钢纤维增强高性能混凝土的动态应力-应变行为与粉煤灰

文摘

添加钢纤维的混凝土混合物可以显著改善混凝土的工程性质。钢纤维增强高性能混凝土的力学行为与粉煤灰(SFRHPFAC)研究了通过静态压缩试验和动态冲击试验。圆柱形试件和三个体积分数end-hooked钢纤维体积分数为0.5%,1.0%和1.5%(39.25,78.50,和117.75公斤/米³64年)和长宽比。这些标本检测静态压缩和动态冲击的分离式霍普金森压杆(SHPB) 30 - 60年代的应变率⁻¹。研究结果表明,混凝土的破坏模式从脆性大大改变韧性的钢纤维。low-strain-rate单下的素混凝土可能会失败而影响纤维混凝土在高应变率加载可以抵抗的影响。结果表明,应变率对混凝土强度有很大影响。此外,韧性能量正比于静态和动态的纤维含量外按压。

1。介绍

高性能混凝土(HPC)是一种相对较新的建筑材料。生产高性能计算技术已经非常先进的混凝土抗压强度,,50多个MPa的衰退在200毫米是商用,和实力远高于,但高和易性很容易产生。粉煤灰(FA),一个工业废料在世界各地得到了广泛的应用,部分水泥替代HPC由于其经济和环境效益因此,它引起了极大关注和研究近年来。粉煤灰替代使用的百分比范围从约20%总胶结材料(低量粉煤灰)超过50%(高容量粉煤灰)。将低钙粉煤灰(ASTM C618类F)混凝土可以导致更好的和易性和持久性属性(1]。在低体积粉煤灰混凝土,粉煤灰作为火山灰材料而在高容量的粉煤灰混凝土,只有部分粉煤灰火山灰反应的反应。另一部分不反应,仍作为混凝土虽然塞尺标本保存治愈很长一段时间(2- - - - - -4];因此他们不贡献力量,与普通硅酸盐水泥与HPC (OPCHPC) [1,5]。易卜拉欣et al。6),然而,报道称,高体积粉煤灰砂浆的强度,如果与nanosilica一起使用,增加相比普通混凝土或砂浆。Chindaprasirt et al。7)报道,波特兰水泥的替代原粉煤灰增加孔隙度,但减少的平均孔隙大小粘贴。克(8]在他的研究该类F粉煤灰可以适当使用50%的水泥替代水平混凝土用于预制元素和钢筋水泥混凝土结构。

混凝土应旨在抵制和吸收等人为和自然力量的能量爆炸和地震(9]。高性能混凝土(HPC)是一种材料抗压强度高和良好的表现,但脆弱的本质。研究已经证明,添加钢纤维在混凝土显著提高砂浆和混凝土的工程性质,尤其是抗压和抗弯强度、冲击强度和韧性。韧性是衡量材料在变形中吸收能量的能力估计使用应力-应变曲线下的面积(10]。Karahan和Atiş1),而研究聚丙烯纤维增强粉煤灰混凝土的特性,报道,添加一个体积分数为0%,0.05%,和0.10%聚丙烯纤维似乎稍微增加或维持的力量,但当添加0.20%的聚丙烯纤维,强度降低。对钢纤维混凝土,有一个增加10%,减少6%相比普通混凝土立方体抗压强度的混凝土标本(5]。

一般来说,高宽比钢纤维在混凝土混合不同从50到100。合适的混凝土混合体积分数值从0.5%到2%体积的混凝土。钢纤维增强高性能混凝土的性能和特征(SFRHPC)随不同纤维材料类型、纤维几何、纤维分布、纤维取向和纤维浓度(11]。在所有SFRHPC的主要参数,动态抗压强度具有最重要的标准混凝土抵抗高应变率的动态载荷。另一方面,钢纤维的加入可以降低混凝土的和易性1,5]。这可以使用粉煤灰的平衡混合物SFRHPC增加混凝土的和易性12]。

Shkolnik [13)提出了一个CEB模型预测的完整应力-应变曲线HPC年级70 MPa。CEB模型在动态载荷下的应变率从0.00003 s⁻¹到300年代⁻¹。结果表明,动态抗压强度成正比的应变率载荷。王等人。14)实验研究了钢纤维混凝土的力学行为(10)通过静态和动态压缩使用SHPB动态压缩测试。他们报告说,配筋的失败模式从脆弱到韧性显著变化。配筋的影响特性,包括动态能量强度和韧性,表现出很强的应变率依赖。

一个没有被广泛研究之前添加钢纤维的影响在机械和粉煤灰高性能混凝土的耐久性性能对高应变率加载下。研究人员研究了粉煤灰HPC和单独配筋;然而,考虑与粉煤灰SFRHPC领域需要更多的研究。本研究的目的是研究钢纤维的影响抗压强度,抗弯强度和动态抗压强度与粉煤灰SFRHPC。

2。实验计划

2.1。材料

2.1.1。水泥

水泥使用波特兰水泥ASTM C 1型比重为3.15。布莱恩的比表面积是3250厘米²/ g,其化学成分表1。

2.1.2。粉煤灰

使用的粉煤灰是来自Kapar电站位于雪兰莪州,马来西亚。根据ASTM C 618标准,它是属于类F粉煤灰。特定的重力和布莱恩比表面积是2.26和2900厘米²分别/ g。水泥和粉煤灰的化学氧化成分表1。粉煤灰不处理,作为收到。

2.1.3。总

干燥和清洁的自然河流总被用在混凝土混合物。砾石是10毫米最大公称尺寸0.44%吸水值,和它的相对密度2.63饱和面干(SSD)条件。使用的沙子吸水值是2.12%,和它的相对密度2.57 SSD条件。混合骨料的级配提出了表2。

2.1.4。纤维

钢纤维钢筋混凝土65/35 BN低碳类型,及其两端连接。钢纤维长度与0.55毫米直径35毫米,64年纵横比,密度78.5克/厘米³。

2.1.5节讨论。塑化剂

商业超塑化剂F型浓缩硫酸萘甲醛的化合物被用来保持新鲜混凝土的和易性。超塑化剂的用量保持不变在质量的基础上,也就是说,粘结剂含量的1%。保持增塑剂的量恒定的目的是忽视,如果任何,增塑剂的影响硬化混凝土的性能。

2.2。混合物组成和制备方法

每立方米混凝土的混凝土成分(用作基础)是给定的表3。混合设计成比例按照英国环境部门的方法(DoE混凝土混合料配合比设计方法)。具体的有针对性的抗压强度是50 MPa,因此水灰比是常数为0.39。的粘结剂含量641公斤/米³决心通过设置水含量在250公斤/米³对所需的衰退60和180毫米之间。粉煤灰的内容是更换相同数量的水泥,水可以减少需求。据能源部混凝土混合料配合比设计方法,每与粉煤灰替代水泥,10%的含水量可以减少相应的基于所需的衰退。含水量降低了17.5公斤/ m³由于粉煤灰替代水泥的25%。超级塑化剂添加粘结剂的总重量的1%。新鲜SFRHPC含0%、0.5%、1.0%和1.5%钢纤维体积的基础准备。

混合的程序SFRHPC如下。首先,碎石和沙子被放置在混凝土搅拌和混合干燥2分钟。第二,水泥和纤维扩散和混合少量的水(10%)大约2分钟。第三,混合水(80%)和混合添加了另一个2分钟。第四,剩余的混合水(10%)和添加增塑剂和混合3分钟。最后,新拌SFRHPC被扔进了模具,模具是振实消除空气被困。每个标本被允许代表demolding前24小时在实验室。标本治愈在水中约21 - 25日°C 28天前测试。

2.3。测试方法

每个试样的抗压和抗弯强度是决定基于BS 1881 - 116: 1983和BS 1881 - 118: 1983,分别。每个试样的动态抗压强度是决定基于ASTM C-39利用SHPB技术2 MPa和3 MPa的压力。标本是150毫米的立方体³抗压强度、棱柱的维度挠曲强度的mm,圆柱体直径50毫米和50毫米的高度动态抗压强度。每个测试是3块,3棱镜,和9缸样本为每个钢纤维体积分数为0%,0.5%,1.0%,1.5%。

分离式霍普金森压杆(SHPB)系统由一个发射管,前锋酒吧,传动杆,吸能部件。能源系统包含空气压缩机和压力容器。测量系统包括速度和动态应变指标。弹的杨氏模量、事件和传输酒吧,是210.0的绩点和5190 m / s的波速。SHPB系统的布置示意图如图1(所有测量都在毫米),和图2系统的显示了正字法的视图。

图3显示了这一事件的特写镜头酒吧和传动杆的残骸碎混凝土样品仍然没有纤维。

系统的应变仪安装在中间事件的酒吧和传动杆。当前锋栏点击事件结束的酒吧,一个弹性压缩应力脉冲生成。这个脉冲的形状结构应力几乎是矩形坐标(正弦拉格朗日波)和振幅成正比的冲击速度的前锋酒吧。这个脉冲传播通过标本。当入射脉冲到达事件的接口酒吧和标本,脉冲被反射的一部分沿入射杆拉伸脉冲和其余部分传播到标本通过传动杆压缩波。入射脉冲是确保不与反射的脉冲重叠。记录的应变信号是使用高速数字示波器的10位。减少噪音振动,建立了示波器的输入波不同。入射杆和传动杆在测试期间保持弹性,这样棒的长度和直径之间的比例被设计成足够大(1400毫米/ 100毫米)。然后,以下假设。(1)酒吧很近似的波传播的一维波传播理论。(2)标本中的应力和应变均匀轴向方向。(3)标本的径向惯性和摩擦的影响可以忽略不计。

这些应变测量是用来确定历史的时间压力,应变和应变率的标本在变形。具体来说,应力和应变的历史,分别 在哪里和是传播和反射压力脉冲的振幅。,,的杨氏模量、横截面积和纵波速度的酒吧,然后呢和试件的横截面积和长度,分别。应变速率的表达式(2)可能是集成关于时间给的压力: 统一的标本必须足够短应力状态沿着加载期间标本的快速实现。五到十波影响标本中通常要求(15]。另一方面,当使用很短的标本,标本结束之间的摩擦和酒吧可以发挥重要作用,导致强度明显增加16]。样品也需要小的直径相对于外加负载脉冲的波长一维波理论是有效的并发症Pochhammer-Chree径向振荡(17]。Pochhammer-Chree解决方案用于描述纵向轴对称波传播在坚实的圆柱体。为了避免色散波,戴维斯和猎人17]建议的最佳长宽比 在哪里样品材料的泊松比。在大多数情况下,这个条件收益率。实验,纵横比在0.31和1.55之间是用来实现一系列的应变率的表征应变率敏感性。多个测试表明,标本纵横比在这个范围内产生一致的应力-应变曲线相同的应变率,并观察到没有明显的尺寸效应。

HPC的毒药比率与足总报告低于普通混凝土表明越HPC的脆性。HPC毒药比率值为0.21,因此,在这项研究中的应用是1.00使用的标本是75毫米×Ø75毫米。

3所示。实验结果和分析

3.1。静态抗压强度

三个混凝土立方体抗压强度平均为每个组合测量28岁的天,如表所示4。平均抗压强度是50多个MPa目标年龄28天抗压强度。替换的结果表明,15%水泥粉煤灰不显著降低高性能混凝土的抗压强度。纤维高性能混凝土抗压强度的增加是重要的纤维体积分数1.5%和记录标本C50F15增加46%。

3.2。抗弯强度

三棱柱平均的抗弯强度为每一个具体的混合测量28岁的天,见表5。钢纤维对HPC的弯曲抗拉强度有显著的影响。改善从0.5%扩大到65%,1.0%和31%最后104%至1.5%。纤维含量的提高内容的进一步增加在HPC的弯曲抗拉强度。随机分布钢纤维控制裂缝和告密者。因此,当钢纤维控制裂缝,失败的负载梁试样必须增加诱导裂缝的失败。因此,钢纤维的加入可以提高材料的极限抗弯强度。混凝土抗弯强度增加,高与高量的钢纤维混凝土。

3.3。动态冲击强度

的动态冲击强度SFRHPC只集中在单一的影响在这个研究。为了实现单一故障影响素混凝土,加载的压力设置为2 MPa(图4在第一次和3 MPa(图5以后)达到最小应变速率为32.04 s⁻¹。同样,纤维的最小应变率样本含体积分数为0.5%,1.0%,1.5%是32.94秒⁻¹,40.02年代⁻¹,47.21年代⁻¹,分别。的冲击速度可以调节气体压力是用来确定应变率。数据4和5显示所有标本的混凝土的应力-应变曲线是线性的,直到达到损伤阈值,然后软化部分紧随其后。也注意到平原HPC (C50F00)并不拥有一个完整的曲线随着纤维HPC,这表明相比普通HPC的脆性纤维高性能混凝土。升序和降序两分支的应力应变曲线添加钢纤维的影响,但最明显的下行分支。另一个事实是,SFRHPC的动态响应是对应变率高度敏感。这可以通过峰值应力观测,和相应的应变随应变速率的增加而显著增加。此外,钢纤维的加入可以提高峰值压力以及抗压强度。

观察的韧性性能HPC在目前的钢纤维。此外,韧性的能量也随应变速率的增加而增大。结果表明,纤维含量的增加也导致更高的应变率加载完全失败的标本。最后,纤维的体积分数对失败有重要作用的具体模式。观察结果表明,普通混凝土破裂成碎片而样品的体积分数1.0%仍整体轮廓与小段脱落。标本与纤维体积分数1.5%的保留大部分的外观。

4所示。结论

是至关重要的研究SFRHPFAC反应动压缩的应力-应变关系。以下的结论可以从这个实验研究。(1)静态抗压强度测试和挠曲强度测试表明,该失效模式的SFRHPFAC从脆韧性显著变化。由于纤维均匀混合的HPC蔓延,SFRHPFAC使纤维的桥接系统标本基本上完好无损和绑定。(2)添加钢纤维在混凝土混合显著提高HPFAC静态和动态载荷下的力学性能。在相同的压力下,大约相同的加载应变率,平原HPFAC可能会失败在一个单一的影响而SFRHPFAC能抵抗失败之前重复的影响。(3)SFRHPFAC性质的影响,包括动态能量强度和韧性,表现出很强的应变率依赖。钢纤维的混合物的内容HPFAC显著影响HPFAC的性能。

确认

这项研究是由马来西亚Kebangsaan马来西亚和中国高等学校大学通过项目UKM - gupbtt - 07 - 25 - 023和德意志联邦共和国/ 1/2011 / TK / UKM / 02/16。

引用

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