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实验室规模下和施工过程中聚烯烃纤维混凝土的可靠性

M.G. Alberti, A. Enfedaque, J.C. Gaacute;lvez, V. Agrawal

摘要：研究表明，考虑聚烯烃纤维在开裂后在纤维混凝土（FRC）结构设计中的贡献，它可以满足要求标准。纤维的最终定位对FRC的性能起到很大作用，特别是断裂情况下。在这项研究中，我们对实验室样本和结构尺寸进行测试并对结果进行讨论。纤维各向异性的主要如下：新拌混凝土状态特性，浇筑方式，压实程序，边界效应和模板几何形状。断裂现象表现了聚烯烃FRC显著的可靠性。在断裂表面进行计数练习的同时，也对聚烯烃纤维最终定位的差异也进行了分析。他们发现，当使用的元素超过标准标本的时间，并没有浮动效应出现。此外，他们强调了自密实聚烯烃纤维元素的显着性能。另外，他们提出一个基于裂缝的粘结裂纹方法的数值模型，用来模仿测试试件的断裂。本文将总结其他研究人的测试结果，并将他们与本次实验中的结果相比较。

文章信息：

文章历史：2016年1月6日可在线查看

关键词：纤维混凝土，聚烯烃纤维混凝土，纤维方向，方向因素，断裂，粘结性模型

1. 简介

混凝土是最广泛使用的建筑材料之一。与其他建筑材料相比，混凝土材料在成形，耐久性，生产和经济上具有灵活性，以及其他优点。除了具有良好的抗压强度，它具有较低的拉伸强度和脆性。为提高钢的抗拉强度和韧性，通常采用加强钢波纹杆。取代螺纹钢筋加强的另一种有效的替代方法是加入随机分布的纤维，这种被定义为纤维混凝土（FRC）。虽然近期才大量应用在路面、隧道等，[1-4,54]但是这种使用纤维进行不连续加强的方法可以追溯到一个多世纪以前[5]。在任何情况下，加入少量的纤维，不仅可以防止收缩开裂的问题[6]，也能增加混凝土的抗弯强度和抗拉强度[7,8]。钢纤维混凝土的使用（SFRC）已经很成功了，但在侵蚀环境下它们可能会出现耐久性问题，并且纤维含量高可能会导致混凝土中纤维分布不均。最近，合成大型聚烯烃纤维也可以作为钢钩纤维的替代品。即使暴露在极端的侵蚀情况下，这些大型合成结构纤维的化学性质也很稳定。聚丙烯纤维混凝土（PFRC）的断裂性能与钢纤维混凝土（SRFC）可比拟，但是它自重较小的和材料成本也较低。无论如何力学性能的改善取决于各种因素，如纤维的材料，它们的形状，纤维的量加入，它们的分布，另外还有它们散装材料的方向[9]。

聚丙烯纤维混凝土能承受更大的拉应力和弯曲应力[10]，同时它可以减少钢筋量。由于对这些类型的纤维设定了力学性能要求，聚丙烯纤维混凝土已经可以部分或完全替代这样的钢棒了[11-14]。另一个要注意的是，加强钢筋的减少与纤维材料的增强作用直接相关，并且因此，还与纤维的方向和在混凝土中的分布有关[15,16]。关于这一问题，自密实混凝土（SCC）可以把所有的众所周知的优点都融合到复合材料中[17-20]，它的流量可以改善纤维和混凝土构件的方向和分布[21-28]。然而，考虑到大多数情况下这种类型的实验都使用钢纤维，对聚烯烃纤维低浓度的影响以及它和SCC的流量的相互作用仍然是一个值得分析的区域。这一点对于纤维可以按照主应力方向布置的横梁来说十分重要。在本文章写作的期间，还没有出现过类似的研究。

虽然事实上FRC-SCC组合可以使混凝土产生新的应用，但是不容忽略的是，使用的大多数混凝土依然是常规的振捣混凝土（VCC）。在过去的100年里，由于其相对较低的成本和优异的力学性能，它一直是超群的建筑材料。加入纤维到VCC中可以创造出低成本材料，它融合了与混凝土提供的抗压强度和纤维提供的塑性和韧性。正如前面提到的，聚烯烃纤维的加入，在某些情况下，可以检测这种类型的纤维在结构设计的贡献[29-31]。这种类型的混凝土已经应用于钢纤维的某些常规用途，如在可能受到地震作用的支柱或易于受到冲击载荷的混凝土构件中[32-36]。鉴于这些用途（后浇带聚烯烃纤维增强VCC），由于这种混凝土密度较低，纤维可以沿着自由表面向上移动，最终通过可以通过外部振动的方式完城加固。由于这种浮动效应可能会改变纤维在混凝土构件中的分布和方向，构件的力学性能将是不均匀的。

为了解决这些问题，我们将对一个关于SCC和VCC的断裂现象的实验进行评估，其中两种混凝土都加入6kg/m³聚烯烃纤维进行增强并采用标准模具进行浇筑。为了分析流量对纤维的方向和分布的影响，需要准备一个长的水平构件。同样的，为了可能存在的研究浮动效应对纤维定位的影响，需要制造一系列的垂竖向构件。根据EN 14651标准[37]，存在缺口的试件放在三点抗弯试验装置进行测试，然后得到适合于断裂测试的试件。我们还将对所有的试件的力学性能进行比较和分析。此外，还会通过救赎过程的方法详细的分析所有的断裂表面的纤维的定位，然后评估在断裂表面的纤维的位置。另外，还会利用现有的理论模型和结果评估模板壁的作用然后进行比较。

聚丙烯纤维混凝土（PFRC）断裂现象的数值模拟是为了获得模拟工具而进行的一项重要任务，它可以扩大结构设计可靠性。基于粘结裂缝的方法，本文为模拟PFRC的断裂提出了一种数值模型。该模型已经成功地用于普通混凝土[58,59]，甚至可以用于非各向同性粘性材料[60]。借助改进的三线性软化规律，在本次工作中，这个模型扩展为PFRC。实验结果的数值模拟也展示出了该模型模拟聚丙烯纤维混凝土（PFRC）断裂的能力。

本次研究的意义在于处理了实验室规模和结构规模下PFRC断裂现象之间的关系。特别是，它还评估了可能会影响到混凝土中的纤维分布的要参数的影响。这些参数分别是新拌混凝土的特性，浇筑方法，压实程序，边界效应和模板的几何形状。对聚烯烃纤维最终定位的研究表明，当使用高于标准试件的构件，将没有浮动效应的出现。此外，流量在长构件中的积极作用比较明显。另外还有，本文提出的模拟PFRC断裂的粘结裂纹模型为分析PFRC断裂现象和从实验室结果推算实际工程情况提供了一个有效的计算工具。

2. 实验活动

2.1 材料和配合比

组成材料包括EN 197-1 CEM I 52.5 R-SR 5型破特兰水泥和微型集料石灰石矿物掺和料。它的比重和布莱恩比表面积分别为2700kg/m³和400-450m²/kg。石灰石粉末中碳酸钙的含量要高于98%，并且其中小于0.05%留在45mu;m筛子中。它还采用了一种名为西卡Viscorete 5720 的聚羧酸系减水剂，它的固含量为36%，密度为1090kg/m³。这种混合物由硅质骨料制作而成，包括两种两种类型的碎石（4-8mm和4-12mm）和沙子（0-2mm）。其中最大骨料粒径为12.7毫米。

本实验采用的是粗糙表面和表面处理的聚烯烃直纤维。表1表示所使用的纤维的主要特征，它们的性质和几何模型。在所有混凝土中纤维含量为6kg/m³。

表2表示了纤维在VCC和SCC中的使用比例。当自密实混凝土配方采用6kg/m³，纤维长度为60mm时，这是被称为SCC6-60。按常规混合入6kg/m³纤维的混凝土则被叫做VCC6-60。

表1. 聚烯烃纤维特性

表2. 混凝土混合特性（kg/m³）

2.2 混凝土生产

图1所示的混合过程是为了使混凝土能够获得新拌混凝土的最优特性。这个过程在文献中将会有更为详细的描述[28]。

C=水525R/SR5

LP=石灰石粉

PF=聚烯烃纤维

W= 水

SP=高效减水剂

图1. 混合顺序

本实验研究比较了由振动过程和SCC自密实两种情况下纤维的定向和密度的不同之处。实验采用VCC6-60，就是在VCC中加入纤维长度为60mm，60kg/m³纤维用量。两个600times;150times;150m³的试件根据EN-14651[37]和RILEM TC 162-TDF [38]标准所描述的标准过程进行制作（图2为该方法草图）。然后通过振动台进行10s的加固。与VCC试件相比，SCC的试件是通过将混凝土倒入模具的一侧完成的。然后SCC试件通过它们的自重进行压实。

图2.用6kg/m³的60mm长的聚烯烃纤维增强的混凝土试件和结构构件和浇筑过程中缺口的相对位置的描述。

此外，为了分析流动，浇筑工艺和试件尺寸的影响，我们准备了一个长2200mm，高150mm，宽250mm的梁式木制模具。把SCC6-60从模板的一侧倒入制作而成。（见图2和3(b)）。SCC的流动性使得流量可以达到模具另一端。当SCC的底层到达模板底部时，剩下的流量会在重力作用下继续填充模具。这样，正如预期的那样，模具的末端是理想情况下最终到达的区域。

24小时后，可以拆除模板，得到如图3(b)所示的混凝土构件。保证构件的总长度可以获得四个长度为550mm的试件并且适合用于抗弯试验。图3(b)所示的黑色和白色的线把梁分成四个试件（L₁，L₂，L₃和L₄）。试件从浇筑点到模具端依次编号为L₁到L₄。此外，流动的也标记了白色和黑色箭头。为了忽略边界效应对试件的影响，梁构件的两侧都会移除一个厚度为50mm的侧边。图3(c)显示了拆除的侧边表面。因此，试件的最终尺寸为150 times;150times; 550mm³（注意，图3(d )展示了其中一个试件）。这样可以适用于抗弯试验。

图3. 特殊尺寸的构件：(a) 600times;450times;150mm³的竖向构件；(b)脱模后尺寸为2200times;150times; 250mm³的长构件；(c)从长构件移除的两侧；(d)锯切两边之后的L₁试件

最后，制作出一系列基于VCC6-60的试件并且命名为UHD。本系列研究的目的是为了确定在经过30s振动台的加固后，由纤维低密度引起的任何可能的浮动。而当模具采用和标准试件相同的长度和深度时[37,38]，它们的高度要大三倍。因此试件的尺寸定为600mm长，450mm高，150mm宽。在实验室养护24h，然后将混凝土拆模，并把它分为3个600times;450times;150mm³的棱柱体试件。它的上、中、下各面分别命名为U，H和D。图3(a)为被切割为3个常规试件之前的混凝土构件。在图2中，可以看到所有的构件的制作过程。

为了研究所有的混凝土类型，还将浇筑8个圆柱体试样（直径150mm，高为300mm）。测定试件的抗压强度、弹性模量和间接抗拉强度。这些圆柱体试件和棱柱体试件在室温20摄氏度，湿度95%条件下进行养护，直到达到可以测试的要求。

2.3新拌混凝土特性的评估

SCC的新拌特性通过EN: 12350-8标准[39]的坍落度测试和EN 12350-9标准[40]的V漏斗测试进行评估。对SCC和SCC6-60的混合物的测试总共进行两次，每次测试结果都记录在表3中。所有的测试结果都落在最常见的标准限值内，标准规定坍落度(d_f)在550mm到850mm之间，到达500mm直径的坍落盘的时间要低于8秒，并且排空V型漏斗的时间要在4至25秒之间[41]。

坍落度的平均孔径达到了预期值，在参考[10]和[28]中可见。观察到纤维和骨料均匀分布，并且没有偏析现象。VCC混凝土坍落的测试遵守了一个最常见的规则[42]。测试结果表明，两种不同方法生产的混凝土存在轻微差异。

表3. 新拌混凝土和力学性能评估的试验结果

2.4 混凝土力学性能的评估

对所有的混凝土的力学性能的评估都按照标准程序进行。按照EN 12390-3 [43]得到抗压强度，而按照EN 12390-6 规定[44]得到劈裂抗拉强度。根据EN 12390-13[45]判定弹性模量。对每种类型混凝土的三个圆柱体试件都进行了测试，得到它们的抗压强度和劈裂抗拉强度。测定每种混合物的圆柱体试件的弹性模量。表3表示了结果的平均值和变异系数(c.v.)。

从表3可以看出，SCC的抗压强度要高于VCC。SCC抗压强度略高的这种情况，可能是由于所使用的骨料比例不同所致。然而，当分别比较VCC和SCC时，VCC6-60和SCC6-60只在抗压强度值方面有微小差异。在弹性模量方面，用纤维制作的所有混合物获得的价值较低。正如前面所提到的，这种降低的现象可能是因为较差的压实情况所导致的。

纤维的存在提高了SCC的间接抗拉强度，并且提高的范围在预期量级之内[10]。关于VCC，在VCC6-60的情况下，当加入了长度60mm，6kg/m³的纤维时，该强度会减小0.2MPa。鉴于不同存在于实验分散的所有情况下，不能得出合理的结论。

2.5 抗弯试验

在这个研究中，至关重要的一点是这个试件进行试验前的槽口位置。在标准化模具中浇筑的混凝土构件，缺口的位置和方向应该根据建议进行开口。也就是说，上述的缺口相对位置的选择应该根据EN: 14651 [37] 和国际建筑材料及结构试验与研究实验所联合会TC 165- TDF [38]所规定的按照图2所示的方案进行开口。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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