超高韧性纤维增强水泥基复合材料基本力学性能

表 2 主要力学性能指标
编号
薄板试件 梁试件
1 2 3 平均值 1 2 3 平均值
开裂挠度 δcΠmm 0138 0138 0145 0140 0136 0123 0125 0128
开裂荷载 PcΠN
367 372 426 388 2415 25152 24141 24181
极限挠度 δuΠmm 3113 3012 3来自百度文库15 3017
试验得到的荷载 - 挠度曲线如图 3 所示 。右侧纵坐标是根据材料力学公式计算得到的抗弯应力。 由荷载 - 挠度曲线可得开裂荷载和开裂挠度 、极限荷载和极限挠度 ,然后分别采用如下公式计算开 裂强度 、抗弯强度和极限拉伸应变预测值 ,计算结果见表 2 。
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图 3 荷载 - 挠度曲线
3 基本力学性能
311 拉伸性能 通过直接拉伸试验测 定超高韧性水泥基复合 材料的拉伸性能。试 件尺寸 350mm × 50mm ×15mm ,试件测量标距 200mm 。试件形式分为不带切口试件和双边切口试件 ,所有试件均先制成 不带切口试件 。试验前采用约 2mm 宽的碳化钙锯对部分试件进行双边切口 ,切口尺寸分别为 5mm 和 10mm。不带切口试 件的试验龄期分别为 28d 和 90d ,切口 试件的试验龄期为 90d。试验时加载 速率 011mm/ min ,采用荷载传感器和夹式引伸计测量荷载和拉伸变形 ,德国产 IMC 全自动数据采集处理系统 进行荷载和变形的数据采集和处理 。
2009 年 9 月 文章编号 :055929350 (2009) 0921055209
水 利 学 报
SHUILI XUEBAO
第 40 卷 第 9 期
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)
裂缝是影响水工混凝土质量和耐久性的首要因素 ,如何有效地控制水工混凝土裂缝的产生和扩展 是目前解决水工混凝土结构耐久性问题的关键之一 。从材料的角度来讲 ,控制裂缝的方法主要是减少 水泥用量、使用外加剂和添加纤维 。其中纤维的添加可以更为有效地控制混凝土裂缝的形成和扩展 ,提 高混凝土的延性和韧性 ,能较好的解决由于荷载作用或其他变形作用引起的混凝土开裂 ,成为提高水工 混凝土结构耐久性的有效方法之一 。
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
3198 3192 4133 4108
极限荷载 PuΠN 95610
1 01816 99610 99012 39156 42150 40130 4018
比例极限强度 σcΠMPa 4189 4196 5168 5117 7135 7166 7132 7144
拉伸应变 预测值Π%
3134 3122 3125 3127 3118 3114 3146 3126
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图 1 试验测得的荷载 - 变形曲线
开裂混凝土的抗渗性是裂缝宽度的三次方[5 ] ,所以如此小的裂缝宽度可以有效地阻止侵蚀性物质的侵 入 。如果利用这种材料作为钢筋的混凝土保护层 ,则可以有效地减慢钢筋的腐蚀速率 ,提高钢筋混凝土 结构的耐久性 。由 DJCK 裂缝观测仪观测到的裂缝宽度和裂缝条数随拉伸应变的增长关系如图 2 所 示 。从图 2 可以看出 ,随着变形的增加 ,裂缝宽度先增长 ,当增加到一定值 (本试验为 40～50μm) 时 ,随 着变形的增加 ,裂缝宽度不再增加 ,而裂缝条数随变形的增加近似成线性关系增长 ,峰值荷载附近裂缝 条数高达 200 条之多 。
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 : TU5281572
2 试验原材料和搅拌工艺
211 原材料 胶凝材料包括 P. Ⅱ. 5215R 水泥和矿物掺合料 ,骨料为特制沙 ,外加剂为商用高效减水
剂 ,拌和水为饮用自来水 ,采用 PVA 纤维 ,有关性能参数见表 1 ,纤维体积掺量为 2 %。
表 1 PVA 纤维参数
纤维名称 PVA
名义强度/ MPa 1 620
试验测得的荷载 - 变形曲线如图 1 所示 。 从图 1 (a) 中可以看出 ,龄期从 28d 增长到 90d ,试件的拉伸应变基本没变 , 而抗拉强度明显增大。 由拉伸变形与测量标距的比值计算平均拉伸应变 ,由抗拉荷载与试件横截面面积的比值计算抗拉强度 。 计算得 到 的 28d 极 限 应变 为 3137 % , 抗 拉 强 度 为 4171MPa ; 90d 极 限 应 变 为 3140 % , 抗 拉 强 度为 5168MPa 。由于矿物掺合料的二次水化反应 ,UHTCC 后期强度增加较大 ,90d 龄期时抗拉强度较 28d 增 加了 2016 %。 试验中观察拉伸试件的开裂情况 ,可以看到接近极限抗拉强度时 ,试件的受拉区内产生了大量近似 平行的细密裂缝 。采用 DJCK裂缝观测仪观测到的峰值荷载附近的裂缝张开宽度在 50μm 左右。由于 — 1056 —
抗弯强度 σuΠMPa 12175 13158 13128 13120 11187 12175 12109 12124
文献标识码 :A
1 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 。水利工程建设耗资巨大 ,如果水利 工程结构耐久性不足 ,将增加建筑物使用过程中的修理与加固费用 ,影响或限制结构的正常使用功能并 缩短结构的使用年限 ,影响效益和安全 ,不仅造成经济损失 ,而且严重浪费资源 ,引发社会问题 。因此有 必要全方位 、多渠道地提高水工混凝土的质量和耐久性 ,延长工程使用寿命 ,确保国家可持续发展战略 在水利建设开发过程中的有效实施 。
基复合材料和非金属纤维编织网增强混凝土结构研究 。E2mail : slxu @dl ut . edu . cn
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土结构的抗裂防渗性能 ,20 世纪 90 年代初美国密歇根大学成功研制了一种中等纤维体积掺量的随机 短纤维增强高性能水泥基复合材料 ( Engineered cementitious composites ,简称 ECC) [6 - 8] 。它采用聚乙烯纤 维或聚乙烯醇纤维作为增强材 ,以水泥净浆或特制水泥砂浆为基体 ,通过细观力学 、断裂力学和数理统 计方法选择合理的纤维、基体和界面性能参数 。这种新型材料在拉伸 、弯曲等荷载作用下具有假应变硬 化和多缝开裂的特性 ,最大裂缝宽度可以控制在 011mm 以内 ,可以有效的防止外界有害物质的侵入 ,提 高水工结构的耐久性 。由于荷载作用下大量细密裂缝的产生使它同时具有高延性 、高韧性和高能量吸 收能力 ,解决了混凝土本身固有的脆性 。目前这种材料已经在日本、美国 、韩国 、瑞士和澳大利亚投入使 用[9 - 11] 。由于它在提高结构的裂缝控制能力 、增加结构的延性 、耗能能力 、抗侵蚀性 、抗冲击性和耐磨性 方面具有显著的效果[8 ] ,所以除了应用于水利工程提高水工结构的抗裂 、抗侵蚀 、抗冻融等耐久性能以 外 ,它还可以用于桥梁工程 、道路路面工程、地下工程、抗震结构 、大变形结构 、抗冲击结构和修复结构 等。
本文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 ,通过大量试验研究成功配 制了具有类似于 ECC 材料性能的超高韧性水泥基复合材料 (简称 UHTCC) 。本文将通过单轴拉伸试验 、 四点弯曲试验 、单轴抗压试验 、三点弯曲缺口梁断裂试验研究这种超高韧性水泥基复合材料的抗拉、抗 弯 、抗压和断裂性能 。
纤维直径/μm 39
纤维长度/ mm 12
弹性模量/ GPa 4218
延伸率Π% 6%
212 搅拌工艺 首先将胶凝材料和精细沙投入搅拌机中 ,先干拌而后加水搅拌以使砂浆基体具有良好
的流动性和适宜的黏聚性 ,最后加入 PVA 纤维搅拌 。搅拌结束后 ,纤维分散均匀 ,没有结团现象。所有 试件均钢模成型 ,36h 后拆模 ,放入标准养护室养护 28d 后取出 ,然后室内放置直至试验 。
图 2 裂缝宽度和裂缝条数随应变的增长关系
从图 1(b) 和图 1(c) 中可以看出 ,双边切口 5mm 的拉伸试件 ,测量标距内的总变形量明显大于切口 的张开变形量 ;双边切口 10mm 的拉伸试件 ,测量标距内的总变形量与切口的张开变形量大体相当 。由 于试件的变形主要来源于试件上产生的裂缝条数和裂缝宽度 ,测量结果证明纤维具有非常良好的连接 作用 ,可以控制小切口处裂缝的扩展 ,使小切口试件的多缝开裂形式优于大切口试件。对试件多缝开裂 形式的实际观察也证明了这一点 。对比观察两种切口试件的多缝开裂形式 ,可以看出当双边切口尺寸 较小时 ,试件在整个测量标距范围内产生均匀分布的多条细裂缝 ;当双边切口尺寸较大时 ,多缝开裂仅 限于切口附近 ,并且裂缝不再近似平行 ,而是围绕切口呈弧形曲线。
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 GZXJJ2006213) 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
由抗拉荷载与试件切口处横截面面积的比值计算切口试件的名义抗拉强度 ,双边切口 5mm 试件的 名义抗拉强度 5132MPa ,双边切口 10mm 试件的名义抗拉强度 5190MPa ,与无切口试件的抗拉强度对比 可以发现试件的抗拉强度基本不变 。 312 弯曲性能 采用薄板试件和梁试件研究超高韧性水泥基复合材料的弯曲性能 , 试件尺寸分别为 400mm ×100mm ×15mm 和 400mm ×100mm ×100mm。试验龄期 90d。分别在 30t 的闭环液压伺服材料试 验机和 100t 的闭环液压伺服材料试验机上进行试验。加载速率分别为 015mm/ mi n 和 011mm/ min。加 载方式为三分点加载 。采用荷载传感器和 LVDT 测量抗弯荷载和跨中挠度 ,德国进口的 IMC 全自动数 据采集处理系统进行荷载和变形的数据采集和处理。
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
目前各种纤维混凝土的研究和应用已经取得了丰硕的成果 ,尤其是高性能纤维混凝土的研究和应 用在较大程度上解决了混凝土的开裂问题[ 1 - 4 ] 。但是普通的高性能纤维混凝土通常采用较大的钢纤维 体积掺量 ,不仅成本增加 ,重量大 ,施工困难 ,而且其裂缝控制宽度一般在几百个微米 ,尤其当应变超过 115 %时基本上不能再控制裂缝宽度[5 ] 。根据国内外设计规范及有关试验资料 ,混凝土最大裂缝宽度的 控制标准大致为 :无侵蚀介质无防渗要求时 013～014mm ;轻微侵蚀 、无防渗要求时 012～013mm ;严重侵 蚀 、有防渗要求时 011～012mm。为了能更好的控制混凝土在各种荷载和变形下的裂缝宽度 ,提高混凝