含粗骨料超高性能混凝土单轴拉伸性能及机理分析.pdf

2 0 1 5年第 1 2期 1 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT P RODUCTS 2 01 5 No 1 2 De c e mb e r 含粗骨料超高性能混凝土单轴 拉伸性能及机理分析 程 俊 ， 刘加平 ， 张丽辉 ( 1 东南大学材料科学与工程学 院， 南京 2 1 1 1 8 9 ； 2 江苏省建筑科学研究院有限公司 高性能土木工程材料 国家重点实验室 ， 南京 2 1 0 0 0 8 ) 摘要 ： 为探究含粗 骨料 超高性能混凝 土单轴拉 伸韧 性及增强增韧机理 ， 采 用单轴拉 伸法 ， 研 究含 粗骨料超 高 性 能混凝土的单轴拉伸性 能； 采 用 x射 线计算机断层扫描技 术和图像分析法 。 并 引入 纤维分散 系数和 纤维取向 系 数 ， 对单轴拉 伸试验 后超高性能混凝土 中铜 纤维的真 实分布进行表征 ； 阐明了钢 纤维分布与粗骨料 、 钢纤维分布与 混凝 土拉 伸韧性之 间的关 系。试验 结果表 明 ， 钢 纤维以粗骨料 为 中心环 绕分布 ； 粗骨料对钢 纤维分布具有 不利影 响 ， 粗 骨料掺 量越大 ， 粒径越 大， 纤维分散性越 差 ， 超 高性 能混凝土单轴拉伸韧性越低 ； 钢 纤维分布 与超 高性能混凝 土单轴拉伸 强度及韧性 密切相 关 随着 纤维分散 系数 和取 向系数 的增 大 ， 超 高性 能混凝土单轴拉伸强度 、 韧 性指数 以及 拉 压 比相 应 增 大 ， 韧 性 增 强 。 关键 词 ： 超 高性能混凝土 ； 钢 纤维 ； 粗骨料 ； 分散 性能 ； 单轴拉伸性能 Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e p r o p e r t i e s o f u n i a x i a l t e n s i o n a n d me c h a n i s m o f s t r e n g t h e n i n g a n d t o u g h e n i n g o f u l t r a h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e c o n t a i n i n g c o a r s e a g g r e g a t e ， t h e me t h o d o f u n i a x i a l t e n s i o n i s u s e d t o s t u d y t h e t o u g h n e s s o f u n i a x i a l t e n s i o n ； t h e me t h o d of X r a y c o mp u t e d t o mo g r a p h y a n d i ma g e a n a l y s i s i n t r o d u c i n g fi b e r d i s p e r s i o n c o e f fi c i e n t a n d fi b e r o ri e n t a t i o n f a c t o r i s u s e d t o s t u d y t h e t r u e d i s t ri b u t i o n o f s t e e l fi b e r i n u l t r a h i g h p e r f o rm a n c e c o n c r e t e I t i l l u s t r a t e s t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n s t e e l fi b e r d i s t r i b u t i o n a n d c o a r s e a g gre g e ，s t e e l fi b e r d i s t r i b u t i o n a n d u n i a x i a l t e n s i l e tou g h n e s s T he e x p e rime n t a l r e s u l t s r e v e a l t h a t s t e e l f i b e r s t a k e c o a r s e a g g r e g a t e a s t h e c e n t e r ，s u r r o u n d d i s t r i b u t i n g ， c o a r s e a g g r e g a t e h a v i n g a d v e r s e e f f e c t s o n t h e s t e e l fi b e r d i s t ri b u t i o n ， t h e mo r e o f c o a r s e a g g r e g a t e c o n t e n t ， t h e l a r g e r of p a r t i c l e s i z e ， t h e p o o mr o f fib e r d i s p e r s i o n ， t h e l o w e r o f u n i a x i a l t e n s i o n tou g h n e s s S t e e l fi b e r d i s t rib u t i o n i s c l o s e l y r e l a t e d t o u n i a x i a l t e n s i l e s t r e n gth a n d tou g h n e s s o f u l t r a h i g h p e rf o rm a n c e c o n c r e t e Wi t h i n c r e a s i n g o f fi b e r d i s p e r s i o n c o e f - fi c i e n t a n d t h e o ri e n t a t i o n f a c t o r ，u n i a x i a l t e n s i l e s t r e n g t h ，t o u g h n e s s i n d e x a n d t e n s i o n a n d c o mp r e s s i o n r a t i o a r e i n c r e a s e d ， t h e tou g h n e s s o f c o n c r e t e r e i n f o r c e d Ke y wo r d s ：Ul t r a - h i g h p e rf o rm a n c e c o n c r e t e ； S t e e l fi b e r ；C o a rse a g g r e g a t e ；Di s p e rsi o n p r o p e rt i e s ；Un i a x i a l t e n s i l e pr o p e r t i e s 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5) 1 2 0 1 0 5 0前言 超 高 性 能混 凝 土 ( U l t r a Hi g h P e r f o r ma n c e C o n c r e t e ， U H P C) 具有超高强、 高耐久等优异性能 ， 并能 很 好 地 满足 现 代建 筑 超 高层 、 大 跨 度 和 高耐 久 的 要 求 ，但与此同时表现出明显的脆性和 自收缩现象 ， 严重影响建筑物的安全性能与使用寿命 。掺加钢纤 维是 目前提高 U H P C韧性 ， 降低材料脆性最直接也 最有效的方法之一 ， 同时加入适量粗骨料可以有 效 抑制 U H P C 自收缩 。由于 钢纤维 在 U H P C中不 易 分散 、 易成 团， 分散随机性很大 ， 且粗骨料的加入对 钢纤维分布影响不利 ， 当钢纤维分布不均匀或垂直 于拉应力方向时， 会使钢纤维在 U H P C中的增强增 韧作用大大减弱 ， 甚至丧失 3 1 。所以钢纤维的分布情 况对 含 粗 骨料 UH t C性 能 的影 响起 着 主导 作 用 【4 _ 5 】 因此 ，表 征 U H P C中钢 纤 维 的分 布特 征 很 有必 要 需要 寻找合适 的试验方法和特征参数 以建立纤维 分布 与 U H P C性 能之 间 的关 系。 目前 ， 有很多方法可以表征 U H P C中钢纤维的 分布 ， 如 x射线透射照相 、 电阻率测定法 、 图像分析 法和交流阻抗谱法等。 S o u o u s h i a n等 6 1 使用单位横截 面积 的纤 维数量来评 价纤 维的分散性 和取 向性 ： T o r i g o e等l 7 l通过计算每个单元纤维根数与纤维平均 数量 的偏差来求解纤维分散程度 ， 并寻找纤维分散 程 度 与极 限拉 应 变之 间 的关 系 ； L e e 等 罔 通过 抛 光 面 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 1 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 6期 的纤维椭圆横截面形状来确定纤维的三维分布。图 像 分 析 技 术 和 X射 线 计 算 机 断层 扫 描 技 术 在 很 多 领域得到了广泛应用 ， 而且很适用 于钢纤维分布特 征 的评 价I9 1 。 本文配制了钢纤维含量一定 、 含不 同掺量和粒 径粗骨料的 U H P C，采用单轴拉伸法 ，研究各配 比 U H P C的拉伸强度和韧性 ：采用 X射线计算机断层 扫描技术和图像分析法 ， 并引入纤维分散系数和纤 维取向系数 ， 对单轴拉伸试验后 U H P C中钢纤维的 真实分布进行表征 ， 研究各 配比 U H P C的纤维分散 系数与取向系数 ；阐明了钢纤维分布与粗骨料 ， 钢 纤维分布与 U H P C拉伸性能之间的关系。 1 试 验 部分 1 1 试 验 原材料 试验中采用 P I 1 5 2 5级水泥( 简写成 C) ， 密度 为 3 2 0 g c m 。 ； 苏州某公司生产的超微细碳 酸钙 ( 简 写成 C C ) ； 甘肃某公 司生产的硅灰 ( 简写成 S f ) ， 密 度为 2 0 8 g c m ； 超 细矿 粉 ( 简写 成 S 1 ) ， 密度 为 2 8 4 g c m。 ； 以及 微珠 ( 简写 成 B ) 。原材料 主要 成分 见 表 1 。 试验采用普通河砂( 简写成 S ) 和两种不 同颗粒粒径 的粗骨料 ( 简写成 C A) ， 粗骨料粒径分别为 5 1 0 m m 与 1 0 2 0 ram， 压碎指标为 2 1 ； 采用 由江苏某公 司 提供的高强微细平直型钢纤维 ( 简写成 S F ) ，规格 0 2 m mx 1 3 m m， 密 度 7 8 e m ， 弹性模量 2 1 0 G P a ， 断 裂强度 2 9 0 0 MP a ； 及由江苏某公 司提供的聚羧酸系 高性能减水剂( 简写成 S P ) ， 减水率在 4 0 左右 ， 含 固量为 4 0 ； 水为 自来水 ( 简写成 w) 。 表 1 原材料主要化学组成 1 2试验 过程及 方 法 按表 2配合比称取材料 ， 水胶 比为 0 2 。先将胶 凝材料一起加入搅拌机中 ，开动搅拌机分散均匀 ， l m i n后加入砂 ， 干搅 1 ra i n ； 将 7 0 的水与减水剂在 容器中搅拌均匀 ， 缓慢地加入正在搅拌 的胶砂混合 物 中， 搅拌 3 0 s ， 接着将剩余 3 0 的水加入 ， 继续搅 拌 3 0 s ； 将钢纤维均匀 、 少量 、 多次撒入 ， 搅拌 l m i n 左右至钢纤维分散均匀 ；加入粗骨料 ，搅拌 5 0 s 左 右 ： 沿模具 长轴方 向均匀放置薄板 ， 新拌混凝 土从 中间浇筑 ，向两边流淌 。2 4 h后拆模 ，将试件置于 9 0 高温水养箱 中养护 4 8 h ， 然后在室温下冷却 2 4 h 后进行单轴拉伸试验。 本 试 验 采 用 I n s t r o n 一 8 8 0 3动 态 和 疲 劳 试 验 系 统 ， 采用 狗骨头型试件 规格 为 4 0 0 mmx l 0 0 mm， 中 间受拉 区尺寸为 7 0 m mx 7 0 m mx 2 0 0 m m。试验前 ， 先 用碳纤维布进行加固， 然后在试件受测 区域两侧各 固定一个 L V D T变形计 ， L VD T架子间距为 1 0 0 ram 开启软件进行预拉 ， 预拉荷载为 5 k N， 拉伸速率保持 在 0 0 5 0 0 8 m m mi n 。根据位移一 荷载图得到极限拉 伸强度 和初裂强度 ， 并计算韧性指数 以及拉 压 比 。 取 拉伸 破 坏试 件 断 面 ，进 行 切割 ，尺寸 为 4 0 mmx 4 0 mmx 4 0 m m， 然 后进 行 表面 打磨 。利 用德 国 Y XL O N公 司生产 的型号 为 Y C T P R E C I S I O N S的 X 射线断层扫面仪( X C T) 对纤维分布进行分析 ， 得到 的原始 图片进行二值化处理 ，然后利用 I m a g e P r o P l u s 6 0软件统计每张图中的纤维根数。 纤维分散程度定量评价 ： 通过公式计算纤维分 散 系数 O ， 分散 系数 O t 的计算 公 式如 式 ( 1 ) Io i ： a=e x p 式 中 ： n为试件某切割面所选取的二维 图像 的 张 数 ( 张 ) ， 一般 取 6 0张 ； 置 为试 件 第 个 图像 里 纤 维的根数 ( 根 ) ； 一 为所有图像 中纤维的平均根数 表 2 单轴拉伸试验配 比 k g m 一， )一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 程 俊， 刘加平 ， 张丽辉 含粗骨料超高性能混凝土单轴拉伸性能及机理分析 l 主 兰 趟 犀 钢 纤 维 分 散 系 数 ( b ) 图 6 钢纤 取向系数对单 轴拉伸强度及 韧性指数和拉压 比的影响 从 图 5和图 6可 以看出 ， 超高性能混凝土单轴 拉伸强度和韧性 与钢纤维分散 系数和取 向系数 密 切 相关 ， 呈 正相 关趋 势 。随着 纤 维 分散 系数 和 取 向 系数的增大 ， 单轴拉伸强度 、 韧性指数 以及拉压 比 都增大 ， 混凝土韧性增强。 A、 B1 、 C 1和 D 1分散系数 为 0 8 6 、 0 8 5 、 0 8 2和 0 7 6 ，取 向系数分别 为 0 6 9 、 O 7 1 、 0 4 7和 0 3 2 ，所对应 的单轴拉伸强度分别 为 6 6 MP a 、 6 8 MP a 、 6 2 MP a和 5 9 MP a ，拉 压 比分 别 为 0 0 5 2 、 0 0 5 2 、 0 0 5和 0 0 4 6 ，表现 出很好 的正 相关 性 。因为 U HP C中钢纤维 的分散 系数越大 ， 钢纤维 呈连续均匀分散概率越高 U H P C的整体匀质性越 好 。因而 U HP C单轴拉伸强度和韧性得 以增强 ； 钢 纤维在拉伸方向上的取向系数越大 ， 钢纤维对 U H P C的增 强增韧效果 越好 ，因而 U H P C拉伸强度增 大 ， 其韧性增强。 3结 论 ( 1 )采用 X射线计算机断层扫描技术和图像分 析法对二维截面上的钢纤维分布信息进行提取 ， 并 给出了O t 和 的计算公式，实现了钢纤维分布的定 量表 征 。 ( 2 ) C A粒径一定时 ， 随着掺量的增加， U H P C的 先小幅增大后逐渐减小， 与 c c ， 逐渐减小 ， 其中 B 1 组 丘达到最大值 ， 为 6 8 MP a ； C A掺量一定时 ， 粒径 越大 越低 ， 与 t o 值越小。 ( 3 )C A对 钢纤 维分 布具 有 不利 影 响 。C A掺量 越大， 粒径越大 ， o 和 叼值越低 ， 分散性越差。 A、 B l 、 C 1 和 D1 组 C A掺量为 0 、 1 0 、 2 0 和 3 0 ， 所对应 的 o ( 田 ) 值 为 O 8 6 ( 0 6 9 ) 、 0 8 5( 0 7 1 ) 、 0 8 2 ( 0 4 7 ) 和 0 7 6 ( 0 3 2 ) 。 ( 4 )钢纤维分布与 U H P C单轴拉伸强度及韧性 密切相关 。随着 和 叼的增大 、 与 t o 值相应增 大 ， U HP C韧 性 增 强 。A、 B 1 、 C 1和 D1组 o t ( ) 值 为 0 8 6( 0 6 9 ) 、 0 8 5( 0 7 1 ) 、 0 8 2( 0 4 7 ) 和 0 7 6( 0 3 2 ) ， 所 对应f ,u ( ) 为 6 4 MP a ( 0 0 5 2 ) 、 6 5 MP a ( O 0 5 2 ) 、 6 2 MP a ( 0 0 5 ) 和 5 9 MP a ( O 0 4 6 ) ， 表现出良好的正相关性。 参 考 文 献 ： 【 1 1冯乃谦 高性能混凝土结构【 M 】 北京： 机械工业出版社， 2 0 0 4 2 刘建忠 超高性能混 凝土 的制备 基础及静 、 动态力学行 为 D 南京 ： 东南大学， 2 0 1 2 3 R D e e b ， B L K a r i h a l o o ， S K u l a s e g a r a m R e o r i e n t a t i o n o f s h o r t s t e e l fi b r e s d u rin g t h e flo w o f s e l f c o mp a c t i n g c o n c r e t e mi x a n d d e t e r m i n a t i o n o f t h e fi b r e o r i e n t a t i o n f a c t o r J C e me n t an d Co n c r e t e Re s e a r c h，201 4，56 ：1 1 2-1 2 0 4 Y A k k a y a , S P S h a h M G h a n d e h a r i I n fl u e n c e o f F i b e r D i s p e r - s i o n o n t h e P e rf o rm a n c e o f Mi c r o fi b e r Re i n f o r c e d C e me n t C o rn p o s i t e s【 J A C I S p e c i a l P u b l i c a t i o n s 2 1 6 ： I n n o v a t i o n s i n F i b e r - Re i n f o r c e d Co n c r e t e f o r Valu e S P - 2 1 6 - - l ， 2 0 0 3 ， 2 1 6 1 - 1 8 【 5 】 J E B o l a n d e r ， S C h o i ， S R D u d d u k u r i F r a c t u r e o f F i b e r r e i n for c e d C e m e n t C o m p o s i t e s ： E f f e c t s o f F i b e r D i s p e r s i o n J I n t J F r a c t ， 2 0 0 8 ， 1 5 4 ：7 3 8 6 6 P S o r o u s h i a n ，C D L e e D i s t ri b u t i o n a n d O ri e n t a t i o n o f F i b e r s i n S t e e l F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e J A C I M a t e r J ， 1 9 9 0 ， 8 7 ( 5 ) ： 4 3 3 - 4 3 9 7 S I T o r i g o e ， T Ho r i k o s h i ， A O g a w a ， e t a 1 S t u d y o n E v a l u a - t i o n Me t h o d f o r P VA F i b e r Di s t rib u t i o n i n E n g i n e e r e d C e me n t i t i o u s C o m p o s i t e J J A d v C o n c r T e c h n o 1 ， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 2 6 5 2 6 8 8 】 Y H L e e ， S W L e e ， J R Y o u n ， e t a 1 C h a r a c t e ri z a t i o n o f F i b e r Ori e n t a t i o n i n S h o r t F i b e r R e i nfo r c e d Co mp o s i t e s w i t h a n I ma g e P r o c e s s i n g T e c h n i q u e J M a t e r R e s I n n o v a t i o n s 2 0 0 2 ( 6 ) ： 6 5 7 2 9 1 G G i a c c i o ， J M T o b e s ， R Z e r b i n o U s e o f s m a l 1 b e a ms t o o b t a i n d e s i g n p a r a me t e r s o f fi b r e r e i nfo r c e d c o n c r e t e J C e me n t a nd Co nc r e t e Co mpo s i t e s ，20 08 ， 3 0：29 73 0 6 1 0 张丽辉， 郭丽 萍， 孙伟 高延性水泥基复合材料的流变特性 和纤维分散性【 J 】 东南大学学报， 2 0 1 4 ， 4 4 ( 5 ) ： 1 0 3 8 1 0 4 0 【 l 1 】 Y H L e e ， S W L e e ， J R Y o u n ， e t a 1 C h a r a c t e ri z a t i o n o f F i b e r Orie n t a t i o n i n S h o rt F i b e r Re i n f o r c e d C o mp o s i t e s wi t h a n I ma g e P r o c e s s i n g T e c h n i q u e Ma t e r R e s I n n o v a t i o n s ， 2 0 0 2 ( 6 ) ：6 5 - 7 2 1 2 G Z a k ， C B P a r k ， B B e n h a b i b E s t i m a t i o n o f T h r e e - d i m e n s i o n a l F i b r e - - o r i e n t a t i o n Di s t rib u t i o n i n S h o r t - fi b r e C o mp o s i t e s b y a T w o - s e c t i o n Me t h o d J J C o m p o s Ma t e r 2 0 0 1 ， 3 5 (4 ) ：3 1 6 - 3 3 9 1 3 】 X i a o y a n H u a n g ， R a v i R a n a d e ， We n N i ， e t a1 D e v e l o p m e n t o f g r e e n e n g i n e e r e d c e me n t i t i o u s c o mp o s i t e s u s i n g i r o n o r e t a i l i n g s a s a g gre g a t e s J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 1 3 ( 4 4 ) ： 7 5 7 7 6 4 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 9 2 2 作者简 介： 程俊 ( 1 9 9 2 一 ) ， 男 ， 在读硕士研究生 。 通讯作者 ： 刘加平 ， 男 ， 教授。 通讯地址 ： 江苏省南京市江宁区东南大学九龙湖校区 联 系电话 ： 1 5 9 5 1 7 5 7 7 3 9 ( 程俊 ) 、 1 3 8 0 5 1 8 0 3 9 0 ( 刘加平 ) E- ma i l ： l 5 2 2 9 0 9 6 2 9q q c o m 一 5 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m