钢纤维和碳纤维混凝土力学性能的研究

收稿日期:2002208227

基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20020247028)

作者简介:王成启(19642),男,安徽人,工程师,同济大学博士生.　　文章编号:100729629(2003)0320253204

钢纤维和碳纤维混凝土力学性能的研究

王成启,　吴科如

(同济大学混凝土材料研究国家重点实验室,上海200092)

摘要:研究了碳纤维和钢纤维混凝土的力学性能.结果表明,碳纤维混凝土的劈拉强度、断裂能和断裂韧性显著低于钢纤维混凝土;不同直径钢纤维混凝土的荷载～挠度曲线显示,微细钢纤维峰值前的作用大于较大直径钢纤维,而峰值后的作用则小于较大直径钢纤维.不同几何尺寸的钢纤维在混凝土中具有不同的作用效果,即钢纤维的增强作用具有显著的尺寸效应.

关键词:碳纤维;劈拉强度;断裂能;断裂韧性;钢纤维;尺寸效应

中图分类号:TU528　　　　　文献标识码:A

Study on the Mechanical Properties of C arbon

Fiber and Steel Fiber Concrete

W A N G Cheng 2qi ,　W U Ke 2ru

(State K ey Laboratory of Concrete Materials ,Tongji University ,Shanghai 200092,China )

Abstract :The mechanical properties of carbon fiber and steel fiber concrete were studied.The results show that the splitting tensile strength ,fracture energy and fracture toughness of carbon fiber concrete are much smaller than those of steel fiber concrete.The test results of three 2point bending curves of notched beams of steel fiber concrete show that ,before the peak ,the effect of micro 2steel fiber on con 2crete matrix is bigger than that of bigger diameter steel fiber ,but the effect of micro 2steel fiber on con 2crete matrix is smaller than that of bigger diameter steel fiber after the peak.The effect of steel fiber on concrete is different for different geometrical size of steel fiber ;there is remarkable size effect of steel fiber in the fiber concrete.

K ey w ords :carbon fiber ;splitting tensile strength ;fracture energy ;fracture toughness ;steel fiber ;size effect

　　混凝土是当代应用最广泛的建筑材料,它具有易成型、能耗低、耐久性好、价格便宜以及与钢材复合可制成各种承重结构的优点.但混凝土的自重大、脆性大、抗拉强度低等弱点限制了它的应用.纤维增强混凝土是混凝土改性的一个重要手段,它可使混凝土的抗拉强度、变形能力、耐动荷能力大大提高.目前,较为常用的纤维为钢纤维.钢纤维混凝土的抗拉强度、抗弯强度、初裂强度、抗弯韧性和疲劳性能较普通混凝土有明显的提高[1～5].碳纤维是一种新兴的高强纤维材料.由于碳纤维价格的不断降低,碳纤维水泥基材料日益得到广泛运用.碳纤维具有较高的抗拉强度和弹性模量,能显著提高水泥基复合材料的抗拉强度、抗弯强度和断裂韧性[6,7].但碳纤维的直径仅为几个微

第6卷第3期

2003年9月建　筑　材　料　学　报JOURNAL OF BU ILDIN G MA TERIAL S 　Vol.6,No.3

Sep.,2003

米,其几何尺寸有别于通常使用的钢纤维.因此,本文对碳纤维和不同直径的钢纤维在混凝土中的作用进行了研究.

1　试验过程

1.1　试验原材料

水泥:上海海豹水泥有限公司生产的强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥,其各项性能指标符合国家标准;细集料:中砂,细度模数为2.8;粗集料:5～16mm连续级配碎石,压碎指标为7.9%;外加剂:花王高效减水剂;碳纤维:长度为6mm的PAN基高强碳纤维,其性能指标见表1;较大直径钢纤维:上海青浦钢纤维厂生产的等效直径为0.4mm、长度为30mm的长直形钢纤维;微细钢纤维:武汉汉森钢纤维有限责任公司生产的直径为0.17mm、长为15mm的钢纤维.

表1　碳纤维的性能

T able1　Properties of carbon f iber

Diameter /μm

Density

/(g?cm-3)

Tensile strength

/GPa

Elastic

modulus/GPa

Elongation at

break/%

Carbon content

(by mass)/%

Electrical

resistivity/(Ω?cm)

7.0±0.2 1.78>3.0220～240 1.25～1.60>9510-2～10-3

1.2　配合比

为了研究碳纤维和钢纤维在混凝土中的作用机理,所选取的基准混凝土的28d抗压强度约为60MPa.同时,采用2种不同直径的钢纤维,一种为常用的较大直径钢纤维,另外一种为直径= 0.17mm的微细钢纤维,纤维的体积分数均为0.5%.所有试件的原材料保持相同,配合比见表2.

表2　混凝土的配合比

T able2　Mix proportion of concrete

Code

Mix proportion/(kg?m-3)

Cement Silica fume Gravel Sand

m W/m B

Superplasticizer

/(kg?m-3)

Carbon

fiber1)/%

Bigger diameter

steel fiber1)/%

Micro2steel

fiber1)/%

C04852510776880.352

C14852510776880.3540.5

C24852510776880.35 2.50.5

C34852510776880.3530.5

　　1)By volume.

1.3　试件的测试

1.3.1　抗压强度和劈拉强度

分别用3块尺寸均为100mm×100mm×100mm的试件进行抗压强度(σc)和劈拉强度(σst)试验,龄期为28d,仪器为普通万能试验机,参照标准为G BJ81—85.劈拉强度按下列公式进行计算

σ

st =

2F

πA=0.637

F

A

式中:F为破坏荷载(N),A为试件的劈裂面积(mm2).

1.3.2　断裂能和断裂韧性

断裂能和断裂韧性测试试件尺寸均为100mm×100mm×515mm,测试前用切割机切口,切口深度为5cm.28d龄期后,采用闭环反馈控制Instron8501进行测试,测试加载速率为0.025 mm/min.根据国际材料与结构实验室联合会(RIL EM)混凝土断裂力学委员会的建议,采用三点弯曲梁测定混凝土的断裂能并按下式计算之

452　　　建　筑　材　料　学　报第6卷　

G f =

A 0+m g δmax

A lig

其中,A 0为荷载～挠度曲线所包络的面积(N ?m );m g 为混凝土梁支撑段的自重;δmax 为梁最终破坏时的变形;A lig 为试件的韧带面积.

混凝土应力因子的临界值K IC 表征了材料阻止裂缝扩张的能力,称为断裂韧性.断裂韧性按下式进行计算

K IC =

6Y M max l

bh

2

式中:Y 为形状因子,Y (l/h )=1.93-3.07(l/h )+14.53(l/h )2-25.11(l/h )3+25.8(l/h )4,l 为切口深度,h 为梁的高度,b 为梁的宽度,M max 为由最大荷载和梁自重产生的弯矩之和.

2　试验结果与讨论

2.1　抗压与劈拉强度

表3列出了基准混凝土和纤维混凝土的抗压强度和劈拉强度试验结果.从表3可以看出,纤维混凝土的抗压强度较基准混凝土均有一定程度的降低,但劈拉强度则均有较大程度的提高.不同尺寸纤维对混凝土劈拉强度的提高效果是不同的,较大直径钢纤维的作用显著高于碳纤维,而微细钢纤维的作用又高于较大直径钢纤维.

表3　混凝土力学性能测试结果T able 3　T est results of concrete mech anical properties

Sample code

σc /MPa

σst /MPa

σst /σc

G f /(N ?m -1)K IC /(MPa ?m 0.5)

C067.9 4.760.0701 …… 此处隐藏：5173字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……