超高性能纤维增强水泥基复合材料单根钢纤维拔出行为研究
纤维增强水泥基复合材料的研究进展
第36卷第10期 娃 酸盐 通 报Vol.36 No.10 2017 年 10 月________________BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY_________________October,2017纤维增强水泥基复合材料的研究进展关国英\赵文杰2(1.吉林建筑大学材料科学与工程学院，长春13〇118;2.长春工业大学化学工程学院，长春130012)摘要:综述了纤维增强水泥基复合材料（f i b e r r e i n f o r c e d cem e n t i t i o u s composites，FRCC)目前在国内外的研究进展。
简要介绍了F R C C的概念及其基本性能，详细介绍了超高性能F R C C的国内外研究进展，重点介绍了 F R C C的纤维 间距、复合材料以及多重裂缝等理论的研究情况以及F R C C工程应用情况，在此基础上，提出了当前F R C C研究中 存在的问题和今后需要进一步研究的方向。
关键词:纤维；增强；水泥基；复合材料；机理中图分类号:TU529.41 文献标识码:A 文章编号:1001-1625 (2017)10-3342-05 Research Development of Fiber Reinforced Cementitious MaterialsGUAN Guo-ying1,ZHA0 Wen-jie2(1. School of Materials Science and Engineering, Jilin Jianzhu University,Changchun 130118 ,China；2. Institute of Chemical Engineering,Changchun University of Technology,Changchun 130012,China)Abstract：The current research progress of the fiber reinforced cementitious composites(FRCC)at home and abroad is summarized.The concept and the related properties of FRCC are introduced briefly.The research progress of ultra-high performance of FRCC are especially introduced domestic and overseas.The engineering application of FRCC and the current theoretical research of the theory of composite,fiber spacing theory and multiple fracture theory are recommended emphatically.On the basis of,the existing problems of researching FRCC are putted forward in the current and to come up with the direction for further study of FRCC in the future.Key words ：fiber；reinforced；cementitious；composite material；mechanism1引言在现代的建筑行业中，水泥基材料是一种应用范围广、用量大的建筑材料，它具有来源广泛、价格便宜、强度可控、及外形可塑等优点，但也存在抗裂性差、脆性大、抗拉强度低、极限延伸率小等不足之处。
超高韧性水泥基复合材料试验研究
超高韧性水泥基复合材料试验研究摘要：本文主要研究了超高韧性水泥基复合材料的试验制备及其性能表征。
通过优化材料选择和工艺流程，成功制备出具有优异韧性的水泥基复合材料。
本文的研究成果对于推动水泥基复合材料的发展具有一定的理论和实践意义。
关键词：超高韧性，水泥基复合材料，材料选择，工艺流程，性能测试。
引言：水泥基复合材料是一种由水泥、增强体和外加剂等组成的新型复合材料。
由于其具有高强度、高韧性、抗腐蚀、耐久性强等特点，被广泛应用于桥梁、道路、建筑等领域。
随着科学技术的发展，人们对水泥基复合材料的要求越来越高，尤其是对其韧性的要求。
因此，开展超高韧性水泥基复合材料的试验研究具有重要的现实意义。
材料选择：在本次研究中，我们选择了高强度水泥、纤维增强体、减水剂等为主要原材料。
其中，高强度水泥提供了优异的强度和耐久性；纤维增强体（如钢纤维、聚丙烯纤维等）可以有效地提高材料的韧性；减水剂则有助于改善材料的可加工性和力学性能。
工艺流程：制备超高韧性水泥基复合材料的工艺流程如下：首先将原材料按照一定比例混合均匀，然后加入适量的水进行搅拌，最后在压力机中压制成型并养护。
其中，搅拌时间的控制、压力机的压制压力和养护条件的设定等因素都会对材料的性能产生影响。
性能测试：为了表征超高韧性水泥基复合材料的性能，我们对其进行了抗压强度、抗折强度、韧性等指标的测试。
测试结果表明，该材料具有优异的力学性能，其抗压强度和抗折强度均高于普通水泥基复合材料，同时，其韧性也得到了显著提高。
通过本次试验研究，我们成功地制备出了具有优异韧性的超高韧性水泥基复合材料。
通过对材料选择和工艺流程的优化，实现了对该材料的力学性能的有效提升。
本文还对制备过程中的影响因素进行了分析，为进一步优化制备工艺提供了理论依据。
然而，本研究仍存在一定的局限性。
例如，对于材料韧性的提高机制以及制备工艺与材料性能之间的内在尚需深入探讨。
未来研究方向可以包括：进一步优化纤维增强体的分散和拌合工艺，探究不同纤维对材料韧性的影响机制，以及开展针对不同应用场景的超高韧性水泥基复合材料的优化设计和制备技术研究。
高性能纤维增强水泥基复合材料应用性能研究
高性能纤维增强水泥基复合材料应用性能研究随着我国基础工程的大规模兴建和城市化的高速推进，为解决大跨度、薄壁、高耐久、长寿命结构的实施，高性能水泥基复合材料的发展已是迫切急需一. 研究背景随着我国基础工程的大规模兴建和城市化的高速推进，为解决大跨度、薄壁、高耐久、长寿命结构的实施，高性能水泥基复合材料的发展已是迫切急需，为节省资源、节约能源、保护生态环境、优化材料性能，高性能水泥基复合材料走生态化与环保型已是社会可持续发展的重中之重。
研究生态型高性能水泥基复合材料是提高工程耐久性和服役寿命的重要举措，也是提高特种结构各种抗力的必由之路。
二. ECO-RPC（生态型活性粉末商品混凝土）力学行为研究RPC（Reactive Powder Concrete）活性粉末商品混凝土是90年代发展起来的新材料，其组成材料主要是水泥、超磨细石英粉和大掺量硅灰、高效减水剂，不用粗集料，细集料为磨细石英砂（粒径为0.6mm）。
其等级有RPC800、RPC400和RPC200。
由于其具有自流平优势、力学性能高、动态行为优异和超高耐久性，已是当今最活跃的可与金属媲美与高分子材料抗衡的跨世纪超高性能水泥基复合材料，而且RPC基体必须与纤维复合才能发挥其优势。
1.RPC存在的主要问题超细粉体材料价格昂贵、要经过超磨细而导致能耗大，国外微细金属纤维价格高，从而性价比低，不仅RPC800、RPC400难以在工程中推广应用，即使RPC200在工程中大规模应用也十分艰难。
基于RPC目前的问题中冶建研院致力于解决RPC造价较高，性价比过低的问题，采取的方式是采用活性矿物的掺合料，充分利用超细工业废渣自身各种物理与化学优势，取代更多水泥熟料，改善组成材料与微结构，优化纤维尺度与外形，优化养护方法与制度，充分发挥其高耐久性、长期服役寿命和高动态效应特点，提高性价比，扩大应用领域，在重大工程和特种制品中高效能利用其优势。
经过试验研究得出下表的材料基体ECO-RPC200优化后材料基体ECO-RPC200的制备工艺优选高效减水剂保证具有自流平（SCC）特征，保证有很强的流动性，满足商品混凝土的要求，采用自然养护方式（实验室用标准养护）替代常用的热养、蒸养，节省高温高压而造成能源消耗剧增。
纤维增强混凝土的拉拔性能试验研究
2018 年第 3 期
纤维增强混凝土的拉拔性能试验研究
刘媛媛 （西安科技大学建筑与土木工程学院,陕西 西安 710054）
摘要：界面是复合材料重要的微观结构，而单纤维拔出试验常用来测定纤维复合材料的界面性能。通过对 钢纤维混凝土的单个纤维的拔出力和拔出位移的测定，得到了典型纤维拔出力和拔出位移之间的关系曲 线，分析了纤维拔出过程中的受力情况。 关键词：界面;纤维增强;拔出位移
中图分类号：TU528.01 文献标识码：A 文章编号：1001-6945（2018）03-0011-03
Experimental research on pulling performance of fiber reinforcement concrete
LIU Yuan-yuan
Abstract: Interface is an important microstructure of composite materials, and single fiber pull-out test commonly used to determine the interface properties of fiber composites. This paper obtains the relation curve between pullout force and pull-off displacement of typical fiber and analyzes the force condition during pull-out of the fiber through the determination of pull-out force and pull-out displacement of single fiber of steel fiber reinforcement concrete. Key Words: interface, fiber reinforcement, pull out displacement
纤维增强水泥基复合材料
纤维增强型水泥基复合材料一、纤维增强型水泥基复合材料的概述纤维增强型水泥基复合材料是以水泥与水发生水化、硬化后形成的硬化水泥浆体作为基体，以不连续的短纤维或连续的长纤维作增强材料组合而成的一种复合材料。
普通混凝土是脆性材料，在受荷载之前内部已有大量微观裂缝，在不断增加的外力作用下，这些微裂缝会逐渐扩展，并最终形成宏观裂缝，导致材料破坏。
加入适量的纤维之后，纤维对微裂缝的扩展起阻止和抑制作用，因而使复合材料的抗拉与抗折强度以及断裂能较未增强的水泥基体有明显的提高。
二、纤维增强型水泥基复合材料的力学性能在纤维增强水泥基复合材料中，纤维的主要作用在于阻止微裂缝的扩展，具体表现在提高复合材料的抗拉、抗裂、抗渗及抗冲击、抗冻性等。
• 2.1 抗拉强度•在水泥基复合材料受力过程中纤维与基体共同受力变形，纤维的牵连作用使基体裂而不断并能进一步承受载荷，可使水泥基材料的抗拉强度得到充分保证；当所用纤维的力学性能、几何尺寸与掺量等合适时，可使复合材料的抗拉强度有明显的提高。
•• 2.2 抗裂性在水泥基复合材料新拌的初期，增强纤维就能构成一种网状承托体系，产生有效的二级加强效果，从而有效的减少材料的内分层和毛细腔的产生；在硬化过程中，当基体内出现第一条隐微裂缝并进一步发展时，如果纤维的拉出抵抗力大于出现第一条裂缝时的荷载，则纤维能承受更大的荷载，纤维的存在就阻止了隐微裂缝发展成宏观裂缝的可能。
• 2.3 抗渗性纤维作为增强材料，可以有效控制水泥基复合材料的早期干缩微裂以及离析裂纹的产生及发展，减少材料的收缩裂缝尤其是连通裂缝的产生。
另外，纤维起了承托骨料的作用，降低了材料表面的析水现象与集料的离析，有效地降低了材料中的孔隙率，避免了连通毛细孔的形成，提高了水泥基复合材料的抗渗性。
2.4 抗冲击及抗变形性能在纤维增强水泥基复合材料受拉（弯）时，即使基体中已出现大量的分散裂缝，由于增强纤维的存在，基体仍可承受一定的外荷并具有假延性，从而使材料的韧性与抗冲击性得以明显提高。
水泥基复合材料的应用与研究
水泥基复合材料的应用与研究一、前言水泥基复合材料是指以水泥、矿物掺合料和一定比例的纤维等材料为基础，加入适量的添加剂，通过混合、浇注、压制等工艺形成的一种综合性材料。
它具有高强度、耐磨、耐腐蚀、防火等优良性能，同时还具有良好的耐久性和可持续性，因此在工程建设领域得到了广泛的应用。
二、水泥基复合材料的种类1.纤维增强水泥基复合材料纤维增强水泥基复合材料是指在水泥基材料中加入纤维，使其具有更好的抗拉强度和韧性，常见的纤维有玻璃纤维、碳纤维、钢纤维等。
这种材料广泛应用于建筑、桥梁、路面等工程领域。
2.高性能混凝土高性能混凝土是指在水泥基材料中加入微粉、氧化硅等掺合料，以及控制水灰比等技术手段，使其具有更高的强度、耐久性和抗渗性。
这种材料广泛应用于高层建筑、大型桥梁、隧道等工程领域。
3.自密实混凝土自密实混凝土是指在水泥基材料中加入一定比例的特殊掺合料和添加剂，通过控制水泥胶凝体的形成，使其具有自密实的性能，从而提高了材料的耐久性和抗渗性。
这种材料广泛应用于水利水电、海洋工程等领域。
4.轻质水泥基复合材料轻质水泥基复合材料是指在水泥基材料中加入一定比例的轻质骨料，使其具有更轻的重量和更好的保温性能，常见的轻质骨料有珍珠岩、膨胀珍珠岩、膨胀粘土等。
这种材料广泛应用于建筑、隧道、地道等领域。
三、水泥基复合材料的应用1.建筑领域水泥基复合材料在建筑领域的应用非常广泛，主要包括建筑结构、外墙保温、地面修补等方面。
例如，在建筑结构中，水泥基复合材料可以用于加固和修补混凝土结构，提高其承载能力和抗震性能；在外墙保温中，水泥基复合材料可以用于制作外墙保温板，达到节能减排的效果；在地面修补中，水泥基复合材料可以用于修复地面裂缝和磨损部位，提高地面的使用寿命。
2.交通运输领域水泥基复合材料在交通运输领域的应用也非常广泛，主要包括桥梁、隧道、地铁等方面。
例如，在桥梁中，水泥基复合材料可以用于加固和修补桥梁结构，提高其承载能力和抗震性能；在隧道中，水泥基复合材料可以用于修补和加固隧道结构，提高其使用寿命和安全性；在地铁中，水泥基复合材料可以用于修补和加固地铁隧道结构，提高其使用寿命和安全性。
高韧性纤维增强水泥基复合材料的抗拉性能
强度在
之间
参考文献
冷冰 高韧性纤维增强水泥基复合材料设计与性能研究 北京 清华大学 高淑玲 徐世 纤维增强水泥基复合材料拉伸特性试验研究 大连理工大学学报
高淑玲 纤维增强水泥基复合材料假应变硬化及断裂特性研究 大连 大连理工大学
责任编辑 王冰伟
终导致试件断裂
由上述应力 应变曲线可获得开裂强度 第 阶段结束 抗拉强度及极限抗拉应变 与抗拉强度相
对应的应变值
不同配比抗拉应力 应变曲线及特征参数 图 图 为不同配比的单轴拉伸应力 应变曲线 图
图 单轴拉伸荷载下不同配比 应力 应变曲线
中编号的数值依次为砂胶比 水灰比 粉煤灰掺量比 龄期
图 单轴拉伸荷载下不同配比 应力 应变曲线
应变特性及水胶比 粉煤灰掺量的影响 为该材料工程应用提供必要的试验数据
收稿日期 作者简介 公成旭
辽宁人 硕士生 主要从事纤维增强水泥基复合材料性能研究
试验方法
水泥采用京都
水泥 密度为
砂采用
目的普通石英砂 表观密度为
聚乙烯醇纤维为日本
公司生产 其性能见表 粉煤灰采用低钙灰 减水剂为
缓凝高效减水剂 水为普通自来水 试验中采用 个不同的粉煤灰掺量 具体材料配比如表 所示 编
增强水泥基复合材料拉伸荷载下应力 应变曲线可分为 弹性上升阶段 应变硬化阶段和应变软化阶
段 在所选取的材料及配比区间内
龄期时极限拉应变的最大值可达
临界裂纹宽度 与
极限应力相对应 与极限应变有关 一般规律为极限应变增加 临界裂纹宽度增大 在本文进行的配比
内 最小和最大临界裂纹宽度分别为
和
在水灰比分别为 和 时 复合材料 抗拉
性能的影响
表 聚乙烯醇
高延性纤维增强水泥基复合材料研究应用新进展
行调整 ， 将乱向短纤维增强水泥基复合材料的纤 维桥 联法作 为研 究 的理论基 础 ， 虑 纤 维特 性 、 考 基体特性和纤维／ 基体 的界面特性及其之间的相 互 影响 ， 建立 了获 得材 料应 变． 硬化特 性 的两个 设 计准则 ， 即第一起裂应力准则和裂缝稳态扩展准
Ｆ Ｃ 开 始 出 现 ， 砂 浆 渗 浇 钢 纤 维 混 凝 土 Ｒ Ｃ） 如 （ ｌｒ ｆｔ ｔｄＦｂｒＣ ｎ ｒｔ，ＩＣ Ｎ） 和 砂 Ｓｕｒ Ｉｉ ｒ ｅ ｉｅ ｏｃｅ ＳＦ Ｏ ｙ ｎ ｌａ ｅ
［ ７ ｉ ．Ｈｇ —ｕｔｉ ｏｃｅ ｒ ｅｉｅｔｎｒｓ ｃ １ ］Ｌ Ｃ ｉ ｄｃｉｔ ｃｎｒｔ ｆ ｓ ｉ ｆ ｔ — Ｖ ｈ ｌｙ ｅ ｏｒ ｌｎ ｉ ａ ｒ ｕ
收 稿 日期 ： ０ １０ －９ ２ １ －７ ０
作者简介 ： 韩建平 （９ ０ ） 男 ， １７ 一 ， 甘肃宕 昌人 ， 教授 ， 研究方向为工程结构抗震减震 、 结构健康监测及损伤诊 断（ ｍ ｉ：ｐ ａ ＠ｌｔｃ ） Ｅ ａｌ ｊｈｎ ｕ．ａ 基金项 目： 甘肃省高校基本科研业务费资助 （９ ４ Ｔ １２ ００Ｚ Ｂ５ ）
ｆｒ ｔｏ ｂ ｈ ｖｏｒ ｆ ｔｅ ｒｉ ｆｒ ｅ ＥＣＣ ｆｅ ｕ ａ ｏ ｍａ ｉｎ ｅ ａ ｉ பைடு நூலகம்ｏ ｓｅ ｌ ｅ ｎｏ ｃ ｄ ｌ ｘ ｒｌ
ｍ ｍ ｅｓ ｎ ｅ ｒ ｅｓｄｃｃ ｃｌ ｄｎ ｏｄｔ ｎ ［ ］ ｅ ｂ ｒ ｕ ｄｒ ｅ ｒ ｙｌ ａｉｇｃｎ ｉｏｓ Ｊ ． ｖ ｅ ｉｏ ｉ
（ ） ４ －５ ６ ： ３４ ．
［ ９ ｉ ｈ ｒ Ｌ ．Ｉｆ ｅ ｃ ｆ ａ ｉ ｄ ｃ ｌｙ ｎ ｈ １ ］Ｆｓ ｅ ｃ Ｇ， ｉ Ｃ ｎ ｕｎｅｏ ｔｘ ｕ ｔｉ ｅ Ｖ ｌ ｍ ｒ ｉｔｏ ｔ
超高韧性纤维增强水泥基复合材料基本力学性能
2009年9月水 利 学 报SH UI LI X UE BAO第40卷 第9期收稿日期:2008212212基金项目:国家自然科学基金重点项目(50438010);南水北调工程建设重大关键技术研究及应用(J G ZX JJ2006213)作者简介:徐世 (1953-),男,湖北人,博士,教授,主要从事混凝土断裂力学基本理论与工程应用、新型材料与结构、超高韧性水泥基复合材料和非金属纤维编织网增强混凝土结构研究。
E 2mail :slxu @文章编号:055929350(2009)0921055209超高韧性纤维增强水泥基复合材料基本力学性能徐世 ,蔡向荣(大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室结构分室,辽宁大连 116024)摘要:研制了采用高强高弹模聚乙烯醇纤维作为增强材,以精制水泥砂浆为基体的超高韧性水泥基复合材料。
本文通过单轴拉伸试验、四点弯曲试验、单轴抗压试验、三点弯曲断裂试验研究了这种新型材料的抗拉、抗弯、抗压和抗裂性能。
试验结果表明,该材料在拉伸和弯曲荷载作用下具有假应变硬化和多缝开裂特性,以及高延性、高韧性和高能量吸收能力。
极限荷载时的最大裂缝宽度在50μm 左右。
拉伸和弯曲试验测得的极限拉伸应变在3%以上,平均裂缝间距1mm 左右。
其抗压强度类似于混凝土,抗压弹性模量较低,但受压变形能力比普通混凝土大很多。
通过三点弯曲断裂试验证明,该材料的峰值荷载及其对应变形都较基体有明显的提高。
缺口拉伸试件和缺口梁试件均证明,该材料可以将单一裂缝细化成多条细裂缝,同时该材料具有对小缺口不敏感的特性。
4种试验的结果证明该材料在各种破坏荷载作用下均能保持良好的整体性,不发生碎裂破坏。
关键词:超高韧性水泥基复合材料;假应变硬化;多缝开裂;高延性;高韧性;高能量吸收能力中图分类号:T U5281572文献标识码:A1 研究背景水利工程是我国的一项基础产业工程,目前我国正在大规模、高速度地进行水利开发,2008年第四季度国家新增200亿元中央水利建设投资加快水利基础设施建设。
ECC的研究进展
ECC的研究进展苏磊材料科学与工程学院，无机非金属材料专业，班级：12材4，学号：201214030406 [摘要]：综述纤维分类及对水泥基复合材料阻裂、增强、增韧等力学性能的增强效果；分析了纤维增强水泥基复合材料的增强机理及作用。
通过对ECC的研究，认为其前景广泛，意义重大。
[关键词]：水泥基复合材料；纤维；ECC；混凝土是目前世界上应用最广泛的建筑材料。
在实际工程应用中，混凝土主要存在以下不足: 一是极限受拉荷载下的脆性破坏。
混凝土的抗拉强度较低，当受到拉应力作用时极易发生脆性破坏，如剥落、破碎等。
二是混凝土的耐久性问题。
如混凝土收缩、化学侵蚀以及热效应等环境因素所引起的耐久性问题，同时混凝土表面不断扩展的裂缝也会极大地影响结构的耐久性，缩短结构的服役寿命。
近年来，以ECC ( Engineering CementitiousComposites) 为代表的纤维增强水泥基复合材料引起国内外广泛关注。
与普通混凝土、钢纤维混凝土以及高性能混凝土相比，其在韧性、耐久性和抗疲劳性能等方面都有大幅度的提高和改善。
在美国、日本和欧洲等国家及地区，ECC 已经开始大量应用于边坡加固、桥面修复、桥梁连接板及高层建筑连梁等领域。
在国内，ECC 的研究主要还集中在试验室条件下的材料性能研究，尚没有ECC的工程应用实例。
1、纤维的分类纤维混凝土中常见的纤维按其材料性质可分为：金属纤维（如钢纤维、不锈钢纤维），无机纤维（如石棉等天然矿物纤维、抗碱玻璃纤维、抗碱矿棉、碳纤维等人造纤维），有机纤维（如聚丙烯、聚乙烯、尼龙、芳族聚酰亚胺等合成纤维和西沙尔麻等天然植物纤维）。
按其弹性模量可分为高弹模纤维（如钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等）和低弹模纤维（如聚丙烯纤维、某些植物纤维等）。
按其长度可分为非连续的短纤维和连续的长纤维（如玻璃纤维无捻粗纱、聚丙烯纤化薄膜等）。
制造纤维混凝土主要使用短纤维，但有时也使用长纤维或纤维制品（如玻璃纤维网格布和玻璃纤维毡等）。
PVA-钢混杂纤维增强水泥基复合材料的配合比及材料性能试验研究
PVA-钢混杂纤维增强水泥基复合材料的配合比及材料性能试验研究PVA-钢混纤维增强水泥基复合材料的配合比及材料性能试验研究摘要：本实验旨在研究PVA-钢混杂纤维增强水泥基复合材料的配合比与材料性能。
首先，通过对不同配合比的试样进行抗压强度测试，确定了最佳配合比。
随后，对最佳配合比的复合材料进行了抗拉强度、抗冻融性和抗裂性的试验研究。
实验结果显示，采用最佳配合比制备的PVA-钢混纤维增强水泥基复合材料具有较好的性能，适用于土木工程等领域的应用。
关键词：PVA-钢混纤维；水泥基复合材料；配合比；材料性能；抗压强度；抗拉强度1. 引言水泥基复合材料是一种应用广泛的建筑材料，具有良好的力学性能和耐久性。
然而，经常会出现开裂、抗拉强度不足等问题，限制了其在一些重要工程中的应用。
因此，通过添加纤维等增强材料来提高水泥基复合材料的力学性能已经成为了研究的热点。
2. 实验设计2.1 材料及设备本实验采用普通硅酸盐水泥、PVA混纤维和钢纤维作为原材料。
硅酸盐水泥为标号P.O 32.5；PVA-钢混杂纤维的体积含量为1%，2%，3%和4%；钢纤维的长度为30mm，直径为0.5mm。
2.2 配合比设计根据前期实验的结果，确定了最佳的水泥基复合材料配合比为水泥：砂：石：水=1:2.5:4:0.42，PVA-钢混杂纤维的体积含量为3%。
3. 结果与讨论3.1 抗压强度制备不同配合比的试样，经过28天养护后进行抗压强度测试。
结果显示，配合比为水泥：砂：石：水=1:2.5:4:0.42的试样具有最高的抗压强度，达到了40MPa。
该结果表明，该配合比的水泥基复合材料具有较好的抗压性能。
3.2 抗拉强度采用最佳配合比制备的试样进行了抗拉强度测试。
结果显示，抗拉强度随着PVA-钢混杂纤维的含量的增加而提高。
当PVA-钢混杂纤维的体积含量为3%时，试样的抗拉强度达到了6MPa，相比未添加纤维的试样提高了50%。
3.3 抗冻融性将最佳配合比的试样进行冻融循环试验，结果显示，经过50次循环后，试样的抗冻融性能仍然良好，无开裂和脱落现象。
超高性能混凝土-螺旋钢纤维拉拔力的解析解及实验验证
超高性能混凝土-螺旋钢纤维拉拔力的 解析解及实验验证
叶居东，杨贞军，刘国华，姚勇
(浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310058)
摘 要：为了研究螺旋钢纤维增强超高性能混凝土（UHPC）的破坏力学机理，开展不同埋长的纤维单根拉拔实验，
得 到 拉 拔 力 -位 移 全 过 程 曲 线 ， 采 用 微 观 X 光 断 层 扫 描 （ XCT） 对 拉 拔 前 、 后 的 基 体 变 形 进 行 观 测 . 实 验 结 果 显 示 ，
YE Ju-dong, YANG Zhen-jun, LIU Guo-hua, YAO Yong
(College of Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)
Abstract: The pullout force-displacement curves during the whole process were obtained by conducting pullout tests with a single fiber with different embedment length in order to analyze the damage mechanism of twisted steel fiber reinforced ultra-high performance concrete (UHPC). The micro X-ray computed tomography (XCT) scanning was conducted to analyze the deformation of the UHPC matrix before and after the fiber was pulled out. The test results show that the pullout curves can be simplified as a trilinear model consisting of an approximatively linear stage, a plastic “untwisting” stage and a sudden dropping stage. The micro-XCT images showed no evident damage in the fiber-UHPC channel after the fiber was pulled out, revealing the untwisting plasticity deformation mechanism special to the twisted steel fiber reinforced UHPC. The untwisting pullout force was independent of fibre embedment length as long as it was longer than an effective untwisting length. A simplified analytical solution for the untwisting pullout force was derived for fibres of rectangular section based on the experimental results and the plasticity theory. The solution agreed well with the experimental results. Key words: ultra–high performance concrete (UHPC); twisted steel fiber; micro X-ray computed tomography; pullout test; plastic untwisting; analytical solution
纤维增强水泥基复合材料
砂浆和玻璃纤维同时往模具上喷射的机理与直接喷射法相同。但它是 把坡璃纤维增强水泥喷射到一个带有减压装置的开孔台上，开孔台铺 有滤布。喷射完后，进行减压，通过滤纸或滤布，把玻璃纤维增强水 泥中的剩余水分脱掉。这种方法是成型水灰比低的高强度板状玻璃纤 维增强水泥的方法。 用喷射脱水法成型的刚脱水的未养护的板具有保持某种程度形状的能 力，因此，加上成型模具，可以进行弯曲加工等两次成型。 用喷射脱水法制作的制品，比直接喷射制品强度高，但制品形状仅限 于以板状或异形断面等的弯曲加工制造。喷射—脱水过程可通过机械 化很容易进行连续操作。
预混料注入到模具里后， 加压除去剩余水分，及 时脱模．可以提高生产 率，并能获得良好的表 面尺寸精度。这种方法 的要点是在加压时，根 据玻璃纤维增强水泥预 混料的配比来选定流动 性和剩余水的脱水方法。
使用这种方法制造的制 品，因形状和强度的原 因，使用范围有限。
与混凝土管的离心成型相同，在旋转的管状模具中喷入玻璃纤 维和水泥浆。该法能够控制纤维的方向性，使它有效地作用到 管子的结构强度上、而且在厚度方向上可以改变纤维量。
纤维增强水泥，无论在用途上，还是制法上， 都是处于开发的新材料。这里以玻璃纤维为 例来介绍纤维增强水泥的成型工艺。
直接喷射 法
抄造法
预混料浇 铸法
纤维增强 水泥
喷射脱水 法
压力法
Байду номын сангаас
离心成型法
把直径2mm以下的细骨料和水泥以及若干量的外加剂以一定的比例 进行拌合，制成水泥砂浆，经泵压送，用喷枪喷到模具面上。 同时，操作者手持喷射设备一边用粗纱切割器把耐碱玻璃纤维 精纱切成规定的长度(纤维的长度一般为12—50mm，含量为3 ％—5％)，一边重复水泥砂浆的喷吹途径直接将玻璃纤维喷射 到模具上而成型的。这种成型方法的关键是玻璃纤维的均匀分 散，以及喷射砂浆的脱泡和厚度的均匀性。这是最常用的成型 方法。
超高性能纤维增强混凝土中钢纤维拔出行为研究
第42卷第8期2023年8月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.8August,2023超高性能纤维增强混凝土中钢纤维拔出行为研究龚明子1,潘阿馨1,2,张子龙3,王㊀涛1,饶先鹏1,陈㊀晨1,黄㊀伟2,3(1.中交绿建(厦门)科技有限公司,厦门㊀361000;2.福州大学土木工程学院,福州㊀350116;3.福州大学先进制造学院,晋江㊀362200)摘要:自行研发的纤维定位装置可较为精准地控制钢纤维的空间位置,基于此,研究了钢纤维埋置深度㊁直径和埋置角度对超高性能纤维增强混凝土(UHPFRC)中钢纤维拔出行为的影响㊂结果表明:随着钢纤维埋置深度增加,钢纤维最大拔出力㊁拔出功㊁最大拔出应力及钢纤维强度利用率均呈不断提高的趋势,而最大平均黏结强度却呈减小的趋势;随着钢纤维直径增加,钢纤维最大拔出力㊁拔出功和最大平均黏结强度相应增加,而钢纤维强度利用率和最大拔出应力均减小;随着钢纤维埋置角度增大,钢纤维最大拔出力和拔出功呈先上升后下降的趋势,分别在埋置角度为45ʎ和30ʎ时达到最大,而埋置角度为75ʎ时,试件破坏模式表现为钢纤维拉断失效㊂关键词:超高性能纤维增强混凝土;钢纤维;拉拔;埋置参数;界面性能中图分类号:TU528㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)08-2764-09Pull-Out Behaviour of Steel Fiber in Ultra-High Performance Fiber Reinforced ConcreteGONG Mingzi 1,PAN Axin 1,2,ZHANG Zilong 3,WANG Tao 1,RAO Xianpeng 1,CHEN Chen 1,HUANG Wei 2,3(CC Green Construction (Xiamen)Technology Co.,Ltd.,Xiamen 361000,China;2.College of Civil Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350116,China;3.Institute of Advanced Manufacturing,Fuzhou University,Jinjiang 362200,China)Abstract :Based on the self-developed steel fiber position device that can accurately control the spatial position of steel fiber,the effects of steel fiber embedded depth,diameter and embedded angle on the pull-out behavior of steel fiber in ultra-high performance fiber reinforced concrete (UHPFRC)were studied.The results indicate that the maximum pull-out force,pull-out work,maximum pull-out stress and strength utilization rate of steel fiber increase with the increase of steel fiber embedded depth.However,the maximum average bond strength decreases with the increase of steel fiber embedded depth.With the increase of steel fiber diameter,the maximum pull-out force,pull-out work and maximum average bond strength of steel fiber increase correspondingly,while the strength utilization rate and maximum pull-out stress of steel fiber decrease.With the increase of steel fiber embedded angle,the maximum pull-out force and pull-out work of steel fiber increase first and then decrease.The maximum pull-out force and pull-out work reach the maximum value at 45ʎand 30ʎof embedded angle,respectively.When the embedded angle is 75ʎ,the failure mode of specimen is that the steel fiber is broken.Key words :ultra-high performance fiber reinforced concrete;steel fiber;pull-out;embedded parameter;interface performance㊀收稿日期:2023-04-28;修订日期:2023-05-29基金项目: 十三五 国家重点研发计划(2018YFC0705403);福建省自然科学基金(2021J05124);福建省中科院STS 计划配套项目(2022T3032);泉州市科技计划项目(2021N176S);厦门市建设局建设科技项目(XJK2022-1-20)作者简介:龚明子(1986 ),女,高级工程师㊂主要从事高性能土木工程材料的研究㊂E-mail:573212643@通信作者:黄㊀伟,博士,助理研究员㊂E-mail:WeiHuang@ 0㊀引㊀言超高性能纤维增强混凝土(ultra-high performance fiber reinforced concrete,UHPFRC)是一种新型水泥基㊀第8期龚明子等:超高性能纤维增强混凝土中钢纤维拔出行为研究2765复合材料,具有超高强度㊁超高韧性和优良耐久性等优点[1-2]㊂其中,钢纤维对UHPFRC起增强㊁增韧和阻裂作用㊂宏观上,钢纤维能够桥联UHPFRC基体中的微裂缝,阻止裂缝进一步扩展,极大程度地提升UHPFRC 的韧性;微观上,钢纤维与UHPFRC基体间的界面力学性能改善了界面薄弱区,进而提高UHPFRC整体的宏观力学性能,并改变其破坏模式㊂大量研究[3-5]表明,UHPFRC发生破坏时,往往表现出纤维被拔出破坏而非纤维拉断破坏㊂因此,探究UHPFRC中钢纤维的拔出行为可在细观层次上了解UHPFRC中钢纤维的增强㊁增韧机理[6-7]㊂纤维拉拔试验是研究钢纤维-混凝土基体界面力学性能常用的方法[8-11]㊂林晓溁[9]采用自行设计的半狗骨试验装置进行单根纤维的拔出试验,研究了UHPFRC基体与钢纤维对钢纤维拔出过程中界面力学行为的影响,结果表明,该装置试验成功率较高,平直型钢纤维表现出的综合性能最优,平均黏结强度和拔出功最大,分别达到了14MPa和160N㊃mm㊂Abu-Lebdeh等[10]采用 8 字形纤维拔出装置,比较了不同形貌的钢纤维与UHPFRC基体界面之间黏结性能,结果表明,端钩型钢纤维与基体之间的界面黏结强度最大,是圆直型钢纤维的5~6倍,同时揭示了异型钢纤维黏结强度提高的机理在于纤维拔出过程中拐点处所产生的机械锚固作用㊂梁恩[11]研究了不同钢纤维规格㊁类型和埋置深度对钢纤维和UHPFRC基体界面黏结性能的影响规律,试验发现,增大直径和埋置深度可明显提高钢纤维的黏结性能,特别是端钩型钢纤维㊂Beglarigale 等[12]研究表明:随着圆直型钢纤维嵌入长度增加,纤维-基体的拉拔特性有所改善;随着水灰比下降,钢纤维在UHPFRC中的黏结性能增加㊂综上可知,针对纤维拉拔试验,目前大多数研究均只考虑竖直方向上的纤维拉拔,而忽略了其他影响因素,如纤维在空间的埋置角度㊁埋置深度和纤维直径等,这与实际工程并不完全符合㊂为此,本文利用自行设计的钢纤维定位装置,系统研究了钢纤维埋置深度㊁直径及埋置角度对UHPFRC 中钢纤维拔出行为的影响,研究结果将为UHPFRC的制备与应用提供一定的理论基础㊂1㊀实㊀验1.1㊀原材料UHPFRC基体配合比如表1所示,水胶比为0.16㊂其中:水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥;硅灰的密度为2.0g/cm3,粒径为0.1~0.2μm,SiO2质量分数为97.57%;集料经过级配设计,由3种粒径(分别为10~<20μm㊁20~<40μm㊁40~70μm)的石英砂与400μm的石英粉组成;减水剂采用CX-8型高效减水剂,减水率约为30%㊂UHPFRC基体28d的抗压强度为126.7MPa㊂表1㊀UHPFRC基体配合比(质量比)Table1㊀Formulation of UHPFRC matrix(mass ratio)Cement Silica fume Silica powder Quartz sand40~70μm20~<40μm10~<20μm Superplasticizer10.30.090.140.410.530.025钢纤维是由赣州大业金属纤维有限公司生产的圆直型镀铜钢纤维原丝,抗拉强度为2850MPa,直径分别为0.2㊁0.3㊁0.5mm,待测钢纤维长度可根据试验需求进行裁剪㊂分别研究钢纤维直径㊁埋置深度㊁埋置角度对界面力学性能的影响,钢纤维拉拔试验参数如表2所示㊂其中,采用 钢纤维直径-钢纤维埋置深度的2倍-钢纤维埋置角度 方式对试件进行编号,如 031300 表示钢纤维直径为0.3mm,埋置深度为6.5mm,埋置角度为0ʎ㊂表2㊀钢纤维拉拔试验参数Table2㊀Investigated parameters of steel fiber pull-out testSpecimen No.Fiber diameter/mm Embedded depth/mm Embedded angle/(ʎ)0313000.3 6.500320000.310.000326000.313.000330000.315.000213000.2 6.502766㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷续表Specimen No.Fiber diameter /mm Embedded depth /mm Embedded angle /(ʎ)0513000.5 6.500313150.3 6.5150313300.3 6.5300313450.3 6.5450313600.3 6.5600313750.3 6.5751.2㊀制备与试验本文设计了一套钢纤维拔出定位装置,如图1所示,主要由含定位孔的框架模板与隔板组成㊂通过调节定位隔板的位置可调节钢纤维的埋置深度,如图1(a)所示㊂通过穿插不同的定位孔可调节钢纤维的埋置角度,如图1(b)所示㊂浇注UHPFRC 基体前,将预先裁剪好的钢纤维穿过对应的定位孔,拉紧钢纤维的两端使其保持直线,使用热熔胶枪对接口处涂抹上适量的热熔胶,保证钢纤维与模具装置处于固结状态,随后浇注UHPFRC 基体,如图1(c)所示㊂待标准养护24h 后进行拆模,首先对热熔胶位置进行加热使其融化,再依次小心拆除框架模板与隔板㊂随后,将试件放在标准养护室养护至28d㊂图1㊀钢纤维拉拔试验定位装置Fig.1㊀Steel fiber pull-out test positiondevice 图2㊀钢纤维拉拔试验图Fig.2㊀Diagram of steel fiber pull-out test 采用WDW-30微机控制电子万能试验机进行钢纤维拉拔试验,采用位移加载控制,位移精度为0.01mm,量程为2~500N,加载速率为1.08mm /min㊂测试时,将试件放置于特制的凹字形夹具中,调节试件高度,使钢纤维自由端与楔形夹具处于同一高度,同时微调试件位置,确保钢纤维自由端受拉时处于竖直方向,如图2所示㊂试验获得钢纤维拔出荷载-位移(P-S )曲线,每组6个试件,取平均值作为试验代表值㊂1.3㊀分析方法钢纤维拔出性能特征值包括最大拔出力㊁最大平均黏结强度㊁拔出功㊁单位面积拔出功㊁最大拔出应力及钢纤维强度利用率[13-14]㊂其中,前二者均反映了钢纤维与UHPFRC 基体之间界面的力学性能,最大拔出力为拔出过程中钢纤维与基体间的最大作用力,即P-S 曲线的峰值点荷载;最大平均黏结强度是最大拔出力作用下,钢纤维与基体接触面上单位面积受到的黏结力,由式(1)计算[15]㊂τmax =P max A f,s =P max πd f l A (1)式中:τmax 为钢纤维的最大平均黏结强度,MPa;P max 为钢纤维的最大拔出力,N;A f,s 为钢纤维与基体接触面积,即埋置部分的侧面积,mm 2;d f 为钢纤维的直径,mm;l A 为钢纤维的埋置深度,mm㊂第8期龚明子等:超高性能纤维增强混凝土中钢纤维拔出行为研究2767㊀拔出功与单位面积拔出功是衡量钢纤维拔出过程耗能的指标㊂其中,拔出功指的是钢纤维拔出过程的总耗能,即P-S 曲线与坐标轴的包络面积[16],由式(2)计算㊂单位面积拔出功指的是单位接触面积的拔出耗能,反映钢纤维与基体的黏结状况,由式(3)计算㊂W P =ʏl A 0p (x )d x (2) W P =W p πd f l A(3)式中:W P 为钢纤维的拔出功,N㊃mm;p (x )是位移为x 时的拔出力; W P 为单位面积拔出功,N /mm㊂钢纤维的最大拔出应力和强度利用率是表征钢纤维自身受力特征的指标㊂其中,最大拔出应力反映了钢纤维在拔出过程受到的最大拉应力,由式(4)计算㊂钢纤维强度利用率表征了钢纤维拔出过程中自身的强度储备,通过式(5)进行计算,当钢纤维强度利用率为100%时,试件失效形态表现为钢纤维被拔断破坏㊂σf,max =P max A f =4P max πd 2f (4)ρf =σf,max f tf (5)式中:σf,max 为钢纤维的最大拔出应力,MPa;A f 为钢纤维横截面积,mm 2;f tf 为钢纤维抗拉强度,MPa;ρf 为钢纤维强度利用率㊂2㊀结果与讨论2.1㊀钢纤维埋置深度的影响图3为不同埋置深度钢纤维的荷载-位移(P-S )曲线㊂由图3可知,随着埋置深度的增加,钢纤维在外力作用下产生的P-S 曲线与坐标轴之间的包络面积逐渐变大㊂整体上,P-S 曲线大致可分为上升和下降两个阶段,其中,上升段曲线接近于一条直线,此时钢纤维与UHPFRC 基体处于脱黏阶段,主要受到钢纤维与基体之间化学黏结的作用[17]㊂达到最大拔出力后,荷载开始逐渐下降,直至钢纤维完全拔出,此时钢纤维处于滑移阶段,主要受到钢纤维与基体之间摩擦力的作用[8],因此下降段的曲线波动较大㊂最大拔出力和最大平均黏结强度随着钢纤维埋置深度的变化如图4所示㊂由图4可知,最大拔出力随着埋置深度的增加而增大,当埋置深度为15.0mm 时,最大拔出力达到93.31N,是埋置深度为6.5mm 时的1.78倍,这是由于钢纤维与基体的接触面积不同,最大拔出力随着钢纤维与基体接触面积的增大而增大㊂然而,最大平均黏结强度随着埋置深度增加而减小,埋置深度6.5mm 组别的最大平均黏结强度最大,为8.56MPa,是埋置深度15.0mm 组别的1.30倍㊂这是由于最大平均黏结强度和钢纤维的埋置深度成反比,随着埋置深度的增大,最大平均黏结强度反而减小㊂图3㊀不同埋置深度钢纤维的荷载-位移曲线Fig.3㊀Load-displacement curves of steel fiber with different embeddeddepths 图4㊀钢纤维-基体界面力学性能随钢纤维埋置深度的变化Fig.4㊀Evolution of mechanical properties of steel fiber-matrix interface with steel fiber embedded depth2768㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷2.1.1㊀钢纤维埋置深度对拔出过程耗能的影响图5为钢纤维拔出功和单位面积拔出功随钢纤维埋置深度的变化㊂由图5可知,钢纤维的拔出功随着埋置深度的增加而增加,当埋置深度为6.5mm 时,拔出功最小,拔出功在埋置深度为15.0mm 时达到最大,为677.63N㊃mm,是前者的3.64倍㊂单位面积拔出功同样随埋置深度的增加而增大,且埋置深度对单位面积拔出功的影响显著,埋置深度为15.0mm 时的单位面积拔出功是埋置深度为6.5mm 时的1.58倍㊂因此,埋置深度越大,钢纤维的单位面积耗能越大㊂Naaman 等[18]研究表明,钢纤维在拔出过程中,基体界面脱落的颗粒会在内部产生楔形效应,增强钢纤维与基体的机械咬合力,显著提升钢纤维拔出过程的耗能,埋置深度越大,楔形效应越显著㊂2.1.2㊀钢纤维埋置深度对钢纤维受力性能的影响钢纤维受力性能随钢纤维埋置深度的变化如图6所示㊂由图6可知,钢纤维受力性能变化与最大拔出力的变化规律一致,均随着埋置深度的增加而增大㊂当埋置深度为15.0mm 时,钢纤维的最大拔出应力和强度利用率分别达到了1320.06MPa 和46.32%,均是埋置深度6.5mm 组别的1.78倍㊂值得注意的是,试验测得的钢纤维强度利用率均小于100%,试件破坏模式均表现为纤维拔出失效㊂图5㊀钢纤维拔出过程耗能随钢纤维埋置深度的变化Fig.5㊀Evolution of energy dissipation of steel fiber pull-out with steel fiber embeddeddepth 图6㊀钢纤维受力性能随钢纤维埋置深度的变化Fig.6㊀Evolution of mechanical properties of steel fiber with steel fiber embedded depth 2.2㊀钢纤维直径的影响图7㊀不同直径钢纤维的荷载-位移曲线Fig.7㊀Load-displacement curves of steel fiber with different diameters 图7为不同直径钢纤维的荷载-位移(P-S )曲线㊂从图7中可以看出,钢纤维直径对UHPFRC 基体中钢纤维的拔出行为具有较大的影响,钢纤维直径为0.2mm 时的P-S 曲线与钢纤维直径为0.3mm 时的较为接近,而钢纤维直径为0.5mm 时的P-S 曲线所包络的面积远大于前两者㊂钢纤维的最大拔出力和最大平均黏结强度随钢纤维直径的变化如图8所示㊂由图8可知,从整体上看,钢纤维的最大拔出力和最大平均黏结强度均随着钢纤维直径的增加而增加㊂直径0.2mm 组别的最大拔出力最小,直径0.3㊁0.5mm 组别的最大拔出力分别是前者的1.53倍和3.85倍,直径0.5mm 组别的最大拔出力为131.62N㊂同样,当钢纤维直径为0.2mm 时,最大平均黏结强度最小,仅为8.36MPa,钢纤维直径0.3㊁0.5mm 组别的最大平均黏结强度分别是前者的1.02倍和1.54倍㊂与埋置深度组别类似,直径较大的钢纤维与基体的接触面积较大,因此钢纤维所需的最大拔出力也相应较大㊂第8期龚明子等:超高性能纤维增强混凝土中钢纤维拔出行为研究2769㊀2.2.1㊀钢纤维直径对拔出过程耗能的影响钢纤维拔出功和单位面积拔出功随钢纤维直径的变化如图9所示㊂由图9可知,从整体趋势上看,钢纤维单位面积拔出功随着钢纤维直径的增大而增大,且直径越大其增长率越大㊂当钢纤维直径为0.2mm 时,钢纤维的拔出功最小,仅为110.94N㊃mm,当钢纤维直径为0.5mm 时,钢纤维的拔出功最大,为524.91N㊃mm,是前者的4.73倍㊂同样,直径大的钢纤维单位面积拔出功也大,当钢纤维直径为0.5mm 时,单位面积拔出功是最小组别的1.89倍㊂其原因在于,拔出功受钢纤维与基体的接触面积影响,随接触面积的增大而增加㊂图8㊀钢纤维-基体界面力学性能随钢纤维直径的变化Fig.8㊀Evolution of mechanical properties of steel fiber-matrix interface with steel fiberdiameter 图9㊀钢纤维拔出过程耗能随钢纤维直径的变化Fig.9㊀Evolution of energy dissipation of steel fiber pull-out with steel fiber diameter2.2.2㊀钢纤维直径对钢纤维受力性能的影响图10㊀钢纤维受力性能随钢纤维直径的变化Fig.10㊀Evolution of mechanical properties of steel fiber with steel fiber diameter 钢纤维自身受力性能随钢纤维直径的变化如图10所示㊂由图10可知,钢纤维最大拔出应力和强度利用率均随着钢纤维直径的增大而减小,与钢纤维拔出过程的耗能变化相反㊂当钢纤维直径为0.2mm时,钢纤维获得最大的拔出应力和强度利用率,分别为1087.35MPa 和38.15%,当钢纤维直径为0.5mm 时,钢纤维的最大拔出应力和强度利用率均仅为前者的61.6%,分别为670.34MPa 和23.52%㊂这是因为圆直型钢纤维直径越大,钢纤维的横截面积就越大,钢纤维的最大拔出应力随着横截面积的增大而减小,导致钢纤维强度利用率也随之减小㊂与此同时,在三组直径钢纤维拔出试验中,钢纤维的强度利用率仍然全部小于100%,因此,试验破坏模式仍旧表现为纤维拔出失效㊂2.3㊀钢纤维埋置角度的影响图11为不同埋置角度钢纤维的荷载-位移(P-S )曲线㊂由图11可知,随着钢纤维埋置角度的增大,P-S 曲线逐渐向右移动,当埋置角度为45ʎ时峰值荷载达到最大值㊂这是因为改变钢纤维的空间埋置角度,影响了钢纤维与受拉方向的一致性,钢纤维在拉拔过程中,受到了基体的物理锚固作用,增加了钢纤维的抗拉拔性能,特别是在拔出路径的转折处,钢纤维一定程度上发生了变形[19]㊂值得注意的是,当埋置角度为75ʎ时,试件的破坏模式表现为钢纤维拉断失效,当埋置角度为60ʎ时,仅有两个试件发生纤维拉断失效,其余组别试验的破坏模式则均表现为纤维拔出失效,这表明钢纤维的埋置角度越大,试件发生纤维拉断失效的概率越高㊂钢纤维的最大拔出力和最大平均黏结强度随钢纤维埋置角度的变化如图12所示㊂其中,埋置角度为75ʎ的试件以其钢纤维拉断时的荷载作为最大拔出力㊂从图12中可知,随着埋置角度的增加,最大拔出力和2770㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷最大平均黏结强度均呈先上升后下降的趋势,当埋置角度为45ʎ时,钢纤维的最大拔出力和最大平均黏结强度达到最大,分别为72.56N和5.13MPa㊂这是因为当埋置角度为45ʎ时,钢纤维受到上夹具的拉力在轴线方向上的投影最大,即钢纤维受到的有效拉力最大,因此,钢纤维与UHPFRC基体之间产生最大的应力集中㊂Laranjeira等[20]研究也认为,当钢纤维埋置的轴线方向与拔出力方向存在夹角时,在钢纤维拔出过程中,钢纤维将发生拔出方向的转变,此时钢纤维将与基体之间产生相对滑动,这种相对滑动产生的摩擦力将使钢纤维的拔出阻力增大㊂由此可知,当埋置角度较大时,钢纤维的弯折角度也会相应增大,这将导致埋入端附近产生应力集中现象,使该区域的界面损伤演化速度加快,导致界面整体的承载力降低㊂图11㊀不同埋置角度钢纤维的荷载-位移曲线Fig.11㊀Load-displacement curves of steel fiber with different embeddedangles图12㊀钢纤维-基体界面力学性能随钢纤维埋置角度的变化Fig.12㊀Evolution of mechanical properties of steel fiber-matrix interface with steel fiber embedded angle2.3.1㊀钢纤维埋置角度对拔出过程耗能的影响钢纤维拔出功和单位面积拔出功随钢纤维埋置角度的变化如图13所示㊂由图13可知,两条曲线变化规律基本一致,随着埋置角度的增加,钢纤维拔出功与单位面积拔出功均呈先上升后下降的趋势,埋置角度为30ʎ时最大,埋置角度为0ʎ时最小,最大拔出功为214.44N㊃mm㊂2.3.2㊀钢纤维埋置角度对钢纤维受力性能的影响钢纤维受力性能随钢纤维埋置角度的变化如图14所示㊂由图14可知,钢纤维最大拔出应力和钢纤维强度利用率随着钢纤维埋置角度的增加先上升后下降,在埋置角度为45ʎ时,达到最大,分别为1025.67MPa 和35.99%㊂需要说明的是,在埋置角度为60ʎ与75ʎ的试验中,均出现了钢纤维拉断失效的破坏模式,但这并不意味着其钢纤维的强度利用率达到100%,由前述钢纤维埋置角度产生的有效强度可知,当钢纤维的埋置方向与受力方向存在夹角时,将会使钢纤维在埋入端发生弯折,从而导致钢纤维提供的有效强度产生损失,弯折的角度越大,强度损失越大,致使钢纤维的有效强度利用率在开始施加荷载时就大幅降低㊂图13㊀钢纤维拔出过程耗能随钢纤维埋置角度的变化Fig.13㊀Evolution of energy dissipation of steel fiber pull-out with steel fiber embeddedangle 图14㊀钢纤维受力性能随钢纤维埋置角度的变化Fig.14㊀Evolution of mechanical properties of steel fiber with steel fiber embedded angle㊀第8期龚明子等:超高性能纤维增强混凝土中钢纤维拔出行为研究2771 3㊀结㊀论1)设计出用于纤维拉拔试验的钢纤维定位装置,可较精准地控制钢纤维的空间位置,包括埋置深度和埋置角度㊂2)随着钢纤维埋置深度的增加,钢纤维最大拔出力㊁拔出功以及强度利用率均呈不断提高的趋势,在钢纤维埋置深度为15.0mm时,分别达到93.31N㊁677.63N㊃mm和46.32%,而最大平均黏结强度却随着钢纤维埋置深度的增加而减小,最小为8.56MPa㊂3)钢纤维最大拔出力和拔出功均随着钢纤维直径的增加而提高,在钢纤维直径为0.5mm时,分别为131.62N和524.91N㊃mm,钢纤维强度利用率和最大拔出应力随着钢纤维直径的增大而减小,在钢纤维直径为0.5mm时,分别为23.52%和670.34MPa㊂4)随着钢纤维埋置角度的增大,钢纤维最大拔出力与拔出功均先上升后下降,分别在45ʎ和30ʎ时达到最大,为72.56N和214.44N㊃mm㊂在埋置角度为75ʎ时,试件破坏模式表现为钢纤维拉断失效㊂参考文献[1]㊀陈宝春,季㊀韬,黄卿维,等.超高性能混凝土研究综述[J].建筑科学与工程学报,2014,31(3):1-24.CHEN B C,JI T,HUANG Q W,et al.Review of research on ultra-high performance concrete[J].Journal of Architecture and Civil Engineering,2014,31(3):1-24(in Chinese).[2]㊀陈宝春,林毅焌,杨㊀简,等.超高性能纤维增强混凝土中纤维作用综述[J].福州大学学报(自然科学版),2020,48(1):58-68.CHEN B C,LIN Y J,YANG J,et al.Review on fiber function in ultra-high performance fiber reinforced concrete[J].Journal of Fuzhou University(Natural Science Edition),2020,48(1):58-68(in Chinese).[3]㊀陈从春,冯㊀毅,陈晓冬.钢纤维体积掺量对超高性能混凝土力学性能的影响[J].新型建筑材料,2016,43(5):54-56.CHEN C C,FENG Y,CHEN X D.Influence of 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钢纤维对UHPC拉伸性能及其拔出行为的影响
建筑材料学报JOURNAL OF BUILDING MATERIALS第24卷第2期2021年4月Vol. 24,No. 2Apr. ,2021文章编号；1007-9629(2021)02-0276-07钢纤维对UHPC 拉伸性能及其拔出行为的影响赵一鹤1,2,孙振平1，2,穆帆远1显，庞 敏1，2,李 飞1，2,3(1.同济大学材料科学与工程学院，上海201804； 2.同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海201804； 3.上海城建物资有限公司，上海200063)摘要：采用单轴拉伸试验和单丝拉拔试验探究了钢纤维形状、长度与直径对超高性能混凝土(UH-PC)拉伸性能及钢纤维拔出行为的影响，并结合部分单丝拉拔试验样晶的钢纤维表面形貌和钢纤 维-基体界面的扫描电子显微镜(SEM)观察结果，对前述影响进行了合理解释.结果表明：掺有端 钩型钢纤维的UHPC 拉伸性能和钢纤维单丝拉拔性能普遍优于同直径同长度的平直型钢纤维，端钩型钢纤维的锚固力是导致其拉伸全应力-应变曲线出现"屈服段”和拉拔载荷-位移曲线出现平台期的原因；无论平直型还是端钩型钢纤维，当钢纤维直径相同时,UHPC 的初裂强度随钢纤维长度增加而呈先增大后减小趋势，当钢纤维长度为16 mm 时获得最优UHPC 拉伸性能与钢纤维单丝拉拔性能；随着钢纤维直径的增加，掺有相同长度端钩型钢纤维的UHPC 拉伸性能与钢纤维单丝拉拔性能逐渐变差，原因在于随着钢纤维直径的增加，钢纤维-基体界面出现泌水，导致混凝土局部 孔隙增多，结构疏松.关键词：超高性能混凝土(UHPC)；钢纤维；拉伸性能；拔出行为；界面中图分类号:TU52& 572文献标志码：A doi ：10. 3969/j. issn. 1007-9629. 2021. 02. 007Effect of Steel Fibers on Tensile Properties of Ultra-highPerformance Concrete and Its Pullout BehaviorZHAOYihe 12, SUN Zhenping 1-2, MU Fanyuan 1'2, PANG Min 1'2, LI Fei 1'2'3(1. School of Materials Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2. Key Laboratory ofAdvanced Civil Engineering Materials o£ Ministry of Education , Tongji University, Shanghai 201804, China :3. Shanghai Urban Construction Engineering(Group) Co. , Ltd. , Shanghai 200063, China)Abstract : Effect of type, length and diameter of steel fibers on the tensile properties of ultra-high perform ance concrete(UHPC) and its pullout behavior were investigated through the uni-axial tensile test and sin gle fiber pullout test. It can be explained by scanning electron microscope (SEM) results of fiber surfaceand interfacial transition zone(ITZ). The results show that the tensile properties and pullout behavior ofUHPC with end-hooked fiber are better than that of UHPC with straight fiber. Compared to straight fi ber, better bonding properties of ITZ between end-hooked fiber and matrix contributes to the a yield peri-od ” in tensile stress-strain curve and platform period of pullout curve. For both type of steel fiber of thesame diameter, the elastic tensile strength increases at first and then decreases as fiber length increases.The optimum tensile property and pullout behavior are gained at the length of 16 mm. For UHPC with end-hooked fibers at the same length, the tensile property and pullout behavior declines, due to increasing收稿日期：2019-10-09；修订日期=2020-02-02基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1534207,51678441);上海市经信委专项资金项目(沪CXY-2016-012)；上海市建委专项课题(住建管2017-001-009)；上海市2019年度“联盟计划”资助项目(LM201947)第一作者：赵一鹤(1996—),女，浙江杭州人，同济大学硕士生.E-mail ：1830648@tongji. edu. cn通讯作者:孙振平(1969—)，男，新疆奇台人，同济大学教授，博士生导师，博士. E-mail :szhp©tongji. edu. cn第2期赵一鹤，等:钢纤维对UHPC拉伸性能及其拔出行为的影响277parosity and bleeding in ITZ at a large diameter.Key words:ultra-high performance concrete(UHPC);steel fiber;tensile property;pullout behavior;interfacial transition zone超高性能混凝土（UHPC）中胶凝材料用量较高，水胶比极低，且常掺加随机分布的短纤维以提高其强度和韧性W2002年法国颁布了UHPC 设计指南⑷，根据拉伸全应力-应变曲线，将UHPC 分为高应变强化、低应变强化和应变软化3类，这是当前世界普遍认同的UHPC分类方法.对于高应变强化与低应变强化类型的UHPC,其曲线分为应力随应变呈线性增长的弹性段，应力非线性增长至极限拉伸强度的强化段，和应力逐渐下降的软化段，极限拉伸强度所对应的极限拉伸应变越大，则其应变强化程度越高•对于应变软化类型的UHPC,其曲线只存在弹性段和软化段，不存在强化段旳.UHPC基体和纤维之间良好的协同作用使UHPC拥有优越的拉伸性能.与平直型纤维相比，在UHPC中掺加异型纤维能获得更好的极限拉伸强度⑷，掺加较高长径比的纤维亦可提升其应变强化程度，但建议纤维的长径比不超过80或长度不超过30mm"」.由于纤维-基体间的黏结力和纤维桥接作用承担基体开裂后的主要载荷，故纤维的拔出行为成了国内外的研究重点•然而部分文献仅关注了纤维单因素对UHPC宏观拉伸性能的影响，并未从微观角度探讨纤维各因素对其拔出行为的影响机理金⑶•为弥补现有研究的不足，考虑到钢纤维常用于UHPC增强增韧，且效果优于其他材质纤维，故本文选用长度不超过20mm的钢纤维，研究其形状、长度与直径等对UHPC拉伸性能的影响，以及在受拉情况下钢纤维从基体中的拔出行为，以期为UHPC中钢纤维的选择和应用提供参考数据.1试验1.1UHPC基体原材料及配合比UHPC基体的原材料包括：52.5级普通硅酸盐水泥;颗粒平均直径为1.5的粉煤灰；S95矿渣粉;920硅灰;粒径范围分别为直径270〜550和150〜212M m的石英砂，试验时以最紧密堆积方案配合;聚竣酸系减水剂PC200C粉状），减水率（质量分数）＞25%；符合JGJ63—2006《混凝土用水标准》的混凝土拌和用水.UHPC基体的配合比（质量比）见表1.表1UHPC基体配合比Table1Mix proportion of UHPC matrix w/% Cement Fly ash Slag Silica fume Sand Water PC200 1.000.130.130.07 1.000.270.01 1.2钢纤维采用平直型和端钩型2种形状的市售钢纤维,分为3组:P组为同直径不同长度的平直型钢纤维, DA组为同宜径不同长度的端钩型钢纤维,DB为同长度不同宜径的端钩型钢纤维•其规格如表2所示.本试验中钢纤维的体积分数均为2.5%.表2钢纤维规格Table2Geometries of steel fibersFiber type Appearance Group No.Diameter/mmLength/mmP22130.2213 Straight P P22160.2216P22180.2218D22130.2213DA D22160.2216 End-hookedD22180.2218D30200.3020DB D35200.3520D50200.5020 1.3试验方法1.3.1单轴拉伸试验按表1称取UHPC基体的原材料，将原材料（不包括水）置于搅拌锅中，干混90s后将水缓慢倒入搅拌锅中，继续搅拌5min直至充分拌和.再投入钢纤维，继续搅拌6min后停机出料，每组成型3根“骨头型”试件，靠拌和物自重填充模具，1d后拆模并置于（20士1）°C水中养护至规定龄期.试件编号形式为“钢纤维编号-UHPC”.UHPC的单轴拉伸试验在30t电子伺服万能试验机上进行,采用王俊颜等匚⑷设计的一套特殊夹具.试件由上下2个夹具固定，中部拉伸段固定有2个矩形金属架，这2个金属架之间距离即为试件的测试标距L（本试验取150mm）.金属架四角置4个精度为0.0001mm的线性可变位移计（LVDT）,LVDT所测位移的平均值与L的比值即为试件轴拉应变,与计算机自动采集的轴拉应力绘成拉伸全应力-应变曲线.278建筑材料学报第24卷设定试验加载速率为0.2mm/min,持续加载直至试件拉应力小于峰值应力的2/3.1.3.2单丝拉拔试验参照CECS13：2009((纤维混凝土试验方法标准》中钢纤维与水泥砂浆黏结强度试验方法，进行28d单丝拉拔试验.试验所用“8”字形金属模具符合GB/T16777^2008((建筑防水涂料试验方法》中的规定,在试件中部最小截面处放置厚度为1.0mm 的塑料隔板，隔板上开有5个等距一字排开的孔用于放置钢纤维•单丝拉拔试验结果在无钢纤维断裂的情况下取5根钢纤维的平均值，每组3个试件•拉拔载荷与位移均由30t电子伺服万能试验机实时测量得出，试验加载速率为0.2mm/min,持续加载直至试件拉应力为零，此时钢纤维完全拔出或拉断.黏结强度6按式(1)计算：P⑴式中：Pm为钢纤维拔出时最大载荷,N；〃f为钢纤维直径,mm；Z f为埋入深度，mm.拔出能W按式(2)计算：W=jp(Lr(2)式中：P为载荷，N；允为拔岀位移，mm.拔出能用单丝拉拔试验得到的拉拔载荷-位移曲线面积进行计算.1.3.3扫描电子显微镜(SEM)观察利用扫描电子显微镜(SEM)观察单丝拉拔试验中各样品钢纤维表面形貌与钢纤维-基体界面.由于钢纤维长度对单丝拉拔性能的影响机制难以用微观形貌表征，故只选取了同长度不同直径的3种端钩型钢纤维(DE组)的单丝拉拔试验样品，观察拔出的钢纤维表面.另选取了D5020钢纤维的单丝拉拔试验样品，对钢纤维-基体界面进行喷金处理后观察.2结果与讨论2.1拉伸性能2.1.1钢纤维形状对UHPC拉伸性能的影响掺有同直径不同长度平直型和端钩型钢纤维的UHPC拉伸全应力-应变曲线如图1所示.由图1可见:所有曲线弹性段、强化段和软化段区别明显；掺DA组钢纤维的UHPC在弹性段和强化段之间存在类似钢筋拉伸时的“屈服段”，表现为拉伸强度基本保持不变而拉伸应变持续增长；而掺P组钢纤维的UHPC在弹性段结束后直接进入强化段•这是因为弹性段UHPC基体破坏后，P组钢纤维拔出过程中仅需克服钢纤维本身与基体的摩擦阻力以及化学胶结力，而DA组钢纤维还需要克服端钩部分与基体间的锚固力，使其拥有更高的极限拉伸强度和极限拉伸应变，同时也是其“屈服段”的来源.&dIWSSMS0100020003000400050006000Strain/(|Lim,m_1)(a)UHPC with straight fiber(P)428642111111EdwssMS0100020003000400050006000Strain/(|Lim・nfi)(b)UHPC with end-hooked fiber(DA)图1掺有同直径不同长度平直型和端钩型钢纤维的UHPC拉伸全应力-应变曲线Fig.1Tensile stress-strain curves of UHPC with steel fibers of the same diameter and different lengths(P and DA)2.1.2钢纤维长度对UHPC拉伸性能的影响由图1还可见:无论平直型还是端钩型钢纤维，当其直径相同时,UHPC均在钢纤维长度为16mm 时获得了最大的初裂强度.P2218-UHPC极限拉伸应变为2534M m/m,分别为P2213-UHPC(954M m/m)的2.6倍和P2216-UHPCC2365M m/m)的1.1倍，D2218-UHPC获得了最大极限拉伸强度(12.7MPa)与极限拉伸应变(4232ym/m),可见相同直径下钢纤维越长，对UHPC的应变强化效果越明显•根据曲线形态，P2213-UHPC为低应变强化UHPC, P2216-UHPC和P2218-UHPC为高应变强化UH-PC,掺DA组钢纤维的UHPC则全部为高应变强化UHPC.其中D2216-UHPC的曲线在强化段出现回转，主要是因为在单轴拉伸试验过程中，主裂缝出现第2期赵一鹤，等:钢纤维对UHPC拉伸性能及其拔出行为的影响279在标距外,导致应力松弛，标距内的试件应变减小.2.1.3钢纤维直径对UHPC拉伸性能的影响图2是掺有同长度不同直径端钩型钢纤维的UHPC拉伸全应力-应变曲线.由图2可见：当钢纤维直径在0.30mm以上时，端钩型钢纤维的应变强化作用明显减弱，仅D3020-UHPC可以实现一定程度的应变强化,D3520-UHPC表现为应变软化，而D5020-UHPC表现为脆性断裂.钢纤维直径越大，掺DB组钢纤维的UHPC初裂强度与初裂应变越小•当掺入D5020时，UHPC单位体积内的钢纤维根数降低，减弱了钢纤维在UHPC拉伸过程中的增韧效果•观察D5020-UHPC断面可见，大量钢纤维沉积在试件底部，试件中部和上部仅有少数钢纤维分布，因此若选用直径较大的钢纤维，应调整UHPC基体的黏聚性，避免钢纤维沉积.图2掺有同长度不同直径端钩型钢纤维的UHPC拉伸全应力-应变曲线Fig.2Tensile stress-strain curves of UHPC with end-hooked steel fibers of the same length anddifferent diameters2.2拔出行为及其机理2.2.1钢纤维形状对UHPC中钢纤维拔出行为的影响根据式(1).(2)计算得到3组钢纤维的黏结强度及拔出能，结果如表3所示.由表3可见：当钢纤维直径相同时,DA组的整体表现优于P组；钢纤维长度为16mm时，P组和DA组的黏结强度和拔出能均为最优，D2216的黏结强度和拔出能分别是P2216组的4.2倍和2.3倍；当钢纤维长度相同时，随着纤维直径的增加，DB组钢纤维的黏结强度和拔出能均下降，从而影响对应UHPC的拉伸性能.图3为同直径不同长度的平直型和端钩型钢纤维的拉拔载荷-位移曲线.由图3可见，由于平直型钢纤维无弯曲，故不存在锚固力对拉拔载荷的贡献口刃，因此导致了P组与DA组拉拔载荷-位移曲表3钢纤维的黏结强度及拔出能Table3Bond strength and pullout energy of steel fibers Group No.&/MPa W/(N・mm)P22130.23 3.41 P P22160.7117.85P22180.329.20D2213 2.2320.50 DA D2216 2.9841.36D2218 1.8637.13D3020 3.31152.16 DB D3520 2.49113.02D5020 1.69101.56线形态的不同，且使P组获得了更小的拉拔载荷，从而降低了掺P组钢纤维UHPC的极限拉伸强度和应力强化程度.2.2.2钢纤维长度对UHPC中钢纤维拔出行为的影响由图3可见:P2216具有最大的拉拔载荷，其纤维脱黏阶段可见3个能量耗散峰，对应5根纤维中的3根陆续达到完全脱黏.3种纤维的黏结强度和拔出能也与其对应的P2216-UHPC极限拉伸强度大小关系保持一致，证明对于平直型钢纤维，钢纤维-基体界面的化学胶结力在UHPC发生初裂后起到了主要的抗拉作用口的，且导致UHPC产生了不同程度的应力强化.D2213.D2216与D2218均在位移为1.3mm左右时达到最大拉拔载荷,分别为50.1、82・3.57.7N,分别为同直径同长度平直型钢纤维的9.6、4・2、5・8倍•达到最大拉拔载荷后端钩型钢纤维发生形变，其端钩逐渐被拉开，曲线“平台期”(位移在2.0〜3.0mm之间)钢纤维不再形变口门，而是在化学胶结力和锚固力的共同作用下屈服，载荷由未被完全拉直的端钩锚固力提供“⑼，是UHPC拉伸全应力-应变曲线中“屈服段”的来源.2.2.3钢纤维直径对UHPC中钢纤维拔出行为的影响图4为同长度不同直径DB组端钩型钢纤维的拉拔载荷-位移曲线.由图4可见:D3020,D3520和D5020的最大拉拔载荷分别为155.8.136.7.132.3 N；其中D3520在平台期后出现第2个峰，这是因为其端钩与基体咬合较紧密，锚固力使得拉拔载荷再次上升，出现多个峰段皈，因此在对应的D3520-UH-PC拉伸全应力-应变曲线“屈服段”后会有明显的拉伸强度增长而非直接进入软化段(见图2)；D5020的280建筑材料学报第24卷(a)Straight fiber(P)(b)End-hooked fiber(DA)图3同直径不同长度平直型和端钩型钢纤维的拉拔载荷-位移曲线Fig.3Pullout curves of steel fibers of the same diameter and different lengths(P and DA)x/mm图4同长度不同直径DB组端钩型钢纤维的拉拔载荷-位移曲线Fig.4Pullout curves of DB group end-hooked steel fibers of the same length and different diameters拉拔载荷-位移曲线在2.7mm进入平台期，早于D3520C3.3mm）和D3020C3.6mm）,即钢纤维直径越大，拉拔载荷-位移曲线越早进入平台期，反映在单轴拉伸试验中则越早结束弹性段，初裂强度也越小，这与Laranjeira等他得出的结论一致.2.2.4微观形貌分析为进一步解释钢纤维直径对其拔出行为的影响，观察单丝拉拔试验后DB组钢纤维的表面形貌,其SEM图见图5.由图5可见:D3020钢纤维表面有大量呈团簇状的UHPC水化产物残留，且基体在纤维拔出过程中留下了明显的竖向划痕，钢纤维表面由于基体胶结,表层大量呈条状剥落，这表明钢纤维和基体结合紧密；D3520钢纤维表面可见少量颗粒状水化产物残留和竖向拔出划痕，部分表层呈鳞片状剥落；D5020钢纤维表面水化产物残留极少，有明显竖向拔出划痕，但表层未见剥落，证明纤维和基体结合不够紧密，化学胶结力在纤维拔出过程中贡献不大.在一定范围内，随着端钩型钢纤维的直径增大，纤维与基体的胶结逐渐由紧密变疏松，因此造成了UHPC单丝拉拔和拉伸性能的逐级递减.(a)D3020(b)D3520(c)D5020图5单丝拉拔试验后DB组钢纤维表面形貌SEM图Fig.5SEM micrographs of DB group fiber surface after pullout test图6给出了埋有D5020纤维和拔出D5020纤维后的UHPC基体SEM图•由图6Q）可见,D5020钢纤维下缘与基体结合情况良好，有絮状水化产物紧紧攀附在钢纤维表面，而钢纤维上缘则与基体脱离，可见较宽的空隙•为探明原因，将拔出钢纤维后的基体再次进行SEM分析，放大后的基体表面形第2期赵一鹤，等:钢纤维对UHPC拉伸性能及其拔出行为的影响281貌如图6(b)所示.由6(b)可见，基体表面亦有竖向划痕，钢纤维下缘对应的基体表面有少量絮状和颗粒状的水化产物残留，并且无可见孔隙，而上表面仅有极少水化产物残留，同时孔隙率较大，与基体下半部分有较为明显的分界线•根据Uygunoglu[21]的理论,应当是钢纤维的掺入导致了钢纤维-基体界面出现泌水，多余的自由水停留在钢纤维上表面,造成基体和钢纤维结合不够紧密.(a)UHPC matrix with D5020(b)UHPC matrix after D5020pullout图6埋有D5020纤维和拔出D5020纤维后的UHPC基体SEM图Fig.6SEM micrographs of UHPC matrix with D5020and after D5020pullout3结论(1)UHPC的拉伸性能与钢纤维本身的单丝拉拔性能有关•钢纤维直径为0.22mm,长度为13〜18mm时，端钩型钢纤维在拔出过程中提供了同直径同长度平直型钢纤维不具备的锚固力，导致前者的单丝拉拔性能优于后者，掺有端钩型钢纤维的UHPC也因此具有更高的极限拉伸强度和极限拉伸应变•无论平直型还是端钩型钢纤维，均在钢纤维长度为16mm时取得最佳的纤维-基体界面黏结强度，而UHPC的应变强化程度随钢纤维长度增加而增强.(2)当钢纤维长度为20mm,直径为0・30〜0.50mm时，随着钢纤维直径的增加，钢纤维本身的单丝拉拔性能和UHPC的拉伸性能均变差，这与钢纤维-基体界面泌水所致结构疏松有关•钢纤维直径过大时导致的沉降也是影响UHPC拉伸性能的原因.参考文献：[1]刘建忠，韩方玉，周华新，等•超高性能混凝土拉伸力学行为的研究进展材料导报,2017,31(23):24-32.LIU Jianzhong,HAN Fangyu,ZHOU Huaxin,et al.An overview on tensile behaviour of ultra-high performance concrete[J].Materials Review,2017,31(23):24-32.(in Chinese) [2]PARK S H,KIM D J,RYU G S,et al.Tensile behavior of ultra high performance hybrid fiber reinforced concrete[J].Cement and Concrete Composites,2012,34(2):172-184.[3]RICHARD P C M.Reactive powder concretes with high ductility and200-800MPa compressive strength[J].ACI Materials Journal,1994,144(3):507-518.[4]DE GENIE CIVIL AFGC A 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水泥基复合材料的制备及应用研究
水泥基复合材料的制备及应用研究水泥基复合材料是一种由水泥、细骨料和一种或多种纤维增强材料组成的复合材料。
它具有较高的强度、耐久性和抗裂性能，被广泛用于建筑、道路、桥梁等工程结构中。
本文将探讨水泥基复合材料的制备方法及其在各个领域中的应用。
首先，水泥基复合材料的制备需要选择合适的原料。
水泥是主要成分，常见的有普通硅酸盐水泥和高性能水泥，细骨料可以使用砂石、河砂等，而纤维增强材料可以选择钢纤维、玻璃纤维、碳纤维等。
这些原料需要经过混合、搅拌、均匀分散等步骤，制备成均匀的复合材料糊状物。
其次，水泥基复合材料可以通过不同的加工方法得到不同形式的制品。
最常见的是浇注成型，即将复合材料糊状物倒入模具中，经过充实和振实等处理后，使其固化成所需形状。
还可以采用挤出法、喷涂法等技术制备出管材、板材等特殊形状的制品。
水泥基复合材料在建筑领域中有着广泛的应用。
首先，在高层建筑中可以使用水泥基复合材料制作轻质隔墙板，提高结构的抗震性能。
其次，它也可以用来制作防水层、隔热层等功能性材料，提高建筑的使用寿命。
此外，水泥基复合材料还可以用于修补和增强老化、破损的混凝土结构，延长其使用寿命。
在道路和桥梁领域中，水泥基复合材料也有着广泛应用。
它可以用于制作高性能混凝土路面，提高道路的耐久性和承载能力。
同时，它还可以用于制作桥梁的预应力构件、减振设备等，增强桥梁的结构强度和抗震性能。
总之，水泥基复合材料具有广泛的应用前景。
通过选择不同的原料和加工方法，可以制备出形状各异的复合材料制品。
在建筑、道路、桥梁等领域中，它能够提高结构的强度和耐久性，延长使用寿命。
随着技术的不断发展，水泥基复合材料的制备方法和应用领域也将进一步推广和完善。
PVA纤维与钢纤维对高性能纤维增强水泥基复合材料力学性能影响的试验研究的开题报告
PVA纤维与钢纤维对高性能纤维增强水泥基复合材料力学性能影响的试验研究的开题报告一、研究背景和意义高性能纤维增强水泥基复合材料是指将钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、PVA纤维等等纤维材料与水泥基材料充分混合制成的复合材料，具有优异的力学性能，如高强度、高韧性、高耐久性、抗裂性能等等，在工程结构领域得到广泛应用。
而纤维是高性能复合材料中的重要组成部分，不同类型、不同性能的纤维在水泥基复合材料中的作用是不同的，因此学术界和工程界对不同纤维的影响机理进行了大量的研究。
PVA纤维作为一种新型纤维，在纤维增强水泥基复合材料中的应用越来越广泛。
相比于其他纤维，PVA纤维具有优异的耐久性、良好的粘结能力、化学惰性、可锻性等诸多优点。
许多学者已经在试验中研究了钢纤维和玻璃纤维对水泥基复合材料力学性能的影响，但是对于PVA纤维的影响还缺乏系统性、深入的研究。
本研究旨在通过试验方法，对PVA纤维与钢纤维对高性能纤维增强水泥基复合材料力学性能的影响进行较为深入的探究，为高性能水泥基复合材料领域的研究提供一定的参考和借鉴。
二、研究内容和方法本研究主要包括两个方面，分别是对PVA纤维与钢纤维对高性能纤维增强水泥基复合材料的力学性能进行试验研究，以及对试验结果的分析和解释。
1. 试验内容在本研究中，将采用压缩强度试验和拉伸强度试验分别测试不同类型的纤维对高性能纤维增强水泥基复合材料的力学性能的影响情况。
具体试验内容如下：1）压缩强度试验在试验中，将设置三种不同的纤维：PVA纤维、钢纤维和不加纤维的样品作为对照组，考虑不同纤维掺量情况下的压缩强度变化。
按照标准试验方法，采用试验机对每组样品进行压缩强度测试，并记录每组试验结果。
2）拉伸强度试验在试验中，同样设置三种不同的纤维，并考虑不同纤维掺量情况下的拉伸强度变化。
按照标准试验方法，采用试验机对每组样品进行拉伸强度测试，并记录每组试验结果。
2. 方法分析通过上述试验得到的试验结果，将进行数据分析和解释。
超高性能水泥基材料的力学行为及机理分析
超高性能水泥基材料的力学行为及机理分析戎志丹;孙伟;陈惠苏;顾春平【期刊名称】《深圳大学学报（理工版）》【年(卷),期】2010(027)001【摘要】研究安防系统对超高性能水泥基复合材料工作性及超高力学性能的特殊要求,以大掺量超细工业废渣取代水泥,掺加超高硬度细集料,采用高温干热养护制度,成功制备出一种超高性能水泥基复合材料.对其工作性及不同养护温度和养护时间下的力学性能进行测试,结果表明,制备的材料具有较好的工作特性及超高力学性能,可满足安保产品要求,其抗压强度最高可达240 MPa.采用X射线衍射技术、差热-热重分析方法及扫描电镜对其微观结构形成进行分析,结果显示,超高硬度细集料与胶凝材料的强物理结合使其在复合材料中起增强相的作用,高温养护加速了水泥的水化及矿物惨合料的火山灰反应,降低了材料中Ca(OH)2的含量,增加了C-S-H 凝胶的含量,提高了材料的密实度,改善了界面微观结构,提高了超高性能水泥基复合材料的宏观力学性能.【总页数】7页(P88-94)【作者】戎志丹;孙伟;陈惠苏;顾春平【作者单位】江苏省土木工程材料重点实验室,南京,211189;东南大学材料科学与工程学院,南京,211189;江苏省土木工程材料重点实验室,南京,211189;东南大学材料科学与工程学院,南京,211189;江苏省土木工程材料重点实验室,南京,211189;东南大学材料科学与工程学院,南京,211189;江苏省土木工程材料重点实验室,南京,211189;东南大学材料科学与工程学院,南京,211189【正文语种】中文【中图分类】TU528;TU35【相关文献】1.混杂钢纤维增强超高性能水泥基材料力学性能分析 [J], 张秀芝;孙伟;张倩倩;戎志丹2.基于中心粒子模型的超高性能水泥基材料水化进程模拟 [J], 陈庆;王慧;蒋正武;朱合华;马瑞3.钢纤维对超高性能注浆纤维水泥基材料力学性能的影响研究 [J], 贺丽娟4.超高性能混凝土与水泥基材料界面粘结性研究进展 [J], 任亮;方蕈;王凯;贾永峰5.石灰石粉在超高性能水泥基材料中的作用机理 [J], 宋军伟;王露;刘数华;朱街禄;欧阳勇;田浩帆因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
不同龄期钢纤维增强水泥砂浆纤维拉拔试验与模拟研究
fiber and cement mortar effectively simulate the pull-out process of the steel fiber.
simulated and tested results. The mechanism of interfacial bond between fiber and matrix of steel fiber reinforced cement
mortar at different ages and the stress variation of the section around the interface between steel fiber and cement mortar
composite depends on the interfacial bonding properties between steel fiber and matrix. According to the single fiber pullout tests and numerical simulation of the steel fiber reinforced cement mortar at different ages, the effects of ages on the
摘要:钢纤维增强水泥基复合材料作为一种多相复合材料,其增强增韧效果的发挥依赖于钢纤维与基体之间的界
面粘结性能。 通过开展不同龄期的钢纤维增强水泥基复合材料单根纤维拉拔试验及数值模拟研究,分析了龄期对
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超高性能纤维增强水泥基复合材料单根钢纤维拔出行为研究潘竟盛,刘建忠,张倩倩,张丽辉(江苏苏博特新材料股份有限公司,江苏南京211103)摘要:基于Funk-Dinger模型求解计算,实现超高性能纤维增强水泥基复合材料(UHPFRCC)基体配合比的确定,并在此基础上分别研究了纤维埋入深度、基体中纤维掺量以及纤维埋入角度对单根钢纤维在UHPFRCC中拔出行为的影响。
试验结果表明,纤维埋入深度、基体性能和纤维埋入角度均对UHPFRCC中单根钢纤维拔出行为影响显著,粘结强度和拔出功均随着埋入深度和基体强度的增加而大幅度提高。
关键词:超高性能纤维增强水泥基复合材料;拔出行为;单根纤维;荷载位移曲线Abstract:In this paper,the matrix mix ration of Ultra-high performance fiber reinforced cementitious composites(UHPFRCC)is determined based on the calculation of Funk-Dinger model,and the embedded depth of fiber,the effect of fiber content in matrix and the fiber embedding angle on pulling-out behavior of single steeel fiber in UHPFRCC are respectively studied.The experimental results show that the depth of fiber embedding,matrix properties and fiber embedding angle all have significant effects on the pulling-out behavior of single steel fiber in UHPFRCC.The bond strength and pulling-out power increase greatly with the increase of embedding depth and matrix strength.Key words:UHPFRCC;pulling-out beharior;single fier;load-displacement curve0引言超高性能水泥基纤维增强复合材料(Ultra-high Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites abbr:UHPFRCC)具有强度高、复合能力强、耐久性优异等特点,其在防护工程、高层建筑、大跨结构领域具有广阔的应用前景。
UHPFRCC中通常不含粗骨料,砂粒径控制在0.6mm以内,结构致密,强度高。
目前,UHPFRCC 的配合比设计主要基于线性填充密度模型(LPDM)、固体悬浮模型(SSM)和压缩密实模型(CPM)三种颗粒堆积模型,但三种模型均是在固体组分填充分数的基础上建立的,UHFRCC原料大多为细颗粒,这三种模型较难确定细颗粒的填充分数。
另一方面,随着水泥基材料基体高强的提高,脆性逐渐增大,而掺入钢纤维可显著提升水泥基材料的韧性。
钢纤维在保证UHPFRCC的软化性能、延性和能量吸收能力方面扮演着重要角色,纤维与基体的粘结性能是影响纤维作用效果的关键。
纤维与基体的粘结性能取决于加载方向、纤维埋入深度、纤维形状和基体强度等。
Taher等研究了不同形状纤维在超高强水泥基材料中拔出行为,Orange等通过对纤维改性来提升钢纤维粘结滑移性能,Yun等对倾斜钢纤维在超高强基体中的拔出行为进行研究并建立相关模型。
这些研究中常常使用双侧拔出的测试方法或针对某一个方面进行研究。
针对以上研究中的问题,文章基于Dinger-Funk方程的最紧密堆积模型设计了UHPFRCC的配合比,并系统研究了基体中纤维掺量、纤维埋入深度和埋入角度对单根钢纤维的拔出行为的影响,为UHPFRCC的材料设计和工程应用提供了依据。
1原材料及试验方法1.1原材料-15-图1胶凝材料的粒径分布水泥(简称C ):江南小野田P ·Ⅱ52.5,7d 抗压强度为57.5MPa ,抗折强度为8.2MPa ;超细矿粉(简称SL ):济南鲁新新型建材有限公司生产,密度为2.86g/cm 3,比表面积800m 2/kg ;硅灰(简称SF ):甘肃利鑫源微硅粉有限公司生产,密度为2.19g/cm 3,比表面积为22000m 2/kg ;石灰石粉(简称LS ):立达超微工业有限公司生产,密度为2.8g/cm 3,比表面积为1080m 2/kg 。
胶凝材料的化学组成见表1,粒径分布如图1所示。
细集料:标准中级砂;纤维:江苏苏博特新材料股份有限公司生产的S3型高强微细钢纤维,特征参数见表2;外加剂:江苏苏博特新材料股份有限公司生产高性能减水剂(简称SP ),减水率达40%以上;水:自来水。
表1胶凝材料的化学组成单位院%成分CaO SiO 2MgO Fe 2O 3Al 2O 3SO 3CSL SF LP 63.8034.530.1495.8519.4129.8698.101.011.2911.250.232.20 2.910.540.110.184.3318.110.210.40 3.903.130.510.061.2试验方法在“半狗骨头”状的模具中间加入PE 塑料板,并在正中间打孔预埋一根纤维。
浇筑水泥基材料后,24h 后拆模,之后采用90℃饱和石灰水中养护48h 。
取出试件冷却后采用小吨位拉伸机进行拔出试验。
试验模具与加载方法如图2和图3所示。
粘结强度即为纤维与基体之间单位面积上的最大平均剪切力,按照公式(1)计算:τf =P f πd f l f(1)式中:τf 为粘结强度;P f 为拔出纤维需要的最大力;d f 为纤维直径;l f 为纤维埋入深度。
纤维从基体中拔出所消耗的能量是衡量超高性能混凝土韧性的重要指标,通过单根纤维拔出功测试可反映多根纤维的拔出耗能。
拔出功可通过公式(2)计算:W =x =1x =0∫P (x )dx (2)(2)式中,W 为拔出功。
2基于Dinger-Funk 方程的配合比设计对于连续粒度体系,最紧密堆积的数学模型的基础为Fuller 紧密堆积理论和Andreasen 模型(公式3),在此基础上Dinger 和Funk 在粉体中引入小颗粒对Andreasen 方程进行修正,得到Dinger-Funk 模型(公式4):P (D )=DDmax()q(3)表2钢纤维物理力学性能指标纤维类型纤维直径/μm 密度/(kg ·cm -3)断裂强度/MPa 断裂伸长率/%圆直型2007.829004图2单根纤维拔出试验试件图3拔出测试设备-16-图4基于最紧密堆积模型配合比求解结果与理想粒径分布曲线的比较图5埋入深度对单根钢纤维拔出行为的影响P (D )=D q -D q minD qmax -D q min(4)式中:D 表示颗粒直径;P (D )表示是小于粒径D 的总固体分数;D max 表示最大粒径;D min 表示最小粒径;q 表示分布模量。
Brouwers 指出理论上q 值取0~0.28时将得到最优堆积,Hunger 通过试验验证了设计SCC 是需要取q 值的范围在0.22~0.25。
因此,本研究中设定q 值为0.23。
通过调整原材料的掺量得到最符合Fuller 曲线的比例,进而确定配合比。
因此,根据配制UHPFRCC 的各种固体颗粒的粒径分布,通过运用最小二乘法求其均方差RSS 使其最小化来实现配合比设计:RSS =∑ni =1(P mix (D i +1i )-P tar (D i +1i )2n→min (5)结合已有文献中常见的体系中各原材料的掺量范围,限定条件为:0.145≦V c ≦0.323;0.001≦V SF ≦0.114;0.001≦V SL ≦0.278;0.001≦V w ≦0.025;V w +V sp +V air +V solid =1;其中:V c 为水泥体积;V SF 为硅灰体积;V SL 为矿粉体积;V w 为水的体积;V sp 为减水剂体积;V air 为空气体积;V solid 为所有固体颗粒体积,包括水泥、硅灰、超细矿粉、骨料。
通过Microsoft Excel 中Excel Solver Tool 规划求解程序进行求解,在保证基体强度的同时,基于石灰石粉可以改善水泥分散和减少胶状物产生的作用,选用部分超细碳酸钙替代超细矿粉,求解结果如图4所示。
通过试配和调整最后实现UH ⁃PFRCC 基体强度达150MPa 以上的,最终配合比如表3所示。
3试验结果与分析3.1不同埋入深度对单根纤维拔出曲线的影响研究单根钢纤维埋入基体3mm 、6mm 和9mm时的拔出行为,纤维埋入角度为0°。
每组成型6个试样进行试验,排除偶然误差。
试验结果见图5和表4。
从图5中可以看出:不同埋入深度的钢纤维的拔出全曲线的趋势相同,都遵循弹性阶段、脱粘阶段、滑移阶段;曲线的滑移阶段的起点随着埋入深度的增加而推后,到达极限抗拉荷载时的位移随着埋入深度的增加而增加;随着埋入深度的增长,滑移距离随之增长,在滑移阶段非完全平滑,具有波动性;在埋入深度为3mm 和6mm 时,弹性阶段结束后直接下降成为滑动摩擦强度,而埋入深度为9mm 时,在弹性阶段结束后还具有一定的上升阶段,上升阶段为部分脱粘阶段。
对比发现,随着埋入深度的增长,部分脱粘阶段消耗更多的荷载。
计算得到的纤维粘结强度和拔出功见表4。
从表4中结果可知:随着埋入深度的增加,纤维与基体粘结强度降低,而拔出功逐渐增大。
纤维埋入深度从3mm 增加到6mm 时,粘结强度降低了50%,拔出功增加了5倍以上;纤维埋入深度从6mm 增加到9mm 时,粘结强度降低幅度减小即埋入深度对粘结强度影响不显著,而拔出功增加了43.7%。
纤维在滑移过程中基体与纤维的摩擦作用表3优化后UHPFRCC 基体配合比水泥硅灰超细矿粉石灰石粉砂水减水剂0.70.10.10.110.170.033表4埋入深度对单根钢纤维拔出行为的影响埋入深度/mm 极限荷载位移/mm 极限抗拉荷载/N 粘结强度/MPa 拔出功/J3690.150.370.3815.6617.5322.998.044.564.076.2239.7157.05-17-表5基体中纤维掺量对单根纤维拔出行为的影响过程导致拔出功是一直增长,而粘结强度主要决定于纤维脱粘的过程,脱粘过程可看作是一个瞬时变化过程。