第18卷第1期建筑材料學報Vol. 18. No. 12015年2月JOURNAL OF BUILDING MATERIALSFeb.,2015文章編號:1007-9629(2015)01-0007粗聚烯烴纖維混凝土圓板彎曲韌性和表征方法鄧宗才1,曲玖齡1,劉國平2,施慧聰2(1.北京工業(yè)大學城市與重大工程安全減災(zāi)省部共建重點實驗室,北京100124;2.上海羅洋新材料科技有限公司,上海200120)摘要:通過圓板試件研究了新型粗聚烯烴纖維混凝土的彎曲韌性,探討了纖維摻量、纖維長度和基體強度等對圓板能量吸收值的影響規(guī)律.試驗發(fā)現(xiàn):纖維摻量與圓板能量吸收值成正比;纖維長度介于38~60mm時,圓板能量吸收值隨纖維長度增加而增大,當纖維長度≥48mm時,其荷載-撓度曲線下降段出現(xiàn)應(yīng)變強化特征,荷載有2次峰值.分析了美國 ASTM O1550在評價韌性方面存在的問題,提出了以圓板初裂撓度為初始參考撓度,基于能量比值法的韌性指標評定方法,該方法可表征粗纖維對混凝土板初裂后韌性的貢獻,并可直接與理想彈塑性材料的韌性指標進行比較關(guān)鍵詞:粗聚烯烴纖維;彎曲韌性;圓板;韌性指標;能量吸收中圖分類號:TU528.572文獻標志碼:Adoi:10.3969/j.isn.1007-9629.2015.01.002Flexural Toughness and Its Characterization of a New Kind ofMacror-polyolefin Fiber Reinforced Concrete PlateDENG Zongcai, QU Jiuling, LIU GuopiSHI Huicon(1. Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering, Ministry of Education, Beijing University of TechnologyBeijing 100124, China; 2. Shanghai Royang Innovative Material Technologies Co, Ltd, Shanghai 200120, ChinaAbstract: In order to examine the toughness of concrete circular plates reinforced with a new type of macro- polyolefin fiber, a circular plate test was performed and the effects of fiber use level, fiber length and the matrixstrength on the flexural toughness, energy absorption value were investigated. The test results show that the absorption energy value is proportional to fiber use level; when fiber length is between 38 to 60 mm, the absorptionenergy value increases with increasing fiber length. When the fiber length is greater than or equal to 48 mm, in thedescending stages on the load-deflection curve strain hardening behavior appears with two peak loads. The prollems with evaluating the flexural toughness using ASTM C1550 were analyzed based on the energy ratio methodand a new toughness evaluating method was proposed. This new method, taking the first-crack deflection as theinitial reference deflection, can be used to characterize the contribution of macro- polyolefin fiber to the flexuraltoughness after initial crack, and can directly used to compare the toughness index with perfect elastoplastic material.Key words: macro-polyolefin fiber; flexural toughness; circular plate; flexural toughness index; absorp-tionf energy分布于混凝土中的高性能纖維對裂縫擴展具有良好力能量吸收能力或結(jié)構(gòu)整體變形能力事?部普通混凝土容易開裂并發(fā)生脆性破壞,而亂向結(jié)構(gòu)在出現(xiàn)裂縫后的帶裂縫工作能力纖維阻裂能的抑制作用,可顯著改善混凝土的裂后性能和韌本文試驗研究了新型粗聚烯烴纖維混凝土圓板性1.韌性指標定量表征了纖維混凝土材料、構(gòu)件或試件的彎曲韌性,測定了其荷載-撓度全曲線,分析收稿日期:2013-07-26;修訂日期:2013-10-23中國煤化工基金項目:國家自然科學基金資助項目(51378032);北京自然科學基金資助項目(81420HCNMHG第一作者:鄧宗才(1961-),男陜西扶風人,北京工業(yè)大學教授博士生導(dǎo)師博士E-mail:dengzc@biut.edu.cn建筑材料學報第18卷了纖維摻量、纖維長度、基體強度等對圓板試件彎曲韌性的影響規(guī)律,并與理想彈塑性材料進行比較.根據(jù)美國 ASTM C1550標準,計算了圓板試件的能量吸收值,結(jié)合粗聚烯烴纖維混凝土圓板變形大的特點,提出了新的裂后韌性指標計算方法該方法以纖維混凝土圓板的初裂撓度作為荷載-撓度全曲線上的初始參考變形,以衡量纖維對圓板裂后耗能能力的貢獻,可直觀地與理想彈塑性材料的韌性指圖1圓板試驗裝置標進行比較Fig. 1 Apparatus for circular plate test1圓板試驗概況的纖維逐漸從基體中拔出或拉斷,呈延性破壞.纖維長度為38mm的試件中纖維基本上發(fā)生拔出破壞;1.1纖維特性及混凝土配合比纖維長度為48,60mm的試件中,纖維被拉斷的平新型粗聚烯烴纖維(簡稱聚烯烴纖維)由上海羅均比例分別為56%和76%洋科技公司提供,纖維表面壓痕、沿長度方向呈波浪2.2圓板的荷載-撓度全曲線狀,長度分別為38,48,60mm,直徑均為1.0mm,圖2為素混凝土和部分纖維混凝土圓板試件的抗拉強度為600MPa,彈性模量為10GPa,斷裂延彎曲荷載撓度(F8)全曲線伸率為17%.2種基準混凝土的設(shè)計強度分別為由圖2可見:當纖維長度≥48mm時,試件的荷30,40MPa,配合比見表1載-撓度全曲線下降段出現(xiàn)二次上升現(xiàn)象,即有應(yīng)變表1混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concretek強化特征;隨著纖維摻量的增加,二次強化現(xiàn)象更加明顯,荷載-撓度全曲線下降過程趨緩,且纖維長度Strength Cement Sand Gravel Water Water reducinggradegent為60mm試件的下降段比48mm試件的下降段更3337981149168為平緩40078711001642.3美國 ASTM O1550評價方法1.2試件制作及編號據(jù)美國 ASTM C1550標準,按式(1)計算了各按照美國 ASTM O1550標準,圓板試件直徑為圓板試件的能量吸收值v,并列于表2.表中數(shù)值為800mm,厚度為75m,試件澆注24h后脫模,在每組試驗3個試件平均值標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護28d,試驗前3h從養(yǎng)護室取出do(1)個圓板試件試件編號中FC后數(shù)字為基體強度,其式中:2=2-(2805),為荷載撓度曲線下面后數(shù)據(jù)分別為纖維長度及其摻量,如FC30-48-6即積;t,d分別為圓板實測平均厚度和直徑;to和da表示基體強度為C30,纖維長度為48mm,纖維摻量分別為圓板標準厚度和直徑,取75mm和800mm為6kg/m3的圓板試件δ為修正后的板中心處撓度1.3加載2.3.1纖維長度對板彎曲韌性的影響按美國 ASTM C1550方法對圓板試件加載,試由表2可見,纖維摻量為3,6,9kg/m3的FC30驗裝置如圖1所示試件中心處受力,恒位移控制加60系列試件在撓度為40mm時其能量吸收值比載,加載速度為(4.0±1.0)mm/min,測定試件中心FC30-48系列試件分別提高約64%,37%和60%點撓度值;荷載及撓度值由計算機自動采集纖維摻量為3,6,9kg/m3的FC40-60系列試件在撓2圓板試驗結(jié)果度為40mm時其能量吸收值比FC40-48系列試件分別提高約32%,50%和44%.這說明纖維長度是2.1試件破壞過程影響圓板試件彎曲韌性的主要因素之一,當纖維長加載過程中,素混凝土圓板在達到最大彎曲荷度為38~60mm時,試件吸收的總能量幾乎與纖維載后瞬間斷裂,為脆性破壞摻聚烯烴纖維的圓板當長度成正比中國煤化工拔出過程中消荷載達到一定值后,其下表面通常萌生3條裂縫,且耗的能量CNMHG裂后變形能力隨荷載増加而不斷擴展,至峰值荷載后,裂縫截面處提髙.第1期鄧宗才,等:粗聚烯烴纖維混凝土圓板彎曲韌性和表征方法305C30FC30-48-3FC30-48-6c30FC30.603Fc30.60-6z20FC30-48-9FC30-60-905101520253035404505101520253035404o/mm(a) Load-deflection curves of FC30-48b) Load-deflection curves of FC30-6050305050C40FC40-48-3FC4048-6C40FC40-60-3FC40-48305050FC40-60-6FC40-60-905101520253035404505101520253035404o/mm(c) Load-deflection curves of FC40-48(d) Load-deflection curves of FC40-60圖2混凝土圓板試件的荷載-撓度全曲線Fig 2 Load-deflection curves of specimens表2聚烯烴纖維混凝土圓板試件的能量吸收值分別提高約35%,17%和36%;對于纖維長度38,Table 2 Absorption value of energy for specimens with polyolefin fiber48,60mm的FC40系列試件,纖維摻量為9kg/m3Specimen Peak/J時的能量吸收值比纖維摻量為6kg/m3時分別提高eleA=5mm8-10mb=20mmb=4mm約62%,58%和52%可見纖維摻量會顯著影響圓28.637.140.341.041,0板的彎曲韌性,圓板吸收的總能量與纖維摻量基本FC30-38-328.038.047.759.872.4成正比纖維摻量≤9kg/m°時,隨纖維摻量增加,FC30-38-630.449.870.9101.0135.8圓板試件吸收能量值增大,變形能力增強FC30-38-928.459.792.4136.8184.02.3.3基體強度對板彎曲韌性的影響FC30-48-326.745.869.1107.0143.4從表2可見,當纖維摻量和長度相同時,FC4FC30-48-628.055.9104.1系列試件的總能量吸收值高于FC30系列試件,撓FC30-48-927.662.9122.3222.7322.9度為40mm時,FC40-38系列試件比基體強度為Fc306329.157.398.1161.62344C30的FC30-38系列試件能量吸收值提高3%FC30-60-627.173.7146.3255.2379.715%;FC40-48系列試件能量吸收值比FC30-48系列FC30-60-929.484.4180.5336.9517.5試件提升1%~31%,FC40-60系列試件的能量吸37.340.741.842.042.0收值比FC30-60系列試件提升3%~18%.可見,基FC4038334.239.950.062.979.2體強度也是影響粗聚烯烴纖維混凝土板韌性的因素FC40-38-635.748.166,9140.1之一,原因是隨著基體強度增加,纖維與基體之間的FC40-38-936.061.2100.2159.7211,9黏結(jié)強度提高,從而使得纖維從基體中拔出時耗散FC40-48-337.853.681.2123.3156.9的能量增大FC4048640.264.8124190.7280.62.4改進的韌性指標評價方法FC40-48-941.373.18.8305.8425.7ASTM O1550評價方法僅計算了荷載一撓度曲FC40-60-337.961.399.7154.線下的總面積,即對耗能值做了評價,不能直觀地與FC40-60-636.879.21540272.8404.8FC40-60-940.1105.2219.7405.8614.5理想彈塑性材料耗能能力進行比較,不便于設(shè)計者采用.因此,需要提出新的韌性評價方法,以直觀表2.3.2纖維摻量對板彎曲韌性的影響征纖維對基體裂后韌性的改善程度.韌性實質(zhì)上是從表2看出,在撓度為40mm時,對于纖維長衡量纖維對混rV凵中國煤化工能力的貢獻度38,48,60mm的FC30系列試件,纖維摻量為表3統(tǒng)計了CNMHG初裂撓度、初9kg/m3時的能量吸收值比纖維摻量為6kg/m3時裂荷載、峰值撓度及其能量吸收值等韌性指標建筑材料學報第18卷mabk3Dn3國板試件的初裂撓度蛐儻攙度及對應(yīng)的荷、能量吸收值load, absorption of energy at first crack and peak for specimens with polyolefin fiberDeflectionLoad at first Energy absorptionPeakPeakEnergy absorptionat firstat firstcrack/kNdeflection/mmload/kNat peakelectionC301.3927.916.11.49FC30-38-315.61.51FC30-38-628.616.21.44FC30-38-91.3726.716.128.417.1FC30-483FC30-48-616.3FC30-48-91.4716.01.5718.228.229.1FC30-60-61.591.67FC3060-91.6027.020.21.9629.425.4C4021.11.5837.324.2FC40-38-31.4233.0L.5022.0FC40-38-61.4723.6FC4038-91.4922.71.58FC4048-3FC40-48-638.124.340.228.6FC4048-91.5826.21.7241.3FC40-60-31.5924.2FC40-60-625.01.7628.8FC40-60-91.6138.226.41.7140.129.2由圖2可見,每條荷載-撓度全曲線在峰值撓度基于能量吸收的韌性指標定義為:(1)給定撓度前基本重合,且初裂撓度與峰值撓度很接近由表3n6下纖維的韌性貢獻△En,=En,-E4,其中E并結(jié)合表2可知:(1)基體強度一定時,纖維摻量、纖為該撓度變形所對應(yīng)的荷載-撓度全曲線下面積維長度對試件初裂撓度、初裂荷載和初裂時的能量E為初裂撓度對應(yīng)的面積;(2)給定撓度n0。下的吸收值影響很小,FC0系列試件初裂時的能量吸收韌性指標Tx-1(n)為:均值為16.7J,標準差為1.31J;FC40系列試件初裂△EnEE時的能量吸收均值為23.88J,標準差為2.1J.(2)板開裂后纖維摻量和纖維長度對能量吸收值的式中:n為計算韌性指標時所取的纖維混凝土初裂影響程度隨著撓度增加而逐漸增大,在撓度為40mm撓度8的倍數(shù).顯然,當n=1時Tx-1(n)=0,表時FC30系列試件比素混凝土試件C30的能量吸收示素混凝土開裂后的韌性指標為零值增加31.4~476.5J,提高76.6%~1162.2%;對于理想彈塑性材料7,韌性指標T2(n-1(n)FC40系列試件比素混凝土試件C40的能量吸收滿足:值增加37.2~572.5J,提高88.6%~1363.1%.T2m1)(n)=2(n-1),n=5,6,7,…(3)可見,纖維混凝土板開裂后,主要通過裂縫處纖維本文定義的韌性指標T2(m-1(n)直觀和定量地拉拔做功而消耗能量,纖維長度、纖維摻量是影響表征了粗纖維混凝土相比理想彈塑性材料韌性的其裂后耗能能力的主要因素改善程度繪定墟度n(n=5,10,15,因此,本文采用粗聚烯烴纖維混凝土初裂撓20,25)時按中國煤化工性指標值,并與度a作為圓板試件荷載-撓度全曲線上的初始參按式(3)計CNMH韌性指標進行考變形,以衡量纖維對試件裂后耗能能力的貢獻.了對比第1期鄧宗才,等:粗聚烯烴纖維混凝土圓板彎曲韌性和表征方法表4粗聚煬烴纖維混凝土圓板試件的裂后韌性指標T(n)韌性指標比摻量為6kg/m3時分別提高約85%,Table 4 Toughness index Tue-n(n)for concrete specimensith polyolefin fiber26%和47%,比摻量為3kg/m3時分別提高約T2(-1)(n)237%,119%和178%.這說明當纖維摻量增加時,T(5)Ts(10)T2(15)Tw(20)T4(25在裂縫界面處會有更多的纖維拉拔滑移做功,從而耗散更多的能量,提升了板的裂后韌性.另外,在撓Perfect elastoplasticmaterial8.0018.0028.0038004800度為58和108,處的纖維混凝土裂后韌性指標與理想彈塑性材料的韌性指標比較接近;隨著撓度增FC30-38-31.942.673.213.623.87加,纖維混凝土韌性指標與理想彈塑性材料的韌性FC3038-62.764.375.596.517.283.796.268.109.3710.43指標差距變大FC3038-9FC30-48-32714796347.417.913結(jié)論FC30-48-64.299.0212.6215.0416.705,4711.3714.9318.4519.88(1)纖維摻量是影響混凝土圓板彎曲韌性的重FC30-60-33.947.389.941.8413.27要因素之一,隨著纖維摻量增加,圓板試件的荷載FC306066.29124116.5219952243撓度全曲線下面積增大,纖維從基體拔出時耗散的FC30-60-96.35135818.792217257能量更多,抗彎韌性明顯改善FC40-3831.492.112.522.913.11(2)當纖維摻量為6~9kg/m3,纖維長度≥FC4038-61.923.023.964.695.6648mm時,荷載-撓度曲線下降段出現(xiàn)二次上升現(xiàn)FC40-3892.885.247.098.5510.49象,即呈現(xiàn)變形強化特征FC40-48-32.033.814.85(3)隨著纖維長度增大,圓板試件的荷載-撓度288687.789.3410.43全曲線下降段變得平緩,其抗彎韌性明顯改善FC40-48-93.827.7810.2411.9513.18(4)隨著基體強度增大,圓板試件的彎曲韌性指FC40-60-33,74標略有提升,但基體強度對其彎曲韌性的影響程度FC40-60-65.379.9613.1815.5417.27FC40-60-97.0913.8819.1822.7225.37小于纖維摻量和纖維長度(5)根據(jù)粗纖維混凝土板變形能力大的特點,提2.4.1纖維長度對裂后韌性指標的影響出了基于能量比值的裂后韌性指標評價方法,取由表4可見,隨著纖維長度增加混凝土板的裂(5~25)δ撓度時纖維的韌性貢獻與初裂時的能量后韌性指標T21(n)顯著提升,FC30-60系列試件吸收值之比作為裂后韌性指標,更能科學地表征粗在撓度為256。處的裂后韌性指標比FC3048系列纖維對圓板試件韌性的提升程度.圓板試件的韌性試件分別提高約68%,34%和30%,比FC3038系指標隨纖維長度、纖維摻量的增加而明顯提高.列試件分別提高約243%,208%和147%FC40-60系列試件在撓度為258處的裂后韌參考文獻:性指標T2=1(n)比FC40-48系列試件分別提升約1]鄧宗才高性能合成纖維混凝土M,北京;科學出版社,20052%,66%和92%,比FC4038系列試件分別提升45-48.DENG Zongcai. The high performance synthesis fiber rein約193%,205%和142%.這說明當纖維長度增加forced concrete[M]. Beijing: Science Press, 2003: 45-48.(in時,裂縫處纖維與基體界面拉拔滑移做功也增加,更能有效地發(fā)揮纖維的阻裂增韌和耗能效用[2] RAMAKRISHNAN V Performance characteristics and appli4.2纖維摻量對裂后韌性指標的影響cation of high-performance polyolefin fiber reinforced concretes由表4看出,隨著纖維摻量增加,板裂后韌性指[c]/Proceedings of the Third CANMET/ACL InternationalConference, SP-171. Detroit: American Concrete Institute標To-1(n)明顯提高.對于纖維長度38,48,60mm1997:671-692的FC30系列試件,纖維摻量為9kg/m3時在撓度3] GOPALRATNAM VS, SHAHSP, BATSON G B,etl.Frac為258。處的裂后韌性指標T2-1(n)比摻量為ture toughness of fiber reinforced concrete[J]. ACI Materials6kg/m3時分別提高約43%,19%和15%比摻量為Journal,1991,88(4);339-353.3kg/m3時分別提高約170%,151%和94%[4 BANTHIA中國煤化工fexuralcharacterizat對于纖維長度38,48,60mm的FC40系列試CNMHG1):48-57.件,纖維摻量為9kg/m2時在撓度為25δ處的裂后(下轉(zhuǎn)第16頁)16建筑材料學報第18卷[5] JUST A, MIDDENDORF B Microstructure of high-strength2007,37(2):221-230.foam concrete [J]. Materials Characterization, 2009, 60(7): [7] RAMAMURTHY K, KUNHANANDAN NAMBIAR E K741-748.INDU SIVA RANJANI G. A classification of studies on prop-[6] NAMBIAR E KK, RAMAMURTHY K Air-void characteri-erties of foam concrete[J]. Cement and Concrete Compositessation of foam concrete [J]. Cement and Concrete Research2009,31(6):388-396.上接第11頁)[5] American Society for Testing and Materials, Standard C1550Is World, 2007(9):42-49. (in Chinese)03a, standard test method for flexural toughness of fiber[7]鞠楊,劉紅彬陳健等超高強度活性粉末混凝土的韌性與表forced concrete( using centrally loaded round panel)[S].征方法[].中國科學,2009,39(4):793-808Conshohocken: ASTM Committee, 2003.JU Yang, LIU Hongbin, CHEN Jian, et al.[6]沈榮熹聚烯烴粗纖維增強混凝土的性能及應(yīng)用[混凝土世test界,2007(9):42-49trength RPC[]. Science China, 2009, 39(4): 793-808( in ChiShen Rongxi. The performance and application of fiber rein-forced concrete with polyolefin[J. Building Decoration Materi中國煤化工CNMHG