文摘

由于温度的综合效应和循环加载和卸载,聚丙烯纤维增强混凝土结构的透气性变化服务。然而,当前的聚丙烯纤维混凝土透气性测试是基于单个影响因素或一个单一的测试条件(单调加载),和测试条件与实际工作条件不同的结构。探索聚丙烯纤维混凝土的渗透性在循环加载和卸载温度的影响下,基于应力原理的标本没有结构性破坏,根据达西定律的稳态方程,采用Cembureau方法。透气性聚丙烯纤维混凝土在单一的装卸和多级循环加载和卸载在八个目标温度由三轴渗透试验测试系统。结果表明,(1)当目标温度为120°C <T≤200°和200°C <T纤维≤280°C,经历了两个阶段的“软化,melting-cooling复苏”和“融化和吸收,导致损伤矩阵孔隙结构。透气性200°C和280°C 246倍和350倍,在22°C,分别。(2)矩阵的力量结构的损伤程度增加循环加载和卸载期间,和渗透率损失率在循环加载和卸载1.24∼1.57倍的单一的装卸。(3)目标温度高导致孔隙结构矩阵的损伤,这不仅影响矩阵的渗透率,但也会影响矩阵的结构强度。当应力比R≥0.37,孔隙结构损伤和强度结构损伤标本的叠加,导致的antipermeability影响标本的不利的方向发展。测试模拟聚丙烯纤维混凝土的实际工作条件,提供一个参考建筑防火、抗震设计或灾后评估。

1。介绍

混凝土和自然形成的岩石和土壤的宏观组合离散粒子,这都是多孔介质。在实际工作环境中,他们不可避免地受到许多因素的耦合影响,如热、水和压力。影响因素的发展是密切相关的颗粒重排(1),一个重要的对结构强度和刚度的影响。近年来,聚丙烯纤维混凝土(PPFRC)得到了广泛的应用,因为它的低渗透在室温下(2- - - - - -4)和良好的抗火灾和爆炸5,6]。然而,增加强度和渗透率下降后高温损伤对耐久性产生副作用,这吸引了广泛的关注。目前,对PPFRC的渗透性的研究主要侧重于负载效应和高温效应。

有关研究渗透率PPFRC负载下显示antipermeability PPFRC来自纤维的抗裂性的影响,这主要表现在抑制混凝土裂缝的生成和发展的遮蔽作用纤维和渗透率的提高电阻(7- - - - - -9]。美国1963年,Romualdi和巴特森提出了纤维止裂理论,也称为纤维间距理论。相信纤维的存在减少了裂纹尖端的传播力和阻碍裂缝的发展,这阻碍效应与纤维间距;纤维间距越小,就越明显的阻碍作用是(10- - - - - -12]。纤维间距理论强调限制效应(内容)在裂纹扩展矩阵,但忽略了复合纤维本身的强化效应,纤维和基体之间的结合强度和纤维长度的影响矩阵的强化效应,所以它只能定性解释纤维的强化原则。纤维止裂理论的基础上,引入线性弹性断裂力学原理和综合考虑纤维长度,矩阵中的self-composite效应和粘结强度的主要理论依据是当前研究纤维增强止裂。近年来,人们已经发现,裂纹扩展是有限的和不渗透性的改善是由于纤维强度和结合力的存在后混凝土损伤(13]。与此同时,在经济复苏阶段混凝土损伤的负载矩阵后,纤维还可以提高裂纹回收率和降低混凝土开裂后的渗透系数14]。然而,纤维含量越大,抗裂性和不渗透性越好。有一个阈值对不同水灰比纤维内容,和阈值范围通常是0.5公斤/米³∼1.5公斤/ m³(7,15- - - - - -18]。此外,混凝土的不渗透性大大荷载应力有关。一般来说,当应力比小于0.5时,矩阵的渗透率随压力增大而减小。应力比超过其价值时,矩阵结构很容易损坏,和渗透率大大增加19- - - - - -22]。

PPFRC温度操作之后的渗透性有关研究表明,孔隙和孔洞中生成矩阵“softening-cooling恢复”和“melting-absorption”后的聚丙烯纤维在高温下渗透率的增加(是重要的原因23- - - - - -30.]。然而,有不同意见聚丙烯纤维熔化后孔隙形成的机制。因et al。31日)表明,聚丙烯纤维混凝土吸收矩阵融化后通过“水滴”测试,但测试结果影响较大的表面处理程度标本。库利(32)指出,聚丙烯纤维后融化的粘度很高和分子直径(超过14海里)远远大于混凝土的孔隙大小硅酸凝胶或固相固相距离(1.8海里)(33),由具体的矩阵和吸收的可能性非常小。Bosnjak et al。28)发现通过PPFRC标本的加热试验标本后的PP纤维没有明显的变化是由连续加热冷却20分钟,连续加热后,PP纤维吸收6 h和2 d。加热时间越长,吸收的效果越明显。此外,矩阵中的自由水和束缚水有复杂的转换的影响在不同的温度下(34]。混凝土材料的水分流失的影响下高温(35,36)将导致孔隙结构和大小发生变化以及微裂隙的生成(37和影响混凝土的渗透阻力38]。

上述研究解释了聚丙烯纤维对混凝土的作用机理负荷下渗透率和温度。研究结果的工程应用提供了重要参考PPFRC防火和建筑物的抗震设计。然而,以上的研究都是基于单个影响因素或一个单一的测试条件(单调加载)和混凝土结构往往受到复杂的压力和多种因素在服务。例如,机场跑道被飞机着陆的影响,沿海建筑受到海浪的影响,和混凝土结构在地震多发地区进行循环加载和卸载,火灾后结构损伤。更现实的渗透和破坏机理研究PPFRC在循环加载和卸载的影响下的温度。

针对这一点,作者之前的研究的基础上,结合实际的工作条件,使PPFRC测试块和实施多级目标温度测试块。三轴渗透试验系统被用来衡量PPFRC的渗透率在单一的装卸和多级循环加载和卸载。气体渗透率的演化特征PPFRC多级目标温度和循环加载和卸载条件下进行了研究。

2。实验设计

测试是由八个目标温度和两个装卸方法。测试过程如图1。

2.1。测试原材料和比例

测试中使用的普通硅酸盐水泥是由河南Mengdian集团水泥有限公司,有限公司,并贴上P·O 42.5 r。细集料是天然河沙,细度模数为2.70,表观密度是2562公斤/米³。粗集料是连续级配砾石的粒径5∼20毫米和2622公斤/米的表观密度³。测试水是普通的自来水。聚丙烯纤维用于测试生产采购从廊坊Shuangyuan节能科技有限公司有限公司的长度是15毫米,直径0.5毫米,抗拉强度大于450 MPa,熔点为189°C,剂量为0.9公斤/米³。PPFRC测试块体积是200毫米×200毫米×200毫米,和C30强度等级。比例如表所示1。

2.2。测试系统

三轴渗透试验系统的测试是由江苏Tuochuang科研仪器有限公司,有限公司,如图2和3,这三个系统模块主要包括:三轴加载伺服控制系统,气体(液体)流量测量系统,方形块放置腔。(1)三轴加载伺服控制系统:活塞加载、自动平衡反应结构;三轴独立伺服系统+中央数字系统控制,控制精度:≥±0.1%的f.s.①三轴加载单元:每个轴都包含两个主要加载液压缸的最大负载1000 kN, 50 mm的最大行程,测量控制精度达到最大力量值的0.1%。它可以长期稳定加载。瑞士trafag使用压力传感器。传感器的额定输出电压是2.0 mV / V±2.5%,蠕变±0.1%,非线性±0.3%,滞后±0.3%,温度补偿范围是−10°C + 40°C。②伺服控制系统:采用日本富士伺服控制系统以满足恒压和恒速加载。加载速率为0.01∼1 kN / s,最大加载压力是40 MPa,控制精度为0.01 MPa,决议≤0.1%,滞后≤0.2%。(2)气体流量测量系统:稳态方法被用来控制流,0∼10 MPa的压力,和渗透系数测量范围10⁻¹⁴米²∼10⁻²²米²。在测试期间,有必要配合三轴加载圆柱,封装的标本与渗流通道上下压头三轴加载圆柱,并应用一定的静水压力(大于最大渗透压至少0.5 MPa)渗透率的开始测试前,确保包装材料接近标本墙。(3)方形块放置腔:三个立方体规格是300毫米,200毫米和100毫米。有三套夹子,夹包含相应的刚性垫块,这是方便改变测试样本的大小;一个封装0∼20 MPa的压力是用来确保三个轴向密封可靠。

2.3。加热和密封的标本

测试块是根据表1;标准养护时间为28天。在养护期结束,标本受到室内自然风干一个月。标本是由一个箱式电阻炉加热,和目标温度22°C(室温),40°C, 80°C, 120°C, 160°C, 200°C, 240°C和280°C。热稳定性6 h后,标本取出自然冷却至室温,然后包装装卸透气性测试。防止角损伤试件在加载过程中,气体渗流通道是改变。与角密封试样铜带固定边缘玻璃胶如图4。

2.4。测试计划

(1)渗透测试的原则:基于达西定律的稳态方程采用Cembureau方法。在一定压差下的两岸的样本,透气性与粘度系数、流动距离和流量,并根据公式计算渗透率(1)[39]。 的公式,的透气性PPFRC测试块,m²;μ的粘度测试气体,S·N / m²;问₀气流通过标本,米³/ s;P₀在测试条件下大气压力,MPa;P₁入口气体压力,MPa;P₂出口气体压力,MPa;一个广场样本区域,米²;和l样品的长度,米。(2)测试方案:采用单轴压缩试验方案,围压的0,压缩轴向z设在,装卸率是0.1 kN / s。氮被选为渗透气体入口的一侧x- - -y相互重合,入口压力为1.0 MPa,插座的另一边x- - -y相互重合,出口压力为0.5标本被封装的静水压力为1.5 MPa。确保透气性试验效果和防止损坏标本结构(40,41),标本的最大有效应力是0.5f_c(f_c的测量峰值应力PPFRC标本)。测试分为两组,每组八个标本受到不同的目标温度。在第一组,标本受到8-stage单一加载和渗透率的标本在每个加载水平测试。后加载到0.5f_c标本被卸载,至0.03f_c再次,然后渗透测试。第二组的标本受到8-stage循环加载和卸载(负载状态下的渗透率测试加载n阶段后,渗透率是卸载0.03f_c再次,渗透测试,进行了循环加载和卸载先后直到8-stage装卸完成后)。自动收集相关数据,计算并保存在实验中,数据采集频率的3秒。每个加载和卸载压力和停留时间不少于5分钟,测量和气流稳定是保证超过3分钟。

标本的有效应力计算根据公式(2)[42,根据公式计算应力比(3)。

的公式,σ_e表示有效应力,MPa;σ_z是z轴向应力,MPa;R是试样应力比;和f_c的峰值应力试样在单轴压缩下,MPa。

3所示。实验结果和分析

3.1。测试结果

(1)测试结果:测试结果如表所示2和3。计算中数据的表2和3表明,渗透率(平均)标本的200°和280°C是246和350倍22°C,分别表明温度的增加有一个负面影响渗透阻力的标本。在加载条件下,样品的渗透率在循环加载和卸载过程中是1.00∼1.12倍,在单一的装卸过程,表明循环加载和卸载条件下的渗透阻力产生负面影响。不同应力比为0.47时,渗透率单一标本的卸载过程是1.05∼1.14倍,在循环加载和卸载的过程,表明经济复苏程度的标本在单一的装卸高于在循环加载和卸载。(2)R-kg曲线:在拟合应力比和渗透率数据表2,R-kg关系曲线,如图5。图5表明,①R-kg关系曲线两个压力条件下相似。R-kg关系曲线是陡峭的早期阶段的加载和温和的加载的后期。这表明渗透率显著降低,增加应力加载的早期阶段,压力是有益的渗透阻力的标本。在加载后期,下降率下降,甚至与增加压力保持不变。此时,压力发展不利的方向渗透率阻力的标本。②与标本的目标温度的增加,线性部分的长度减少,和温柔的部分增加压力。这表明“窗口”的压力有利于标本后变得更窄的不渗透性高温的影响,和不渗透性的标本不利的方向发展。(3)T-kg曲线:在合适的温度(T)和渗透率(平均水平)的加载过程中试件在桌子上2,T-kg关系曲线,如图6。

图6表明,在两个压力条件下,改变在公斤增加T经历了三个阶段。在第一阶段,T< 120°C, T-kg线性斜率较低,和增量很小。在第二阶段,≤120°CT≤200°C, T-kg近视指数函数关系,公斤显著增加。在第三阶段,200°C <T≤280°C,增量公斤下降,最后T-kg曲线趋于温和。这表明120°C∼200°C之间的温度有显著影响的渗流速率标本。当温度高于240°C时,纤维完全融化,空腔形成的纤维总量的矩阵不会增加,及其渗透率往往是稳定的,所以第三阶段T-kg曲线是平的。

上述结果表明,增加目标温度和循环加载和卸载条件下的不渗透性标本带来不利的影响。

3.2。渗透率特征分析

3.2.1之上。渗透率下降率

渗透率的变化速率与应力条件和温度因素密切相关。计算渗透率变化率的标本可以直观地反映出两个因素的影响。渗透率参数表2根据公式计算4)获得样品的渗透率下降率。具体数据如表所示4。

的公式,k_D样品的渗透率下降率,%;k_我舞台下的渗透率是标本吗我加载、米²;和k_{我+ 1}下试样的渗透阶段”我加载,m + 1”²。

表4表明两种应力状态下,k_D经历了三个阶段的“突变”的温度。三个突变的温度范围≤40°CT≤120°C, 120°C <T≤200°和200°C <T≤280°C,压力比值分别为0.5、0.43和0.37,分别。可以看出k_D“突变”标本前进的应力比增加温度。

根据文献研究[7- - - - - -9,23- - - - - -30.)结论结合实验结果,分析聚丙烯纤维混凝土的渗透性的影响下压力和温度是主要与三个因素有关。首先是物理粘结纤维材料和混凝土的性质。第二,纤维孔结构的损伤程度是受温度的影响。第三,应力影响强度结构的损伤程度的标本。

在第一阶段,目标温度相对较低,聚丙烯纤维的热变形小,纤维紧密结合矩阵,如图7(一个)。低温效应导致小损伤的孔隙结构矩阵,矩阵的标本是高。此时,渗透性主要由孔隙和微裂隙的矩阵。在反应的压力,这两个产生一个压缩效应(22,43),渗透率和压力线性降低。由于纤维的稳定性好和大型矩阵的延性,当压力继续增加时,响应时间的两个压力接近或达到极限状态(弹塑性大变形),和R-kg曲线的直线段较长,如图5(一)-5(c)。因此,应力值很大时,渗透率是“突变”。

在第二阶段,目标温度是聚丙烯纤维的软化和熔化阶段。冷却后,恢复纤维分离矩阵并生成孔隙,导致不同程度的损伤矩阵的孔隙结构,增加了透气性通道,减少矩阵强度(28,29日),如图7(b)。由于渗透率的增加通道,基质渗透率显著高于在第一阶段,如图6。由于损坏的孔隙结构矩阵,纤维和基质之间的附着力消失,导致降低矩阵的强度和延性。当压力反应的三个接近或达到极限状态,持续时间缩短(弹塑性变形减小),和缩短R-kg曲线的线性部分,如图5(d)和5(e)。因此,应力值降低渗透率时“突变”。

第三个阶段是高温影响的阶段。微观结构的研究表明,聚丙烯纤维消失后的矩阵高温超过200°C,和空洞形成冷却后31日,44]。高温后试样的宏观结果与微观结果一致,如图7(c)。在这个时候,基质孔隙结构大大地受损,而强度显著降低。与前三种骨折相比,这个大空腔对压力反应不敏感,导致渗透率高于前两个阶段,如图6。由于大型矩阵孔隙结构的损伤程度,纤维消失,矩阵变成脆性材料,强度降低到最低限度。在对压力的反应,矩阵的弹塑性变形是最小的。这时,矩阵的毛孔和空洞的时期达到极限状态再次缩短,和R-kg曲线的直线段再次缩短,如图5(f)。因此,应力值降低渗透率时再次“突变”。

3.2.2。渗透率损失

渗透率损失程度可以反映损伤和恢复程度的卸货后的标本。渗透率损失率越小,损伤程度越低的标本和恢复程度越高。根据表中的数据2和3,样品的渗透率损失率在卸货是根据公式计算(5)[45,46]。

的公式,k_P是渗透率损失率;k₁的渗透率是标本在第一阶段加载下,m²;和k_我−U1的渗透率级别的标本在卸货吗我,米²。

表中的数据5表明,k_P温度和压力的增加而增加。装卸的损失率渗透率应力比的差异R_D= 0.47计算。渗透循环加载和卸载过程的损失率是1.24∼1.57倍的单一的装卸。可以看出,温度上升和循环加载和卸载条件不良对PPFRC的不渗透性的影响。

标本的分析表明,卸荷过程不是加载的逆过程。在加载的早期阶段,试样在弹性阶段。当压力大于弹性极限,标本进入塑性工作阶段,关闭率微间隙的矩阵是加速,和矩阵形状变量增加。此时,矩阵结构部分受损,试样的变形不会卸货时返回到原始状态,有变形,如图8。多级循环加载和卸载后,损伤矩阵结构强度增加(47),裂纹扩展或增加,不利影响标本的不渗透性。

此外,平均的值k_D和k_P在循环加载和卸载条件下的标本R≤0.34和T≤120°C计算和记录k_D−噢和k_P−噢,分别。的平均值k_D和k_P在循环加载和卸载条件下的标本R≥0.37和T≥160°C计算和记录k_D−HH和k_P−HH,分别。比较后,发现低温样品的渗透率下降率和低压力大(k_D−噢= 8.26),渗透率损失率很小(k_P−噢= 4.88)。在高温和高压力下,渗透率下降率样本很小(k_D−HH= 2.44),渗透率损失率大(k_P−HH= 20.31)。分析表明,高目标的温度会导致损伤矩阵孔隙结构,这不仅影响矩阵的渗透率,但也会影响矩阵的结构强度。孔隙结构损伤和强度结构损伤标本是叠加的影响下的高温和高应力条件。叠加后的两个,孔隙结构的失败加速强度结构在高应力的失败,使得矩阵裂纹的发展更快,导致矩阵antipermeability效应的发展不利的方向发展。

4所示。结论

(1)当影响试样的温度是120°C∼280°C,纤维经历两个阶段,“软化,melting-cooling复苏”和“融化和吸收,”矩阵孔隙结构造成破坏。标本的渗透性在200°C和280°C 246倍和350倍,在22°C,分别。(2)与单一的装卸相比,循环装卸有更大的力量结构的损伤标本,和后者的渗透率损失率是前者的1.24∼1.57倍。(3)高温的影响后,孔隙结构损伤和强度结构损伤标本的叠加在高压力(应力比在0.37和0.5之间)。样品的渗透率损失率在高温高压,低温和低压力的4.16倍。(4)虽然测试过程模拟PPFRC结构的工作条件,测试过程仍存在一些差异和实际工作条件由于测试设备的限制。例如,电阻炉的加热模式之间的区别和篝火的加热模式,以及不同加热和加载过程的独立性的标本和联合行动的两个因素结构遭受火灾时,会导致组件的渗透率的变化。因此,研究组件的渗透率在火灾或共同作用下的温度和压力接近实际结构的工作条件。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这项研究的出版物。

确认

作者欣然承认金融支持中国的国家自然科学基金(51604091),河南大学的科技创新团队项目(22 irtsthn009)和河南省的科技项目攻关(222102320466)。