活性粉末混凝土轴拉试验技术研究

活性粉末混凝土轴拉试验技术研究

活动混凝土（pmc）具有强度高、强度高、耐久性等特点。它的抗压强度和抗拉强度远远超过传统混凝土。这是土木工程领域应用广泛的新材料[1.4]。鉴于抗拉韧性的提高是RPC材料的显著特点,因此进行其轴拉力学性能试验研究具有重要的意义。在RPC受拉力学性能的研究中,已公布的研究资料主要集中在间接、直接的抗拉强度测定试验,对其受拉应力-应变全曲线的试验研究相对较少。另外,由于各单位采用的RPC原材料、配合比及养护条件不同,试验结果也有一定差异[5―8]。本文采用自行设计的加载装置,成功进行了3种钢纤维体积率下的RPC轴拉全过程试验,对比了钢纤维掺量对RPC轴拉性能的影响。试验同时发现:对钢纤维体积率Vf=1%、Vf=2%的试件,无须外部刚度加强,在普通万能试验机上就能够顺利测出轴拉全曲线的下降段,表现出RPC材料极好的抗拉韧性。1试验总结1.1试件的外夹式合作型试件本试验在1000kN普通电子液压式万能试验机上进行,试件类型设计为中部截面尺寸减小的外夹式哑铃型试件,中间受拉区向端部缓慢过渡,过渡段为圆弧形。试件外形及尺寸见图1。试件夹具构造见图2。整套夹具包括上下球铰、上下夹头及4根辅助钢柱,材质均为45号优质碳素结构钢。夹具采用球铰对中并传递试验机拉伸荷载,外设的4根辅助钢柱可以灵活装卸。1.2极限拉伸值试验参考《水工混凝土试验规程》(DL/T5150-2001)对于混凝土轴心抗拉强度和极限拉伸值试验取样规定:以4个试件为一组,本试验每组样本为4个试件。试验分组见表1。1.3试验加载及量测试验采用按应力控制加载的方式。由于目前尚无混凝土轴心受拉全过程试验的统一标准,借鉴混凝土轴拉试验的文献资料,将加载速率确定为0.2MPa/min。试件变形采用安装在试件相对表面的一对位移传感器量测,同时通过在试件各表面对称粘贴长标距电阻应变片来测量纵向及横向应变。测试数据通过DH3816静态应变测试系统采集。2试验材料及制作本试验中采用的RPC主要原材料为:水泥、微硅粉、石英砂(粒径范围为0―1.25mm)、高效减水剂、钢纤维(特制短细钢纤维,细圆形表面镀铜,直径0.22mm,长度12mm―15mm,抗拉强度2800MPa)和水,其配合比采用本课题组试验研究的最优配比[11―12],见表2。试件制备工艺:将各原材料按配合比称量好,首先将砂子、钢纤维倒入搅拌机中,干搅拌3min至均匀;再加入水泥、硅粉等胶凝材料,干搅拌1min;然后将水与高效减水剂混合后加入搅拌机,搅拌5min―8min后出料;最后将搅拌好的RPC材料一次装入试模,在振动台上振动成型。试件在养护室室温养护36h后拆模;再放入蒸汽养护箱以75℃热养72h后取出备用。为检验同批材料的均匀程度,对每一轴拉试件同时制作了立方体抗压试件,测得3组立方体试件的平均抗压强度分别为98.7MPa、140.9MPa、159.1MPa,变异系数均小于0.1,表明各组轴拉试件材料均匀性较好。3试验结果与分析3.1应力-应变本构模型根据实测数据,可以直接得到试件的轴力-变形(N-δ)曲线,其中轴力N为试件所承受的外加荷载测量值减去试件与夹具重量,变形δ为位移传感器所测出的标距内纵向位移值。在数据分析中,需将N-δ曲线转换应力-应变(σ-ε)曲线,其中σ=N/A,ε=δ/l,A、l分别为试件中部横截面面积和变形测量标距的长度。由于每个试件都在相对侧面安装了位移传感器,因此上述ε值为双侧计算数据的平均值。3.2钢纤维体积率对rpc轴拉应力-应变全曲线的影响试验前,由于对RPC的抗拉韧性把握不足,为得到其受拉应力-应变全曲线的下降段,参考普通混凝土、普通钢纤维混凝土等轴拉试验的文献资料,考虑在试验机上辅设刚性原件以避免试件在测试中的突然破坏,因此在夹具设计时预留了添设钢拉杆的空间。在试行试验中,发现在不添加钢拉杆的情况下,对Vf=2%试件能够顺利测出其轴拉应力-应变全曲线的下降段。为加强对比性,在正式试验时对三组试件都没有添加辅助钢杆,成功测得了钢纤维体积率为Vf=1%及Vf=2%的RPC轴拉应力-应变全曲线。而Vf=0%的试件在试验中表现为一裂即断,仅测到了轴拉应力-应变全曲线的上升段。表3为主要试验结果(平均值)。图3―图5为各组试件实测轴拉应力-应变曲线。其中L2组有1个试件失效,只测试出3条曲线。图6为3种钢纤维体积率时RPC轴拉应力-应变平均曲线对比。从图6中可以看到,不同钢纤维体积率的RPC轴拉应力-应变平均曲线的上升段斜率近似;随钢纤维掺量增加,RPC抗拉强度增大,表现为曲线峰值点提高。钢纤维掺量大的曲线峰值后应力稳定段明显增长,表明掺加钢纤维后,RPC的抗拉韧性有很大提高,且提高程度随钢纤维体积率增加而增大。3.3钢纤维试件破坏图7是不同钢纤维体积率时试件的典型破坏形态,从图7中可以看到,不同钢纤维体积率的RPC轴拉试件破坏时都是横向拉断,只有一条主裂纹。当Vf=0%时,试件基本是一裂即断,断裂面两侧RPC仍很密实,无掉渣现象。Vf=1%及Vf=2%时,试件破坏时断口都由于钢纤维逐批拔出而参差不齐,在裂纹增宽过程中不断有RPC碎渣掉落。随钢纤维含量增加,主裂纹更加蜿蜒,甚至出现分叉,如图7(c)。掺加钢纤维的试件破坏后,都表现为裂缝虽然宽度较大,但试件仍然连而不断。对掺加钢纤维后的试件,观察其裂缝处形貌发现:试验中钢纤维都是拔出破坏,没有拉断;断口处拔出的钢纤维数量众多,呈犬牙交错状乱向分布,未拔出端仍深埋于基体中。乱向分布的钢纤维是RPC由脆性破坏转向韧性破坏的主要原因。4试验结果分析(1)对Vf=1%、Vf=2%的RPC轴拉试件,在普通万能试验机上无需添加任何刚度辅助设施,能够测出其轴拉应力-应变全曲线的下降段。(2)随钢纤维掺量增加,RPC抗拉强度增大;掺加钢纤维后,RPC的抗拉韧性有很大提高,且提高程度随钢纤维体积率增加而增大。(3)从整个轴拉过程来分