纤维混凝土抗冲击力学性能试验研究

纤维混凝土抗冲击力学性能试验研究

混凝土的优点是抗压强度高，访问简单、易于加工、价格低廉，可与材料结合形成各种承受组件。但是混凝土致命弱点为抗拉强度低、脆性大、易开裂、韧性差,从而降低混凝土结构的承载能力,缩短使用寿命,成为各种灾难事故的隐患。特别是混凝土的抗冲击性能差,即使是钢筋混凝土,在冲击荷载作用下混凝土也易于脆性断裂和脱落。这也是受冲击荷载作用的桥梁、道路、堤坝等民用工程结构和军用工程结构的混凝土易于损伤断裂的原因。纤维增强混凝土是以混凝土为基体,纤维为增强材料所制成的水泥基复合材料的总称。由于纤维可以很好地抑制裂缝的开展,纤维增强混凝土是改善混凝土受力性能的有效方法。长期以来,人们较多地关注单一纤维对混凝土的增强效果。事实上,不同种类的纤维,如钢纤维、碳纤维、合成纤维和天然纤维等对混凝土的增强效果不同,有些可以提高混凝土的抗冲击性能;有些可以提高混凝土开裂后韧性,限制裂缝宽度发展;有些有抗爆防火能力等。根据复合材料理论,通过不同纤维混合,它们之间性能互补,通过产生正混杂效应,可以达到一加一大于二的效果,从而产生性能可靠,且具有较好社会经济效益的新型高性能复合材料。这一方面国内外研究较热,主要研究集中在混杂纤维增强水泥基复合材料研究,对于混杂纤维混凝土抗冲击性能的研究较少。本文研究目的是将不同几何尺寸和弹性模量的碳纤维、钢纤维和聚丙烯纤维按一定比例加以混合制成抗冲击性能高的混杂纤维混凝土,通过产生正混杂效应,达到一加一大于二的效果。为此,本文参考美国混凝土学会ACI的混凝土落锤冲击试验装置,自行设计落锤弯曲冲击试验装置,进行了不同种类和掺量的碳纤维、钢纤维和聚丙烯纤维混杂纤维混凝土的冲击力学性能试验研究,分析比较了不同纤维种类和掺量对混杂纤维混凝土的抗冲击性能的影响,并分析混杂纤维混凝土的增强机理。通过定义混杂效应系数,定量评价混凝土抗冲击力学性能的正混杂效应,比较了增强效应较为突出的混杂纤维的种类和掺量。1试验总结1.1试验用双组分纤维细度计算试验纤维的选用和设计是在前一系列试验研究基础上优化设计,同时参考已有研究成果完成。所用纤维如图1所示,分别为钢丝纤维(型号为CW03-50-1000),铣削型钢纤维(型号为Ami04-32-600),碳纤维(长度为10mm),聚丙烯纤维(长度为10mm),其主要物理性能参数见表1。本试验采用P.O52.5普通硅酸盐水泥。细骨料为河沙,中砂,细度模数为2.5。粗骨料为碎石,粒径为5~20mm。混凝土设计强度为40MPa,实测混凝土的28天单轴抗压强度试验平均值为41.23MPa。1.2试验装置的设计目前,国内外没有统一的试验方法来测试混凝土的抗冲击性能,常用的试验方法有落锤冲击试验、爆炸试验、子弹冲击试验、钟摆冲击试验等等。其中落锤冲击试验法由美国混凝土学会ACI提出,根据试件支撑条件(饼状全支撑和条状受弯支撑)分为压冲击试验和弯曲冲击试验法。落锤冲击试验法由一定重量的钢锤从一定高度自由下落冲击试件,记录试件初裂与破坏的冲击次数。混凝土试件的抗冲击性能通过比较初裂与破坏的钢锤冲击次数得出。本文参考美国混凝土学会ACI的混凝土落锤冲击试验装置,自行设计落锤弯曲冲击试验装置(图2)。自行设计的冲击试验的落锤冲击动能与美国混凝土学会ACI的冲击试验法的落锤冲击动能相近。试件为方形薄板,尺寸为200mm×200mm×50mm。将试件放入角钢焊制的金属框架中形成试件的四边简单支撑,周边保持约1cm的间隙防止金属框架对试件产生横向约束。冲击球重7.2kg,下落高度为30cm,测试时,冲击球沿试件中心线自由落下,试件在冲击荷载作用下受弯,每次冲击加载后仔细检查试件是否开裂或破坏,记录试件初裂及破坏时的冲击次数。1.3试验构件的选取为分析比较纤维的不同种类和掺量对混凝土力学性能的增强效果,设计了无纤维混凝土试件、单一纤维混凝土试件和混杂纤维混凝土的不同对比。试件编号为A/B/C/D,表示对应的钢丝纤维、铣削型钢纤维、碳纤维和聚丙烯纤维的纤维掺量分别为每立方米混凝土掺入Akg、Bkg、Ckg、Dkg。本次试验设计的7组混杂纤维总体积率为0.76%,分别由不同纤维比例组成,表2为试验试件编号、纤维配比、试件分组汇总。其中Vf表示纤维体积率,用百分比(%)为单位。2破坏形态及破坏次数在冲击试验的初期,每次冲击的声音都非常响亮,试件几乎没有变形,中心表面混凝土也没有局部受损,重锤冲击后会有一定的回弹。然后,几乎所有的试件初裂都是先沿着试件中心出现裂缝,该裂缝平行于边长发展并贯通。随着初裂的发生,冲击的声音开始变得低沉、不清楚,失去了清脆的撞击声,试件出现不同程度的变形。试件冲击破坏发生时,试件一般出现贯穿的十字裂缝,达到破坏状态。图3为素混凝土与碳纤维混杂纤维混凝土试件冲击破坏的破坏形态比较。素混凝土在初始裂缝出现时,几乎同时发生断裂破坏,断裂成几块(图3(a))。混杂纤维混凝土在初始裂缝出现后仍能继续承受冲击荷载,其变形逐渐变大,裂缝充分发展,在开裂处可见裂缝间有钢纤维和碳纤维约束裂缝开展(图3(b))。表3为试验数据汇总表,其中初裂次数N’和破坏次数N表示试件受到N’或N次冲击后出现初始裂缝或出现贯通裂缝破坏。比值N/N’的大小可以看出破坏形态是延性或脆性破坏。比值N/N’大,表示试件开裂后仍然可以继续抵抗冲击荷载,裂缝有逐渐延伸和扩展过程,试件不会出现脆性破坏。另一方面,混杂纤维混凝土与素混凝土的初裂和破坏冲击次数比较,可以反映混杂纤维对混凝土抗冲击能力的提升效应,如图4中竖向坐标轴所示为混杂纤维对混凝土抗冲击能力的提升倍数。从表3和图4可以看出,配比20/20/2/1和11/11/6/1的碳纤维混杂纤维对混凝土的抗冲击性能提高幅度最大,抗冲击能力提升倍数分别达到8.38和6.75。3混合纤维混凝土的增强机理分析3.1不同纤维配比对混凝土力学性能的影响混杂效应系数应同时考虑各单一纤维的作用,可采用差值法和比值法定义,本文建议采用下列公式计算混凝土的抗冲击力学性能的混杂效应:其中:α为混杂效应系数;f为混杂纤维混凝土力学性能参数;f0为素混凝土力学性能参数;fi为单掺i纤维的混凝土力学性能参数(单纤维体积分数与混杂纤维相同。若不同,应对其力学性能参数进行折算);Vi为混杂纤维混凝土中i纤维体积;V为混杂纤维混凝土中所有纤维的总体积。α>1时产生正混杂效应,α<1时产生负混杂效应。将表3中测得的混凝土冲击力学性能参数代入式(1),并参考文献的一些试验数据,可由式(1)计算得到不同纤维配比的混杂效应系数如表4所示。表4中可见,配比20/20/2/1和11/11/6/1的混杂纤维的混凝土抗冲击性能提高幅度最大,分别达到2.38和2.27,出现明显的正混杂效应。表4中可见,如果仅仅是钢丝纤维与碳纤维混杂,则混杂效应系数小于2,加入PP纤维可以有效提升混杂纤维混凝土抗冲击性能的正混杂效应。3.2试验结果分析纤维主要通过阻止裂缝扩展、增加混凝土基体的强度和断裂能来实现混凝土性能增强。关于纤维的阻裂机理有多种理论模型,其中运用较多的有复合材料模型、多缝开裂模型和断裂力学模型。从几何形状及尺寸上来看,本次试验所用纤维的外形上具有铣削锯齿及两端锚钩等结构,长度从10mm~50mm,等效直径从0.01mm~1mm不等,这种几何形状及尺寸的多层次性与混凝土复合材料多相、多层次的结构组成相呼应,可以对小到水泥净浆,大到粗骨料的各级混凝土组分进行加强,形成纤维加强材的级配结构,从而抑制各个层面的裂缝,多级极配结构有利于纤维增强混凝土力学性能相互补充、促进,进而产生1+1>2的正混杂效应。试验中的纤维主要依靠两种方式与混凝土结合并共同工作,一种是纤维两端弯起形成的钩状结构与混凝土抓紧,另一种为纤维与混凝土的粘结与摩擦。当两种材料之间的结合失效时,纤维即退出工作。两种钢纤维极限强度都相对较大,冲击试验中未出现拉断,破坏面裂缝间均有钢纤维拔出。冲击试验中,在钢纤维对于混凝土整体加强条件下,加入的碳纤维和聚丙烯纤维可以更有效地吸收冲击能量,当裂缝发展到一定宽度之后,混凝土内部的碳纤维和聚丙烯纤维可以持续承受冲击而不断裂。本文的试验研究结果表明,多种不同尺寸、不同材料、不同几何形状、不同弹性模量的纤维混合能在不同冲击受荷阶段和不同结构层面对混凝土加以增强。在受荷初期,整个材料处于弹性阶段,纤维与基体共同承担外力,共同变形,符合以混合律为主要依据的复合材料理论。随着荷载的增大,部分混凝土达到极限应变,在强度大、弹性模量大的钢纤维约束下混凝土出现多缝开裂,继而裂缝不断发展,最终汇聚出现宏观裂缝。如图5所示,非连续纤维分布存在随机性,因而几何尺寸较长的钢丝纤维有更大的概率横跨宏观裂缝,将应力传递给两侧混凝土。宏观裂缝尖端仍处于多缝开裂状态,其上存在一个微裂缝区,大量的微裂缝由几何尺寸小、数量大、间距小的碳纤维和聚合纤维加以约束。同时由于聚合纤维弹性模量小、延性大,在承受冲击荷载时可以发挥类似于弹簧的缓冲作用(图5),将部分冲击能转化为纤维的弹性势能,冲击荷载结束后弹性势能释放,纤维回弹,使裂缝回缩。与此同时,碳纤维有较高的弹性模量,因此对于冲击动能的吸收以及抵抗微裂缝的开展都起到一定作用。4混杂纤维对混凝土抗冲击性能的影响本文进行了碳纤维混杂纤维混凝土的冲击力学性能试验研究,分析比较了不同纤维种类和掺量对混杂纤维混凝土抗冲击性能的影响及纤维增强混凝土的机理和阻裂模型,根据本文的试验研究和机理分析,可以得到以下主要结论:(1)混凝土加入混杂纤维可以明显提高混凝土的抗冲击强度,其中碳纤维混杂纤维混凝土的提高幅度更为显著,纤维配比20/20/2/1可以将抗冲击性能提高到素混凝土的8倍以上。(2)采用本文