張?jiān)茋?guó)，李夢(mèng)楠，薛向鋒

(1.大連交通大學(xué)土木與安全工程學(xué)院,大連 116028；2.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大連 116023)

?

切縫深度對(duì)聚丙烯纖維自密實(shí)輕骨料混凝土彎曲韌性的影響

張?jiān)茋?guó)1,2，李夢(mèng)楠1，薛向鋒1

(1.大連交通大學(xué)土木與安全工程學(xué)院,大連 116028；2.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大連 116023)

為了研究預(yù)切縫深度對(duì)聚丙烯纖維自密實(shí)輕骨料混凝土彎曲韌性指標(biāo)的影響，對(duì)25組5種聚丙烯纖維摻量和5種切縫深度的自密實(shí)輕骨料混凝土小梁進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，縫深分別為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm。彎曲韌性試驗(yàn)及評(píng)價(jià)方法參照我國(guó)《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13-2009)中建議的切口梁法。結(jié)果表明，隨著纖維摻量的增加，彎曲韌性有顯著的提高，切縫深度對(duì)聚丙烯纖維自密實(shí)輕骨料混凝土彎曲韌性指標(biāo)的影響呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，縫深每增加截面高度的10%，彎曲韌性指標(biāo)feq1、feq2相應(yīng)的增加10%左右。

聚丙烯纖維混凝土； 切口梁法； 彎曲韌性； 自密實(shí)輕骨料混凝土

1 引 言

自密實(shí)輕骨料混凝土因兼有自密實(shí)混凝土與輕骨料混凝土的優(yōu)點(diǎn)而受到人們的青睞。與普通混凝土相比，自密實(shí)輕骨料混凝土的脆性更大，且隨著強(qiáng)度的提高而增大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)無(wú)征兆的脆性破壞[1]。在輕骨料混凝土中加入纖維可以顯著改善其韌性性能，降低脆性，纖維混凝土的韌性性能已成為與強(qiáng)度同等重要的材料屬性[2]。國(guó)際上較為常用的彎曲韌性評(píng)價(jià)方法包括ASTM C1018標(biāo)準(zhǔn)、DBV 1998標(biāo)準(zhǔn)、RILEM TC 162-TDF彎曲韌性評(píng)價(jià)方法、JSCE-SF4標(biāo)準(zhǔn)等。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量的纖維增強(qiáng)混凝土彎曲韌性試驗(yàn)研究，如丁一寧[3,4]按照不同國(guó)家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了大量鋼纖維混凝土梁的彎曲韌性試驗(yàn)，對(duì)比了這些標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)缺點(diǎn)，并采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究了不同纖維摻量下鋼纖維自密實(shí)混凝土的彎曲韌性，發(fā)現(xiàn)鋼纖維對(duì)提高混凝土韌性效果顯著；劉衛(wèi)東[5]進(jìn)行了異型聚丙烯纖維混凝土的韌性試驗(yàn)，并與單絲聚丙烯纖維混凝土試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)異型聚丙烯纖維的增韌效果優(yōu)于單絲聚丙烯纖維；王伯昕[6]對(duì)聚丙烯纖維混凝土進(jìn)行了彎曲韌性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)聚丙烯粗纖維的加入增強(qiáng)了混凝土的彎曲韌性；Banthia[7,8]通過兩種以上不同纖維的混雜，研究了混雜纖維對(duì)梁的彎曲韌性的影響，結(jié)果表明混雜纖維在改善梁的彎曲韌性上表現(xiàn)出了很好的正混雜效應(yīng)。

我國(guó)《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13-2009)[9](以下稱《標(biāo)準(zhǔn)》)中對(duì)于纖維混凝土彎曲韌性提出了兩種試驗(yàn)方法：切口梁法和三分點(diǎn)法。其中切口梁法中對(duì)試件跨中底面進(jìn)行切縫，切縫寬度為2 mm，深度為20 mm，有利于保證試件沿著預(yù)定截面破壞，可以得到較穩(wěn)定的試驗(yàn)曲線。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中對(duì)纖維混凝土彎曲韌性的試驗(yàn)研究較多，但關(guān)于切縫深度對(duì)韌性指標(biāo)影響的討論卻不多。肖柏軍[10]對(duì)比了國(guó)內(nèi)外主要彎曲韌性試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，采用切口梁法研究了低摻量鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土彎曲韌性，認(rèn)為U型切口更有利于纖維混凝土彎曲韌性試驗(yàn)。采用切口梁是為了減小破壞面、產(chǎn)生應(yīng)力集中，保證彎曲破壞面位置的穩(wěn)定性，由混凝土斷裂力學(xué)知識(shí)可知，縫深對(duì)混凝土斷裂性能有較大影響[11]，采用切縫法研究纖維混凝土韌性時(shí)，縫深對(duì)試驗(yàn)結(jié)果一定會(huì)有影響，因此，本文對(duì)不同聚丙烯纖維摻量的自密實(shí)輕骨料混凝土進(jìn)行不同深度的切縫，按照切口梁法進(jìn)行三點(diǎn)彎曲韌性試驗(yàn)，研究切縫深度對(duì)聚丙烯纖維自密實(shí)輕骨料混凝土彎曲韌性指標(biāo)的影響。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Test device

2 試 驗(yàn)

2.1 原材料及混凝土配合比

試驗(yàn)采用的水泥為大連本地P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為大連本地生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰；輕骨料為圓球型高強(qiáng)頁(yè)巖陶粒，粒徑5～20 mm，筒壓強(qiáng)度6.5 MPa，24 h吸水率6.2%；細(xì)骨料為大連河沙，中砂；自來(lái)水；減水劑為聚羧酸系高效減水劑；纖維選用聚丙烯粗纖維，長(zhǎng)度為35 mm，直徑為850 μm，抗拉強(qiáng)度460 MPa。所配制混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，配合比設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 聚丙烯自密實(shí)輕骨料混凝土配合比Tab.1 Mixing proportions of the PFRSCLCs /kg·m-3

2.2 試件制作及試驗(yàn)過程

參考《標(biāo)準(zhǔn)》[9]中切口梁法彎曲韌性試驗(yàn)的建議，試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm尺寸的小梁，聚丙烯纖維體積摻量分別為0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%，分別編號(hào)HF1、HF2、HF3、HF4、HF5；由于上述標(biāo)準(zhǔn)中建議的切口梁的切縫深度為20 mm，所以，研究過程中每種纖維摻量小梁分別設(shè)定10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm五種預(yù)切縫深度，誤差為1 mm，在上述試件編號(hào)后加“-1”、“-2”、“-3”、“-4”、“-5”表示試件的不同切縫深度；共澆筑25組，每組3個(gè)取平均值。試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用單點(diǎn)加載三點(diǎn)彎曲的方式，試驗(yàn)跨度為300 mm，加載點(diǎn)與支座間的距離為150 mm，試驗(yàn)裝置如圖1所示。用荷載傳感器測(cè)定作用于試件上的荷載，位移傳感器測(cè)定小梁撓度，加載設(shè)備采用100 t液壓試驗(yàn)機(jī)。對(duì)試件連續(xù)、勻速加載，初裂前，加載速率取0.05～0.08 MPa/s(可采用位移控制，荷載監(jiān)控的方式，避免控制方式切換引起荷載波動(dòng))；初裂后取位移控制，速率每分鐘l/3000，使撓度增長(zhǎng)速率相等，加載至跨中撓度大于3 mm時(shí)停止試驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集頻率為20 Hz。

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述方法，對(duì)切口梁進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，將測(cè)得的荷載-位移曲線按照聚丙烯纖維摻量相同、縫深按照10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm變化作為一組，測(cè)得的5組聚丙烯纖維摻量小梁各縫深情況下荷載-位移曲線分別如圖2～圖6所示。

圖2 HF1荷載-撓度曲線(PF0.3%)Fig.2 HF1 Load-deflection curves (PF0.3%)

圖3 HF2荷載-撓度曲線(PF0.6%)Fig.3 HF2 Load-deflection curves (PF0.6%)

圖4 HF3荷載-撓度曲線(PF0.9%)Fig.4 HF3 Load-deflection curves (PF0.9%)

圖5 HF4荷載-撓度曲線(PF1.2%)Fig.5 HF4 Load-deflection curves (PF1.2%)

圖6 HF5荷載-撓度曲線(PF1.5%)Fig.6 HF5 Load-deflection curves (PF1.5%)

圖7 彎曲韌性計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.7 Calculation sketch of flexural toughness

從圖2～圖6可以看出，當(dāng)荷載達(dá)到峰值后，荷載-撓度曲線出現(xiàn)了明顯的下降段，當(dāng)荷載下降到峰值荷載的一半左右的時(shí)候，曲線趨于穩(wěn)定，形成明顯的水平段，此后，隨著撓度的增加荷載沒有顯著變化，直到跨中撓度達(dá)到3 mm停止數(shù)據(jù)采集，荷載-撓度曲線維持水平趨勢(shì)。試驗(yàn)停止時(shí)，裂縫處纖維緊密連接，保持整體狀態(tài)。這表明聚丙烯粗纖維自密實(shí)輕骨料混凝土初裂后仍有很大的剩余承載能力，聚丙烯纖維對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土開裂后增強(qiáng)效果顯著。隨著預(yù)切縫深度的增加，其持荷能力有一定程度的降低。

3.2 韌性指標(biāo)計(jì)算

利用實(shí)測(cè)的荷載-撓度曲線，依據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》[9]切口梁法計(jì)算不同纖維摻量、不同預(yù)開口深度下聚丙烯纖維自密實(shí)輕骨料混凝土的抗折強(qiáng)度、能量吸收值和等效抗折強(qiáng)度，計(jì)算方法如下：

抗折強(qiáng)度f(wàn)m按式(1)計(jì)算：

(1)

式中，F(xiàn)max為梁跨中0.05 mm撓度范圍內(nèi)的荷載最大值；L為支座間距；B為梁的截面寬度；h為試件截面的有效高度，等于截面高度減去預(yù)切縫深度，荷載單位取N，長(zhǎng)度單位取mm。

彎曲韌性以不同撓度下的能量吸收值表示，如圖7所示?；炷灵_裂的能量吸收值Dcr，相當(dāng)于δL+0.3 mm處的能量吸收值，數(shù)值上等于三角形OAB的面積，δL為荷載FL相應(yīng)的變形；跨中撓度為δ1(δ1=δL+0.65 mm)時(shí)纖維對(duì)混凝土所貢獻(xiàn)的能量吸收值D1f，數(shù)值上等于四邊形BACD的面積；跨中撓度為δ2(δ2=δL+2.65 mm)時(shí)纖維對(duì)混凝土所貢獻(xiàn)的能量吸收值D2f，數(shù)值上等于四邊形BAEF的面積。

纖維混凝土的能量吸收值Dn可用式(2)表示：

Dn=Dcr+Dnf(n=1,2)

(2)

等效荷載和等效抗彎拉強(qiáng)度按式(3)～(6)計(jì)算：

Feq1=D1f/0.5

(3)

feq1=Feq1×L/Bh2

(4)

Feq2=D2f/2.5

(5)

feq2=Feq2×L/Bh2

(6)

式中，F(xiàn)eq1、Feq2分別表示跨中撓度為δ1、δ2時(shí)的等效荷載；feq1、feq2分別表示跨中撓度為δ1、δ2時(shí)的等效抗彎拉強(qiáng)度。

每種纖維摻量試件的抗折強(qiáng)度、能量吸收值和等效抗彎拉強(qiáng)度計(jì)算均以該組3個(gè)試件的試驗(yàn)曲線平均值表示，各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 韌性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of toughness indexes

續(xù)表

3.3 結(jié)果分析

從表2中可以看出，隨著纖維摻量及縫深的增加，抗折強(qiáng)度逐漸增加?？p深20 mm(《標(biāo)準(zhǔn)》[9]中以切縫深20 mm計(jì)算)，纖維摻量為0.3%、0.6%、0.9%、1.2%和1.5%試件的抗折強(qiáng)度分別為3.60 MPa、3.67 MPa、3.74 MPa、3.82 MPa和3.95 MPa，增加幅度并不大，原因是抗折強(qiáng)度計(jì)算時(shí)采用的是峰值荷載，此時(shí)纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)并不顯著；抗折強(qiáng)度隨縫深的增加亦不顯著，縫深從20 mm增加到50 mm，抗折強(qiáng)度增加幅度最大的是纖維摻量為1.5%的那組，為13.9%，幅度最小的為纖維摻量為1.2%的那一組，為3.7%。開裂能量吸收值Dcr也隨著纖維摻量的增加而增加，幅度也不大(圖8)，其原因與抗折強(qiáng)度隨纖維摻量增加幅度不顯著類似；而能量吸收值Dn(圖9)和等效抗彎拉強(qiáng)度f(wàn)eq1、feq2(圖10、圖11)有了非常顯著的增加，聚丙烯纖維摻量從0.3%增加到1.5%，各組試件能量吸收值均增加了2倍以上，等效抗彎拉強(qiáng)度增加了4倍以上。由于能量吸收值和等效抗彎拉強(qiáng)度是表征開裂后的韌性指標(biāo)，這說明開裂后纖維對(duì)混凝土的持荷能力貢獻(xiàn)明顯，對(duì)提高自密實(shí)輕骨料混凝土的韌性有著非常顯著的作用。

等效抗彎拉強(qiáng)度f(wàn)eq1、feq2是采用截面有效面積計(jì)算的彎曲韌性參數(shù)，是混凝土能量吸收值的體現(xiàn)。為了分析切縫深度對(duì)彎曲韌性指標(biāo)的影響，分別畫出不同纖維摻量、不同切縫深度試件等效抗彎拉強(qiáng)度f(wàn)eq1、feq2的柱狀圖，如圖10、圖11所示。

從圖10、圖11可以看出，纖維摻量相同時(shí)，等效抗彎拉強(qiáng)度f(wàn)eq1、feq2均隨著切縫深度的增加而增加，說明切口梁彎曲韌性試驗(yàn)方法中的切縫深度對(duì)彎曲韌性指標(biāo)有著明顯的影響，尺寸效應(yīng)問題顯著。由于《標(biāo)準(zhǔn)》[9]中建議切口深度為20 mm，即圖中每組柱狀圖中左起第二條，以該深度切縫深度彎曲韌性指標(biāo)作為參考值，分別計(jì)算各組纖維摻量的彎曲韌性指標(biāo)feq1、feq2隨縫深變化幅度并進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維摻量增加時(shí)，等效彎曲抗拉強(qiáng)度f(wàn)eq1、feq2隨縫深變化幅度無(wú)顯著差異，因此，將HF1、HF2、HF3、HF4及HF5各組纖維摻量同一縫深時(shí)feq1、feq2變化幅度分別取平均值。當(dāng)縫深為10 mm時(shí)，各組feq1平均降低10%，當(dāng)縫深為30 mm、40 mm和50 mm時(shí)，各組feq1值平均增加分別為14%、25%和37%；同理計(jì)算feq2，當(dāng)縫深為10 mm時(shí)，HF1、HF2、HF3、HF4及HF5各組feq2值平均降低11%，縫深為30 mm、40 mm和50 mm時(shí)，各組feq2值平均增加分別為7%、20%和31%。

圖8 初裂能量吸收值DcrFig.8 First crack energy absorption Dcr

圖9 能量吸收值DnFig.9 Energy absorption Dn

圖10 等效抗彎拉強(qiáng)度f(wàn)eq1Fig.10 Equivalent bending strength feq1

圖11 等效抗彎拉強(qiáng)度f(wàn)eq2Fig.11 Equivalent bending strength feq2

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，由于試件截面尺寸為100 mm×100 mm，縫深每增加或減少10 mm，相當(dāng)于縫深增加或減少了截面高度的10%。對(duì)于等效彎曲抗拉強(qiáng)度f(wàn)eq1，相對(duì)于參考值，當(dāng)縫深減小10 mm時(shí)降低了10%，縫深增加10 mm、20 mm、30 mm時(shí)分別增加14%、25%和37%，如果扣除各組中偏離較大的數(shù)據(jù)，縫深每增加10%，feq1增加幅度接近10%左右；對(duì)于等效彎曲抗拉強(qiáng)度f(wàn)eq2，相對(duì)于參考值，縫深減小10 mm時(shí)，降低了11%，縫深增加10 mm、20 mm、30 mm時(shí)，分別增加了7%、20%和31%，同樣，縫深每增加10%，feq2增加幅度非常接近10%。因此，纖維混凝土彎曲韌性指標(biāo)確定采用切口梁法試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)縫深增加或者減小截面高度10%時(shí)，其彎曲韌性指標(biāo)feq1、feq2試驗(yàn)計(jì)算值會(huì)隨著增加或減小10%左右，纖維摻量對(duì)這種變化幅度影響不大，切縫深度對(duì)彎曲韌性指標(biāo)的這種影響不應(yīng)忽略。

4 結(jié) 論

(1)聚丙烯纖維對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土彎曲韌性的改善效果明顯，可以大大降低自密實(shí)輕骨料混凝土的脆性，隨著纖維摻量的增加韌性改善效果逐漸提高，纖維摻量從0.3%增加到1.5%，等效抗彎拉強(qiáng)度增加了4倍以上；

(2)抗折強(qiáng)度隨纖維摻量增加，其增加幅度不顯著；纖維體積摻量相同時(shí)，隨著預(yù)切縫深度的增加，抗折強(qiáng)度增加，但增加幅度不大；

(3)預(yù)切縫深度對(duì)彎曲韌性指標(biāo)feq1、feq2有顯著影響，且存在明顯規(guī)律，相對(duì)于《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13-2009)[9]中的參考值，縫深每增加或減少截面高度的10%時(shí)，feq1、feq2計(jì)算結(jié)果會(huì)相應(yīng)的增加或者減少10%左右，纖維摻量對(duì)這種變化幅度幾乎沒有影響。

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Influence of Cutting Depth on Flexural Toughness of Polypropylene Fiber Reinforced Self-compacting Lightweight Aggregate Concrete

ZHANGYun-guo1,2,LIMeng-nan1,XUEXiang-feng1

(1.School of Civil & Safety Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.State Key Laboratory of Coastal & Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China)

In order to study the impact of cutting depth on the flexural toughness indexes of polypropylene fiber reinforced self-compacting lightweight aggregate concrete (PFRSCLC),flexural tests were done on 25 groups beams with which 5 kinds of fiber content and 5 kinds of cutting depth were included.The pre-cutting depths are 10 mm,20 mm,30 mm,40 mm,50 mm respectively.The test procedure and assessment method of flexural toughness are according to "notched beam method" recommended by "Standard test methods for fiber reinforced concrete"(CECS 13-2009).Results indicate that the flexural toughness of concrete increases significantly with the increasing of fiber content.The effect of the cutting seam depth on flexural toughness indexes of the PFRSCLC presents a certain rule.The flexural toughness indexesfeq1、feq2increase about 10% with the seam depth increasing of 10% of the section height.

polypropylene fiber reinforced concrete;notched beam method;flexural toughness;self-compacting lightweight aggregate concrete

大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(LP/503)

張?jiān)茋?guó)(1978-)，男，博士，講師.主要從事高性能混凝土的研究.

TU528.2

A

1001-1625(2016)10-3235-07