活性粉末混凝土拉伸性能試驗研究

活性粉末混凝土拉伸性能試驗研究

活性粉末混凝土（rcc）由細活性粉末、水泥、優(yōu)質(zhì)細骨料和高強度纖維組成。這是一種創(chuàng)造性的高材料，通過優(yōu)化和設(shè)計特定的技術(shù)，如高溫和熱交換法。該材料具有超高強度、高韌性、高耐久性和良好的抗疲勞性能,因此在橋梁工程中具有很好的應(yīng)用前景?；钚苑勰┗炷撂娲胀ɑ炷敛牧?不僅可以有效降低受彎構(gòu)件的截面高度,而且可以提高構(gòu)件的剛度和使用壽命。目前國內(nèi)外已有在部分橋梁工程中的應(yīng)用實例。我國在曹遷線鐵路橋梁跨線低高度梁設(shè)計中,利用RPC材料的高彈性模量與超高強度等特性,設(shè)計出剛度與承載力滿足列車高速運行的高耐久性低高度預(yù)應(yīng)力梁。另外,客運專線橋梁人行道系統(tǒng)及電纜槽蓋板均已采用活性粉末混凝土板式構(gòu)件,有效解決了原普通混凝土構(gòu)件易破損、壽命短等問題,同時降低橋梁二次恒載。經(jīng)研究RPC具有很高的抗拉強度與良好的塑性特點,其力學(xué)特性與普通混凝土、纖維混凝土有很大差異,而目前RPC橋梁與其他受彎構(gòu)件的設(shè)計,仍采用與普通混凝土構(gòu)件相同的設(shè)計方法,忽略抗拉強度,設(shè)計偏于保守。研究RPC的拉伸性能,提出抗拉強度指標與受拉本構(gòu)關(guān)系模型,對充分發(fā)揮RPC的材料特性、合理設(shè)計橋梁受彎構(gòu)件、降低工程造價以及推廣應(yīng)用具有重要的意義。目前RPC的受拉性能尚缺乏系統(tǒng)的研究。本文通過RPC受拉性能試驗與分析,研究抗拉強度指標與軸心受拉本構(gòu)模型。1試驗總結(jié)1.1試驗材料及材料RPC劈裂抗拉強度、軸心抗拉強度試驗按鋼纖維體積率分為0、0.5%、1%、1.5%、2%共5組,每組成型3個試件。試驗結(jié)果取每組試件的平均值。劈裂抗拉強度試驗采用邊長100mm的立方體試件,軸心抗拉強度試驗采用如圖1所示的倒8字形試件。另外,測定同批RPC成型100mm立方體試件的立方體抗壓強度,校驗試件的均勻程度。試驗所用的RPC主要采用的原材料如下:拉法基42.5號普通硅酸鹽水泥;粒徑2μm以下的微硅粉;直徑0.20mm、抗拉強度2860MPa的子午線輪胎鋼絲,將其切割成長度為12～15mm的短細鋼纖維;粒徑為0.16～1.25mm的級配石英砂;北京建工研究院生產(chǎn)的減水率為29%的RPC-2型高性能減水劑。材料配合比見表1。攪拌好的RPC澆筑于鋼模中,在高頻振動臺上振搗。在養(yǎng)護室中將試件養(yǎng)護24h后拆模,再放入養(yǎng)護箱中70℃下蒸汽養(yǎng)護72h,最后移入標準養(yǎng)護室,養(yǎng)護28d。1.2試驗設(shè)計和試驗加載試驗在1000kN電子液壓式萬能試驗機上進行?？箟簭姸扰c劈裂抗拉試驗加載速度分別取為1.2MPa/s和0.2MPa/s,其他按《普通混凝土力學(xué)性能試驗標準》(GB/T50081-2002)要求進行。軸心抗拉試驗中,為了得到RPC材料軸心受拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€,除對試驗方法和試件本身有要求外,試驗體系應(yīng)具有足夠大的剛度,以保證試件的破壞在穩(wěn)定、緩慢過程中進行。本試驗采用在試驗機上增設(shè)附加剛性架的方法。為了防止試件的突然破壞,設(shè)置4根拉桿,直徑為20mm,采用45號鋼(彈性模量為210×103MPa)。設(shè)計的加載裝置如圖2所示。試驗時,將RPC軸心受拉試件卡在剛架的上下夾頭里,試驗機開動時,靠夾頭上的立桿拉力對試件中間RPC截面形成拉應(yīng)力。試件兩側(cè)各粘貼標距為50mm的3個應(yīng)變片,測定RPC的應(yīng)變εRPC;輔助鋼架的4根拉桿分別粘貼標距為20mm的2個應(yīng)變片,測定拉桿的應(yīng)變ε鋼。RPC的拉力FRPC=F總-F鋼,其中,F總為試驗機讀取數(shù)值;F鋼為拉桿承擔(dān)的拉力,F鋼=σ鋼S鋼,S鋼為拉桿截面面積,σ鋼=E鋼ε鋼。RPC的應(yīng)力σRPC=FRPC/SRPC,其中,SRPC為RPC試件的截面積。2鋼纖維對rpc強度的影響RPC的受拉試驗結(jié)果見表2?？梢?RPC的抗拉強度隨纖維體積率的增加而增大。當(dāng)鋼纖維體積率在0～2.0%范圍內(nèi)時,RPC試件的劈裂抗拉強度比(摻鋼纖維RPC劈裂抗拉強度與無鋼纖維RPC劈裂抗拉強度的比值)為1～2.60,軸心抗拉強度比(摻入鋼纖維RPC軸心抗拉強度與無鋼纖維RPC軸心抗拉強度的比值)為1～2.47。鋼纖維對RPC材料的抗拉強度具有顯著的提高作用,其中劈拉強度最大增強率可達160%。而對于普通纖維混凝土,當(dāng)鋼纖維體積率為0～2.0%時,鋼纖維對其劈裂抗拉強度的增強率僅為40%～80%。因此,鋼纖維摻量是影響RPC抗拉強度的重要因素。2.1檢測鋼纖維并壓縮體的強度根據(jù)試驗結(jié)果繪制的RPC劈裂抗拉強度比與鋼纖維含量特征值λf的關(guān)系見圖3。由圖可知RPC的劈裂抗拉強度與鋼纖維含量特征值呈現(xiàn)良好的線性增長關(guān)系。纖維的增強效應(yīng)與纖維品種、纖維特征參數(shù)及基體混凝土強度有關(guān),《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS38:2004)提出鋼纖維混凝土抗拉強度的計算公式ffs=fs(1+αsλf)(1)ffs=fs(1+αsλf)(1)式中,fs為無纖維混凝土抗拉強度,MPa;ffs為摻鋼纖維混凝土抗拉強度;αs為鋼纖維對劈裂抗拉強度的影響系數(shù)。為方便應(yīng)用,本文RPC也采用式(1)計算抗拉強度。通過對RPC立方體劈裂抗拉強度的試驗結(jié)果統(tǒng)計分析,得到纖維體積率在0～2.0%時的RPC劈裂抗拉強度計算公式fRts=fts(1+0.82λf)(2)fRts=fts(1+0.82λf)(2)式中,fts為無纖維RPC劈裂抗拉強度,MPa;fRts為摻鋼纖維RPC劈裂抗拉強度。式(2)與試驗數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.966。2.2纖維含量特征值ft分析根據(jù)試驗結(jié)果繪制的RPC軸心抗拉強度比與鋼纖維含量特征值λf的關(guān)系見圖4。由圖可知RPC的軸心抗拉強度與鋼纖維含量特征值也呈良好的線性增長關(guān)系。通過試驗數(shù)據(jù)回歸分析,得到纖維體積率在0～2.0%時RPC的軸心抗拉強度計算公式fRt=ft(1+0.77λf)(3)fRt=ft(1+0.77λf)(3)式中,fRt為摻鋼纖維RPC軸心抗拉強度,MPa;ft為無鋼纖維RPC軸心抗拉強度。式(3)與試驗數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.991。2.3rpc炮力學(xué)性能試驗表明同纖維摻量的RPC劈裂抗拉強度高于軸心抗拉強度。這可能是由于軸心受拉時,鋼纖維僅承受拉伸作用,而劈裂受拉時,靠近加荷墊塊附近劈裂面上的鋼纖維承受壓剪作用而對該區(qū)域施加了約束,出現(xiàn)RPC劈裂抗拉試驗的“邊壁效應(yīng)”所致。圖5為fRt/fRts與λf的關(guān)系圖。通過對試驗數(shù)據(jù)回歸可得在0<λf≤2范圍內(nèi),RPC軸心抗拉強度與劈裂抗拉強度的關(guān)系為fRt=0.61fRts(4)fRt=0.61fRts(4)式中,fRt為RPC的軸心抗拉強度,MPa;fRts為RPC的劈裂抗拉強度,MPa。式(4)與試驗數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.956。2.4鋼纖維對rpc力學(xué)性能的影響本文測得的鋼纖維體積率為0、1.0%和2.0%等3種試件應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€見圖6。結(jié)合圖6與試驗過程觀察到的現(xiàn)象分析如下:無鋼纖維的RPC試件開裂后,應(yīng)力即降為0,表現(xiàn)出脆性特征,曲線的下降段難以得到;當(dāng)摻加體積含量1.0%的鋼纖維時,試件開裂后可以記錄到明顯的下降段,這是由于基體開裂以后,跨越裂縫的鋼纖維開始發(fā)揮作用,彌補了基體開裂后造成的承載力降低,隨著裂縫的發(fā)展,鋼纖維的作用逐漸增大,試件的承載能力繼續(xù)提高,最后隨著鋼纖維的拔出,曲線逐漸下降;當(dāng)鋼纖維體積含量增加到2.0%時,破壞過程基本與體積含量1.0%的試件類似,只是應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的下降段較為平緩且延伸較長,試件開裂后仍能承受較大的拉力。含鋼纖維的RPC試件從開始加載到破壞,歷經(jīng)彈性階段(OA)、裂縫穩(wěn)定擴展階段(AB)、裂縫失穩(wěn)擴展階段(BC)、纖維拔出階段(CD)等4個不同的受力階段。隨著鋼纖維體積率的增大,RPC材料的峰值應(yīng)變、極限荷載和極限變形均有很大的提高,應(yīng)力-應(yīng)變曲線下所包圍的面積增大。因此鋼纖維的加入,可提高RPC受拉破壞時的強度并改善RPC受拉破壞時的變形性能,從而提高其受拉韌性。將RPC的初始彈性模量ERt0取為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段σ=0.5fRt處的割線模量;受拉峰值變形模量取作ERtp=fRt/εRtp。表3為RPC軸心受拉試驗參數(shù)。由表3可見,摻入鋼纖維后,RPC試件的初始彈性模量與峰值變形模量的比值ERt0/ERtp在1.3左右波動。3材料的理化性質(zhì)(1)加入鋼纖維可顯著提高RPC的抗拉強度,在最大纖維體積率2.0%情況下,其劈裂抗拉強度的增強率可達到160%,軸心抗拉強度的增強率可達到147%。(2)隨鋼纖維體積率的增大,RPC的峰值應(yīng)變、極限荷載和極限變形均有顯著提高,應(yīng)力-應(yīng)變曲線下所包圍的面積增大,從而提高了材料韌性。(3)RPC劈裂抗拉強度和無纖維RPC劈裂抗拉強度與鋼纖維含量特征值有關(guān),提出的計算公式可計算纖維體積率在0～2.0%的劈裂抗拉強度。(4)RPC軸心抗拉強度和無纖維RPC軸心抗拉強度與鋼纖維含量特征值有關(guān),提出的計算公式可計算纖維體積率在0～2.0%的軸心抗拉強度。(5)給出的RPC應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€表達式能反映纖維摻量對全曲線的影響,與實測曲線吻合良好,模型參數(shù)取值簡單,適合于工程應(yīng)用。2.5混凝土軸系應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€模型式中,σRt為RPC軸心受拉峰值應(yīng)力;σ為RPC軸心受拉應(yīng)力;ε為RPC軸心受拉應(yīng)變。描述混凝土軸心受拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的模型很多。本文以應(yīng)力峰值點為分界,上升段和下降段采用不同的全曲線函數(shù)表達式,描述RPC的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律。令2.5.1上升段應(yīng)滿足的邊界條件根據(jù)試驗曲線上升段的特點表達式為式中,A、B、C為與鋼纖維特性有關(guān)的參數(shù)。上升段應(yīng)滿足的邊界條件為x=0,y=0;x=1,y=1,dy/dx=0。由此得B=3-2A,C=A-2,上升段表達式也可式中,A=ERt0/ERtp,通過試驗結(jié)果擬合得式中,εt0為無纖維時峰值應(yīng)變。2.5.2邊界條件的確