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活性粉末混凝土的纤维力学机理分析

2008-12-17 08:00:00 保护色:默认白 牵牛紫 苹果绿 沙漠黄 玫瑰红 字体:小字 中字 大字 点击数:0

    [摘 要] 从钢纤维的增强机理、活性粉末混凝土的增韧机理、活性粉末混凝土的力学性能等方面阐述了钢纤维对活性粉末混凝土的增强机理,以达到提高 RPC的高力学性能和耐久性的目的。

    [关键词] 活性粉末混凝土,耐久性,力学性能,增强机理

    0 引言

    科学技术进步的同时也带动了混凝土材料性能的改善。活性粉末混凝土 (Reactive Powder Concrete,RPC) 是继高强、高性能混凝土面世之后研制成功的又一种高强度、高韧性、低空隙率和高耐久性的超高性能混凝土 。它是根据最大密实性原理,剔除粗骨料,采用最大粒径为 630 μm 的细砂为骨料,由水泥、磨细石英粉、硅灰和高效减水剂并辅以适当的养护制度而制成的,活性组分粒径在 0.1 μm~1 μm之间。根据组分、养护方法和成型条件的不同,可以制成抗压强度分别为200 MPa,800 MPa左右的RPC,分别简称为 RPC200 和 RPC800。RPC 结合了钢材的高强度、高韧性和传统混凝土抗火、抗腐蚀性强的优点于一体。目前,它的应用已经进入到桥梁与路面工程、建筑工程、水利工程、特种结构多个领域。RPC可以有效地减小结构自重,在具有相同抗弯能力的前提下,RPC结构的重量仅为钢筋混凝土结构的 1/2~1/3,几乎与钢结构相近。与普通混凝土相比,RPC具有较高抗拉强度和由抗拉强度决定的较高抗剪强度。

    表 1 给出了两种活性粉末混凝土与高强混凝土力学性能比较。由此可以看出,RPC在性能上的优势。

 

    1 钢纤维增强机理

    RPC具有超高强度,优异耐久性和抗渗性,但其韧性并不比普通混凝土高多少,甚至有所降低。掺一定量的纤维 (纤维长13 mm,直径 0.16 mm) 可以提高材料的抗弯折强度,同时可以获得较高的韧性和延性。基体和纤维是不同种类的材料,混凝土材料中由于加入了纤维而属于各项异性的材料,从而就导致弹性区域受其影响 。试验证明,某区域纤维的比率和纤维方向对 RPC的荷载传递以及纤维和周围物质的作用都是有很大关系的。纤维 RPC中纤维的主要作用是限制水泥基料在外力作用下的裂缝扩展。在受荷初期,水泥基料与纤维共同承受外力作用,但以水泥基体为主要受力者,此时纤维可在一定程度上约束水泥基体在外力作用下裂缝的形成和扩展;随着荷载的增大,基体开裂后,部分基体退出工作,横跨裂缝的纤维就成了主要的受力者。

    随着裂缝的扩展,纤维继续承受荷载,其最终的破坏荷载有所提高,当然提高的幅度与纤维的性质、数量、间距、分布方向以及纤维和基体之间的粘结力有很大的关系。超过峰值荷载后,裂缝继续扩展,纤维不断被拔出或是纤维本身被拉断,这期间消耗大量的能量,并且由于纤维的存在,其承载能力并不立即消失,而是缓慢下降,荷载 — 位移曲线下包络的面积较大,断裂能、断裂韧性和裂缝张开位移大大提高,材料破坏呈现出较好的延性。

    开裂后的大部分荷载是由钢纤维承受。当裂缝尖端与钢纤维相遇时,因裂缝无法直接通过而偏转了方向,从而缓冲了裂缝尖端处的应力集中程度,阻止了裂缝的扩展,减小了裂缝的间距和宽度;另外,纤维的增韧机理也可从断裂韧性值 KIC得出,用纤维增强非金属时 E纤维 > E基体,纤维主要承受力,且纤维使基体的龟裂难于扩展。这些都有利于提高 KIC。纤维在无机非金属材料基体中受外力作用时,因拔出而消耗能量,耗能越多,材料的韧性越好,这就是纤维在 RPC中的增强机理。

    在 RPC中,钢纤维与混凝土的界面粘结性能控制着沿纤维纵轴的应力传递。在混凝土开裂前,界面粘结作用使应力从基体传至纤维;基体开裂后,跨越裂缝的纤维承担荷载,界面粘结又使荷载传回到基体未开裂部分,当纤维受到的拉力大于界面粘结力时,纤维脱粘被拔出。

    2 活性粉末混凝土( RPC)的增韧机理

    掺入钢纤维使 RPC 增加抗拉强度与韧性,可借助钢纤维增强混凝土的机理来理解 RPC 中钢纤维的作用。未掺钢纤维的RPC呈完全线弹性,断裂能与抗拉强度较低。加入钢纤维后更大大改进了其韧性与抗拉强度,耐久性能得到明显的提高。

    钢纤维种类与掺量极大地影响 RPC 的抗拉强度及断裂韧性。未掺钢纤维的 RPC与普通混凝土相比,其抗拉强度与韧性有一定提高,但仍属脆性材料,抗拉强度偏低。为了改善这一性能,采用掺入微细的钢纤维来提高 RPC 的韧性与抗拉强度。与前述钢纤维混凝土的增强机理一样,钢纤维对 RPC 的作用在于它能够阻碍混凝土基体内部微裂纹的产生、扩展,显著提高 RPC 的韧性、延性和抗弯强度,有效地避免无征兆的脆性破坏的发生。

    钢纤维对 RPC的增强效率与钢纤维长度(lf) 、直径(df)  、长径比(lf/df)、体积率(ρf)以及纤维外形等密切相关。相关试验表明细钢纤维较粗钢纤维更有效地提高了 RPC的抗压强度,3d 抗压强度提高了 13. 9 %,28d抗压强度提高了 9. 6 %。另外,抗弯强度也有所提高,幅度没有抗压强度大,3d提高了0.5 %,28d提高了 2.7 % 。

    发现掺入粗钢纤维的 RPC 破坏时局部破坏严重,抗弯试验时,一旦开裂很快就达到极限强度。而掺入细钢纤维的 RPC 破坏时仍保持原状,破坏方式是四角爆裂,在开裂后仍能维持一段时间,强度仍有增长。观察试件破坏断面可发现,掺粗钢纤维的混凝土断裂面上纤维含量很少,而且分布极其不均匀;相反,掺细钢纤维的混凝土断裂面上纤维分布密集且均匀,方向基本都是垂直于断裂面的;同时还可观察到掺粗钢纤维的 RPC破坏时有不少粗钢纤维被拉断,而细钢纤维则是被拔出的,几乎没有被拉断的。

    不同钢纤维含量对 RPC 强度的影响分析结果表明,钢纤维掺量越大,混凝土的 28 d 抗压强度也越大,抗弯强度也越大。钢纤维掺量对抗弯强度的影响比对抗压强度的影响更明显,这是因为钢纤维的增强作用只有在试件受力达到抗压强度之后,裂缝扩展到水泥石之中才得以发挥,这就是试件抗弯时在出现裂缝后,抗弯强度还能继续上升的原因。但也不是钢纤维掺的越多越好,掺得太多会降低混凝土的和易性,而且也不能全部发挥作用。考虑拌和易成型和强度因素,综合考虑选择钢纤维掺量。

    3 活性粉末混凝土( RPC)的力学性能

    RPC200与 RPC800 的主要力学特性见表 2,以 RPC200 为例,其抗压强度可达 170 MPa~230 MPa,是高强混凝土的 2 倍~4 倍,其抗弯强度约为 30 MPa~60 MPa,是高强混凝土的 4 倍~6 倍,掺入纤维后拉压比可达1/4 左右,其弹性模量可达 40 GPa~60 GPa,断裂能高达4 000 J/ m2,是普通混凝土的 250 倍~400 倍,可与金属铝媲美。

    从表 2 还可以看出,RPC800 的断裂能比 RPC200 低得多,几乎与水泥基体同时断裂,这是因为其材料配合中钢纤维长度为3 mm,属短纤维。纤维根数增加,纤维间距缩短,结合体内细微龟裂被抑制,因而能增进强度发展,但纤维长度短,容易被拉拔,故破坏能量值较小。

 

    RPC的一个显著特点是抗压强度很高,含钢纤维、有侧限并加压处理的 RPC比不含钢纤维、有侧限并加压处理和含钢纤维有侧限无加压处理以及不含钢纤维、有侧限的 RPC 极限应力都高,而这四类 RPC比普通混凝土、高性能混凝土以及只含有钢纤维无任何处理的 RPC极限应力都高。由此可见,要得到最大抗压应力的 RPC除了要加入钢纤维外,还应该进行有侧限的加压处理。

    RPC具有高的抗压强度,其中,RPC200 的抗压强度可达170 MPa~230 MPa,是高强混凝土的 2 倍~4 倍;也有高的抗弯强度,RPC200的抗弯强度约为 30 MPa~60 MPa,是高强混凝土的 4 倍~6 倍;高的弹性模量 RPC200 的弹性模量可达 40 GPa~60 GPa,是普通混凝土的 250 倍~400 倍;RPC高的抗压、抗弯强度也决定了它较高的耐久性能。通过掺入钢纤维提高其抗拉强度及韧性,这些都决定了 RPC有不同于普通混凝土乃至钢纤维混凝土的好的力学性能。

    4 结语

    活性粉末混凝土(RPC) 材料的发展具有很高的工程应用价值和广阔的市场前景。文中对 RPC性能进行了力学机理方面的研究。活性粉末混凝土在特性上比普通混凝土优越的多,因为RPC在颗粒配比上通过提高材料组分的细度与活性获得超高强度与高耐久性。钢纤维的添加令 RPC 在刚度、强度上有显著提高。使得 RPC 在耐久性上有明显提高,使其优于其他混凝土。纤维的性质、数量、间距、分布方向影响钢纤维的增强效应。

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来源:中国砂浆网
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