混雜纖維對高性能混凝土拉壓比的影響

劉勝兵， 徐禮華

(1.武漢工程大學環(huán)境與城市建設(shè)學院，湖北 武漢 430074；2.武漢大學土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072)

0 引 言

“正交試驗法”是安排多因素試驗問題行之有效的一種方法，通過安排合理的因素和水平，可以達到以較少試驗代替全面試驗，從而取得較多成果的目的.本文采用正交試驗法，設(shè)計了18組混雜纖維(鋼纖維/聚丙烯纖維)高性能混凝土試件和1組未摻纖維的普通高性能混凝土對比試件，進行立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗研究，分析混雜纖維對高性能混凝土拉壓比及韌性的影響，以期為《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 38：2004)[13]增補有關(guān)混雜纖維混凝土的內(nèi)容提供參考.

1 試驗概況

1.1 材料和配合比

根據(jù)高性能混凝土有關(guān)材料選用和配合比設(shè)計的要求，參考《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 38：2004)，選擇配置基體高性能混凝C50及混雜纖維高性能混凝土的材料，相關(guān)材料的選用及各種性能指標參見文獻[14].現(xiàn)場配置基體高性能混凝土時，配合比設(shè)計取水膠比0.3，1 m3高性能混凝土中所用材料為：水泥390.5 kg，砂子747.1 kg，石子856 kg，水156.8 kg，粉煤灰132 kg，減水劑4.4 kg.混雜纖維高性能混凝土僅根據(jù)纖維摻量及坍落度適當調(diào)整減水劑的用量，其他材料均與基體高性能混凝土相同.

1.2 正交設(shè)計

根據(jù)試驗的因素和水平數(shù)，采用L18(21×37)正交表安排試驗.正交試驗的因素和水平安排見表1所示.

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels table

1.3 試驗方法

混雜纖維高性能混凝土立方體抗壓強度及劈裂抗拉強度的試驗方法、試件尺寸及誤差限制、加載速率和試驗結(jié)果處理等關(guān)鍵問題上的取值原則，與鋼纖維混凝土試驗方法標準相同.參考《鋼纖維混凝土試驗方法》[15]及《普通混凝土力學性能試驗方法標準》有關(guān)規(guī)定，抗壓強度和劈拉強度試驗所用試件均為標準試件，即尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，常溫下養(yǎng)護28天后在5 000 kN的壓力試驗機上進行試驗.試驗中當試塊接近破壞而迅速變形時，停止調(diào)整試驗機閥門，直至試塊破壞，記錄破壞荷載.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 受壓破壞過程及破壞形態(tài)

對于基體高性能混凝土試件，試件的上下端承面因受加載墊板的摩阻約束而橫向變形很小，試塊中部在水平方向膨脹變形最大，當試塊的水平伸長應(yīng)變達到混凝土的極限拉應(yīng)變或者靠近表面的混凝土在多軸壓-拉力作用下達到其極限強度值時，試塊出現(xiàn)裂縫.最初出現(xiàn)的裂縫靠近表層，在中央部分為豎向，斜向往上、下端發(fā)展，至承壓面附近則向試塊角部發(fā)展，上方形成倒立的“八”字形裂縫，下方形成正“八”字形裂縫.荷載繼續(xù)增加時，新的“八”字裂縫由表層逐漸向內(nèi)部擴展，表層混凝土開始向外鼓凸剝落，隨著荷載稍許增加，試件的最終破壞為正倒相連的四角錐狀破壞.破壞時試件被壓碎，且碎塊四處散落，表現(xiàn)出明顯的脆性性質(zhì).對于混雜纖維高性能混凝土，由于纖維的加入，顯著改善了高性能混凝土的受壓變形和破壞特性，破壞時沒有明顯的碎塊或崩落，只出現(xiàn)近似垂直的微小裂紋，具有較好的完整性，破壞時表現(xiàn)出一定的塑性性能，如圖1所示.

圖1 混雜纖維高性能混凝土的受壓破壞形態(tài)Fig.1 Compressive failure mode of hybrid fiber reinforced HPC

2.2 受拉破壞過程及破壞形態(tài)

普通高性能混凝土基體由于干縮，在其內(nèi)部存在很多微小收縮裂縫，在整個受力過程中，隨著荷載的逐步增加，微裂縫在應(yīng)力集中處被引發(fā)，此后裂縫進一步穩(wěn)定擴展，臨近破壞時裂縫變?yōu)椴环€(wěn)定擴展，并發(fā)展很快，最終混凝土破壞.如圖2所示，普通高性能混凝土的劈裂抗拉破壞表現(xiàn)出明顯的脆性，從宏觀上呈現(xiàn)有明顯的碎塊或崩落；高性能混凝土具有不同于普通混凝土的特點，隨著強度的提高其脆性也愈大，延性更差.混雜纖維高性能混凝土的劈拉破壞表現(xiàn)出較好的延性，破壞時沒有明顯的碎塊或崩落，整體基本保持完整，只是在中部附近出現(xiàn)細小微裂縫，混雜纖維的加入對普通高性能混凝土的脆性性能有明顯改善.

2.3 試件參數(shù)及試驗結(jié)果

18組混雜纖維高性能混凝土試件及1組普通高性能混凝土試件的相關(guān)參數(shù)及試驗結(jié)果見表2.

表2 試件參數(shù)及試驗結(jié)果Table 2 Parameters of test specimens and test results

2.4 拉壓比分析

表3 拉壓比直觀分析計算表Table 3 Intuitive analysis of tension-compression ratio

2.4.1 混雜纖維對拉壓比的影響

由表4的直觀分析結(jié)果可見，混雜纖維的4個因素對高性能混凝土拉壓比的影響順序為：B(鋼纖維類型)>C(聚丙烯纖維體積率)>A(鋼纖維體積率)>D(鋼纖維長徑比).由表2的試驗結(jié)果可以看出，與對比試件相比，除個別組合外，實測混雜纖維高性能混凝土的拉壓比普遍有所提高，最大提高了26.2%，平均提高了9.9%.

2.4.2 單一因素的影響

a. 鋼纖維體積率的影響.從圖3可以看出，隨著鋼纖維體積率的增大，混雜纖維高性能混凝土的拉壓比減小，當鋼纖維體積率從0.5%增大到1.0%時，拉壓比降低了2.7%；當鋼纖維體積率從1.0%增大到1.5%時，拉壓比基本沒有變化.說明當鋼纖維體積率達一定程度時，鋼纖維的繼續(xù)增加不僅不能改善高性能混凝土的韌性，還可能起負面作用，原因主要是鋼纖維摻入過多會導致分散不均，和混凝土產(chǎn)生弱界面效應(yīng).

圖3 鋼纖維體積率對拉壓比的影響Fig.3 Effect of the volume fraction of steel fiber on tension-compression ratio

b. 鋼纖維類型的影響.圖4為鋼纖維類型對混雜纖維高性能混凝土拉壓比的影響直方圖.摻入波紋形鋼纖維的混雜纖維高性能混凝土比摻入端鉤形鋼纖維的混雜纖維高性能混凝土拉壓比平均高11.7%.

圖4 鋼纖維類型對拉壓比的影響Fig.4 Effect of types of steel fiber on tension-compression ratio

圖5 鋼纖維長徑比對拉壓比的影響Fig.5 Effect of the aspect ratio of steel fiber on tension-compression ratio

d. 聚丙烯纖維體積率的影響.從圖6可見，高性能混凝土的拉壓比隨聚丙烯纖維體積率的增大而增大，近似呈線性關(guān)系.當聚丙烯纖維體積率從0.055%增大到0.165%時，混雜纖維高性能混凝土拉壓比提高了10.3%.說明摻入適量的聚丙烯纖維能有效提高高性能混凝土的韌性.

圖6 聚丙烯纖維體積率對拉壓比的影響Fig.6 Effect of the volume fraction of polypropylene fiber on tension-compression ratio

3 結(jié) 語

a. 普通高性能混凝土的受壓破壞和劈裂抗拉破壞均表現(xiàn)出很大的脆性，而混雜纖維高性能混凝土大都近似于延性破壞.b. 混雜纖維摻入高性能混凝土后，使基體高性能混凝土的拉壓比普遍提高.各種混雜組合使高性能混凝土的拉壓比最大提高了26.2%，平均提高了9.9%.c. 鋼纖維類型對混雜纖維高性能混凝土拉壓比影響最大，聚丙烯纖維體積率的影響其次，鋼纖維長徑比的影響最小.

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