王國飛,姚鵬飛

(中國水利水電第十一工程局有限公司,鄭州 450000)

0 引 言

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展,越來越多的混凝土被應(yīng)用于工程實(shí)踐。對此學(xué)者們進(jìn)行了研究,童偉光等[1]對不同形態(tài)聚丙烯纖維摻入混凝土的抗沖擊性進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明:摻入長的網(wǎng)狀纖維制成新型混凝土抗沖擊力較普通混凝土明顯增強(qiáng),其強(qiáng)度與摻入的量成正比。秦澤軒[2]用不同的纖維制成的再生混凝土進(jìn)行了單軸抗壓與劈裂抗拉實(shí)驗(yàn),研究結(jié)果表明:直聚丙烯纖維較曲聚丙烯纖維能增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能,植物纖維前期能使混凝土的結(jié)構(gòu)緊密,隨著時間的流逝,結(jié)構(gòu)會變得越來越松散。譚剛等[3]對聚丙烯纖維摻量和混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了分析,研究結(jié)果表明:聚丙烯纖維摻量在0.6～1.0kg/m3的之間時,聚丙烯纖維混凝土具有較好的抗壓強(qiáng)度。劉福順[4]簡析了聚丙烯纖維對混凝土的影響,研究結(jié)果表明:不同等級的混凝土摻入聚丙烯纖維制成聚丙烯纖維混凝土較普通混凝土強(qiáng)度均有顯著提高。李嘉卿[5]對聚丙烯纖維混凝土力學(xué)性能展開了研究,研究結(jié)果表明:聚丙烯纖維摻入混凝土中能提高混凝土的抗壓能力,聚丙烯纖維均勻分布能提高混凝土的抗折強(qiáng)度。馬士賓[6]等對聚丙烯纖維高性能混凝土抗沖擊性能進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明:聚丙烯纖維能夠增強(qiáng)混凝土的沖擊韌性和抗裂能力。劉文[7]等對聚丙烯纖維混凝土基本力學(xué)性能進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明:聚丙烯纖維對混凝土的抗壓強(qiáng)度具有增強(qiáng)增韌的效果。楊彬[8]研究了聚丙烯纖維摻量和長度對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,研究結(jié)果表明:摻入固定長度的聚丙烯纖維,聚丙烯纖維混凝土的強(qiáng)度最高。董學(xué)超[9]對聚丙烯纖維混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明:聚丙烯纖維對混凝土抗壓強(qiáng)度有顯著增強(qiáng),提高了混凝土的韌性。張延年[10]等對聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土拉壓比進(jìn)行了試驗(yàn),研究結(jié)果表明:聚丙烯纖維可以顯著改善混凝土脆性,提高抗壓能力,提高混凝土的韌性。

參考以上研究,文章主要聚焦于聚丙烯纖維混凝土的抗壓試驗(yàn),分別進(jìn)行了單軸抗壓試驗(yàn)、循環(huán)加卸載試驗(yàn)及不同荷載的循環(huán)試驗(yàn)。

1 單軸抗壓作用下混凝土力學(xué)性能研究

1.1 抗壓測試

首先制備兩種混凝土的試樣,一種普通混凝土,另一種聚丙烯纖維新型混凝土,普通混凝土按照常規(guī)C45抗壓強(qiáng)度的配合比制備,新型混凝土摻入聚丙烯纖維。

按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,對試驗(yàn)的混凝土按照規(guī)范要求進(jìn)行物質(zhì)配合,其中主要的原料為P.O42.5水泥、粉煤灰、河砂、細(xì)石子、水、外加劑。水泥為普通硅酸鹽水泥,河砂為0.5～0.25mm中砂,細(xì)石子為5～31.5mm碎石,外加劑為水溶性樹脂減水劑,按照規(guī)范要求1m3混凝土的質(zhì)量配合比為水泥∶粉煤灰∶河砂∶細(xì)石∶水∶外加劑= 302∶131∶639∶1186∶188∶4.37。所摻入的聚丙烯纖維長約42mm,通混凝土摻入量為1150g/m3,聚丙烯纖維的物理參數(shù),見表1。

表1 聚丙烯纖維的物理參數(shù)

試件的制備采用干拌法,制備好的聚丙烯纖維混凝土試件為150mm×150mm×150mm立方體為試驗(yàn)試件,試件按要求存放于溫度為20±3℃、相對濕度90%以上的條件下養(yǎng)護(hù)≥28d,用標(biāo)準(zhǔn)的方法測試。

單軸抗壓作用下聚丙烯纖維混凝土的力學(xué)分析過程,需用到數(shù)顯式混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī),該試驗(yàn)機(jī)測量范圍為0～2000kN,測量精度±1%。單軸抗壓試驗(yàn)的方式為:試驗(yàn)的聚丙烯纖維混凝土上逐步增加應(yīng)力,加載的應(yīng)力速率為0.6MPa/s,直到試件破裂損壞。試件取出后,先檢查其形狀,選兩面相對水平,表面平整,傾斜偏差相差≤5mm,量出的棱邊長度精確到1mm,選好試件后,以試件上下面為受壓面,將試件放在試驗(yàn)機(jī)中心開始加壓。

2.2 測試結(jié)果分析

分別對兩種混凝土試件進(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)后對比分析,摻入了聚丙烯纖維的混凝土改良效果非常明顯,其強(qiáng)度性能和變形性能較普通混凝土提升明顯。分別取聚丙烯纖維混凝土試塊和普通混凝土試塊,在相同的單軸抗壓強(qiáng)度條件下進(jìn)行試驗(yàn),單軸抗壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖,見圖1。

圖1 單軸抗壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖

由應(yīng)力—應(yīng)變曲線得知,單軸壓力試驗(yàn)過程分為5個階段:

1)應(yīng)變率從0～0.04(第1階段),此階段兩種混凝土試塊被壓縮,試塊里原有的細(xì)小孔隙被擠壓消失,孔隙消失,壓力直接作用在試塊上。在0～10MPa的壓力下,普通混凝土應(yīng)變率較聚丙烯纖維混凝土略大,當(dāng)在10～15MPa的壓力時,兩種混凝土應(yīng)變基本相同,故在此壓力下,兩種曲線基本變化接近。

2)應(yīng)變率從0.04～0.05(第2階段),在逐漸加載壓力下,混凝土表面出現(xiàn)凹痕,并有細(xì)小裂縫出現(xiàn),普通混凝土應(yīng)變率快速變大,到達(dá)40MPa的壓力時與聚丙烯纖維混凝土應(yīng)變相同,應(yīng)變率為0.045,而聚丙烯纖維混凝土的應(yīng)變率較普通混凝土增長緩慢,曲線較普通混凝土平滑,由此可知聚丙烯纖維混凝土抗壓強(qiáng)度在此階段高于普通混凝土。

3)應(yīng)變率從0.05～0.06(第3階段),隨著壓力逐漸增大,混凝土表面出現(xiàn)較大的不規(guī)則裂痕。其應(yīng)變率急劇增大,當(dāng)壓力達(dá)到45MPa時,普通混凝土的應(yīng)變率為0.06,強(qiáng)度達(dá)到峰值,而聚丙烯纖維混凝土則還可承受更大的壓力,直到46.5MPa時,聚丙烯纖維混凝土承受的壓力達(dá)到最大,其應(yīng)變率為0.57。由此表明在此階段相同的壓力下聚丙烯纖維混凝土性能有顯著增強(qiáng)。

4)應(yīng)變率從0.06～0.11(第4階段),在此階段普通混凝土試塊開始破碎,裂縫急劇增大,較小的塊體開始剝離主體,導(dǎo)致其強(qiáng)度也迅速下降。另一方面,在相同的應(yīng)變條件下,聚丙烯纖維混凝土能承受的壓力則更大,被破壞的程度較小,主體結(jié)構(gòu)較完整,因此表明在此階段聚丙烯纖維混凝土抗壓性能比普通混凝土有明顯增強(qiáng)。

5)應(yīng)變率從0.11～0.15(第5階段),普通混凝土試塊已嚴(yán)重變形,部分大的塊體從主體脫落,而聚丙烯纖維混凝土試塊僅存在一些較大的裂紋,主體結(jié)構(gòu)基本完好。

綜上所述,從應(yīng)力-應(yīng)變曲線和試塊的加壓試驗(yàn)分析,當(dāng)壓力逐步增加時,兩種混凝土試塊應(yīng)變基本接近,當(dāng)壓力達(dá)到最大時,普通混凝土破損嚴(yán)重,強(qiáng)度急劇降低,而聚丙烯纖維混凝土在壓力峰值時,應(yīng)變緩慢,試塊主體基本保持完整,抗壓性能明顯高于普通混凝土。

3 循環(huán)加卸載作用下混凝土力學(xué)性能研究

3.1 實(shí)驗(yàn)部署

混凝土是由多種材料混合組成,普通混凝土在較大的壓力作用下,會破碎損壞,強(qiáng)度下降。而聚丙烯纖維混凝土在相同的壓力下,抗壓性能顯著增強(qiáng)。當(dāng)進(jìn)行循環(huán)加卸載作用時,混凝土的力學(xué)性能會產(chǎn)生大的改變。

以聚丙烯纖維混凝土試塊進(jìn)行循環(huán)加卸載試驗(yàn),應(yīng)力以0.5MPa/s速度緩慢加壓到18.34MPa后,再以0.5MPa/s速度卸載,經(jīng)過循環(huán)5次,循環(huán)加卸載示意圖,如圖2,加卸載試驗(yàn)后的聚丙烯纖維混凝土試塊沒有明顯變化,主體保持完整。

圖2 循環(huán)加卸載示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

不同荷載的應(yīng)變圖,見圖3。如圖3(a)所示,在加載閥值為單軸抗壓強(qiáng)度25%(11.25MPa)時,經(jīng)過循環(huán)5次,普通混凝土的應(yīng)變率依次為2.53%、2.55%、2.56%、2.57%、2.572%,聚丙烯纖維混凝土的應(yīng)變率依次為2.5%、2.51%、2.52%、2.522%、2.525% 。普通混凝土較聚丙烯纖維混凝土應(yīng)變較大,其應(yīng)變差值依次為0.03%、0.04%、0.04%、0.048%、0.047%。由此表明此階段聚丙烯纖維混凝土較普通混凝土抗壓性能增強(qiáng)。

(a)25%極限荷載循環(huán)

如圖3(b)所示,在加載閥值為單軸抗壓強(qiáng)度50%(22.5MPa)時,經(jīng)過循環(huán)5次,普通混凝土的應(yīng)變率依次為3.18%、3.24%、3.26%、3.28%、3.3%,聚丙烯纖維混凝土的應(yīng)變率依次為3.02%、3.1%、3.15%、3.17%、3.19% 。普通混凝土較聚丙烯纖維混凝土應(yīng)變較大,其應(yīng)變差值依次為0.16%、0.14%、0.11%、0.11%、0.11%。由此表明此階段聚丙烯纖維混凝土較普通混凝土抗壓性能增強(qiáng)。

如圖3(c)所示,在加載閥值為單軸抗壓強(qiáng)度75%(33.75MPa)時,經(jīng)過循環(huán)5次,普通混凝土的應(yīng)變率依次為3.9%、4.2%、4.4%、4.6%、4.8%,聚丙烯纖維混凝土的應(yīng)變率依次為3.6%、3.75%、3.9%、4.05%、4.2% 。普通混凝土較聚丙烯纖維混凝土應(yīng)變較大,其應(yīng)變差值依次為0.3%、0.45%、0.5%、0.55%、0.6%。由此表明此階段聚丙烯纖維混凝土較普通混凝土抗壓性能明顯增強(qiáng)。

如圖3(d)所示,在加載閥值為單軸抗壓強(qiáng)度100%(45MPa)時,經(jīng)過循環(huán)5次,普通混凝土的應(yīng)變率依次為4.5%、4.8%、4.9%、4.9%、4.9%,聚丙烯纖維混凝土的應(yīng)變率依次為4.1%、4.3%、4.45%、4.45%、4.45%。普通混凝土較聚丙烯纖維混凝土應(yīng)變較大,其應(yīng)變差值依次為0.4%、0.5%、0.45%、0.45%、0.45%。由此表明此階段聚丙烯纖維混凝土較普通混凝土抗壓性能增強(qiáng)顯著。

在25%、50%、75%、100%的極限壓力荷載下,普通混凝土第1次加載的應(yīng)變率依次為2.53%、3.18%、3.9%、4.5%,聚丙烯纖維混凝土第1次加載的應(yīng)變率依次為2.5%、3.02%、3.6%、4.1%,其應(yīng)變差值依次為0.03%、0.16%、0.3%、0.4%,依次進(jìn)行第2、3、4、5次循環(huán)加載,普通混凝土應(yīng)變均大于聚丙烯纖維混凝土,由此可知,在相同的極限壓力荷載下,聚丙烯纖維混凝土變形始終小于普通混凝土試件,且在每次循環(huán)加載下,聚丙烯纖維混凝土試件對應(yīng)的應(yīng)變也均小于普通混凝土試件,其抗壓性能較普通混凝土明顯增強(qiáng)。

經(jīng)過試驗(yàn)可知,在極限荷載為25%、50%的強(qiáng)度時,普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土的應(yīng)變均較小,在加卸載后均可恢復(fù)的彈性階段,由此可知,兩種混凝土在此荷載作用下性能差別不大。在極限荷載為75%、100%的強(qiáng)度時,普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土的應(yīng)變率均明顯增大,相較于普通混凝土,聚丙烯纖維混凝土應(yīng)變比較平緩,其抗壓性能明顯優(yōu)于普通混凝土。

4 結(jié) 論

文章對普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土,分別進(jìn)行了單軸抗壓試驗(yàn)、循環(huán)加卸載試驗(yàn)和不同荷載的循環(huán)試驗(yàn),可得如下結(jié)論:

1)在單軸抗壓試驗(yàn)中,混凝土逐步加壓達(dá)到45MPa時,普通混凝土的強(qiáng)度達(dá)到峰值。在加壓達(dá)到46.5MPa時,聚丙烯纖維混凝土強(qiáng)度達(dá)到峰值,而后普通混凝土強(qiáng)度已明顯下降,其應(yīng)變急劇增大,聚丙烯纖維混凝土應(yīng)變則緩慢增大,應(yīng)變曲線較普通混凝土平滑,表明聚丙烯纖維混凝土抗壓性能明顯優(yōu)于普通混凝土。

2)在循環(huán)加卸載試驗(yàn)中,應(yīng)力達(dá)到18.34MPa后再卸載,經(jīng)過5次循環(huán),聚丙烯纖維混凝土試塊沒有明顯變化,由此表明,聚丙烯纖維混凝土抗壓、阻裂性能效果顯著。

3)在單軸抗壓強(qiáng)度25%、50%、75%、100%的5次循環(huán)荷載下,普通混凝土較聚丙烯纖維混凝土試塊應(yīng)變較大。由此表明,在不同強(qiáng)度的循環(huán)荷載下,聚丙烯纖維混凝土較普通混凝土抗壓性能有顯著提高。

4)在相同的荷載下,普通混凝土的應(yīng)變均高于聚丙烯纖維混凝土,由此表明,聚丙烯纖維混凝土抗壓性能明顯優(yōu)于普通混凝土。