纖維增強混凝土韌性及聲發(fā)射特征分析

胡浩聰,劉娟紅,王金安

(北京科技大學 土木與資源工程學院,北京 100083)

隨著礦產(chǎn)資源向深部開采的持續(xù)推進,地表位移、變形愈發(fā)復雜,開采影響區(qū)范圍內(nèi)建筑物的穩(wěn)定性嚴重降低。以撫順市為例,撫順市是典型的煤炭資源型城市,由于特殊的地質(zhì)環(huán)境和長期的煤炭開采活動,西露天礦影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了地裂縫、地表變形等嚴重的地質(zhì)災害,大量建筑物發(fā)生開裂和破壞[1]。針對此類現(xiàn)象,研制新型韌性纖維增強混凝土來抵御地表變形對影響區(qū)內(nèi)建筑物的損害具有重要意義。

為了提高混凝土的強度,改善抗裂性,增強混凝土的韌性,國內(nèi)外學者不斷探索提高混凝土性能、研發(fā)新材料并擴大其使用范圍和適用條件[2]。以往的研究表明[3-5],纖維可以有效地抑制混凝土中裂紋的擴展,增加變形能,提高韌性,將危害較大的脆性破壞轉(zhuǎn)為延性破壞。纖維混凝土中常用的纖維種類有鋼纖維(SF)、聚丙烯纖維(PP)、玻璃纖維、纖維素纖維、聚乙烯醇纖維(PVA)等。其中,鋼纖維、聚丙烯纖維混凝土憑借施工便捷、性能優(yōu)良、價格低廉等優(yōu)點廣泛運用。鋼纖維屬于高彈性模量纖維,具有傳遞荷載和抑制裂縫擴展的能力,能夠顯著提高混凝土的抗裂、抗拉伸和增韌性能。已有研究表明,鋼纖維的抗裂效應減輕了混凝土接近破壞時的裂縫擴展,使混凝土在開裂后保持一定的強度和變形能力。這種增韌效應被認為與鋼纖維的彈性模量、拉伸強度和界面黏結(jié)強度密切相關(guān)[6]?；炷聊Y(jié)硬化初期的初級裂縫和缺陷對混凝土性能有較大的影響,在混凝土中摻入聚丙烯纖維可以有效地控制伸縮變形干燥收縮、溫度變化等因素引起的早期裂縫。這種抑制裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的方法大幅提高了混凝土的韌性、抗裂性[7]。韌性表現(xiàn)為能量吸收的能力,鄧明科等[8]研究得出含PVA的高延性纖維混凝土的等效抗壓韌性指數(shù)反映了試件單軸受壓時單位體積的變形能。蘇駿等[9]研究超高韌性水泥基復合材料(UHTCC)中PVA纖維體積分數(shù)達到1.0%時,其等效抗壓韌性最大,常溫下相對于普通混凝土提升19.07%。ZHANG等[10]評價了纖維對纖維增強地質(zhì)聚物混凝土(FRGPC)彎曲韌性改善的影響,極限韌性(L/75)可以真實地反映FRGPC的能量吸收能力。彎曲韌性評價方法主要有依賴于初裂點和不依賴初裂點的方法。前者包括美國ASTM C1018—1985方法和中國CECS 13—2009方法等,此類方法能較好地反映纖維種類、體積摻量等對韌性的影響,但初裂點難以確定影響韌性計算的精度。后者包括美國ASTM—C1069方法、中國JG/T 472—2015方法和日本JSCE SF—4方法等,此類方法計算簡便,避免了初裂點對計算結(jié)果的影響,但無法區(qū)分纖維和基體各自對韌性的貢獻。由于混凝土的運用廣泛,韌性方法不能完全適用各類混凝土,LI等[11]建立了一種新的評價體系可以定量地測量纖維對峰前、峰后韌性的影響。該方法特別適用于大峰值撓度或撓度硬化行為的纖維增強混凝土(FRC)的彎曲韌性評價。根據(jù)新的韌性評定方法,微鋼纖維能顯著提高混凝土開裂后的韌性和承載能力,蘇駿等[12]針對超低溫作用下的超高韌性水泥基復合材料提出了一種峰后韌性評價方法,可以分析溫度變化對抗彎性能的影響。建立不同評價體系的目的是研究特定撓度下彎曲韌性的水平,但大多數(shù)情況下只能滿足與研究相關(guān)的混凝土韌性評價,對其他混凝土適用性較低,而聲發(fā)射信號可以有效檢測混凝土損傷過程,篩選特定撓度,確定初裂點和韌性評價中的特征失效點。TRIANTIS等[13]通過聲發(fā)射信號研究FRC宏觀斷裂之前的損傷過程,FRIEDRICH等[14]提出了一種分離聲發(fā)射信號的方法,分析了玻璃纖維增強聚合物(GFRP)的特征失效和損傷演化規(guī)律。因此,建立聲發(fā)射損傷特征與韌性的關(guān)系,有助于推動混凝土韌性評價普遍適用性的發(fā)展。

筆者通過研究相同體積摻量下,不同纖維種類對C40、C50兩種強度的混凝土力學性能和韌性指標的影響,對FRC的抗壓韌性、抗彎韌性進行評價,并通過聲發(fā)射試驗研究微裂縫產(chǎn)生、發(fā)展和拉伸剪切裂紋的發(fā)展規(guī)律,改善現(xiàn)有彎曲韌性評價方法,未來可為地下開采導致地表變形的城市韌性建設提供參考依據(jù)。

1 原材料及試驗方法

試驗材料為:P.O.42.5 普通硅酸鹽水泥(其28 d 的抗壓強度為51.1 MPa),Ⅱ級粉煤灰,S95級礦渣粉,細度模數(shù)為2.7的機制砂,5～25 mm連續(xù)級配的碎石(石粉質(zhì)量分數(shù)為4%),纖維:端鉤形鋼纖維、波浪形鋼纖維、鍍銅鋼纖維、絲狀聚丙烯纖維、仿鋼纖維,如圖1所示,規(guī)格見表1,配比及力學性能見表2。

圖1 5種纖維外形Fig.1 Appearance of five fibers

表1 纖維力學性能及尺寸Table 1 Fiber mechanical properties and size

制備過程,先將膠凝材料以及骨料倒入攪拌機中進行2 min的干拌,接著加水繼續(xù)攪拌,待拌合物呈現(xiàn)黏稠狀時,使用2 cm篩網(wǎng)均勻投入纖維,防止纖維結(jié)團,再攪拌2 min得到最終拌合物,全程封閉進行。按標準試件包括尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的正方體試件,100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件,100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件,澆筑完成后24 h拆模,并置于標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護28 d,取出后放在自然環(huán)境下晾干,試驗參照《纖維混凝土試驗方法標準》[15]使用WAW-1000微機控制電液伺服萬能試驗機進行抗壓韌性試驗,按照應力控制方式進行加載,加載速率設置為0.5 MPa/s,參照JGJ/T 221—2010《纖維混凝土應用技術(shù)規(guī)程》[16]使用SHT 4106微機控制電液伺服萬能試驗機進行抗彎韌性試驗,按照應力控制方式進行加載,加載速率設置為0.05 MPa/s,如圖2所示,全程采用DS5-8B聲發(fā)射裝置進行信號采集和監(jiān)測,在上表面采用4個傳感器對聲發(fā)射源進行定位,4個傳感器坐標分別為(50,20,100)、(50,80,100)、(350,20,100)、(350,80,100),并使用凡士林將傳感器固定在混凝土表面,填充粗糙表面產(chǎn)生的間隙,確保良好的聲音傳輸。

表2 纖維混凝土配合比及力學性能Table 2 Mix proportion and mechanical properties of fiber reinforced concrete

圖2 聲發(fā)射裝置示意Fig.2 Schematic diagram of acoustic emission device

2 抗壓韌性試驗結(jié)果及參數(shù)分析

2.1 軸心抗壓試驗分析

抗壓韌性通過計算軸心抗壓荷載-位移曲線(圖3)下覆蓋面積來表現(xiàn)能量吸收和抵抗開裂的能力,FRC的軸心抗壓完整試驗階段如下:彈性階段,此時材料基本沒有產(chǎn)生宏觀裂縫,外部荷載主要由基體承擔,纖維還未發(fā)揮增韌阻裂作用。裂縫穩(wěn)定擴展階段(90%的峰值荷載到峰值荷載之間),隨著應力的持續(xù)增加,試件內(nèi)微裂縫不斷萌生,基體內(nèi)部出現(xiàn)損傷,荷載位移曲線出現(xiàn)彎曲段,切線斜率不斷降低。纖維開始發(fā)揮增韌阻裂作用,約束內(nèi)部裂縫的擴展。裂縫失穩(wěn)開裂階段,試件的微裂縫不斷貫穿形成宏觀裂縫,受力的纖維也隨著裂縫的增長變得更多,阻礙了裂縫的發(fā)展,裂縫兩端橋接效應的累積使得混凝土峰后出現(xiàn)“v”字型變化,并阻止了裂縫面的大塊崩裂,使得荷載-位移曲線的斜率呈現(xiàn)較為平緩的下降。殘余階段,試件仍然保持一定承載力,強度約為峰值荷載的5%。

由圖3、4可見,FRC荷載-位移曲線的上升段形狀相似,C40波浪纖維混凝土、C50微絲鍍銅鋼纖維混凝土強度最高,微絲鍍銅鋼纖維混凝土達到峰值荷載時的位移量最大并且殘余強度最大,表明其承擔軸向變形能力、穩(wěn)定性最好。素混凝土試件在軸心壓縮破壞過程中出現(xiàn)了剪切裂紋,并且裂紋從上到下不斷擴展,出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。絲狀聚丙烯混凝土峰前抗壓韌性得到明顯改善,但峰后韌性較弱。鋼纖維混凝土試件均保持完整,試件表面只有小的短裂紋,延長了抵御變形的時間。摻入纖維的混凝土表現(xiàn)出延性破壞但素混凝土顯示脆性破壞。纖維的加入防止了FRC樣品的突然失效,阻止輕微剝落的發(fā)生,并將脆性崩壞變?yōu)檠有蚤_裂破壞。

圖3 纖維混凝土軸心抗壓荷載-位移曲線Fig.3 Axial compressive load-displacement curves of fiber reinforced concrete

圖4 混凝土軸心抗壓破壞形態(tài)Fig.4 Axial compressive failure mode of concrete

2.2 抗壓韌性分析

參照《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS13:2009)中等效彎曲強度fce的計算方法,結(jié)合FRC軸心抗壓試驗下的荷載-變形曲線,采用蘇駿等[9]得出的修正后的等效抗壓強度確定抗壓韌性指數(shù)Wu,計算方法如圖5所示,計算結(jié)果見表3。

(1)

(2)

式中,F為軸向荷載;h為混凝土柱高度;Ωu為豎向位移量為δu時荷載-位移曲線下的積分;δu為荷載下降至極限荷載的u倍(可取0.85、0.50或0.20)所對應的豎向位移;A為試件軸心受壓的面積。

圖5 抗壓韌性示意Fig.5 Schematic diagram of compressive toughness

抗壓韌性反映試塊軸心受壓破壞過程中吸收能量的能力和壓縮性能,可以量化纖維對混凝土的增韌作用[17]。在試件受到軸向壓縮時,基體內(nèi)部亂向分布的纖維可以通過橋接作用對試件的橫向擴張起到一定約束,這種橫向約束也增強了FRC的黏聚力。其中微絲鍍銅鋼纖維混凝土抗壓韌性最好,微絲鍍銅鋼纖維混凝土δ0.85較未摻入纖維的混凝土提高57.2%,δ0.5提高56.2%,δ0.2提高54.6%,峰后強度的變形量顯著提高,表明FRC吸收能量的能力明顯提升并能夠抑制裂縫的產(chǎn)生,適應開采影響區(qū)內(nèi)較大的地表變形對建(構(gòu))筑物的影響。

C40混凝土抗壓韌性指標W0.85提高16.3%～43.8%,W0.5提高11.8%～36.4%,W0.2提高12%～45.2%,C50混凝土W0.85提高16.3%～43.8%,W0.5提高11.8%～36.4%,W0.2提高12.0%～45.2%,峰后抗壓韌性W0.85、W0.5、W0.2的上升表明試塊開裂所需能耗增加,纖維的摻入改變混凝土整體結(jié)構(gòu),分擔混凝土的荷載作用,產(chǎn)生有效應力路徑,減少脆性開裂,具有更好的整體性、延性[18]。

3 抗彎韌性試驗結(jié)果及參數(shù)分析

3.1 四點彎曲試驗分析

抗彎韌性通過計算四點彎曲荷載-位移曲線下(圖6)覆蓋面積來衡量纖維增韌效果、吸收能量強弱。FRC四點彎曲完整試驗階段如下:線彈性變形階段,此時混凝土受彎,產(chǎn)生很小的彎矩,試塊還未產(chǎn)生裂縫,纖維與混凝土協(xié)同抵抗荷載變形,但纖維還未發(fā)揮增韌阻裂作用。細觀裂縫發(fā)展階段,荷載-位移曲線不再呈現(xiàn)線性狀態(tài),試塊內(nèi)部出現(xiàn)細觀裂縫,纖維發(fā)揮阻裂作用,橋接在裂縫兩端,抑制裂縫產(chǎn)生。宏觀裂縫發(fā)展階段,細觀裂縫逐漸克服纖維阻力,鋼纖維開始承擔較高的應力,混凝土下降趨勢減弱并出現(xiàn)少量回升,承載力隨變形出現(xiàn)一定屈服性改善,曲線逐漸平緩并有所回升,當試塊黏結(jié)錨固強度大于纖維承受的應力,纖維逐漸被拔出或拉斷,承載力開始降低,試塊主裂縫不斷向上發(fā)展。破壞階段,試塊中纖維依然承擔著部分應力,直到裂縫貫穿試塊頂部。素混凝土一旦開裂便迅速延伸至頂部,導致試件斷裂失效。而纖維混凝土破裂后,纖維通過裂紋截面?zhèn)鬟f荷載,吸收殘余應力,延緩裂縫的擴展,減小裂縫寬度,對抗彎剛度起到積極作用,端鉤形鋼纖維最先在峰后強度中承擔應力。FRC達到峰值強度時,波浪鋼纖維混凝土位移量最大,限制裂縫擴展能力最強。

表3 纖維混凝土抗壓韌性指標Table 3 Compressive toughness index of fiber reinforced concrete

圖6 纖維混凝土四點彎曲荷載-位移曲線Fig.6 Four-point bending load-displacement curves of fiber reinforced concrete

3.2 抗彎韌性分析

根據(jù)JGJ/T 221—2010《纖維混凝土應用技術(shù)規(guī)程》,進行四點彎曲試驗,繪制荷載-位移曲線。確定曲線由線性轉(zhuǎn)為非線性的點為初裂點A;A點對應的縱坐標為初裂荷載Fcra,橫坐標為初裂撓度。以O為原點,在橫軸上分別按初裂撓度的3.0、5.5和10.5的倍數(shù)確定D、F和H點。采用彎曲韌性指數(shù)I3、I5.5和I10.5表征混凝土的彎曲韌性,剩余強度指標R1、R2,計算方法如圖7所示,計算結(jié)果見表4。

(3)

R1=20(I5.5-I3),R2=20(I10.5-I5.5)

(4)

式中,δ為初裂點對應的跨中位移,mm;Ωδ、Ω3δ、Ω5.5δ和Ω10.5δ分別為跨中位移δ、3δ、5.5δ和10.5δ時荷載-位移曲線下的面積。

研究表明,素混凝土和絲狀聚丙烯混凝土無峰后韌性,表現(xiàn)出脆性行為。波浪、端鉤形鋼纖維峰后韌性、延性得到了明顯的提高,C40端勾纖維混凝土較摻入仿鋼纖維的彎曲韌性指數(shù)I3提升75%,I5.5提升91.6%,I10.5提升53.5%,C50波浪纖維混凝土較摻入仿鋼纖維的彎曲韌性I3提高2.1倍,I5.5提高1.85倍,I10.5提高1.86倍,I3的提高表明混凝土達到臨界荷載前吸收能量得到提高,使得試塊出現(xiàn)損傷的時間延長,試塊裂紋產(chǎn)生的速度減緩、開裂所需的能量提升,I5.5階段,裂縫活動明顯,裂縫尖端附近的應變能達到裂縫加速擴展的臨界值附近,I5.5的提高使得微裂縫的活動不斷收縮,抑制裂縫貫穿,I10.5的提升表明混凝土可以長時間保持“裂而不斷”,鋼纖維一直橋接著宏觀裂縫,雖然混凝土完全破壞,失去了結(jié)構(gòu)性,但塊體依舊維持著一定的承載力,鋼纖維的高抗拉強度和幾何形狀補償了裂縫的脆性,最終導致主裂縫形成前彎曲韌性和延性的提高。

表4 纖維混凝土抗彎韌性指標Table 4 Flexural toughness index of fiber reinforced concrete

當水泥基體斷裂時,需要額外的能量將纖維從斷裂的水泥漿體中拔出,使裂縫繼續(xù)擴展。素混凝土試樣在開裂后沒有吸收能量,第1次裂紋形成后,直接失效并塌陷。但是FRC由于亂向分布的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),纖維的拉拔可以吸收部分能量,延緩混凝土的失效。

波浪、端鉤形鋼纖維在提高FRC抗彎韌性方面表現(xiàn)出最好的性能,對試樣峰值后韌性和承載能力的改善作用越顯著,FRC的總韌性和總能量吸收隨著彎曲荷載的增加而增加。

C40端鉤形纖維混凝土剩余強度指標R1、R2分別為仿鋼纖維混凝土的1.66、1.43倍, C50波浪形纖維混凝土剩余強度指標R1、R2分別為仿鋼纖維混凝土的1.16、1.89倍,I3—I5.5段剩余強度的變化表明混凝土峰后仍保留部分界面粘結(jié)能力,減少了FRC抗彎韌性的損失,I5.5—I10.5段剩余強度的變化表明FRC失穩(wěn)后仍能吸收大量能量,承受部分荷載,抗彎韌性的提高使得FRC能夠在開采影響區(qū)內(nèi)抵御地層不均勻沉降帶來的影響。

4 四點彎曲下聲發(fā)射數(shù)據(jù)分析

4.1 聲發(fā)射累積能量和振鈴計數(shù)分析

通過聲發(fā)射累積能量和振鈴計數(shù),可以推斷微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。聲發(fā)射能量可以反映聲發(fā)射事件的強弱,振鈴計數(shù)是指聲發(fā)射事件中超過信號閾值的波形振蕩次數(shù),可以用來評價FRC變形破壞的過程。圖8給出了混凝土在彎曲荷載狀態(tài)下的聲發(fā)射參數(shù)曲線,振鈴計數(shù)和累積能量的變化表現(xiàn)出相似的行為。在波浪鋼纖維混凝土中微裂紋的閉合和擴展所引起的峰前區(qū)域只檢測到很少的聲發(fā)射信號。累積能量與計數(shù)曲線與水平軸基本一致,并且微裂縫穩(wěn)定發(fā)育,累積能量輕微上升。在峰值荷載附近,基體出現(xiàn)開裂和纖維拔出,AE信號范圍廣泛且急劇上升,累積能量曲線呈現(xiàn)突變(階躍變化),振鈴計數(shù)不斷活動。由于基體開裂后大量的纖維拔出活動,AE計數(shù)和能量率一直保持在較高的水平。結(jié)合荷載-位移(圖9),FRC裂紋破壞大致分為4個階段(圖10):裂紋萌生階段、穩(wěn)定增長階段、失穩(wěn)開裂階段及殘余破壞階段。裂紋萌生階段累積能量幾乎無增長,振鈴計數(shù)較少且稀疏,聲發(fā)射信號活性較低,無明顯裂紋擴展。穩(wěn)定增長階段,微裂紋不斷累計達到峰值,累積能量出現(xiàn)輕微上升,振鈴計數(shù)不斷上升并逐漸密集,微裂紋不斷累積。失穩(wěn)開裂階段,累積能量大幅上升,振鈴計數(shù)處于高位且密集,荷載作用下微裂紋密度迅速增加形成宏觀裂縫,且峰后出現(xiàn)突降后回升,過程中出現(xiàn)振鈴計數(shù)和累積能量消失的片段,表明宏觀裂縫出現(xiàn)后基體突然失穩(wěn)后恢復,鋼纖維阻礙了裂縫延伸。殘余破壞階段,由于鋼纖維的勾連,累積能量存在一定上升,振鈴計數(shù)逐漸下降。

圖8 四點彎曲下聲發(fā)射累積能量和振鈴計數(shù)Fig.8 Acoustic emission cumulative energy and ringing count under four-point bending

圖9 波浪鋼纖維混凝土荷載-位移Fig.9 Load-displacement diagram of wave steel fiber reinforced concrete

圖10 彎曲韌性指數(shù)示意Fig.10 Schematic diagram of bending toughness index

4.2 RA-AF分析

聲發(fā)射中RA-AF值可以對混凝土破壞中的拉伸裂縫和剪切裂縫進行分類。平均頻率(AF)為振鈴計數(shù)除以信號的持續(xù)時間(以kHz為單位);RA定義為上升時間除以幅度(以μs/V為單位)。基于相關(guān)研究[19-21]一般認為,剪切裂紋的聲發(fā)射信號具有較高的RA和較低的AF,而拉伸裂紋的AE信號具有較高的AF和較低的RA。然而,這2種類型的裂縫并沒有準確的分類標準,基于高斯混合模型(GMM)分析將聲發(fā)射信號分為拉伸裂紋和剪切裂紋2類,可以了解這2種裂縫的比例和內(nèi)部裂紋發(fā)展規(guī)律。

GMM是一種基于概率模型的聚類方法[22],假設樣本服從m個高斯分布,m個單高斯模型通過不同權(quán)重的線性組合逼近數(shù)據(jù),計算權(quán)重系數(shù)下的結(jié)果,同一分布的樣本被聚為一類。并利用最大期望(EM)算法對m個混合的高斯分布擬合,求得每個分布的均值μj和協(xié)方差εj。具體步驟如下:

(1)步驟1。初始化m個多元高斯分布的參數(shù)μj和εj。

(2)步驟2。遍歷k個樣本點,計算樣本點xi(i=1,2,…,k)屬于第j個高斯分布的概率γi,j。

(5)

式中,p(·)為概率函數(shù);zi為xi所屬的類;d為xi的維度。

(3)步驟3。按照式(6)和式(7)得到各高斯分布參數(shù)μj和εj的更新值μ′j和ε′j。

(6)

(7)

(4)步驟4。重復上述步驟2、3直到各個高斯參數(shù)收斂。

(5)步驟5。得出樣本屬于各類別的概率,將樣本歸于概率γi,j最大的一類。

圖11描述了波浪形鋼纖維混凝土RA和AF隨時間的變化,描述了四點彎曲過程中拉伸剪切裂縫的歷程,可以顯示每個試件的失效時刻。圖12描述了波浪形鋼纖維混凝土失效時刻拉伸、剪切裂紋的占比。通過GMM對裂紋萌生、裂紋穩(wěn)定增長、裂紋失穩(wěn)破壞處的裂紋進行分類,得出圖13波浪形鋼纖維裂紋拓展演化機制。隨著試樣撓度的增大和斷裂的進行,RA逐漸增大,直至試驗結(jié)束。雖然裂紋是由拉應力引起的,但在破壞過程中,鋼纖維的橋接使得混凝土可以承受剪切應力,隨著裂紋的擴展,剪切裂紋變得更加活躍,不斷增加并占到總裂縫的40%,纖維增加了裂縫擴展處的咬合力,由于剪切應力承擔了部分應力,開裂寬度出現(xiàn)一定減小,且FRC內(nèi)部出現(xiàn)的裂縫形式由拉伸型裂縫向剪切型裂縫的過渡是造成混凝土開裂破壞的重要原因。纖維的摻入起到了抗拉、抗剪作用,改變了基體的損傷機制,提高了FRC斷裂韌性。因此,試件不會以單一的垂直裂縫斷裂,裂紋以不規(guī)則形式不斷攀升,增加了基體在斷裂過程中的接觸面積,抑制裂縫形成并儲存能量,提高了變形能力和韌性。

圖11 纖維混凝土RA-AF-時間散點示意Fig.11 RA-AF-time scatter diagram of fiber reinforced concrete

圖12 纖維混凝土RA-AF散點示意Fig.12 RA-AF scatter diagram of fiber reinforced concrete

圖13 裂紋分類Fig.13 Crack classification

4.3 基于振鈴計數(shù)、撞擊數(shù)、RA-AF和能量的彎曲韌性評價方法

JGJ/T 221—2010《纖維混凝土應用技術(shù)規(guī)程》雖然能夠較為有效地評價彎曲韌性,但初裂點難以確定,對峰前韌性,峰后韌性評價有一定局限性,選取點對彎曲韌性改善程度依據(jù)不統(tǒng)一,而通過聲發(fā)射能檢測裂縫開裂情況和混凝土損傷情況[23],基于振鈴計數(shù)、撞擊數(shù)、RA-AF和能量,研究混凝土試塊性能出現(xiàn)急劇變化的位置,如圖10選定裂紋萌生階段、穩(wěn)定增長階段、失穩(wěn)開裂階段及殘余破壞階段,以裂縫初步穩(wěn)定增長點A1、初步失穩(wěn)開裂點B1、失穩(wěn)開裂突降點C1、D1,以及殘余破壞點E1作為評價點,這些評價點與ZHANG等[10]觀察到鋼纖維混凝土峰后線性、非線性階段具有相似性。

記A1、B1、C1、D1、E1點下荷載位移曲線面積為UA1、UB1、UC1、UD1、UE1,記同組 0%纖維摻量穩(wěn)定增長與失穩(wěn)開裂處(即圖10特征點B1點)下方荷載位移曲線面積為R0,g取A1、B1、C1、D1、E1,韌性指數(shù)Ig計算公式見式(8),計算結(jié)果見表5。

Ig=Ug/R0

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表5 纖維混凝土新韌性指標Table 5 New toughness index of fiber reinforced concrete

挑選綜合性能較優(yōu)的C40波浪形纖維混凝土進行撞擊數(shù)定量化描述:裂紋萌生階段,隨著荷載的持續(xù)增加,撞擊數(shù)出現(xiàn)且發(fā)展平穩(wěn),數(shù)值較低。裂縫穩(wěn)定增長階段,此時聲發(fā)射事件開始活躍,撞擊數(shù)隨著荷載緩慢增大,在荷載峰值附近,撞擊數(shù)快速增大并接近峰值,失穩(wěn)開裂階段,隨著裂紋的擴展,撞擊數(shù)隨著峰值到達最大,并由于纖維的摻入在峰值后的一段區(qū)域內(nèi)仍然保持較大數(shù)值,殘余破壞階段,撞擊數(shù)以較小數(shù)值發(fā)展,直到試件破壞?；炷恋拈_裂可以描述為混凝土內(nèi)部應變能積蓄到某個臨界值時,應變能釋放形成新的裂縫而后重新積蓄應變能直到下一次極限[24]。彎曲韌性指數(shù)IA1表明骨料與水泥之間開裂、脫黏時所需積累的能量充足,已經(jīng)達到同組素混凝土初裂所消耗的變形能的35%,骨料、纖維等對裂縫萌生已經(jīng)有較大的阻力,IB1表明纖維混凝土初裂所需要的變形能提高50%,混凝土的開裂上限提升,IC1、ID1表明開裂后仍然具有較強的峰后韌性,D1點較C1點抗彎韌性提高2.15倍,IE1表明混凝土殘余破壞前仍然具有一定的吸能效果,較D1點韌性提升22.1%,整體吸收能量的能力為素混凝土發(fā)生初裂時所需能量的5.56倍。韌性方法表征混凝土的變形能力具有較強的針對性,并為韌性參數(shù)特征點的選取提供理論支持。

新的彎曲韌性評價方法具有以下優(yōu)點。新的彎曲韌性評定方法不需要人為定義初裂點,能有效區(qū)分和定量描述纖維對峰前和峰后韌性的影響,并且不局限于上述比較,也可選取自身初裂點B1處進行比較,較為靈活。韌性評價指標是無量綱的,不受試樣尺寸、試樣形狀和加載速率的影響,便于與不同試驗結(jié)果進行比較。不同混凝土開裂縫方式不同,可以通過聲發(fā)射選取如振鈴計數(shù)或能量等不同數(shù)據(jù)來表述開裂方式、能量損耗,且適用于大部分韌性混凝土,并保證考慮到峰前和峰后區(qū)域,不會出現(xiàn)韌性特征點不合適所造成的偏差。針對不同混凝土雖可以建立不同的韌性評價體系,但混凝土種類太過復雜,聲發(fā)射可以基于混凝土材質(zhì)不同帶來的應變硬化等特殊特征點進行定量化表述。

5 結(jié) 論

(1)在軸心抗壓試件中,纖維的加入導致試樣在破壞時不會發(fā)生塌陷,提高了抗壓韌性,抑制試件剝落。此外,斷裂所需的時間也會增加,在柱等結(jié)構(gòu)單元中使用這種混凝土可以防止其突然倒塌。

(2)在彎曲試件中使用纖維提高了其抗彎韌性和延性,加強了梁受到豎向應力時的抗彎承載力。在第1次裂縫發(fā)生后,纖維抵抗開裂,并通過抑制裂縫處的張力來提高抗彎性能,防止裂紋擴展。

(3)微絲鍍銅鋼纖維在同組纖維中擁有最優(yōu)質(zhì)的抗壓韌性,軸心抗壓強度輕微上升,其中C40、C50混凝土較素混凝土抗壓韌性W0.85提高43.8%、29.2%,W0.5提高36.5%、20.6%,W0.5提高45.2%、55.3%,且開裂時間存在延后,吸收能量的呈現(xiàn)不斷增強的趨勢。

(4)C40混凝土摻端鉤形纖維、C50混凝土摻波浪形鋼纖維在同組纖維中擁有最優(yōu)質(zhì)的抗彎韌性,初裂強度、峰值強度、殘余強度均有明顯提升,其中較同組仿鋼纖維,C40彎曲韌性I3提高71.3%,I5.5提高63.7%,I10.5提高59.7%,C50彎曲韌性I3提高77.6%,I5.5提高57.3%,I10.5提高36.7%,纖維的摻入抑制基體開裂,提高混凝土變形能力,顯著作用于峰后段韌性,減少裂縫數(shù)量,阻礙了裂縫貫通,產(chǎn)生延性破壞。

(5)基于聲發(fā)射信號的分析,混凝土彎曲破壞可分為4個階段:裂紋萌生(Ⅰ),裂紋穩(wěn)定增長(Ⅱ),失穩(wěn)開裂(Ⅲ),殘余破壞(Ⅳ),纖維的摻入能夠使混凝土從拉伸裂縫向剪切裂縫過渡,避免裂縫的貫穿,減少損傷程度,且新的彎曲韌性評定方法可以定量地描述纖維對峰前、峰后韌性的影響。該方法適用于大部分FRC的彎曲韌性評價。根據(jù)新的韌性評定方法,鋼纖維能顯著提高FRC開裂后的韌性和承載能力。

(6)基于抗彎韌性和抗壓韌性的綜合性能評定,C40纖維混凝土建議使用端鉤形鋼纖維,C50纖維混凝土建議使用波浪形鋼纖維,而地表變形較大處可以特定使用上述抗壓韌性或抗彎韌性最優(yōu)的纖維混凝土抵御開采導致的地表變形,提高城市防災韌性。