纤维地聚物混凝土断裂性能试验

杨世玉 赵人达 郭秋雨 曾宪帅

杨世玉, 赵人达, 郭秋雨, 等. 纤维地聚物混凝土断裂性能试验 [J]. 工程科学与技术, 2022, 54(6): 230-237. doi: 10.15961/j.jsuese.202100691
引用本文: 杨世玉, 赵人达, 郭秋雨, 等. 纤维地聚物混凝土断裂性能试验 [J]. 工程科学与技术, 2022, 54(6): 230-237. doi: 10.15961/j.jsuese.202100691
YANG Shiyu, ZHAO Renda, GUO Qiuyu, et al. Experiment of Fracture Performance of Fiber Reinforced Geopolymer Concrete [J]. Advanced Engineering Sciences, 2022, 54(6): 230-237. doi: 10.15961/j.jsuese.202100691
Citation: YANG Shiyu, ZHAO Renda, GUO Qiuyu, et al. Experiment of Fracture Performance of Fiber Reinforced Geopolymer Concrete [J]. Advanced Engineering Sciences, 2022, 54(6): 230-237. doi: 10.15961/j.jsuese.202100691

纤维地聚物混凝土断裂性能试验

基金项目: 国家自然科学基金项目(51778531)
详细信息
    • 收稿日期:  2021-07-14
    • 网络出版时间:  2022-09-29 09:52:00
  • 作者简介:

    杨世玉(1989—),男,博士生. 研究方向:混凝土材料和混凝土结构长期性能. E-mail:shyyang@my.swjtu.edu.cn

    通信作者:

    赵人达, 教授,E-mail: rendazhao@swjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TU52

Experiment of Fracture Performance of Fiber Reinforced Geopolymer Concrete

  • 摘要: 为研究不同性质的纤维对粉煤灰基地聚物混凝土(GPC)断裂性能的影响,通过切口梁的3点弯曲试验,探讨不同体积率的玄武岩纤维(BF)、聚乙烯基聚丙烯纤维(SPPF)及端勾钢纤维(SF)对GPC断裂性能的影响。结果表明:1) BF增强GPC(BFGPC)、SPPF增强GPC(SPPFGPC)和SF增强GPC(SFGPC)较GPC(对照组)的抗压强度和劈裂抗拉强度均有显著提高,最大抗压强度分别在体积率为0.2%、0.8%和1.0%获得,劈裂抗拉强度对应的最佳体积率分别为0.2%、0.4%和1.0%。2) BFGPC的各断裂性能指标均随BF体积率的增加先增大后减小;体积率为0.2%时,BFGPC的起裂韧度 $K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}}^{\text{ini}}$ 、失稳韧度 $K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}}^{{\text{un}}}$ 、等效裂缝长度ae和断裂能GF的增益比最大;BFGPC是以BF拉断为主要特征的脆性破坏。3) 在低掺量范围内,SPPFGPC的各断裂性能指标随纤维体积率增加而增大;在高掺量范围内,SPPFGPC的各断裂性能指标先增大后减小,并在SPPF的体积率为1.5%时有最大增益比;SPPFGPC以SPPF脱黏和拔出的形式失效。4) 随着SF体积率的增加,SFGPC的各断裂力学参数和断裂能逐渐增大,SFGPC具有显著的延性破坏特征;建议采用的体积率为0.5%~1.5%。5) 在GPC体系中,SF的增强、增韧效果最好,BF的增强效果胜于SPPF,但SPPF的增韧效果可能优于BF。

     

    Abstract: To study the influence of various fibers on the fracture behavior of fly ash based geopolymer concrete (GPC), the three-point bending test of the notched concrete beam was carried out. The effects of the volume fraction of basalt fiber (BF), polyethylene-based polypropylene fiber (SPPF), and end steel fiber (SF) on the fracture properties of GPC were investigated, respectively. The results showed that: 1) The compressive strength and splitting tensile strength of BFGPC, SPPFGPC, and SFGPC were significantly improved compared with GPC. The maximum compressive strength was obtained at the volume rate of 0.2%BF, 0.8%SPPF, and 1.0%SF, respectively. The optimal volume rate corresponding to the splitting tensile strength was 0.2%BF, 0.4%SPPF, and 1.0%SF, respectively. 2) The fracture parameters of BFGPC first increased and then decreased with the increase of BF volume ratio, and the optimum dosage was 0.2%. Nonetheless, BFGPC exhibited brittle fracture characterized by BF tensile fracture. 3) In the low dosage range, the fracture parameters of SPPFGPC increased with the increase of fiber volume rate; In the high dosage range, the fracture parameters of SPPFGPC first increased and then decreased, and the optimal dosage was 1.5%; SPPFGPC failed with debonding and pull-out of SPPF. 4) As the volume ratio of SF increases, the fracture mechanical parameters and fracture energy of SFGPC gradually increased. SFGPC had significant ductile failure characteristics, and the recommended volume ratio of SFGPC was 0.5%~1.5%. 5) In the GPC system, SF enhancement and toughening effect are the best, BF enhancement is better than that of SPPF, but SPPF toughening is better than that of BF.

     

  • 地聚物通常指由碱性溶液(如NaOH、KOH、Na2SiO3等)与富硅铝质无机矿物(如粉煤灰、偏高岭土、火山灰等)中的玻璃体结构反应,形成的3维网状的无机黏结材料[1-3]。地聚物混凝土(GPC)是采用地聚物作为黏合剂制备的混凝土。因此,GPC为无水泥混凝土。与普通混凝土一样,GPC也存在抗拉强度低、易开裂、韧性差等问题,限制了GPC的广泛应用。研究表明,纤维掺入GPC,可以改善GPC的性能[4-5]

    玄武岩纤维(BF)具备弹性模量高、抗拉强度高及性能稳定等优点,常被掺入到混凝土中。薛启超等[6]探讨了相对切口深度为0.4的BF混凝土试件的断裂性能,结果表明,BF对混凝土的断裂性能有双向影响,适量的BF可以提高普通混凝土的断裂韧度。Wang等[7]评估了不同长度(3、6、12、18 mm)BF对GPC的断裂性能的影响,结果表明,BF的加入提高了GPC的峰值载荷、断裂韧性和断裂能,其中,以6 mm的纤维为最佳。宋博[8]和赵燕茹[9]等分别研究了高温和冻融循环作用后玄武岩纤维混凝土断裂性能,结果表明,400~600 ℃的高温和冻融循环环境均使玄武岩纤维混凝土的断裂性能劣化。

    目前,较多学者研究钢纤维(SF)优化混凝土的断裂参数。Liu[10]和Zhang[11]等发现,随铣削型SF用量不断增加,GPC的工作性能持续降低,但断裂性能不断提高。Gomes等[12]研究了长度为30 mm的钩端钢纤维对偏高岭土地聚物混凝土的断裂参数的影响,结果表明,所有的断裂参数都随着纤维掺量增大而增加。Karunanithi[13]和Bashar[14]等同样在SF增强碱激发矿渣水泥混凝土的研究中获得了类似的结论。万进一[15]开展了SF增强偏高岭土–粉煤灰基GPC切口梁的断裂性能试验,结果表明,随着SF体积率增加,各断裂参数均增大,且在体积率为2.5%时达到最大。

    此外,Karimipour等[16]发现,含10%硅粉的超高性能GPC的断裂性能大幅下降,但添加3.0%的聚丙烯纤维可改善其断裂性能。聚乙烯基聚丙烯纤维(SPPF)的力学性能较聚丙烯纤维优越,且易于分散,是一种粗大的新型合成纤维,目前,在纤维混凝土方面的应用研究基本处于空白。

    国内外学者对混凝土强韧技术的研究主要集中于普通混凝土。但GPC的胶凝材料不同于熟化水泥,因而纤维对GPC基体的增韧化效果还不可知。目前,关于BF、SF和SPPF对GPC断裂韧性影响的研究并不多见,尤其是与粉煤灰基地聚物混凝土相结合的断裂参数的研究尚未涉及。基于此,本文对采用不同体积率( $ \;{\rho _{\text{f}}} $ )的BF、SPPF和SF强化的GPC的力学性能和断裂性能进行了系统的研究。

    研究选用的低钙粉煤灰(FA)为四川成都生产的Ⅰ级粉煤灰;矿渣粉(GGBS)为S95级磨细的粒化高炉矿渣。FA与GGBFS的化学氧化物含量和烧失量见表1,FA和GGBFS的粒度累积分布曲线如图1所示。

    表  1  粉煤灰和粒化高炉矿渣粉的化学氧化物含量
    Table  1  Chemical oxide content of FA and GGBFS
    %
    样本 w(SiO2 w(Al2O3 w(Fe2O3 w(CaO) w(MgO) w(Na2O) w(K2O) w(SO3 w(P2O5 w(TiO2 烧失量
    粉煤灰 56.90 26.54 5.88 5.58 1.55 0.69 0 0.57 0.27 1.55 3.20
    矿渣粉 27.42 14.00 1.00 44.27 5.64 0.52 0.89 1.72 0 2.48 2.30
    图  1  粉煤灰的粒度累积分布曲线
    Fig.  1  Particle size cumulative distribution curve of fly ash
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    激发剂溶液采用波美度为40、固含量为46.08%的水玻璃(Na2SiO3)制备。成都市政自来水与纯度大于95%的NaOH颗粒用于调整水玻璃的模量。

    细骨料采用细度模数为2.81的石英砂;粗集料选用最大粒径为20 mm的级配碎石。粗集料的容重和吸水率分别为2530 kg/m3和0.73%。

    试验所用GPC的配合比见表2,采用的3种纤维(BF、SPPF和SF)的基本物理力学参数和外形见表3

    表  2  地聚物混凝土的配合比
    Table  2  Mix proportion of geopolymer concrete
    NaOH
    浓度/
    (mol·L–1)
    w(Na2SiO3)∶
    w(NaOH)
    粗集料/
    (kg·m–3)
    细集料/
    (kg·m–3)
    粉煤灰/
    (kg·m–3)
    矿渣/
    (kg·m–3)
    激发剂
    溶液/
    (kg·m–3)
    12 2.5 1556 778 420.3 46.7 280
    表  3  纤维的基本性能参数和外形
    Table  3  Properties and shape of fibers
    纤维名称 直径/mm 长径比 抗拉强度/MPa 弹性模量/GPa 伸长率/% 密度/(kg·m–3) 纤维外形
    BF 0.015 1 333.3 3 300~4 500 95.0~115.0 3.3 2.63
    SPPF 0.100 12.0 ≥500 ≥5.0 0.92
    SF 0.600 50.0 ≥2 850 200.0 0.5~3.5 7.85
    1.2.1   试件制备

    试件制备流程如图2所示。由图2可知,制备流程如下:先将集料、粉煤灰和矿渣等混合均匀,随后加入纤维并干搅300 s,根据纤维分散程度适当调整搅拌时间;然后,倒入激发剂溶液,搅拌180 s;在室温条件下,将成型后的试件在室温条件下密封养护24 h,随后转移到80 ℃烘箱进行24 h包裹养护;将固化后的试件放置于室温环境直至测试龄期为28 d。每组配合比试件个数为4个,试验共计切口梁试件80根。

    图  2  试件制作流程
    Fig.  2  Samples production process
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    1.2.2   试验方法

    基本力学性能测试和试验数据处理依据GB/T50081—2016进行。根据RILEM混凝土断裂委员会推荐的3点弯曲试验(TPB)方法,对切口梁试件进行断裂力学测试。TPB试验的加载如图3所示。切口宽度为2~3 mm。试验过程中,对照组试件的加载速率为0.02 mm/min,纤维GPC的加载速率保持在0.1 mm/min。荷载–裂缝口张开位移(PΔCMOD)曲线采用标距为12.5 mm、量程为5 mm的夹式引伸计记录。荷载–加载点挠度(Pδ)曲线采用量程为100 mm的线性差动位移计(LVDT)记录。由于Pδ曲线容易受到外界诸多干扰,且误差与真实值在同一数量值,而ΔCMOD的测量是个独立封闭的系统,因此,以PΔCMOD曲线为主要参考。对个别在非预开口处断裂的试件和非正常数据,则舍弃该结果。

    图  3  TPB试验的加载示意图
    Fig.  3  Schematic diagram of loading of TPB test
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    根据断裂力学理论,3点弯曲梁断裂韧度公式具有以下形式:

    $$ K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}} = {\sigma _{\text{N}}}\sqrt {{\text{π}} a} {F_{\beta}}(\alpha) \qquad$$ (1)
    $$ {\sigma _{\text{N}}} = \frac{S}{{2b{h^2}}}\left(3P + \frac{1}{2}W\right)\qquad $$ (2)

    式(1)和(2)中, $ {\sigma _{\text{N}}} $ 为3点弯曲梁试件的名义弯曲应力, ${F_{\beta} }(\alpha )$ 为跨高比和缝高比 $ \alpha $ 有关的计算3点弯曲梁 $K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}}$ 的形函数,W为试件跨间自重,b为梁宽,h为梁高, $ a $ 为裂缝长度。由式(3)确定裂缝张口位移ΔCMOD

    $$ {\varDelta _{{\text{CMOD}}}} = \frac{{4{\sigma _{\text{N}}}a}}{E}{V_{\beta } }(\alpha )\qquad $$ (3)

    式中:Vβ(α)为与跨高比和缝高比 $ \alpha $ 有关的计算 $ a $ 的形函数,且 $ \alpha = (a + {h_0})/(h + {h_0}) $ $ {h_0} $ 为固定夹式引伸计的刀口厚度;E为试件计算弹性模量。

    基于跨中裂缝截面应力等效的原则[17],任意跨高比β大于2.5的3点弯曲梁断裂参数计算式为:

    $$ \begin{aligned}[b] {F_\beta }(\alpha ) =& \frac{1}{{\sqrt {\text{π}} {{(1 - \alpha )}^{3/2}}(1 + 3\alpha )}} \cdot \Bigg[{p_\infty }(\alpha ) + \\& \frac{4}{\beta }({p_4}(\alpha ) - {p_\infty }(\alpha )\Bigg] \end{aligned}$$ (4)

    其中:

    $$ {p}_{4}(\alpha ) = 1.9 + 0.41\alpha + 0.51{\alpha ^2} - 0.17{\alpha ^3} $$ (5)
    $$ {p_\infty }(\alpha ) = 1.99 + 0.83\alpha - 0.31{\alpha ^2} + 0.14{\alpha ^3}\begin{array}{*{20}{c}} \end{array} $$ (6)
    $$ {V_\beta }(\alpha ) = {V_\infty }(\alpha ) + \frac{4}{\beta }[{V_4}(\alpha ) - {V_\infty }(\alpha )]\begin{array}{*{20}{c}} \end{array} $$ (7)
    $$ {V_4}(\alpha ) = 0.76 - 2.28\alpha + 3.87{\alpha ^2} - 2.04{\alpha ^3} + \frac{{0.66}}{{{{(1 - \alpha )}^2}}}\begin{array}{*{20}{c}} \end{array} $$ (8)
    $$ {V_\infty }(\alpha ) = 0.8 - 1.7\alpha + 2.4{\alpha ^2} + \frac{{0.66}}{{{{(1 - \alpha )}^2}}}\begin{array}{*{20}{c}} \end{array} $$ (9)

    基于双K断裂模型,采用起裂断裂韧度 $K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}}^{{\text{ini}}}$ 和失稳断裂韧度 $K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}}^{{\text{un}}}$ 来判断裂缝起裂和失稳扩张。其中:计算 $K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}}^{{\text{ini}}}$ 时,式(1)~(8)中 $ a $ a0PPΔCMOD上升段中线性到非线性点转折处的荷载;计算 $K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}}^{{\text{ini}}}$ 时,式(1)~(8)中 $ a $ 为等效裂缝长度aeP $ {\varDelta _{{\text{CMOD}}}} $ 值取为PΔCMOD极限荷载和相应的 $ {\varDelta _{{\text{CMODc}}}} $ 值,详细步骤可参考文献[17]。

    断裂能(GF)可以直观地评价混凝土的韧性,表征了形成单位面积裂缝扩展单位长度时所需消耗的能量大小。采用PΔCMOD曲线计算的GF比由Pδ确定的GF更接近于RlLEM推荐方法,且离散型很小,无明显的尺寸效应[18]。因此,依据PΔCMOD曲线计算GF[19]

    $$ {G}_{\text{F}}=\frac{3(W+2{W}_{1})\cdot{\varDelta }_{\text{CMODc}}}{4b(h-{a}_{0})} $$ (10)

    式中,W1为布置在试件上夹具的重量,本文取10 N。

    研究中,BF体积率范围为0.2%~1.0%,SPPF和SF的体积率范围为0.2%~2.0%。纤维增强GPC的抗压强度和劈裂抗拉强度如图45所示。

    图  4  纤维增强GPC抗压强度随纤维体积率变化
    Fig.  4  Change of compressive strength of fiber GPC with fiber volume fraction
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    图  5  纤维增强GPC劈裂抗拉强度随纤维体积率变化
    Fig.  5  Change of splitting tensile strength of fiber GPC with fiber volume fraction
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    图4可知:BF、SF和SPPF均能显著提高GPC的抗压强度;随着纤维体积率的增加,纤维GPC的抗压强度表现为先增加后减小的趋势;相较于GPC(对照组),BF、SF和SPPF对抗压强度的提高率分别为2.6%~29.1%、4.4%~28.2%和22.7%~37.2%。本研究中,BF、SF和SPPF的最佳体积率分别为0.2%、0.8%和1.0%,此时,纤维GPC分别达到最大抗压强度,其值分别为70.1、74.5和69.6 MPa;当纤维体积率小于0.4%时,BF与SF的增强效果相当,且优于SPPF的增强效果;当纤维体积率大于0.4%时,钢纤维SF的增强效果最佳,其次为SPPF,最差为BF;当BF体积率达到1.0%时,BFGPC的抗压强度仅比GPC提高了2.6%。

    通常,适量的纤维可以改善混凝土的密实度,减小内部缺陷,缓解微裂缝尖端应力集中等,进而提高混凝土的抗压强度。然而,纤维体积率超过一定阈值后,会出现纤维分散不均匀、结团等问题,反使混凝土密实度变小,抗压强度逐渐下降。根据这些纤维GPC的拌和情况可知,BF和PF的掺入对GPC的流动性影响相对较小,而SF的掺量变化对GPC的施工流动性影响较大。初步判断,BF、SPPF和SF在GPC中的体积率阈值分别为0.3%、1.0%和1.5%。

    图5可知,BF、SF和SPPF均能显著增加GPC的劈裂抗拉强度。纤维GPC的劈裂抗拉强度随着纤维体积率的增加而先增大后减小;相较于对照组,BF、SF和SPPF对劈裂抗拉强度的提高率分别为–18.1%~22.1%(负数表示降低)、10.8%~80.1%和11.5%~25.1%。BF、SF和SPPF的最佳体积率分别为0.2%、0.4%和1.0%,此时,纤维GPC分别达到最大劈裂抗拉强度,其值分别为3.06、3.04和4.55 MPa;当纤维体积率小于0.4%时,BF的增强效果最好,且优于SPPF和SF的增强效果;当纤维体积率大于0.4%时,钢纤维的增强效果最佳,其次为SPPF;当BF体积率达到1.0%时,BFGPC的劈裂抗拉强度甚至比GPC还要低。

    由于泊松比的影响,劈裂抗拉荷载下,试件主要受横向拉应力,而横跨裂缝的纤维可以分担基体的应力,有效约束裂缝的扩展,限制试件的变形,从而提高GPC的劈裂抗拉强度。纤维掺入过量后,会出现纤维分散性变差、GPC流动性降低等问题,使得GPC内部孔隙增多,同时纤维与GPC的黏结变差,劈裂抗拉强度下降,尤其过量的BF对GPC劈裂抗拉性能的负作用更为明显。

    3.2.1   BFGPC断裂韧性

    BF体积率分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%。图67分别为BFGPC和GPC对照组的PΔCMOD曲线及BFGPC(体积率0.2%)的断裂面SEM图像。

    图  6  BFGPC的PΔCMOD曲线
    Fig.  6  PΔCMOD curves of BFGPC
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    图6可知,BFGPC的PΔCMOD曲线与对照组极为相似。根据裂纹的发展程度,BFGPC大致可以划分为3个阶段:线性上升的弹性阶段、非线性上升的裂纹稳定扩展阶段和非线性下降的裂纹失稳扩展阶段。随着BF体积率增加,BFGPC的PΔCMOD曲线的极限荷载先增加后减小。当BF的体积率为0.2%时,BFGPC获得最大的峰值荷载11.73 kN,比对照组提升了近87.1%。当BF体积率达到最大值1.0%时,峰值荷载仍比对照组高8.91%左右。BFGPC的PΔCMOD曲线在峰值荷载后迅速下降至接近0值,这意味着BF难以显著提升GPC的延性。由图7可见,BFGPC中BF主要以断裂的形式失效。

    图  7  BFGPC的断裂面SEM图像
    Fig.  7  SEM image of the fracture surface of BFGPC
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    由于制备GPC的激发剂中的水玻璃极易引入气泡,适量的BF可以降低GPC基体的初始缺陷和孔隙率。其次,BF具有高弹性模量和抗拉强度,但是单丝直径只有15.0 μm,即使在低体积率的情况下(体积率0.2%),纤维平均间距仅1 mm左右,在混凝土内部形成3维交错的支撑网络,可以抑制GPC基体中微观裂缝的发展,这对提高强度是有益的。但过量的BF易结团,并且BF具有一定吸水性,这对GPC断裂性能极为不利。因此,适量的BF使得BFGPC的弯曲断裂峰值荷载大幅提高。有研究表明[20],在高温蒸馏水及碱液环境下,BF的抗拉强度会发生显著退化,但是对弹性模量影响较小。这可能是BFGPC没有出现延性破坏的原因所在,但仍有待进一步验证。

    BFGPC的等效裂缝长度、起裂韧度和断裂韧度见表4

    表  4  BFGPC的双K断裂参数
    Table  4  Double K fracture parameters of BFGPC
    ρf/% $K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}}^{ {\text{ini} } }$/(MPa·m1/2) ae/mm $K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}}^{ {\text{un} } }$/(MPa·m1/2) GF/(N·m–1)
    0 0.39 21.75 0.73 286.39
    0.2 1.09 30.42 1.51 490.98
    0.4 1.09 28.00 1.34 488.57
    0.6 1.01 27.90 1.29 444.81
    0.8 0.91 25.20 1.28 447.41
    1.0 0.75 22.70 1.25 409.26

    表4可知,与对照组相比,BFGPC的各项断裂韧性参数和断裂能均有一定提高。BF体积率为0.2%时,断裂性能最优,BFGPC的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度及临界有效裂缝长度的增益比分别为2.79、2.07和1.40,相应的断裂能达到了490.98 N/m;随着BF体积率的进一步增加,BFGPC的断裂韧度和断裂能反而略有降低;体积率为1.0%时,BFGPC的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度和断裂能分别为最大值(体积率为0.2%)时的68.8%、82.78%和83.3%。可见,BF对地聚物的韧性指标影响较大,对断裂能的影响有限。

    3.2.2   SPPFGPC断裂韧性

    SPPF体积率取0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.5%和2.0%。图89分别为SPPFGPC与对照组的PΔCMOD曲线和SPPFGPC(0.8%)断裂面的SEM图像。

    图  8  SPPFGPC的PΔCMOD曲线
    Fig.  8  PΔCMOD curves of SPPFGPC
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    工程中,常将纤维体积率低于1.0%的称为低掺量,体积率高于1.0%的称为高掺量。相较于BFGPC裂缝发展的3个阶段,SPPFGPC还存在第4个阶段,即纤维拉出阶段。在这个阶段,SPPFGPC的PΔCMOD曲线出现了呈下降趋势的“平台”,并持续到SPPF与基体完全脱离,这大大的提高了SPPFGPC的断裂能。由图8可知,SPPF在低掺时,SPPFGPC的峰值荷载在9.2~9.5 kN,这远高于对照组的6.10KN。此时,SPPFGPC的延性破坏特征并不明显,这可能是由于SPPF的弹性模量仅为GPC的1/4左右,通过断裂面的纤维数量有限,在高应力的SPPF容易产生显著的柔性变形,难以阻止裂缝的形成和扩展。相对于低掺的情况,SPPFGPC在高掺时的峰值荷载有一定程度的减小,但SPPFGPC表现出显著的延性。随着SPPF的体积率从1.0%增加到2.0%,SPPFGPC的PΔCMOD曲线逐渐变得饱满。由图9可知,SPPF是以脱黏和拔出的形式失效。这可能是由于SPPF是一种疏水的惰性材料,导致了SPPF与GPC基体材料的弱界面。

    图  9  SPPFGPC的断裂面SEM图像
    Fig.  9  SEM image of the fracture surface of SPPFGPC
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    SPPFGPC的等效裂缝长度、起裂韧度和断裂韧度见表5。由表5可知:在低体积率时,随着SPPF的增加,SPPFGPC的断裂韧性指标和断裂能持续增大。在高体积率时,当SPPF体积率从1.0%逐渐增加到2.0%时,SPPFGPC的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度和有效裂缝长度均表现出先增大后减小的趋势,并且SPPFGPC在SPPF体积率为1.5%时取得最优。此时,SPPFGPC的起裂断裂韧度和失稳断裂韧度分别为0.98和1.58 MPa·m1/2。当SPPF的体积率为2.0%时,断裂性能指标反而略有下降,这可能是纤维体积和浆体体积失衡导致了孔隙率增大,但是由于纤维总数增大,此时SPPFGPC的断裂能最大,为888.90 N/m。

    表  5  SPPFGPC的双K断裂参数
    Table  5  Double K fracture parameters of SPPFGPC
    ρf/% $K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}}^{ {\text{ini} } }$/(MPa·m1/2) ae/mm $K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}}^{ {\text{un} } }$/(MPa·m1/2) GF/
    (N·m–1)
    0 0.39 21.75 0.73 286.39
    0.2 0.80 22.80 0.99 318.66
    0.4 0.82 24.20 1.00 364.57
    0.6 0.83 25.02 1.08 381.25
    0.8 0.89 25.60 1.14 441.57
    1.0 0.96 26.20 1.20 543.35
    1.5 0.98 40.70 1.58 634.04
    2.0 0.97 29.21 1.32 888.90
    3.2.3   SFGPC的断裂韧性

    SF体积率为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.5%和2.0%。图1011分别为SFGPC与对照组的PΔCMOD曲线和SFGPC(体积率1.0%)断裂面的SEM图像。

    图  10  SFGPC的PΔCMOD曲线
    Fig.  10  PΔCMOD curves of SFGPC
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    图  11  SFGPC的断裂面SEM图像
    Fig.  11  SEM image of the fracture surface of SFGPC
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    与SPPFGPC相似,SFGPC可以划分为4个裂缝发展阶段。如图10所示:在相同纤维体积率的情况下,SFGPC的PΔCMOD曲线的峰值荷载比SPPFGPC的大,其曲线的饱和度优于SPPFGPC。随着SF体积率的增加,试件的弯曲断裂峰值荷载逐渐增加,PΔCMOD曲线也变得越来越饱满,SFGPC的破坏形式逐渐从脆性变为延性破坏。SF体积率从0渐次增大到2.0%时,试验的峰值荷载从6.10 kN升至14.02 kN。这是因为端勾SF具有优异的力学特性和可靠的锚固力。SF体积率在0.5%以下时,穿过断裂面的SF数量较少,PΔCMOD曲线的下降段较为光滑,阻裂能力十分有限。因此,在SFGPC中,SF的体积率不宜低于0.5%。当SF的体积率大于0.5%时,SFGPC的PΔCMOD曲线更为波折、饱满,断裂韧性也急剧增强。但SF体积率超过1.5%后,SFGPC中出现了纤维结球现象,这可能是钢纤维与黏结材料的体积不匹配所致。从图11可以看出,SF表面附着大量地聚物基质,并与基体界面间隙较小。在试件破坏过程中,SF勾状端部被拉直并从混凝土中逐渐滑出,需要克服很大的摩阻力,导致耗能能力大大增强。

    SFGPC的等效裂缝长度、起裂韧度和断裂韧度见表6

    表  6  SFGPC的双K断裂参数
    Table  6  Double K fracture parameters of SFGPC
    ρf
    /%
    $K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}}^{ {\text{ini} } }$/(MPa·m1/2) ae/mm $K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}}^{ {\text{un} } }$/(MPa·m1/2) GF/(N·m–1)
    0 0.39 21.75 0.73 286.39
    0.2 0.85 23.70 1.31 620.87
    0.4 0.97 26.20 1.32 744.49
    0.6 1.01 32.35 1.67 1262.94
    0.8 1.03 51.15 2.83 1977.89
    1.0 1.03 51.45 2.92 2532.48
    1.5 1.15 52.80 3.35 3794.32
    2.0 1.17 53.11 3.57 6151.63

    表6可知:随着SF的增加,SFGPC的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度和有效裂缝长度和断裂能持续增大。当SF体积率为2.0%时,SGPC的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度、临界有效裂缝长度及断裂能较对照组分别增加了3.00、4.89、2.44和21.48倍,此时,SFGPC的断裂能高达6151.63 N/m。由此可见,相较于对照组,SFGPC的4种韧性指标均有较大提高,SF对GPC的增韧效果较好。

    1) BFGPC、SPPFGPC和SFGPC的抗压强度和劈裂抗拉强度均较GPC有显著提高;最大抗压强度分别在纤维掺量为0.2%、0.8%和1.0%时获得;劈裂抗拉强度对应的最佳掺量分别为0.2%、0.4%和1.0%;SF的增强效果最好,BF其次,SPPF最差。

    2)与普通混凝土一样,BFGPC的PΔCMOD曲线表现为线性上升、非线性上升和非线性下降3个阶段;BFGPC的断裂极限荷载、起裂断裂韧度、失稳断裂韧度和断裂能随BF体积率变大先增加后减小,在体积率为0.2%时获最佳增益比;BFGPC中BF以断裂的形式失效,断裂破坏模式呈脆性特征,这可能是由碱性激发剂溶液引起BF的抗拉强度发生显著退化造成的。

    3) SPPFGPC的断裂极限荷载远高于GPC,但是低掺量SPPFGPC具有脆性破坏特征,高掺SPPF可以提高PΔCMOD曲线峰后曲线的承载能力,并将脆性破坏模式转变为延性破坏模式。SPPF的体积率在1.5%时,起裂韧度、断裂韧度、等效裂缝长度的增益比最大;SPPF的体积率在2.0%时断裂能最大。SPPFGPC的失效模式是SPPF的脱黏和拔出破坏。

    4) SFGPC的PΔCMOD曲线随着纤维增多变得越来越饱满,断裂极限荷载、起裂断裂韧度、失稳断裂韧度、临界有效裂缝长度和断裂能等断裂性能指标均逐渐提高。本研究中,SF体积率为2.0%时,各断裂力学性能最佳。但在实际使用中,SF的建议掺量范围为0.5%~1.5%。

    5)对于GPC,从增强的角度看,3种纤维中SF的效果是最好的,其次为BF,最差为SPPF。从增韧的角度看,SF的效果也是最好的,但SPPF可能要优于BF。因此,应根据实际工程需求对纤维种类和掺量进行选择。

  • 图  1   粉煤灰的粒度累积分布曲线

    Fig.  1   Particle size cumulative distribution curve of fly ash

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    图  2   试件制作流程

    Fig.  2   Samples production process

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    图  3   TPB试验的加载示意图

    Fig.  3   Schematic diagram of loading of TPB test

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    图  4   纤维增强GPC抗压强度随纤维体积率变化

    Fig.  4   Change of compressive strength of fiber GPC with fiber volume fraction

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    图  5   纤维增强GPC劈裂抗拉强度随纤维体积率变化

    Fig.  5   Change of splitting tensile strength of fiber GPC with fiber volume fraction

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    图  6   BFGPC的PΔCMOD曲线

    Fig.  6   PΔCMOD curves of BFGPC

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    图  7   BFGPC的断裂面SEM图像

    Fig.  7   SEM image of the fracture surface of BFGPC

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    图  8   SPPFGPC的PΔCMOD曲线

    Fig.  8   PΔCMOD curves of SPPFGPC

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    图  9   SPPFGPC的断裂面SEM图像

    Fig.  9   SEM image of the fracture surface of SPPFGPC

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    图  10   SFGPC的PΔCMOD曲线

    Fig.  10   PΔCMOD curves of SFGPC

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    图  11   SFGPC的断裂面SEM图像

    Fig.  11   SEM image of the fracture surface of SFGPC

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    表  1   粉煤灰和粒化高炉矿渣粉的化学氧化物含量

    Table  1   Chemical oxide content of FA and GGBFS

    %
    样本 w(SiO2 w(Al2O3 w(Fe2O3 w(CaO) w(MgO) w(Na2O) w(K2O) w(SO3 w(P2O5 w(TiO2 烧失量
    粉煤灰 56.90 26.54 5.88 5.58 1.55 0.69 0 0.57 0.27 1.55 3.20
    矿渣粉 27.42 14.00 1.00 44.27 5.64 0.52 0.89 1.72 0 2.48 2.30

    表  2   地聚物混凝土的配合比

    Table  2   Mix proportion of geopolymer concrete

    NaOH
    浓度/
    (mol·L–1)
    w(Na2SiO3)∶
    w(NaOH)
    粗集料/
    (kg·m–3)
    细集料/
    (kg·m–3)
    粉煤灰/
    (kg·m–3)
    矿渣/
    (kg·m–3)
    激发剂
    溶液/
    (kg·m–3)
    12 2.5 1556 778 420.3 46.7 280

    表  3   纤维的基本性能参数和外形

    Table  3   Properties and shape of fibers

    纤维名称 直径/mm 长径比 抗拉强度/MPa 弹性模量/GPa 伸长率/% 密度/(kg·m–3) 纤维外形
    BF 0.015 1 333.3 3 300~4 500 95.0~115.0 3.3 2.63
    SPPF 0.100 12.0 ≥500 ≥5.0 0.92
    SF 0.600 50.0 ≥2 850 200.0 0.5~3.5 7.85

    表  4   BFGPC的双K断裂参数

    Table  4   Double K fracture parameters of BFGPC

    ρf/% $K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}}^{ {\text{ini} } }$/(MPa·m1/2) ae/mm $K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}}^{ {\text{un} } }$/(MPa·m1/2) GF/(N·m–1)
    0 0.39 21.75 0.73 286.39
    0.2 1.09 30.42 1.51 490.98
    0.4 1.09 28.00 1.34 488.57
    0.6 1.01 27.90 1.29 444.81
    0.8 0.91 25.20 1.28 447.41
    1.0 0.75 22.70 1.25 409.26

    表  5   SPPFGPC的双K断裂参数

    Table  5   Double K fracture parameters of SPPFGPC

    ρf/% $K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}}^{ {\text{ini} } }$/(MPa·m1/2) ae/mm $K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}}^{ {\text{un} } }$/(MPa·m1/2) GF/
    (N·m–1)
    0 0.39 21.75 0.73 286.39
    0.2 0.80 22.80 0.99 318.66
    0.4 0.82 24.20 1.00 364.57
    0.6 0.83 25.02 1.08 381.25
    0.8 0.89 25.60 1.14 441.57
    1.0 0.96 26.20 1.20 543.35
    1.5 0.98 40.70 1.58 634.04
    2.0 0.97 29.21 1.32 888.90

    表  6   SFGPC的双K断裂参数

    Table  6   Double K fracture parameters of SFGPC

    ρf
    /%
    $K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}}^{ {\text{ini} } }$/(MPa·m1/2) ae/mm $K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}}^{ {\text{un} } }$/(MPa·m1/2) GF/(N·m–1)
    0 0.39 21.75 0.73 286.39
    0.2 0.85 23.70 1.31 620.87
    0.4 0.97 26.20 1.32 744.49
    0.6 1.01 32.35 1.67 1262.94
    0.8 1.03 51.15 2.83 1977.89
    1.0 1.03 51.45 2.92 2532.48
    1.5 1.15 52.80 3.35 3794.32
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图(11)  /  表(6)

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