷载。

断裂韧度K1c为:

$ K_{1 {\rm c}}=\frac{3 P_{\max } l k_{{\rm{ \mathsf{ β} }}}\left(\alpha_{{\rm c}}\right) \sqrt{h}}{2 b h^{2}} $ (4)
$ \begin{aligned} k_{{\rm{ \mathsf{ β} }}}\left(\alpha_{{\rm c}}\right)=& \frac{\alpha_{{\rm c}}^{1 / 2}}{\left(1-\alpha_{{\rm c}}\right)^{2 / 3}\left(1+3 \alpha_{{\rm c}}\right)} \times \\ &\left\{k_{\infty}\left(\alpha_{{\rm c}}\right)+\frac{4}{\beta}\left[k_{\infty}\left(\alpha_{{\rm c}}\right)-k_{4}\left(\alpha_{{\rm c}}\right)\right]\right\} \end{aligned} $ (5)
$ k_{\infty}\left(\alpha_{{\rm c}}\right)=1.99+0.83 \alpha_{\mathrm{{ c}}}-0.31 \alpha_{\mathrm{{ c}}}^{2}+0.14 \alpha_{\mathrm{{ c}}}^{3} $ (6)
$ k_{4}\left(\alpha_{{\rm c}}\right)=1.9+0.41 \alpha_{{\rm c}}+0.51 \alpha_{{\rm c}}^{2}-0.17 \alpha_{{\rm c}}^{3} $ (7)

式中:αc=ac/h;跨高比β=3.3;试件跨l=500 mm。

按照式(1)~(7)求得的试件断裂能、断裂韧度均值列于表 5

表 5 断裂力学指标计算结果 Table 5 Calculation results of fracture mechanics indexes
2.3.3 三点弯曲切口梁试验结果分析

表 5可知:玻璃纤维掺率为0.25%、0.45%和0.75%时,断裂韧度比素混凝土分别提高了2.91%、6.80%和28.16%,断裂能比素混凝土分别提高了60.23%、129.55%和268.69%。加入玻璃纤维能明显改善混凝土的断裂性能,其抵抗断裂的能力随纤维掺率的增大而增大。断裂能的提高说明玻璃纤维混凝土带裂缝工作在破坏过程中吸收了更多的能量,耗能能力和韧性明显增加,且玻璃纤维掺率越大,断裂能增幅越大。

当纤维掺率同为0.45%时,玻璃纤维混凝土的断裂韧度比同体积掺率的钢纤维混凝土降低了2.65%,断裂能降低了91.65%;当纤维掺率同为0.75%时,玻璃纤维混凝土的断裂韧度比同体积掺率的聚烯烃纤维混凝土提高了18.92%,断裂能降低了86.18%;这表明玻璃纤维抑制裂缝扩展的能力较强。

3 结论

1) 玻璃纤维分散性良好,明显改善了混凝土的轴拉性能,玻璃纤维掺率为0.25%~0.75%时,轴拉强度比素混凝土提高了4.82%~18.07%,极限拉应变提高了6.17%~21.21%,纤维掺率愈高,改善效果愈明显。

2) 玻璃纤维对混凝土轴拉性能的改善效果优于同体积掺率的聚烯烃纤维。体积掺率同为0.45%时,玻璃纤维混凝土轴拉强度、极限拉应变均略高于同掺率的钢纤维混凝土。

3) 玻璃纤维体积掺率0.75%时,弯曲韧性值T150和峰值强度fP比素混凝土分别提高了191.73%和11.47%和;玻璃纤维掺率由0.25%增加到0.75%时,混凝土残余弯曲强度f600提高了68.92%。即玻璃纤维具有良好的桥联和阻裂作用,峰值荷载后承载力下降缓慢;纤维掺率增加,残余弯曲强度和变形能力提高。

4) 四点弯曲韧性试验中,纤维掺率同为0.45%时,钢纤维混凝土的峰值强度比玻璃纤维混凝土提高了25.48%;纤维掺率同为0.75%时,玻璃纤维混凝土的峰值强度与同体积掺率的聚烯烃纤维混凝土持平。

5) 玻璃纤维混凝土P-CMOD曲线和P-δ曲线下降段较为平缓,玻璃纤维具有良好的阻裂能力和裂缝控制能力。当玻璃纤维体积掺率为0.75%时,断裂韧度K1c和断裂能Gf比素混凝土分别提高了28.16%和268.69%,该掺率下断裂力学指标增幅较大。

6) 当纤维掺率同为0.45%时,玻璃纤维混凝土断裂韧度与钢纤维混凝土接近;当纤维掺率同为0.75%时,玻璃纤维混凝土断裂韧度比聚烯烃纤维混凝土提高了18.92%;这表明玻璃纤维抑制裂缝扩展的能力较强。

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