钢纤维混凝土劈裂断裂电测试验研究.pdf
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1、2 0 1 1年 第 1期 (总 第2 5 5 期) Nu mb e r 1 i n 2 0 l 1 ( T o ml N o 2 5 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 O 1 0 1 2 钢纤维混凝土劈裂断裂电测试验研究 张东焕 ,刘顶 平 ,王利民 ( 1 山东理工大学 交通与车辆工程学院力学部 ,山东 淄博 2 5 5 0 4 9 ;2 青岛理工大学 理学院 ,山东 青岛 2 6 6 0 3 3 ) 摘要 : 钢纤
2、维混泥土极大改善 了普通混凝土材料 的力学性能。 为探究钢纤维混凝土断裂过程的力学特性和承载力 的估算方法 , 用试验 机对 2种不同切 口尺寸的钢纤维混凝土试件进行 了楔入式劈裂断裂电测跟踪试验 , 得 到了一 系列载荷 一 位移关系 曲线 , 载荷一 张开位移关 系曲线, 以及断裂损伤区变形随载荷变化曲线。通过试验数据计算了各个试件的黏聚裂纹应力强度因子, 结合应力强度因子与双断裂准 则, 对各组试件的承载力进行了理论计算, 并与试验峰值的平均值作比较, 二者符合良好。 关键词: 钢纤维混凝土;劈裂断裂试验;应变规电测;承载力计算 中图分类号 : T U5 2 8 5 7 2 文献标志码
3、: A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) O l 一 0 0 4 4 0 5 W e dge - s pl i t t i ng e l e c t r i c al mea s ur e men t e x pe r i me n t a l s t u dy on t h e s t e e l fib er r e i n f or c ed c onc r et e ZHANG Do n g - h u a n , LI U Din g- p i n g , W AN G Li mi n ( 1 D e p a r t me n t o f Me c
4、 h a n i c s , S h a n d o n gUn i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y , Z i b o 2 5 5 0 4 9 , C h i n a ; 2 De p a r t me n t o f S c i e n c e , Qi n g d a oT e c h n o l o g i c a l U n i v e r s i t y , Q i n g d a o 2 6 6 0 3 3 , C h i n a ) Ab s t r a ct: T h e me c h a n i c a l p r o p e r
5、t i e s o f c o n c r e t e ma t e ri a l s we r e g r e a t l y i mp r o v e d b y s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( s E RE) T o r e s e a r c h t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f f a c t u r e p r o c e s s a n d b e a r i n g c a p a c i t y c a l c u l a t i
6、o n mh o d o fS F RC, we d g e s p l i t t i n g e x p e ri me n t o f2 s i z e s o fS F RC s p e c ime n s we r e c a r r i e d o u t , i n wh i c h t wo s p e c i m e n s we r e me a s u r e d wi t h e l e c t ric a l s t r a i n g a u g e s e q u i p m e n t A s e rie s o f e x p e rime n t a l c
7、 u r v e s we r e o bt a ine d a n d a n a l y z e d, s u c h a s t he C H I V E S o fd i s p l a c e me n t o f l oa d p o i n t wi t h l o a d i n g, f r a c t u r e d a ma g e d z o n e d e f o r ma t i o n wi t h l o a d i n g, and po s i t i o n o fc o h e s i v e c r a c k t i p wit h l o a d
8、i n g T h e s t r e s s i n t e n s i ty f a c t o r s o f d i ff e r e n t l y s i z e d fr a c t u r e s p e c i me n s we r e c a l c u l a t e d , a n d t h e b e a r i n g c a p a c i ty wa s 0 b t a i n e d t h r o u g h t h e c o mp u t a t i o n f o rm u l a o f s t r e s s i n t e n s i ty
9、f a c t o r a n d t h e d o u b l e K fr a c t u r e c ri t e r i o n, an d the c a l c u l a t e d v a l u e s a l e a g r e e me n t we l l wi t h t h e t e s t e d r e s ul t s K e ywo r d s : s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ; w e d g e s p l i t t i n g e x p e ri me n t ;
10、 s t r a i ng a u g e e l e c t ri c a l me a s u r e me n t ; b e a r i n g c a p a c i ty c a l c u l at i o n 0 引言 钢纤维混凝土( S t e e l F i b e r R e i n f o r e e d C o n c r e t e , 简称 S F R C) 是在普通混凝土基体中掺人适量 、 不连续且乱向分布的细短钢 纤维而形成一种新型多相混杂材料。 这些乱向分布的短纤维主 要作用在于阻碍混凝土内部微裂纹和宏观裂缝的发生与发展, 从而使钢纤维混凝土具有更 高的抗裂
11、 、 韧性 和吸收变形能 的性 能。 钢纤维混凝土的出现弥补了普通混凝土的抗拉强度低和韧 性差的缺点, 改善了混凝土材料的力学性能。 因此, 吸引了许多 国内外学者对该材料结构性能进行研究, 包括钢纤维混凝土断 裂参数的尺寸效应、 纤维混凝土的力学分析模型、 钢纤维混凝 土抗拉强度与裂缝宽度关系、 和钢纤维对混凝土裂纹的抑制以 及对其抗渗性能的研究等等 】 , 也有学者通过单轴疲劳拉伸试 验分析了纤维横跨裂缝的桥联作用阎; 文献 7 9 】 通过纤维混凝 土的劈裂试验研究其力学性能。 由于在混凝土中加入了钢纤维, 使得复合后的材料结构破坏和断裂机理非常复杂f l埘 。 为更全面了 解钢纤维混凝
12、土断裂过程的力学性能, 探讨不同缺口尺寸试样 最大承载力的计算方法, 本研究对钢纤维混凝土试件进行劈裂 电测试验, 由应变数据计算得到试件预制裂纹前端的张开位移, 收稿 日期 :2 0 1 0 - 0 8 - 0 2 基金项 目:国家 自然科学基金( 1 0 2 7 2 0 8 6 ) ; 山东省 自然基金( Y2 o 0 6 A 2 9 ) 4 4 绘制载荷与张开位移的关系曲线, 以及损伤端点位置随载荷的变 化关系曲线; 通过试验所得数据计算了其黏聚裂纹应力强度因子, 根据软化材料的双 K断裂准则得到该类结构的最大承载力的计 算方法, 并对理论计算峰值与试验峰值平均值进行了分析比较。 1 钢
13、纤维混凝土断裂过程试验 1 1 试件 的制作 试验所用的水泥为山东省交通厅水泥厂生产的 P O 4 2 5 级水泥, 砂子是山东莱芜河滩砂子, 骨料为济南章丘双山青石 子。 纤维所用的是上海产的真强牌钢纤维, 长度分别为 5 O 、 3 O 、 2 5 n l n l , 两端带有弯钩。 纤维混凝土试件的配合比为水泥: 水: 砂 子: 石子 = 1 : 0 3 5 : 1 6 7 : 1 9 3 , 掺人的钢纤维质量占 试件总质量的4 。 采用干拌法, 即先将砂子和水泥混合搅拌均匀 , 然后加入纤维 和石子, 搅匀后再加水一起搅拌成混凝土。 混凝土浇筑进模具后, 放在振动台上振动 5 1 0
14、mi n 。 试件成型采用木制模具, 内表面 贴塑料纸防水, 浇筑后 3 , - 4 h 脱模。 脱模后的试件在常温下保持 恒定湿度养护 2 8 d后进行试验。 1 2 试件尺寸及加载装置 试验所用钢纤维混凝土试件按其外观尺寸分为2 组, 共5 个。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 试件几何形状如图 1 ( a ) 所示, 图中 。 表示载荷加载点到裂纹尖 端的距离, b 表示载荷加载点到试件韧带底边的距离, c 表示载 荷加载点到试件顶部的距离 , h 、 L分别表示试件的总高度、 宽 度, 表示厚度。第 1 组试件的切口为“ V” 字形, 第二组的切口均为
15、“l ” 字形; 两组试件的t 、 L 、 b 、 h和 。 不同数据见表 1 。采用微机 控制电子万能试验机( 3 0 0 k N, C MT 5 3 0 5 S A NS ) 对已制备好的 钢纤维混凝土试件用位移控制方式进行加载试验, 加载速度为 0 0 5 mm mi n , 其加载装置如图 1 ( b ) 所示。 加载原理为试验机的 压头把力传给与其螺纹连接的楔形板, 楔形板下移将力传到滚 轮轴上; 再由滚轮轴将力传到与其连为一体的折板上, 折板是 卡在试件凹槽上的, 于是来 自压头的力就施加到试件上。 由图 1 ( b ) 可知, 该试验采用类似紧凑拉伸试件几何形式的 楔人劈拉法加载
16、方式来完成断裂试验。与紧凑拉伸相比, 一个 合适楔形角的选取就可以使较小的竖向荷载产生较大的水平 力【剐 。 受力分析如图 1 ( b ) 右下方所示, 试验机施加的载荷 P与 , 将力分解成水平分力 和 铅垂分力构成平衡力系。 而且有力 的关系存在 : =F s i n l 5 。 2 s i n l 5 。 F = F c o s 1 5 。 。 c o s :1 8 7 P 图 1 试件几何 形状和加载装置及加载原理 图 1 _ 3 劈裂试验的载荷一 位移关系曲线 根据以上分析, 相应于图 1 ( a ) 中的各个尺寸的数据、 由试验 得到的各个试件最大载荷 P和加鞔 最大位移fY J
17、k 表 1 中。 表 1 试件的几何尺寸和试验载荷及位移 试验过程中, 通过试验机与电脑 自动绘制了所加载荷一 加 载点位移关系曲线。 将各组试件的典型曲线绘入图2 中。 由图中 可以看出, 载荷一 加载点位移关系曲线有下降段, 即载荷达到最 大值时试件没有立即断开 , 表现出与素混凝土不同的断裂特征, 其断裂过程具有更大的断裂延性【 I l】 , 具有明显的软化特性; 说明 钢纤维对混凝土有增韧和桥连作用, 增加了材料控制裂缝张开 与扩展的能力。 这种短纤维的作用机理也可以从相关文献的模 型分析中看到 ; 事实上短纤维在裂纹前方几乎不起作用 , 只是 在裂纹张开时发挥桥连作用【6 l o 。
18、 加载点位 f l m m 图 2 载荷一 加载点位移关系曲线 2电测 试验 2 1 布片方案与应变规的粘贴 在钢纤维混凝土试件的劈裂试验中, 分别选取第 1 组和第1 I 组 试件中各一个进行应变规电测跟踪测试。 根据每组已断裂试验后 的试件裂缝情况对要电测的试件规划布片方案。 第 1 组试件均 粘贴型号 B X1 2 0 5 0 AA、 规格 5 0 minx 3 m l T I 、 电阻( 1 2 0 + 0 2 ) Q、 灵敏系数( 2 1 0 + 1 的应变规; 而第 组试件仅在裂纹尖端处粘 贴 5 0 m mx 3 mm 的应变规, 其余应变规型号为 B X1 2 0 2 0 AA
19、、 规 格 2 0 mmx 3 I L r fl 、 电阻( 1 2 0 1 O 2 ) Q、 灵敏系数( 2 0 8 1 ) , 粘 贴位置如表 2数据所示。 试件前后两面采取相同的布片方案, 如 图 3所示。 表 2 应变规粘贴位置 ( b ) I 1 图 3 应变规粘贴位置照片 因为试件贴片处主要承受拉应力作用, 若应变规完全粘贴 在预制裂纹前端的表面上, 可能使得应变规随着裂纹扩展而过 早的被拉断 , 导致无法测出断裂过程区的变形情况, 所以本试 4 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 验应变规采用中间悬空贴法, 即只在应变规的两端与试件相贴 接 。 首
20、先用 5 0 2 胶将接线端子固定在试 件上 , 然后粘贴应变规 , 粘贴时一定要将气泡排出, 粘贴完毕后焊接测试线, 焊线前后 需要用万能表检查应变规以及导线是否符合绝缘电阻要求 I3 】 。 2 2 应变规处黏聚裂纹张开位移随载荷关系曲线 通过记录下来的应变值可以换算出被测处的位移, 即应变 值乘以应变规的长度为应变规两端相对张开位移【 l 1 。以应变规 粘贴位置处的张开位移为横坐标, 相应载荷为纵坐标 , 可以描 绘出载荷随裂纹张开位移变化的关系曲线, 如图4所示。 从该 图中看出试件 I 两侧张开位移分布基本相同, 而 I I 两侧变形差 46 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2
21、 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 张开 位移 CO D 1 0 - 6 m ( a ) ( I ) s t r a i n g a u g e 1 1 2 0 5 0 l 0 0 l 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 张开 位移 C O D 1 0 m (b ) ( 1 ) s t r a i n g a u g e A- E 张开 位移 COD 1 0 i n ( c ) ( I I ) s t r a i n g a u g e 1 6 张开位移 C O D 1 0 6 i n ( d ) ( I I ) s t r a i n g
22、 a u g e A - F 图 4 载荷一 裂纹张开位移关 系曲线 别较大。曲线在峰值载荷前存在直线段, 即力与变形成线性关 系, 表明此时材料处 于弹性变形阶段 。 由图 4中的第 1 组试件的 载荷与裂纹张开位移可以看出, 在载荷达到最大值前的上升阶 段, 随着载荷的增加, 各应变规处位移增加不是很大; 而在载荷 达到峰值之后的下降阶段 , 各应变规处位移却迅速增加 , 并且 离预制裂纹尖端越近的应变规处位移越大。 另外从图 4中所示 的第 1 I 组载荷与裂纹张开位移的关系曲线可以发现, 载荷过某 一 值时, 载荷几乎不变而位移变化却较大。 2 3 黏聚裂纹张开位移与位置关系曲线 由试
23、验所得数据可以计算出应变规处相应于不同载荷下 的黏聚裂纹张开位移, 并绘制于图 5中。 从图中曲线数据也可以 看出, 当载荷达到峰值前, 随着载荷的增大, 同一应变规处的张 开位移也相应地增大; 而载荷过其峰值后 , 应变规处位移随载 荷的减小而是增大, 表明材料的非线性力学行为。试验过程中 700 g 6oo oo 蠢 o 0 300 童 2 0 0 1 0 0 量 宝 、 d 0 00 2 0 0 4 0 0 6 0 O8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 距预制裂 纹尖端距 离 m ( a ) ( I ) s t r a i n g a u g e 1 - 8 0 0 0 5 0 1
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