摘要
为探究高强高延性混凝土(high-strength and high-ductility concrete,HSHDC)的单轴拉伸性能,设计了12组试件进行了薄板单轴拉伸试验,研究了水胶比(0.14、0.16和0.18)、 PE纤维体积率(1.5%、2.0%、2.5%)、纤维种类(PE和PVA)及PE纤维直径(22 μm、35 μm和 40 μm)对薄板单轴拉伸行为的影响.并利用峰值前应变能密度分析了上述因素对HSHDC能量吸收能力的影响. 结果表明:随着水胶比的增大,HSHDC的抗拉强度呈先升高后降低的趋势,而极限拉伸应变呈增大趋势;HSHDC的抗拉强度随着纤维体积率的增加而增大,而HSHDC的极限拉伸应变在水胶比较小时随着纤维体积率的增加而减小,在水胶比较大时则相反;与0.14水胶比相比,在0.16和0.18水胶比下,HSHDC的峰值前应变能密度较大;与掺入PVA纤维的HSHDC试件相比,掺入PE纤维的HSHDC的拉伸性能和能量吸收能力更优,且小直径的PE纤维更适合制备HSHDC. 最后,利用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)研究了HSHDC致密的基体和粗糙的PE纤维表面.
高延性混凝土(high-ductility concrete, HDC)是一种具有高韧性、高抗裂性能和高耐损伤能力的新型结构材料. 与普通混凝土相比,HDC的抗拉强度高,在拉伸荷载作用下具有多裂缝开展和应变硬化等特征. 基于其优异的拉伸力学性能,HDC在砌体加固、结构修复和抗震等工程中广泛应
随着土木工程领域新材料、新技术的发展,HDC逐渐被应用于混凝土结构的加固和修复. 与加固砌体结构不同,加固混凝土结构的HDC需要更高的抗压强度(100 MPa以上),以减小构件尺寸,提高加固材料的利用率. 因此,制备同时具备高强度和高延性的水泥基复合材料,即高强高延性混凝土(HSHDC)具有重要意义.
目前,国内外众多学者已开发了不同性能的HD
因此,为了方便HSHDC在工程中的应用,本文使用国产原材料在标准养护条件下制备了HSHDC. 通过单轴拉伸试验,分析了水胶比、PE纤维体积率、纤维种类及PE纤维直径对HSHDC单轴拉伸性能的影响,并分析了上述因素对HSHDC峰值前应变能密度的影响. 最后利用SEM探究了HSHDC的纤维破坏模式和微观形貌,验证了HSHDC优异的抗拉强度和拉伸应变能力.
1 试验概况
1.1 试验材料
试验选用P·O 52.5R普通硅酸盐水泥;硅灰的需水量比为122%,其余符合《高强高性能混凝土用矿物外加剂》(GB/T 18736—2017
纤维名称 | 直径/µ | 抗拉强度/MPa | 弹性模量/GPa | 伸长率/% | 长度/mm | 密度/(g·c |
---|---|---|---|---|---|---|
PVA | 22 | 1 600 | 40 | 7 | 12 | 1.3 |
PE-22 | 22 | 3 800 | 145 | 2.9 | 12 | 0.97 |
PE-35 | 35 | 3 800 | 145 | 2.9 | 12 | 0.97 |
PE-40 | 40 | 3 800 | 145 | 2.9 | 12 | 0.97 |
矿掺名称 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | MgO | SO3 | CaO | 烧失量 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
粉煤灰 | 64.6 | 19.9 | 3.5 | 1.3 | 0.4 | 3.8 | 4.7 |
矿粉 | 32.4 | 15.1 | 0.5 | 9.2 | 1.9 | 36.6 | 1.1 |
硅灰 | 94.0 | 0.8 | 1.1 | 1.1 | 0.3 | 0.5 | 1.8 |
1.2 方案设计
试验根据相关文
试验使用配制出的HSHDC基体设计了12组HSHDC薄板拉伸试件,每组试件制作3个相同试样. 分别研究了水胶比、纤维体积率、纤维种类及纤维直径对HSHDC拉伸力学性能的影响. 试验方案如
试件名称 | 纤维种类 | 纤维体积率/% | 水胶比 |
---|---|---|---|
E22-1.5%-0.14 | PE-22 | 1.5 | 0.14 |
E22-1.5%-0.16 | PE-22 | 1.5 | 0.16 |
E22-1.5%-0.18 | PE-22 | 1.5 | 0.18 |
E22-2.0%-0.14 | PE-22 | 2.0 | 0.14 |
E22-2.0%-0.16 | PE-22 | 2.0 | 0.16 |
E22-2.0%-0.18 | PE-22 | 2.0 | 0.18 |
E22-2.5%-0.14 | PE-22 | 2.5 | 0.14 |
E22-2.5%-0.16 | PE-22 | 2.5 | 0.16 |
E22-2.5%-0.18 | PE-22 | 2.5 | 0.18 |
E35-2.0%-0.16 | PE-35 | 2.0 | 0.16 |
E40-2.0%-0.16 | PE-40 | 2.0 | 0.16 |
A40-2.0%-0.16 | PVA-40 | 2.0 | 0.16 |
1.3 试件制备
单轴拉伸性能的试件参照日本土木工程学会(JSCE)标

(a) 试件尺寸(单位:mm)

(b) 加载装置
图1 单轴拉伸试验试件尺寸及加载装置示意图
Fig.1 Uniaxial tensile test specimen size and loading
device diagram
将按设计配合比称取的胶凝材料水泥、粉煤灰、矿粉、硅灰、细砂在混凝土搅拌机中干拌2~3 min,然后加水搅拌3~5 min,加入适量减水剂,最后加入纤维,拌制5~8 min后分层装入模具中,振动台振捣 90 s后抹面并于表面覆薄膜静置养护. 在温度为22 ℃、相对湿度为95%的养护箱中养护28 d后取出测试. 单轴拉伸试验测试设备为MTS万能力学试验机,拉伸速率为0.2 mm/min.
2 拉伸强度试验结果及分析
2.1 HSHDC的应力-应变曲线
在单轴拉伸荷载作用下,不同参数下HSHDC试件的应力-应变曲线见

(a) E22-1.5%

(b) E22-2.0%

(c) E22-2.5%

(d) 不同纤维种类
图2 不同参数下HSHDC的拉伸应力-应变曲线
Fig.2 Tensile stress-strain curves of HSHDC with
different parameters

图3 掺PE纤维的HSHDC开裂模式
Fig.3 Cracking mode of HSHDC doped with PE fiber
基于上述分析,HSHDC的拉伸应力-应变曲线可以简化为如下三折线型本构关系表示:
(1) |
其中:、和分别为HSHDC在弹性阶段、多缝开裂阶段和失效阶段的拉伸弹性模量;、分别为HSHDC初裂时的拉伸应力和拉伸应变;、分别为HSHDC的峰值应力和对应的拉伸应变.
由
通过单轴拉伸应力-应变曲线计算得到的各组HSHDC试件基本拉伸力学性能指标的平均值见
试件名称 | σcr/MPa | εcr/% | σp/MPa | εp/% |
---|---|---|---|---|
E22-2.5%-0.14 | 4.64 | 0.01 | 5.93 | 0.52 |
E22-2.0%-0.14 | 3.60 | 0.07 | 5.25 | 1.44 |
E22-1.5%-0.14 | 3.85 | 0.01 | 5.09 | 1.80 |
E22-2.5%-0.16 | 4.48 | 0.03 | 7.81 | 2.43 |
E22-2.0%-0.16 | 3.77 | 0.11 | 6.84 | 3.04 |
E22-1.5%-0.16 | 3.53 | 0.09 | 6.05 | 3.15 |
E22-2.5%-0.18 | 4.41 | 0.11 | 6.96 | 4.39 |
E22-2.0%-0.18 | 4.01 | 0.08 | 5.00 | 3.84 |
E22-1.5%-0.18 | 3.55 | 0.09 | 4.68 | 3.65 |
E35-2.0%-0.16 | 4.20 | 0.14 | 5.40 | 1.63 |
E40-2.0%-0.16 | 3.52 | 0.07 | 4.83 | 0.38 |
A40-2.0%-0.16 | 2.46 | 0.06 | 3.35 | 0.16 |
其中,将拉伸应力-应变曲线上斜率首次为零的点对应的拉伸应力与应变定义为初裂强度()与初裂应变();将峰值应力及对应的应变分别定义为HSHDC材料的抗拉强度()与极限拉伸应变().
由
2.2 因素分析
2.2.1 水胶比对HSHDC抗拉强度和应变的影响
由

(a) 应力

(b) 峰值应变
图4 水胶比和纤维体积率对HSHDC拉伸力学性能的影响
Fig.4 Effect of water-binder ratio and fiber volume ratio
on tensile mechanical properties of HSHDC
纤维均匀分布是提升混凝土拉伸力学性能的前提. 混凝土中水胶比较小时,纤维在混凝土内分布不均匀,易出现结团现象,增加混凝土内部缺陷,影响混凝土的抗拉性能;混凝土中水胶比较大时,纤维的分散性增强,纤维利用率得到提升,纤维能够充分发挥桥接作
2.2.2 纤维体积率对抗拉强度和应变的影响
在相同水胶比下,HSHDC的抗拉强度随着纤维体积率的增加而增大. 在水胶比为0.14时,纤维体积率为2.5%的HSHDC峰值应力比纤维体积率为2.0%和1.5%的HSHDC分别提高了13%和17%;在水胶比为0.16时,纤维体积率2.5%的HSHDC峰值应力比纤维体积率为2.0%和1.5%的HSHDC分别提高了14%和29%;在水胶比为0.18时,纤维体积率2.5%的HSHDC峰值应力比纤维体积率为2.0%和1.5%的HSHDC分别提高了39%和49%.
掺入纤维提高混凝土基体拉伸力学性能的原理主要有两个方面:一是纤维可以在混凝土受拉时分散应力,避免应力集中,从而提高抗拉强度;二是适量的纤维在混凝土出现裂缝时起到了桥接作用,防止裂缝进一步扩展. 随着纤维体积率的增大,混凝土中纤维根数增多,对应力的分散作用和对裂缝的桥接作用增强,从而提升抗拉强度.
此外,在水胶比为0.14和0.16时,HSHDC的极限拉伸应变随着纤维体积率的增加而降低,在水胶比为0.18时,HSHDC的极限拉伸应变随着纤维体积率的增加而增加. 当HSHDC的水胶比较低(0.14、0.16)时,纤维体积率的增加会导致纤维分布不均匀,削弱纤维的桥接作用,增加混凝土内部缺陷. 此外,PE纤维为疏水性纤维,与基体产生的化学黏结作用较弱,当PE纤维掺量过高而水胶比较小时,纤维不能完全被基体包裹,对基体的增强作用减弱;而当HSHDC的水胶比较高(0.18)时,纤维分布均匀,此时适当地增加纤维体积率对HSHDC的拉伸应变有利.
2.2.3 纤维种类和直径对抗拉强度和应变的影响
由

(a) 应力

(b) 峰值应变
图5 纤维种类和纤维直径对HSHDC拉伸力学性能的影响
Fig.5 Effect of fiber type and fiber diameter on tensile
mechanical properties of HSHDC
根据上述试验结果,掺入PE纤维比掺入PVA纤维更适合制备HSHDC. 一方面,PVA纤维具有亲水性,同时与基体产生摩擦力和化学黏结力作用,当PVA纤维掺入密实度高的高强基体中,纤维与基体间的摩擦力已经很大,再加上化学黏结力的作用,致使纤维和基体的结合面强度过高. 因此,在HSHDC受拉时,PVA纤维易被过早拉断而失效,此时,PVA纤维并未充分发挥其作用,导致HSHDC的拉伸性能较差;PE纤维的憎水性使其与砂浆机体之间仅存在摩擦力,比PVA纤维与基体的结合面强度更低. 因此,在HSHDC受拉时,PE纤维不易被过早拉断或拔出而失效. 另一方面,PE纤维抗拉强度和弹性模量比PVA纤维更高,可以更有效地抵抗外力,从而提升HSHDC的抗拉强
由
综上,PE-22纤维比PE-35和PE-40纤维更适合制备HSHDC. 原因是在纤维的体积率和长度一定时,掺入纤维的直径越小,纤维的根数越多,所发挥的桥接作用越
2.3 能量吸收能力评价方法及因素分析
除了比较应力和应变之外,能量吸收能力也可以评价不同参数下HSHDC的拉伸力学性能. 混凝土在受拉状态下达到峰值应力前,纤维对应力的分散作用和对裂缝的桥接作用使混凝土吸收了较多能量,实现了稳态开裂. 因此,当混凝土达到峰值应力前的能量吸收能力较强时,混凝土往往更易实现多裂缝开展,具有更高的韧性,从而提升混凝土的拉伸力学性能.
Wille
(2) |

图6 峰值应力前的能量吸收能力[
Fig.6 Energy absorption capacity before peak stress [
g值从能量角度反映HSHDC的拉伸力学性能,g值越大,HSHDC拉伸力学性能越好. Wille
本文根据
试件名称 | g/(kJ·c |
---|---|
E22-2.5%-0.14 | 41.2 |
E22-2.0%-0.14 | 66.2 |
E22-1.5%-0.14 | 29.8 |
E22-2.5%-0.16 | 151.8 |
E22-2.0%-0.16 | 169.8 |
E22-1.5%-0.16 | 152.1 |
E22-2.5%-0.18 | 243.1 |
E22-2.0%-0.18 | 155.6 |
E22-1.5%-0.18 | 153.2 |
E35-2.0%-0.16 | 51.1 |
E40-2.0%-0.16 | 15.8 |
A40-2.0%-0.16 | 4.4 |
2.3.1 水胶比对峰值前应变能密度的影响
由

图7 水胶比和纤维体积率对峰值前应变能密度g的影响
Fig.7 Effect of water-binder ratio and fiber volume ratio on strain energy density g before peak
PE纤维作为憎水性纤维,其与混凝土基体的化学黏结作用较弱. 但由于HSHDC是一种高强基体,其密实度比普通混凝土基体更大. 因此,当PE纤维掺入HSHDC时,其与混凝土基体间的化学黏结作用比与普通混凝土基体的更强. 当水胶比较小时,纤维被砂浆包裹所产生的黏结力进一步增大,使得试件在受拉时PE纤维更易被拉断而非拔出,当水胶比适中时,纤维被砂浆包裹所产生的黏结力减小,试件受拉时被拔出的PE纤维数量增多. 由于纤维在拔出时产生的能量高于纤维被拉断产生的能
2.3.2 纤维体积率对峰值前应变能密度的影响
对比相同水胶比下不同纤维体积率的试件可以发现,在水胶比为0.14和0.16时,随着纤维体积率的增加,试件峰值前应变能密度先增大后减小,g值在纤维体积率为2.0%时达到最大;在水胶比为0.18时,随着纤维体积率的增加,试件峰值前应变能密度增大,g值在纤维体积率为2.5%时达到最大. 总的来说,水胶比为0.18、纤维体积率为2.5%的试件E22-2.5%-0.18、峰值前应变能密度最大,g值达到了243.1 kJ/c
掺入基体中的纤维通过形成三维网格结构提升基体的强度和变形能力. 在水胶比过低(0.14)时,掺入砂浆基体内部的纤维无法均匀分布,形成的三维网格结构数量较少. 此时,当纤维的体积率增大,掺入HSHDC内部的纤维易发生结团,增加混凝土的内部缺陷,从而降低HSHDC的拉伸韧性,使峰值前应变能密度g较低. 在水胶比较高(0.18)时,纤维易均匀分布在混凝土中,形成的三维网格结构数量较多. 此时,适当地增加纤维体积率能够有效填充HSHDC内的三维网格结构,提升试件的拉伸韧性.
2.3.3 纤维种类和直径对峰值前应变能密度的影响
1) 由
(3) |
(4) |
式中:为裂缝尖端断裂韧度;为纤维的桥接余能;、分别为裂缝稳定扩展时的应力和对应裂缝开口宽度;、分别为纤维的最小桥接应力和对应的裂缝开口宽度.

图8 纤维种类和纤维直径对峰值前应变能密度g的影响
Fig.8 Effect of fiber type and fiber diameter on strain energy density g before peak

图9 裂缝稳定开裂原
Fig.9 The principle of crack stability propagatio
PVA纤维与基体间的结合面强度高,而其自身强度和弹性模量较低,致使其在试件的拉伸过程中易被拉断,对应裂缝开口宽度较小. 根据
PE纤维不仅与基体间的结合强度较低,而且其强度和弹性模量较高,在试件的拉伸过程中更易被拔出而非拉断. 由于纤维在拔出时产生的能量高于纤维断裂产生的能
2) 由
3 HSHDC微观形貌试验结果及分析

图10 HSHDC微观形貌的SEM图
Fig.10 SEM image of HSHDC micromorphology

(a) 纤维表面水化产物和被拉断的断面

(b) 纤维被拉断的断面和滑移痕迹
图11 HSHDC内部纤维破坏的SEM图
Fig.11 SEM image of fiber destruction in HSHDC
从
4 结 论
1)合适的水胶比可以改善HSHDC中纤维-基体界面从而提升混凝土的拉伸力学性能. HSHDC的抗拉强度随着水胶比的增加先增大后降低,在水胶比为0.16时达到最大. 极限拉伸应变随着水胶比的增加而增大.
2)HSHDC的抗拉强度随着纤维体积率的增加而增大;极限拉伸应变在水胶比较低时随着纤维体积率的增加而降低,水胶比较高时规律相反.
3)掺入PE纤维的HSHDC的拉伸力学性能比掺入PVA纤维的更好,掺入小直径PE纤维的HSHDC的拉伸力学性能更好.
4)0.14水胶比下的HSHDC峰值前应变能密度较小;0.16和0.18水胶比下的HSHDC的峰值前应变能密度较大,且大于UHPC;掺入PE纤维的试件峰值前应变能密度大于掺入PVA纤维的试件;掺入直径更小的PE纤维对提升HSHDC的能量吸收能力更有利.
5)在SEM下观察到PE纤维的根部划痕、被拉断的断面以及拔出后留下的孔洞. 验证了掺入的PE纤维在HSHDC破坏时发生了滑移、和拉断和拔出,从微观层面反映了HSHDC具有优良的拉伸力学性能.
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