摘要
为探讨玄武岩纤维混凝土(BFRC)的断裂性能,采用《水工混凝土断裂试验规程》的三点弯曲梁法,制作缝高比为0.4的不同纤维长度及掺量的混凝土试件,利用MTS试验机对试件进行加载试验,得到玄武岩纤维混凝土三点弯曲梁的试验结果,并对P-CMOD曲线、起裂韧度、失稳韧度及断裂能等断裂参数进行分析,结果表明:掺入玄武岩纤维后,试件的断裂性能得到了提升,纤维掺量越多,纤维长度越长,P-CMOD曲线的下降段越饱满;纤维长度为18 mm、掺量为1.5%的试件起裂韧度及失稳断裂韧度的提升最为明显;纤维长度为12 mm、掺量为1.5%的试件断裂能最大。
混凝土作为建筑材料被广泛应用于土木工程、水利工程等各类工程中,但由于脆性特质,导致其在实际工程中容易出现断裂裂缝。为改善其脆性特质,研究发现,在混凝土中掺入纤维可以提高其断裂性能。
目前,对纤维混凝土的力学性能研究已取得了一些进展。邓宗才
相对于上述研究中掺入的纤维材料,玄武岩纤维以纯天然的玄武岩矿石为主要原料制成,具有较高的强度、韧性和突出的耐腐蚀性、抗冻性,最重要的是其绿色环保且价格低廉,使之有着非常好的应用前景。Branston
水泥采用华新水泥(红河)有限公司昆明分公司生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥;砂为中国ISO标准砂;水取自当地自来水;短切玄武岩纤维由海宁安捷复合材料公司生产,长度分别为6、12、18 mm。为减少由于配合比不同造成试验结果的离散性,所有试件均采用统一配合比进行制作。根据纤维长度和纤维体积掺量不同制作了9组试件和1组对比试件。玄武岩纤维主要性能指标及试件配合比如
长度/mm | 单纤维直径/ | 拉伸强度/MPa | 弹性模量/GPa |
---|---|---|---|
6、12、18 | 17 | 3 000~4 800 | 91~110 |
断裂延伸率/% |
密度/(g·c | 最高工作温度/℃ | |
1.5~3.2 | 2.65 | 650 |
试件编号 | 配合比 | 纤维参数 | 试件数量 | |||
---|---|---|---|---|---|---|
水泥 | 砂 | 水 | 长度/mm | 体积掺量/% | ||
PC | 1 | 2.8 | 0.5 | 4 | ||
BF-6-0.5 | 1 | 2.8 | 0.5 | 6 | 0.5 | 4 |
BF-6-1.0 | 1 | 2.8 | 0.5 | 6 | 1 | 4 |
BF-6-1.5 | 1 | 2.8 | 0.5 | 6 | 1.5 | 4 |
BF-12-0.5 | 1 | 2.8 | 0.5 | 12 | 0.5 | 4 |
BF-12-1.0 | 1 | 2.8 | 0.5 | 12 | 1 | 4 |
BF-12-1.5 | 1 | 2.8 | 0.5 | 12 | 1.5 | 4 |
BF-18-0.5 | 1 | 2.8 | 0.5 | 18 | 0.5 | 4 |
BF-18-1.0 | 1 | 2.8 | 0.5 | 18 | 1 | 4 |
BF-18-1.5 | 1 | 2.8 | 0.5 | 18 | 1.5 | 4 |
注: 其中PC代表未加入纤维的试件;BF-6-0.5代表掺入玄武岩纤维长度为6 mm,纤维体积掺量为0.5%的试件;其余编号同此。
制作的试件为带预制裂纹的三点弯曲梁(40 mm×40 mm×200 mm),如

图1 三点弯曲梁示意图
Fig. 1 Schematic diagram of three-point bending beam
试验加载装置为MTS809材料试验机,采用0.2 mm/min位移控制模式进行加载,数据采样频率为20 Hz。三点弯曲试验装置中间两支点的距离S为160 mm,试件的竖向荷载P和挠度δ由试验机自带的荷载传感器和位移计测量,裂缝口张开位移CMOD采用试验机自带的COD规进行测量,COD规的测定标距为3 mm。
基于混凝土双K断裂模

图2 P-CMOD图
Fig. 2 P-CMOD drawing

图3 纤维掺量0.5%的P-CMOD图
Fig. 3 P-CMOD with 0.5% fiber content

图4 纤维掺量1.0%的P-CMOD图
Fig. 4 P-CMOD with 1.0% fiber content

图5 纤维掺量1.5%的P-CMOD图
Fig. 5 P-CMOD with 1.5% fiber content

图6 纤维长度6 mm的P-CMOD图
Fig. 6 P-CMOD with fiber length 6 mm

图7 纤维长度12 mm的P-CMOD图
Fig. 7 P-CMOD with fiber length 12 mm

图8 纤维长度18 mm的P-CMOD图
Fig. 8 P-CMOD with fiber length 18 mm
从图中可以看出,PC试件的P-CMOD曲线在到达峰值后立刻骤降,最后基本都到达0值,说明达到最大荷载后裂缝处于失稳断裂过程,因混凝土属脆性材质,试件在破坏后迅速丧失承载能力。掺入纤维后,虽然P-CMOD曲线在到达峰值后也出现骤降现象,但是没有和PC试件一样直接快速骤降为0,而是出现了延缓的现象,说明当达到最大荷载后,裂缝处于失稳断裂状态,此时混凝土已经退出工作,由于玄武岩纤维具有良好的韧性,因此,延缓了混凝土的快速断裂。还可以发现,纤维长度一样时,掺量越多,曲线的骤降段越短,整个下降段越饱满,说明随着纤维掺量的增加,玄武岩纤维的增韧效果也在增加,试件的抗裂作用越好。
通过电阻应变片
试件编号 | 起裂韧度/(MPa· | 起裂韧度增益比 | 失稳断裂韧度/(MPa· | 断裂韧度增益比 |
---|---|---|---|---|
PC BF-6-0.5 BF-6-1.0 BF-6-1.5 BF-12-0.5 BF-12-1.0 | 0.162 1 | 1.000 0 | 0.246 1 | 1.000 0 |
0.164 4 | 1.014 2 | 0.264 6 | 1.075 2 | |
0.176 5 | 1.088 8 | 0.288 7 | 1.173 1 | |
0.188 1 | 1.160 4 | 0.205 9 | 0.836 7 | |
0.185 2 | 1.142 5 | 0.287 4 | 1.167 8 | |
0.242 6 | 1.496 6 | 0.336 9 | 1.369 0 | |
BF-12-1.5 | 0.352 1 | 2.172 1 | 0.387 1 | 1.572 9 |
BF-18-0.5 | 0.140 6 | 0.867 4 | 0.306 8 | 1.246 6 |
BF-18-1.0 | 0.321 8 | 1.985 2 | 0.341 0 | 1.385 6 |
BF-18-1.5 | 0.378 1 | 2.332 5 | 0.408 9 | 1.661 5 |
注: 表中起裂韧度、失稳韧度均为平均值。
从

图9 起裂韧度随纤维体积掺量的变化
Fig. 9 Initiation toughness-fiber volume content

图10 起裂韧度增益比
Fig. 10 Initiation toughness gain ratio
从

图11 失稳断裂韧度随纤维体积掺量变化
Fig. 11 Instability toughness-fiber volume content

图12 失稳断裂韧度增益比
Fig. 12 Instability toughness gain ratio
基于Hillerborg等提出的虚拟裂缝模
(1) |
(2) |
(3) |
式中:Gf为试件的断裂能;为外荷载做的功,通过试验所得的P-δ曲线所包围的面积求得;是试验测得的最大挠度;是试件的自重与加载装置部分质量的总和;为重力加速度9.81 m/
通过上述方法计算得到如
试件编号 | 断裂能/(J· | 极限荷载/N |
---|---|---|
PC | 125.751 6 | 507.14 |
BF-6-0.5 | 258.043 5 | 735.37 |
BF-6-1.0 | 415.918 4 | 863.90 |
BF-6-1.5 | 490.723 6 | 691.30 |
BF-12-0.5 | 489.300 2 | 752.31 |
BF-12-1.0 | 920.354 4 | 874.87 |
BF-12-1.5 | 1 489.549 9 | 840.81 |
BF-18-0.5 | 302.559 2 | 768.63 |
BF-18-1.0 | 559.304 4 | 751.77 |
BF-18-1.5 | 1 016.677 3 | 802.33 |
如

图13 试件的断裂能
Fig. 13 Fracture energy of specimen
近年来,纤维混凝土的阻裂和增强作用已得到大量实验验证,众多学者在基于断裂力学原理的基础上,提出了纤维混凝土阻裂机
(4) |
式中:
(5) |
式中:a为裂缝半长度。当有纤维作用时,单根纤维等效集中力P产生的裂缝近端应力强度因子为
(6) |
式中:b为纤维到裂尖的距离。可以看出,当裂尖穿过纤维的瞬间,由纤维等效集中力P产生的应力强度因子巨大,极大地减小了裂缝的总应力强度因子,若裂缝要进一步扩展,必须增加远场载荷,而一旦纤维扩展并遇到另一纤维,这种效果会叠加,从而达到了阻裂目的。
在P-CMOD曲线图中,相对于PC试件,在达到失稳荷载后,掺入纤维的试件并没有出现骤降的情况,曲线的下降段变得饱满且平缓,这是因为,在裂缝的失稳断裂阶段,掺入的纤维承担着裂缝扩展产生的巨大拉力,当裂缝进一步扩展,虽然有的纤维因拔出或者拔断而退出工作,但试件中仍有纤维在工作,存在着残余应力,纤维混凝土表现出良好的阻裂作用;计算得到的双K参数结果也验证了纤维的阻裂作用。另外,从能量的角度看,纤维的掺入使试件的断裂能也得到提升,在裂缝开展的过程中,纤维的存在使得裂缝的扩展变得困难,需要消耗更多的能量,因此,断裂能也得到提升。
试验结果表明,掺入纤维对试件的断裂性能有不同程度的提升,但这种提升并不是同步进行的,过多或过少的纤维掺量和长度可能会产生减弱的作用,因此,存在一个最优的纤维长度和掺量组合,使得混凝土的断裂性能达到最佳。另外,玄武岩纤维作为一种柔性纤维,较长和较多的纤维加入,导致试件内部空隙增多,进而产生薄弱界面,在试件受拉时,纤维易被拔出,基体将产生更多空隙,其断裂性能反而可能会减弱。通过试验结果分析可知,纤维长度为12 mm、体积掺量为1.0%~1.5%时,试件断裂性能的所有参数值均表现较好。
1)掺入玄武岩纤维后,试件的P-CMOD曲线变化很明显,随着纤维掺量和纤维长度的增加,P-CMOD曲线的下降段变得更加饱满,这表明玄武岩纤维后,混凝土的裂缝失稳扩展阶段得到改善,有效地阻止了裂缝快速扩展,增加了混凝土的抗裂性能。
2)掺入玄武岩纤维后,试件的起裂韧度与失稳韧度都有了提升。其中,纤维长度18 mm、掺量1.5%的试件起裂韧度和失稳韧度达到了最大,分别是0.378 1、0.408 9 MPa·
3)掺入纤维后,试件的断裂能都有不同程度的提升,提升了混凝土的延性。其中,纤维长度12 mm、掺量1.5%的试件断裂能最大。
4)考虑到在拌和过程中玄武岩纤维的分散性较差,因此,纤维长度12 mm、体积掺量1.0%~1.5%为玄武岩纤维最佳掺量。
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