活性粉末混凝土弯曲韧性评价方法与试验研究.pdf

2 0 1 4 年 第 2 期 (总 第 2 9 2 期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 4 ( T o ml No 2 9 2 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATER【 AL AND ADM DCLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 0 2 0 1 2 活性粉末混凝土弯曲韧性评价方法与试验研究 邓宗才 ，冯琦 ，曲玖龄 。刘少新 E 京工业大学 城市与重大工程安全减灾省部共建重点实验室，北京 1 0 0 1 2 4 ) 摘要： 通过不同体积掺率和不同品种钢纤维增强活性粉末混凝土的弯曲韧性试验， 探讨了钢纤维体积掺率、 钢纤维直径、 端 部构造对活性粉末混凝土增韧效果的影响规律 ， 最后分析了几种常用的弯曲韧性评价方法对表征活性粉末混凝土韧性 的适用性 和存在的问题， 研究成果将为活性粉末混凝土的结构设计和工程施工提供参考。 关键词： 活性粉末混凝土；弯曲韧性 ；韧性评价方法 中图分类号： T U 5 2 8 O 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 4 5 0 5 E v a l u a t i n g me t h o ds a n d t e s t i n g r e s e a r c h o f f l e x u r a l t o u g hn e s s f o r r e a c t i v e p o wd e r c on c r e t e D E NGZ o n g c a i F E NGQ i QUJ i u l i n g L I US h a o x i n ( T h e Ke y L a b o r a t o r y o f Ur b a n S e c u r i t y a n d Di s a s t e r E n g i n e e r i n g ， Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ， B e ij i n g U n i v e r s i tyo f T e c h n o l o g y ， B e r i n g 1 0 0 1 2 4 ， C h in a ) Ab s t r a ct ： T h r o u g h fl e x u r a l t o u g h n e s s t e s t o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e o f d i f f e r e n t fi b e r v o l um e c o n t e n t a n d d i f f e r e n t fi b e r v a r i c r i e s t h e i n fl u e n c e o f s t e e l fib e r v o l u me c o n t e n t 。 6 b er d i a me t e r an d e n d s t r u c t u r e o n fl e x u r a l t o u g h n e s s o f r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e Was an a l y z e d T h r o u g h c a l c u l a t i o n a n d an a l y s i s o f t e s t r e s u l t s ， a p p l i c a t i o n an d e x i s ti n g p r o b l e ms o f s e v e r a l t o u g h n e s s e v a lu a t i n g me t h o ds a d o p t e d wi d e l v in Chi n a an d a b r o a d o n t o u g h ne s s o fr e a c t i v e po wde r c o n c r e te we r e s u mma r i z e dTh e r e s e a r c h r e s ul t s wi l l p r o v i de ref e r e n c e f o r d e s i g n a n d c o n s t r ui o n o f r e a c t i v e po wd e r c o n c r e te s t r u c t ur e K mwor d s ： r e a c ti v e p o wd e r c o n c r e t e ； fl e x u r a l t o u g h n e s s ； t o u g h n e s s e v a l u a t ing me t h o d 0 引言 备增韧型活性粉末混凝土和促进其工程应用提供参考。 活性粉末混凝土是 2 0 世纪 9 0 年代研制成功的一种 新型建筑材料 ， 在防爆及抗冲击结构、 核工程结构、 超高及 大跨结构以及高等级桥梁等重大工程中具有广阔的应用 前景。 由于超高强混凝土常常伴随高脆性 ， 因此改善其变 形能力非常重要 ， 活性粉末混凝土 中掺入钢纤维可以有效 地降低其脆性和改善弯曲韧性， 而韧性表征了活性粉末混 凝土避免灾难性脆性破坏的能力。 如何科学的评价活性粉 末混凝土的韧性和耗能能力、 建立更加科学的韧性评价方 法 已成为当前关注的热点 问题之一。 评价活性粉末混凝土 的弯曲韧性， 目前还没有统一的标准和方法。 近年来很多 科研机构相继提出了一些测试标准和评价方法， 如在纤维混 凝土领域应用广泛 的美 国材料 与试验协会 ( A S T M) c l 0 1 8 ( 韧性指数法 ) 1 、 E t 本混凝土协会 J C I S F 4 t2 1 、 N e m k u ma r 等 定义的韧性指标口 】 和鞠杨等定义的韧性指标4 。 这些方法大 致可分为能量比值法、 特征点法、 强度法嘲 。 本试验研究了潘陛粉末混凝土弯曲韧性， 分析了纤维掺 量和纤维品种对活性粉末混凝土弯曲韧性的影响规律， 比 较了各种韧性评价方法的优缺点和适用范围， 研究成果对制 收稿 日期 ：2 0 1 3 - - 0 8 - 2 1 基金项 目：国家 自然科学基金( 5 1 3 7 8 0 3 2 ) 1 活性粉末混凝 土弯曲韧性评价 方法的综述 AS T M C1 0 1 8方法 的计 算原 理 如 图 1 所示 。 其 中 A 为初裂 点 ， 6为初裂 时 的挠度 ， O D、 O F 、 O H分别 对应 3 6 、 5 和 1 O 。 先分别求 出试件初裂挠度 3 、 5 5 、 1 O 5 倍时荷 载一 挠 度曲线下 的面积 ， 再除 以初 裂点对应 的荷 载一 挠 度 曲线下的面积， 将该比值定义为韧性指标 厶 、 ， 。 、 ， 以及利 用韧性指标计算剩余强度因子 R c ( I o I m ) ， 其 中常数 C = l O 0 ( n m) 。 对于理想 弹塑性材料 ， 韧性指数 ， 5 、 ， 1 0 、 分 别为 5 、 l 0 、 2 0 。 若所测试 的材料为理想脆性材料 ， 则所得的 韧性指标均为 1 。 韧性指数的表达式为 ： l A1 ，一Ai 卅 2 + A 3 4 1 2 一 A 该方法的试件尺寸为 1 0 0 m mx l O 0 m mx 3 5 0 m m， 跨度 为 3 0 0 mi l l ， 采用四点弯曲试验 ， 恒位移加载， 位移控制速 45 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 耀 D 3 5 5 挠度 图 1 A S T M C1 0 1 8韧性指数计算简图 率为 0 0 5 0 1 0 mm m i n 阃 。 AS T M C1 0 1 8 属于能量 比值法 ， 其优点是物理意义 明 确 ， 可 与理想弹塑性材料 比较 ； 不足之处在于初 裂点的位 置难以准确确定， 而各个韧性指标的确定都依赖于初裂点 的位置。 可见， 由于初裂点判断的准确与否影响了该方法的 准确性。 日本混凝土协会 J C I S F 4 韧性评价方法的计算原理如 图2 所示。 该方法规定试件挠度变形至 ( 跨度的 1 1 5 0 ) 时， 由荷载一 挠度曲线下的面积和试件尺寸等参数确定的弯曲 韧性系数 I h 来衡量材料的弯曲韧性。 表达式为： b = = 8 t t L h 2 ( 2 ) b = = L z J 式中： o r 弯曲韧性系数， MP a ； 瓯特征挠度值， 数值上等于跨度的 1 1 5 0 ， mm； 前荷载一 挠度曲线下 的面积 ， N mm； 卜一 试件跨度 ， m m； b 宽度 ， m m； 高度， mm。 该方法试件尺寸为 1 0 0 m mx l 0 0 m mx 3 5 0 m n ， 试件跨 度为 3 0 0 mm， 采用三分点加载 ， 控制跨 中挠度每分钟的速 率为跨度的 1 3 0 0 0 1 1 5 0 0 e 。 至 暴 框 l l U 挠度 6 mm 图 2 J CI S F 4韧性计算简图 J C I 方法所得的韧性系数具有强度的量纲， 因此方法 属于强度法 。 其优点是计算过程简单 ， 避免 了初裂点的判 断对计算结果的影响。 不足之处在于特征挠度 U 1 5 0明显 大于正常使用容许挠度 ； 用平均的方法求强度不能较好地 反映试件裂前与裂后的行为， 两个荷载一 挠度曲线有很大 差异 的试件 ， 可能求得的韧性系数相同。 英国哥伦比亚大学的N e r n k u ma r B e n t h i a 等人提出了 弯曲韧性评价方法 P C S ( p o s t - c r a c k s e n g t h s ) 方法， 如图 3 所示。 该方法通过计算峰值荷载后的等效抗弯强度 P C S 来衡量材料的弯曲韧性 。 以峰值荷载为界限， 把荷载一 挠度 4 6 。 铺 挺 l一 一 一J 挠度 图 3 N e mk u ma r 方法计算简图 曲线 的面积分为峰前( ) 和峰后 ( E ， ) 两部分 ， 以特定的 挠度( I m) 为变量来表征试件在变形 过程 中的能量 消耗 。 表达式为 ： ( 3 ) 式中： P C S 峰值荷载后等效抗弯强度， MP a ； 6 D 嗵 k 峰值挠度， m m； 巨 埘 ， 后的面积， N m m； 特征挠度 ， m l T l ； m设定值。 P C S 方法的标准试件为 1 0 0 mr n x l O 0 m inx 4 0 0 m m， 跨度 为 3 0 0 m m， 三允 加载网 。 该方法属于强度法 ， 其优点在于计 算过程简单， 只需确定荷载一 挠度曲线峰值挠度、 以及峰值挠 度到特征挠度 l m之间曲线下的面积。 该方法不足之处在于 在计算韧性指标 P C S 时只利用了峰值荷载后荷载一 挠度曲 线下的面积， 而没有用到峰值荷载之前荷载 挠度曲线的信息。 因此该韧性指标不能反映峰值荷载之前试件的弯曲韧性。 鞠杨等针对活性粉末混凝土提出了一种新的弯曲韧性 的评价方法 ， 计算简图如 图 4 所示 。 该方法将素活性粉末混 凝土峰值挠度 6 作为活性粉末混凝土荷载一 挠度曲线上 的初始参考变形来计算活性粉末混凝土的韧性。 表达式为： )( n ) = 堕 ( 4 ) 也 式中 ： n S u l t ， p 特征挠度 ； n 计算韧性时所取的素活性粉末混凝土峰值挠 度的倍数； E舢 ， 给定挠度变形 n u l t ， P 下荷载一 挠度曲线下 的面积 ； E 素活性粉末混凝土荷载 挠度曲线下的面积。 _ E5 6u lt E r L 6 un 1 5 6 ，2 7 3 4 5 图 4 鞠杨方法韧性计算简图 该方法试件为 4 0 m mx 4 0 m mx l 6 0 m m， 跨度为 1 0 0 m 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 表 2 不同钢纤维种类活性粉末混凝土弯 曲韧性计算表 钢纤维增强活性粉末混凝土的韧性 明显优于不带钩试件。 端部带钩的钢纤维增强活性粉末混凝土表现出更好的韧 性 ， 是 由于端钩增强了纤维与基体的锚 固能力 ， 减小 了纤 维滑移量 ， 提高 了纤 维拉拔阻力 。 从 N e mk u ma r 方法 的计 算结果看 出， 在峰值之后 F o r d 类钢纤维的增韧效果要远大 于其他纤维 ， 这与 F o r d 类钢纤维具有更高的抗拉强度有关 。 2 2 钢纤维掺量对活性粉末混凝土弯曲韧性的影响 试件尺寸为4 0 mmx 4 0 m mx 1 6 0 mm， 根据钢纤维体积 掺量 的不 同分 为 5 组 ， 分别 编号 L 1 L 5 ， 每组 3 个试件 。 材 料选用超细 7 0 0 水泥和天然石英砂， 聚羧酸减水剂， 巨龙牌 消泡剂。 配合比为： 水灰比0 1 7 ， 砂胶比l ： 1 1 ， 减水剂 1 5 ， 矿渣 4 0 ， 消泡 剂 l 。 钢纤维选 用 B e k a e r t 0 2型钢纤维 ， 体积掺量分别取为 0 、 l 、 2 、 3 和 4 。 基体的立方体抗 压强度均值为 1 3 6 0 MP a 。 试验方法与上述相 同。 试验测得 的荷载一 挠度曲线如 图 1 O 所示 。 图 l 1 、 1 2 是 根据荷载一 挠度曲线绘制的峰值挠度和峰值荷载随钢纤维 掺量变化的曲线。 挠 度 m m 图 1 0 不同纤维掺量活性粉末混凝土荷载一 挠度 曲线 U l Z j 4 钢纤维掺量 图 1 1 峰值荷载随钢纤维掺量变化 曲线 从破坏特征上看 ， 素活性粉末混凝土试件从加载到破坏 过程短暂 ， 试 件开裂后裂缝迅速扩展 ， 荷载迅速达到峰值 ， 试件断裂为两半 ； 开裂位置位于跨中， 断裂面平直； 荷载一 挠度曲线在峰值点出现陡降， 具有明显的脆性破坏特征。 钢 纤维增强活性粉 末混凝 土试件从 开始加 载到最终 破坏 ， 裂缝始终缓慢的扩展 ， 变形较大； 荷载达到峰值时试件并 48 l_ 2 1 0 至 隶。 枢 趔 O 6 彗 0 4 O 2 U i 2 j 4 钢纤维掺量， 图 1 2 峰值挠度随钢纤维掺量变化曲线 未断开， 超过峰值后裂缝缓慢扩展并未发生失稳扩展， 最终 试件也并没有断裂成两半， 如图5 8 所示。 开裂位置仍在跨 中但裂缝的轨迹曲折， 断裂面粗糙。 荷载一 挠度曲线下降段为 波浪形 ， 仅钢纤维掺量 1 的试件荷载一 挠度 曲线出现一段 局部陡降 ， 其他试件 的荷载一 挠度曲线均为平缓的下降。 从图 1 0 1 2 看出， 钢纤维增强潘眭粉末混凝土的荷载 挠 度曲线在荷载超过某个值时 ， 荷载 随挠度的增长 由线性变 为非线性， 且局部出现陡降。 素活性粉末混凝土破坏时峰值 荷载和峰值挠度均较小， 荷载一 挠度曲线在达到峰值后迅速 陡降 ， 没有峰后部分 。 钢纤维增强活性粉末混凝土的峰值荷 载和峰值挠度总体上随钢纤维的掺量增加而增大。 当钢纤 维掺量不超过 1 时， 峰值荷载和峰值挠度与素活性粉末混 凝土相比无明显增长。 当钢纤维掺量超过 2 时 ， 峰值荷载 和峰值挠度较素活性粉末混凝土都有明显提高 。 以上试验 结果表明， 只有 当钢纤维掺量超过 1 时 ， 才有助于提高活 性粉末混凝土梁的抗弯承载能力 ， 且随着掺量增加提高幅度 逐渐变大， 如图 1 1 所示。 对于峰值挠度， 当钢纤维掺量超 过2 时， 峰值挠度增长幅度不太显著， 如图 1 2 所示。 从图 1 0 看出， 钢纤维掺量 4 试件荷载一 挠度曲线的峰 值之前的面积远大于其他掺量的试件 ， 在 峰值之前具有更 好的韧性。 而钢纤维掺量 4 的试件的下降段较陡， 峰值之 后的韧性与其他试件 比增长较小 。 此外 ， 钢纤维掺量 4 的 试件制作难度较大 ， 可能由于纤维分散不好导致试验结果 有一定的离散性。 考虑到施工的方便性 ， 建议钢纤维的掺量 不宜超过 4 。 分别 用上述 四种方法计算不 同纤维掺量 的活性 粉末 混凝土韧性指标 ， 计算结果列于表 3 。 由表 3 可知 ： 美国 A S T M C 1 0 1 8 方法计算结果显示， 钢纤维掺量 4 时韧性反而降低， 可能原因是由于在 3 倍初 裂挠度时纤维 的增韧作用还未充分发挥 ， 而初裂之前 的韧 性较高， 因此比值 ， 5 较小。 日本 J C I S F 4 方法反映钢纤维增 强活性粉末混凝土的韧性随钢纤维掺量的增加逐渐增长。 4 2 0 8 6 4 z 挺避鹫 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3 不同钢纤维掺量活性粉末混凝土弯曲韧性值 注 ： “ 一 ” 表示试验过程中没有采集到所需要 的变形无法计算韧性指数。 钢纤维掺量不超过 3 时 ， 增长 幅度较大 ； 钢纤维掺量超过 3 时增长 比较缓慢 。 N e mk u ma r 方法较好 的反映了峰值之 后活性粉末混凝土的韧性随纤维掺量的增加提高明显， 当 钢纤维掺量超过3 以后韧性 的增长趋于缓慢 ； 鞠杨的方也 反映出当钢纤维掺量超过 3 后韧性的增长趋于缓慢。 因 此在工程 中为了获得较好的韧性且要考虑到施工方便 ， 建 议理想 的钢纤维掺量为 2 3 。 结合 以上试验结果 ， 对 四种韧性评价方法进行 比较 。 美国AS T M C 1 0 1 8 方法和鞠杨方法都属于能量比值法。 前 者是材料弹塑性变形能与弹性变性能之 比， 适用范围较广 ； 后者是给定挠度下钢纤维增强活性粉末混凝土 的耗能 能 力与素活性粉末混凝土 的耗能能力之 比， 反 映了纤维对活 性粉末混凝土的增韧特征。 这两种方法都是多特征点的方 法， 可以反映材料在各个阶段的变形能力， 并且计算结果 可以与理想弹塑性材料进行对比， 可以直观地得到材料的增 韧效果， 方便使用。 前者的特征点的确定依赖于初裂点， 由于 初裂点难以准确判断使得韧性指数的计算结果存在一定 的偏差和随机性 。 后者的特征点依赖于素活性粉末混凝土 的峰值挠度， 韧性指标反映了钢纤维对提高活性粉末混凝 土开裂后耗能能力的贡献 ， 不会受到初裂点判断的影响。 日本 J C I S F 4和 N e mk u ma r 方法都 属于强度法 。 它们 的优点在于可以直接与材料的抗弯强度作 比较来评价纤 维的增韧效果 ， 与初裂点无关。 从表 3 数据看到活性粉末混 凝土的韧性随钢纤维掺量的变化， 所以这两种方法适合进 行纤维的甄选和配合 比选定 。 前者的不足之处在于只有一 个特征点无 法反映各 个不 同阶段材料 的耗能情 况 ， 而 且 特征挠度 Y 1 5 0的规定依据并不充分。 后者的不足之处在 于只能反映峰值之后材料 的韧性 。 此外 ， 这两种方法 的韧 性指标都与试件的尺寸有关 ， 受到尺寸效应 的影 响大。 维对材料的增韧效果 ， 受试件尺寸影响较小 。 但对初裂点的 判断是个难题。 ( 2 ) 日本 J C I S F 4方法和 N e mk u m a r 方 法的韧性指标 可以直观地与材料的抗弯强度相比较， 适合甄选纤维和确 定活性粉末混凝土配合 比。 ( 3 ) 鞠杨方法结合活性粉末混凝土材料 自身的特点 ， 直观反映了活性粉末混凝 土的韧性特征与韧性水平 ， 为将 韧性指标用于工程设计提供 了新方法 。 ( 4 ) 活性 粉末 混凝土是 一种新 型材料 ， 还需要在深入 研究纤维增韧阻裂机理的基础上 ， 提出适合表征活性粉末混 凝土不同阶段增韧效果 的韧性评价方法 ， 为活性粉末混凝 土的工程应用提供依据 。 参考文献 ： 1 A S T M C 1 0 l 8 9 7 ， S t a n d a r d t e s t m e t h o d f o r fl e x u r a l t o u g h n e s s a n d fi r s t c r a c k s t r e n g t h o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( U s i n g B e a m w i t h T h i r d P o i n t L o a d i n g ) S 1 9 9 7 【 2 】J C I S F 4 ， J C I S t a n d a r d s f o r t e s t me t h o d s o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n - c r e t e S J a p an C o n c r e t e I n s t i t u t e ， 1 9 8 4 3 B AN T HI A N， T RO T Y I ER J T e s t me t h o d s f o r fl e x u r a l t o u g h n e s s c h ara c t e r i z a t i o n of fi be r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ： s o me c o n c e r n s an d p r o p o s i t i o n J A C I M a r r i e s J o u rna l ， 1 9 9 5 ， 9 2 ( 1 ) ： 4 8 5 7 f 4 J 鞠杨 ， 刘红彬 ， 陈健 ， 等 超高强度活性粉末混凝土的韧性与表 征方法 中国科学( E辑 ： 技术科学) ， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 4 ) ： 7 9 3 8 0 8 【 5 5 卫明山， 李利莎， 郑全平， 等 钢纤维混凝土韧性指数评价方法 对比研究 J 】 建筑结构， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 1 2 ) ： 9 0 9 2 6 16 韩建国， 阎培渝 混凝土弯曲韧性测试和评价方法综述【 J _ 混凝 土世界 。 2 0 1 0 ( 1 1 ) ： 4 2 4 5 【 7 】又 6 宗才 高性能合成纤维混凝土 M E 京： 科学出版社， 2 0 0 3 作者简介 ： 3 结 论 联系地址： ( 1 ) 美 国 A S T M C 1 0 1 8 方法可以在较大范围内评价纤 联系电话 邓宗才( 1 9 6 1 一 ) ， 男 ， 博士 ， 教授 ， 博士生导师 ， 研究方 向： 现代土木工程材料与结构。 北京市朝阳区平乐园 1 0 0号 北京工业大学建筑工程 学院结构工程学科部( 1 0 0 1 2 4 ) 1 31 61 0 31 91 0 藿藿 盈 住宅 产业 化明 显提 速 有助于 解决 雾 霾 目前， 我国已有深圳 、 沈阳和济南三个城市先后成为住宅产业化的试点城市， 整体推进住宅产业化。 合肥、 北京、 上海、 厦 门等很多城市的政府也 出台了大量的鼓励政策。 住宅产业化有助于解决雾霾。有关专家表示， 建筑工地是形成雾霾的四大罪魁祸首之一， 一些三四线城市， 如果工业 不是特别发达的话 ， 建筑扬尘可能占到 3 0 左右， 有的高达 4 0 。如果把现场施工都挪到工厂的话 ， 所有与水泥、 砂子、 扬 尘有关的 ， 都在工厂做好 了之后将成 品拿到现场 ， 吊车一 吊装 ， 连接就完 了， 这方面防治污染是非 常有效果 的。现在越来 越多 的城市非常重视推进住宅产业化 的发展 ， 它 的一个 出发点就是从 我们整个国家的这种节能减排 、 环保生态这个角度 来考虑的 ， 特别是在建筑工地上扬尘 。 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m