活性粉末混凝土拉伸性能试验研究

活性粉末混凝土拉伸性能试验研究

活性粉末混凝土（rcc）由细活性粉末、水泥、优质细骨料和高强度纤维组成。这是一种创造性的高材料，通过优化和设计特定的技术，如高温和热交换法。该材料具有超高强度、高韧性、高耐久性和良好的抗疲劳性能,因此在桥梁工程中具有很好的应用前景。活性粉末混凝土替代普通混凝土材料,不仅可以有效降低受弯构件的截面高度,而且可以提高构件的刚度和使用寿命。目前国内外已有在部分桥梁工程中的应用实例。我国在曹迁线铁路桥梁跨线低高度梁设计中,利用RPC材料的高弹性模量与超高强度等特性,设计出刚度与承载力满足列车高速运行的高耐久性低高度预应力梁。另外,客运专线桥梁人行道系统及电缆槽盖板均已采用活性粉末混凝土板式构件,有效解决了原普通混凝土构件易破损、寿命短等问题,同时降低桥梁二次恒载。经研究RPC具有很高的抗拉强度与良好的塑性特点,其力学特性与普通混凝土、纤维混凝土有很大差异,而目前RPC桥梁与其他受弯构件的设计,仍采用与普通混凝土构件相同的设计方法,忽略抗拉强度,设计偏于保守。研究RPC的拉伸性能,提出抗拉强度指标与受拉本构关系模型,对充分发挥RPC的材料特性、合理设计桥梁受弯构件、降低工程造价以及推广应用具有重要的意义。目前RPC的受拉性能尚缺乏系统的研究。本文通过RPC受拉性能试验与分析,研究抗拉强度指标与轴心受拉本构模型。1试验总结1.1试验材料及材料RPC劈裂抗拉强度、轴心抗拉强度试验按钢纤维体积率分为0、0.5%、1%、1.5%、2%共5组,每组成型3个试件。试验结果取每组试件的平均值。劈裂抗拉强度试验采用边长100mm的立方体试件,轴心抗拉强度试验采用如图1所示的倒8字形试件。另外,测定同批RPC成型100mm立方体试件的立方体抗压强度,校验试件的均匀程度。试验所用的RPC主要采用的原材料如下:拉法基42.5号普通硅酸盐水泥;粒径2μm以下的微硅粉;直径0.20mm、抗拉强度2860MPa的子午线轮胎钢丝,将其切割成长度为12～15mm的短细钢纤维;粒径为0.16～1.25mm的级配石英砂;北京建工研究院生产的减水率为29%的RPC-2型高性能减水剂。材料配合比见表1。搅拌好的RPC浇筑于钢模中,在高频振动台上振捣。在养护室中将试件养护24h后拆模,再放入养护箱中70℃下蒸汽养护72h,最后移入标准养护室,养护28d。1.2试验设计和试验加载试验在1000kN电子液压式万能试验机上进行。抗压强度与劈裂抗拉试验加载速度分别取为1.2MPa/s和0.2MPa/s,其他按《普通混凝土力学性能试验标准》(GB/T50081-2002)要求进行。轴心抗拉试验中,为了得到RPC材料轴心受拉应力-应变全曲线,除对试验方法和试件本身有要求外,试验体系应具有足够大的刚度,以保证试件的破坏在稳定、缓慢过程中进行。本试验采用在试验机上增设附加刚性架的方法。为了防止试件的突然破坏,设置4根拉杆,直径为20mm,采用45号钢(弹性模量为210×103MPa)。设计的加载装置如图2所示。试验时,将RPC轴心受拉试件卡在刚架的上下夹头里,试验机开动时,靠夹头上的立杆拉力对试件中间RPC截面形成拉应力。试件两侧各粘贴标距为50mm的3个应变片,测定RPC的应变εRPC;辅助钢架的4根拉杆分别粘贴标距为20mm的2个应变片,测定拉杆的应变ε钢。RPC的拉力FRPC=F总-F钢,其中,F总为试验机读取数值;F钢为拉杆承担的拉力,F钢=σ钢S钢,S钢为拉杆截面面积,σ钢=E钢ε钢。RPC的应力σRPC=FRPC/SRPC,其中,SRPC为RPC试件的截面积。2钢纤维对rpc强度的影响RPC的受拉试验结果见表2。可见,RPC的抗拉强度随纤维体积率的增加而增大。当钢纤维体积率在0～2.0%范围内时,RPC试件的劈裂抗拉强度比(掺钢纤维RPC劈裂抗拉强度与无钢纤维RPC劈裂抗拉强度的比值)为1～2.60,轴心抗拉强度比(掺入钢纤维RPC轴心抗拉强度与无钢纤维RPC轴心抗拉强度的比值)为1～2.47。钢纤维对RPC材料的抗拉强度具有显著的提高作用,其中劈拉强度最大增强率可达160%。而对于普通纤维混凝土,当钢纤维体积率为0～2.0%时,钢纤维对其劈裂抗拉强度的增强率仅为40%～80%。因此,钢纤维掺量是影响RPC抗拉强度的重要因素。2.1检测钢纤维并压缩体的强度根据试验结果绘制的RPC劈裂抗拉强度比与钢纤维含量特征值λf的关系见图3。由图可知RPC的劈裂抗拉强度与钢纤维含量特征值呈现良好的线性增长关系。纤维的增强效应与纤维品种、纤维特征参数及基体混凝土强度有关,《纤维混凝土结构技术规程》(CECS38:2004)提出钢纤维混凝土抗拉强度的计算公式ffs=fs(1+αsλf)(1)ffs=fs(1+αsλf)(1)式中,fs为无纤维混凝土抗拉强度,MPa;ffs为掺钢纤维混凝土抗拉强度;αs为钢纤维对劈裂抗拉强度的影响系数。为方便应用,本文RPC也采用式(1)计算抗拉强度。通过对RPC立方体劈裂抗拉强度的试验结果统计分析,得到纤维体积率在0～2.0%时的RPC劈裂抗拉强度计算公式fRts=fts(1+0.82λf)(2)fRts=fts(1+0.82λf)(2)式中,fts为无纤维RPC劈裂抗拉强度,MPa;fRts为掺钢纤维RPC劈裂抗拉强度。式(2)与试验数据的相关系数为0.966。2.2纤维含量特征值ft分析根据试验结果绘制的RPC轴心抗拉强度比与钢纤维含量特征值λf的关系见图4。由图可知RPC的轴心抗拉强度与钢纤维含量特征值也呈良好的线性增长关系。通过试验数据回归分析,得到纤维体积率在0～2.0%时RPC的轴心抗拉强度计算公式fRt=ft(1+0.77λf)(3)fRt=ft(1+0.77λf)(3)式中,fRt为掺钢纤维RPC轴心抗拉强度,MPa;ft为无钢纤维RPC轴心抗拉强度。式(3)与试验数据的相关系数为0.991。2.3rpc炮力学性能试验表明同纤维掺量的RPC劈裂抗拉强度高于轴心抗拉强度。这可能是由于轴心受拉时,钢纤维仅承受拉伸作用,而劈裂受拉时,靠近加荷垫块附近劈裂面上的钢纤维承受压剪作用而对该区域施加了约束,出现RPC劈裂抗拉试验的“边壁效应”所致。图5为fRt/fRts与λf的关系图。通过对试验数据回归可得在0<λf≤2范围内,RPC轴心抗拉强度与劈裂抗拉强度的关系为fRt=0.61fRts(4)fRt=0.61fRts(4)式中,fRt为RPC的轴心抗拉强度,MPa;fRts为RPC的劈裂抗拉强度,MPa。式(4)与试验数据的相关系数为0.956。2.4钢纤维对rpc力学性能的影响本文测得的钢纤维体积率为0、1.0%和2.0%等3种试件应力-应变全曲线见图6。结合图6与试验过程观察到的现象分析如下:无钢纤维的RPC试件开裂后,应力即降为0,表现出脆性特征,曲线的下降段难以得到;当掺加体积含量1.0%的钢纤维时,试件开裂后可以记录到明显的下降段,这是由于基体开裂以后,跨越裂缝的钢纤维开始发挥作用,弥补了基体开裂后造成的承载力降低,随着裂缝的发展,钢纤维的作用逐渐增大,试件的承载能力继续提高,最后随着钢纤维的拔出,曲线逐渐下降;当钢纤维体积含量增加到2.0%时,破坏过程基本与体积含量1.0%的试件类似,只是应力-应变全曲线的下降段较为平缓且延伸较长,试件开裂后仍能承受较大的拉力。含钢纤维的RPC试件从开始加载到破坏,历经弹性阶段(OA)、裂缝稳定扩展阶段(AB)、裂缝失稳扩展阶段(BC)、纤维拔出阶段(CD)等4个不同的受力阶段。随着钢纤维体积率的增大,RPC材料的峰值应变、极限荷载和极限变形均有很大的提高,应力-应变曲线下所包围的面积增大。因此钢纤维的加入,可提高RPC受拉破坏时的强度并改善RPC受拉破坏时的变形性能,从而提高其受拉韧性。将RPC的初始弹性模量ERt0取为应力-应变曲线上升段σ=0.5fRt处的割线模量;受拉峰值变形模量取作ERtp=fRt/εRtp。表3为RPC轴心受拉试验参数。由表3可见,掺入钢纤维后,RPC试件的初始弹性模量与峰值变形模量的比值ERt0/ERtp在1.3左右波动。3材料的理化性质(1)加入钢纤维可显著提高RPC的抗拉强度,在最大纤维体积率2.0%情况下,其劈裂抗拉强度的增强率可达到160%,轴心抗拉强度的增强率可达到147%。(2)随钢纤维体积率的增大,RPC的峰值应变、极限荷载和极限变形均有显著提高,应力-应变曲线下所包围的面积增大,从而提高了材料韧性。(3)RPC劈裂抗拉强度和无纤维RPC劈裂抗拉强度与钢纤维含量特征值有关,提出的计算公式可计算纤维体积率在0～2.0%的劈裂抗拉强度。(4)RPC轴心抗拉强度和无纤维RPC轴心抗拉强度与钢纤维含量特征值有关,提出的计算公式可计算纤维体积率在0～2.0%的轴心抗拉强度。(5)给出的RPC应力-应变全曲线表达式能反映纤维掺量对全曲线的影响,与实测曲线吻合良好,模型参数取值简单,适合于工程应用。2.5混凝土轴系应力-应变全曲线模型式中,σRt为RPC轴心受拉峰值应力;σ为RPC轴心受拉应力;ε为RPC轴心受拉应变。描述混凝土轴心受拉应力-应变全曲线的模型很多。本文以应力峰值点为分界,上升段和下降段采用不同的全曲线函数表达式,描述RPC的应力-应变规律。令2.5.1上升段应满足的边界条件根据试验曲线上升段的特点表达式为式中,A、B、C为与钢纤维特性有关的参数。上升段应满足的边界条件为x=0,y=0;x=1,y=1,dy/dx=0。由此得B=3-2A,C=A-2,上升段表达式也可式中,A=ERt0/ERtp,通过试验结果拟合得式中,εt0为无纤维时峰值应变。2.5.2边界条件的确