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切口深度比对钢纤维混凝土开裂后行为的影响(上)

切口深度比对钢纤维混凝土开裂后行为的影响(上)

 

切口深度比对钢纤维混凝土开裂后行为的影响

 

通过:何塞·瓦尔迪兹·阿吉拉尔,塞萨尔·华雷斯·阿尔瓦拉多 ,何塞·M·门多萨·朗格尔和贝尔纳多·T·泰兰·托雷斯

收到:20201213/修订:202115/接受:202118/发布:2021118

 


摘要:

混凝土几乎没有抗拉强度,易开裂,导致使用寿命降低。因此,重要的是找到有助于减轻这些缺点的互补材料。这项研究的目的是通过研究四种缺口深度比0、0.08、0.16,通过分析和实验方法确定添加钢纤维对开裂后阶段纤维增强混凝土性能的影响。和0.33。使用普通混凝土(对照)和体积纤维分别为0.25%和0.50%的纤维增强混凝土,通过72次弯曲测试进行了评估。结果表明,缺口与深度之比最高为0.33的样品能够实现硬化行为。研究结果表明,即使还增加了切口深度比,剂量的增加也会导致残余性能的提高。

关键词: 钢纤维增强的混凝土; 钩端钢纤维; 后开裂行为; 切口深度比;延性; 韧性; 断裂能



1. 介绍

由于其多功能性,可成型性以及其成分的广泛可用性,混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料[1-3]。但是,混凝土几乎没有抗拉强度,容易开裂,导致使用寿命降低,因为一旦开裂开始,混凝土就缺乏机械强度,突然失效[4-8]。

因此,材料科学和混凝土技术一直在努力寻找一种可以减轻这些缺点的补充材料,一旦达到初次裂纹负荷,就可以提供防止完全断裂的能力。换句话说,他们正在努力寻找一种有助于改善应变容量和能量吸收的材料。

这些材料之一是钢纤维。几项有关钢纤维的研究证明,混凝土的抗压强度仅有最小的提高[9-13]。但是,在抗拉强度测试[14-16]上已对性能产生了很大的影响,而在冲击载荷和残余强度测试上则更显着[17-20]。

钢纤维适合于增强混凝土,因为它们提供了能量消散机制,并且比普通混凝土更有效地控制了残余阶段的裂纹扩展。后者是使用这种增强材料的主要优点之一。但是,由于有效的混凝土面积,其他特性也会受到影响,例如,纤维的残余性能,这是应力通过纤维与水泥基体之间形成的键传递的主要因素之一[21]。 残余性能的研究可以通过带有受控裂纹的缺口试样来进行,从中获得代表性数据,并且其分散系数小于未缺口试样的分散系数[22,23]。

据报道,使用钢纤维增强混凝土(SFRC)有几个优势,例如,降低成本和改善结构质量,主要是在裂缝控制和循环荷载下[24]。一些作者集中研究了埋入普通混凝土和钢纤维增强混凝土纽带中的钢筋的拉伸刚度效应,改变了主要参数,例如纤维体积,最大骨料尺寸和钢筋直径,观察钢纤维混凝土在控制钢筋混凝土结构裂缝模式中的有效性[25]。另一方面,据报道,随着钢纤维的加入,弯曲裂纹的宽度明显减小,而随着钢纤维的加入,第一裂纹载荷和最大载荷也增加了[26]。其他对其他类型纤维的研究,即聚丙烯纤维(PFRC),发现断裂能较高,这是因为PFRC裂解后性能与纤维分布和取向之间有很强的依赖性[27]。

关于表征纤维增强混凝土的弯曲试验,发现试样的破坏模式受其跨深比的影响。这意味着它的失效模式是由剪切或弯曲控制的[28]。

对于残余强度评估,国际规范和标准已建议对中跨槽口的梁试样进行三点弯曲试验,以通过将槽口深度比(即a /d)确定为0.16 [20]来控制裂纹的发展。 ]。


在这项研究中,通过添加两种剂量的钢纤维,一种20 kg / m3(0.25%)(系列1),另一种40倍的钢纤维,研究了缺口深度比对纤维增强混凝土的影响。 kg / m3(0.50%)(系列2),在150毫米×150毫米×600毫米的棱柱形试样上经受弯曲张力(即三点弯曲试验)的试样中。通过在试样的[15,17,18,29]中形成13、25和50 mm的缺口,可以控制裂纹的产生,从而使缺口与深度的比率(a /d)为0.08、0.16,和0.33。本文研究的目的是通过计算特征残余应力来研究对钢纤维残余性能的影响,混凝土面积的减少以及对残余强度的分类,从而确定钢纤维的强度。裂纹的扩大和向缩小的混凝土区域的传播。

本研究的新颖之处在于确定缺口深度比(a / d)小于0.16的纤维增强混凝土的残余性能。这与文献中的其他研究不同,后者考虑了更大的陷波深度比。考虑较低的比率可以研究断裂后的行为以及在断裂过程区域中比标准更大的断裂能量。


2.理论方面

为了理解(a / d)比的影响,有必要提及混凝土中非线性断裂力学的一些概念。一般而言,断裂力学被定义为具有很大实用性的失效理论,因为它利用了高能准则,该准则与强度准则一起考虑了裂纹在结构中的传播[30]。但是,尽管有其实用性,但已发现,混凝土的性能并不能通过线性弹性断裂力学(LEFM)来定义,因为混凝土会形成较大的断裂加工区(FPZ),可承受由于软化而引起的渐进破坏由微裂纹引起的。这导致裂纹尖端释放的能量流减少;同时,裂纹的组合表面积增加,从而提高了断裂过程区(FPZ)的能量吸收能力,因此,要了解混凝土的性能,必须详细阐述非线性断裂力学[ 30]。

非线性断裂力学是更好地描述混凝土行为的理论之一。非线性断裂力学是对固体裂纹的研究,该裂纹在自然界中表现出非线性的本构响应,这与考虑了几何和材料线性的LEFM相反[31]。

根据所施加的载荷,建筑材料可以表现出几种行为。一些材料几乎没有表现出变形能力或没有变形能力,因此被认为是易碎材料。相反,存在被认为是延性的材料。混凝土是一种特殊情况,因为其行为不能完全表征为易碎品,因为它更可能被描述为准易碎材料。在出现第一个裂纹(应变硬化)后,混凝土显示出拉伸应力的逐渐衰减(应变软化),无论拉伸强度有无改善。因此,总的来说,失败可以不屈服[32,33]出现。

要考虑的另一个重要方面是能量吸收的能力,它是通过载荷位移或载荷裂纹打开曲线下的面积获得的。考虑能量吸收是必要的,尤其是在动态载荷下,因为它决定了结构的延展性。在易碎材料中,没有FPZ时,弹性能作为表观能量消散。同时,在易延展材料中,FPZ是可耗散大量能量的塑料区,其能量大于表层能量。对于准易碎材料(例如混凝土),FPZ通常大于易碎材料或易碎材料的区域[34,35],并在破坏前耗散大量能量,从而提供了开裂后的非线性响应(软化) [32]。

在确定的体积分数下向混凝土中添加钢纤维可改善延展性并增加FPZ的初始宽度,结果是由于纤维的提取而扩大了区域[36] ]。随机分布的钢纤维在基体开裂后,通过延迟裂纹的形成,限制其生长并减小裂纹尖端的开度位移,显示出最重要的作用,因为纤维通过一种方法抑制了裂纹。提取过程中的桥联机制[37,38]。

以同样的方式,钢纤维的使用大大提高了能量吸收和延展性[39]。值得一提的是,混凝土的脆性行为与其抗压强度的增加成正比,而添加钢纤维有助于消除这种脆性,从而导致生产出具有改善的拉伸强度,延展性和抗拉强度的材料。韧性[40,41]。

与普通混凝土相比,这种材料显示出延伸的软化分支,其特征在于显着的拉伸残余强度和更高的断裂能[9],后者是衡量准易碎材料断裂过程的主要成分。


3.材料和方法

为了进行这项研究,共生产了4种普通混凝土混合物,每种所使用的缺口与深度之比为一种。此外,还生产了8种纤维增强混凝土的混合物(每种纤维百分比为4)。使用水泥OPC 40满足NMX-C-414-ONNCCE-2014 [42]的要求生产混合物;标准粉碎的石灰石骨料,最大尺寸为19 mm(3 / 4jj),细度模量为2.42;水;以及聚羧酸类减水剂作为添加剂。

使用的钢纤维是“钩端”纤维,长度(lf)为50毫米,直径(df)为1毫米,长径比(lf / df)为50,拉伸强度为1130 MPa;纤维体积分别为0.25%和0.50%,这是根据标准EN 14845-1,2007 [43]推荐的获得残余强度的体积。该标准还规定最大水泥含量为350 kg / m3,水灰比为0.55。表1列出了每种混合物的组成。

1.混合物组成。

材料

1

2

S-3

孜然(kg / w)

350

350

350

添加剂(毫升/千克)

1.9

1.9

1.9

碎石(M.S. 19毫米)(kg / m3)

810

810

810

沙(kg / m3)

1027

1020

1014

水(kg / m3)

193

193

193

纤维(kg / m3)

0

20

40

空气含量(%)

1.8

2.5

2.8

坍落度(毫米)

130

115

105

网络时间

6

7

9



3.1.断裂试验方法

          使用了三种不同的混合物,以及四种不同的切口深度(即0、13、25和50 mm)。需要第一混合物作为参考系列(即,体积纤维,Vf = 0%)。用这种混合物制成每个深度为150 mm×150 mm×600 mm的6根光束。因此,总共构造了24个标本。

在第二和第三混合物中,分别使用了0.25%和0.50%的纤维体积(Vf)。因此,对于每种混合物和每种切口深度,总共也要制造24个样品。因此,总共48个棱柱形试样由纤维制成,具有上述尺寸和切口深度。

通过对72个样品(普通混凝土和纤维增强混凝土)进行了开槽弯曲挠曲试验,评估了添加钢纤维对开裂后性能的影响,并对其进行了描述。相应的陷波深度比(a / d)分别为0、0.08、0.16和0.33。值得一提的是,开槽步骤是根据标准EN 14651-2005进行的,其中常见的开槽深度为25 mm [20]。

在该实验程序中,使用了裂口张开位移法(CMOD)相对于施加的载荷作图。开口的测量采用夹式引伸计进行,标距长度为20 mm,行程为+12 mm / –2 mm(见图1a和2a),目的是估计通过防止诱发裂纹的扩大,具有通过样品的裂纹面传递纤维应力的能力。此外,将线性范围为12.7 mm的线性可变差动变压器(LVDT)放置在试样的中跨处,以测量由于施加的载荷引起的位移,并确定钢纤维对钢的韧性和延展性的贡献。复合材料(见图1b和2b)。

 

 图1.棱柱形试样的拉伸弯曲试验。 (a)通过引伸计夹式Epsilon品牌测量裂纹口的开口。 (b)通过VISHAY品牌的线性可变差动变压器(LVDT)测量样品中跨的挠度。.png

               (a)                                                                                                           b

图1.棱柱形试样的拉伸弯曲试验。 (a)通过引伸计夹式Epsilon品牌测量裂纹口的开口。 (b)通过VISHAY品牌的线性可变差动变压器(LVDT)测量样品中跨的挠度。


图2.三点弯曲测试的配置,尺寸以mm为单位。 (a)裂纹口的测量。 (b)用LVDT测量中跨位移。.png

图2.三点弯曲测试的配置,尺寸以mm为单位。 (a)裂纹口的测量。 (b)用LVDT测量中跨位移。

3.2.负载和应力处于比例极限

实验结果从所述负载在比例极限或从负载为初裂(FL),其为负载的记录到为0.05mm并[a CMOD较大值而获得9,36 ]。借助于等式(1)[ 20 ]计算出在出现第一裂纹时相应的作用应力。


计算出在出现第一裂纹时相应的作用应力的公式.png

其中f L =比例极限处的应力(N / mm 2),F L =比例极限处的载荷(N),L =试样的跨度(mm),b =试样的宽度(mm),hsp =试样顶面与引起裂纹的尖端之间的距离(毫米)。


3.3.正态和特征残余应力

在剩余阶段,钢纤维的贡献至关重要。在裂后阶段,该贡献是通过法向应力(f Rj),所测CMOD的每个特定值获得的,并由等式(2)计算[ 20 ]。

正态和特征残余应力计算公式.png



其中f R,j =在点j处的法向残余应力(N / mm 2),f Rk,j =在点j处的特征残余应力(N / mm 2),F R =给定裂纹口开口的载荷位移测量。

f R,1,f R,2,f R,3和f R,4的值是0.5、1.5、2.5和3.5 mm裂纹嘴开口的法向残余应力(N / mm 2) , 分别。以类似的方式,f Rk,1,f Rk,2,f Rk,3和f Rk,4的值是0.5、1.5、2.5和3.5 mm的特征残余应力(N / mm 2)。分别开口。

在这项研究中,特征残余强度的评估是根据CEB-FIP模型代码2010 [ 44 ]中建立的程序,通过方程式(3),以及在Molins和Arnau 2012中获得的因子进行的;RILEM TC-162,2003,在所列出的表2 [ 45,46 ]。


特征残余强度的评估是根据CEB-FIP模型代码2010 [ 44 ]中建立的程序计算公式.png


           其中,n =测试样本的数量,k xN =当总体集合的变异系数已知时的统计因子,k xn =当总体集合的变异系数未知时的统计因子。         

                                表2. 系数k x与被测样品数量的关系。

n

1

2

3

4

5

6

8

10

κξγ

2.31

2.01

1.89

1.83

1.8

1.77

1.74

1.72

κξγ



3.37

2.63

2.33

2.18

2

1.92


       

3.4.断裂能

纤维增强混凝土试件的断裂能估算采用了两种模型,它们各自的参数和原理互不相同。对于模型1,Barros等人提出。[ 47 ]如式(4)所示,需要诸如样品质量和最终位移的测量参数。另一方面,对于第二个模型,需要使用图[ 48 ]。


需要诸如样品质量和最终位移的测量参数计算公式.png


Kazemi等人提出的模型2。[ 48 ]由等式(5)表示,并假设将试样断裂所需的功与破裂表面成正比:

等式表示并假设将试样断裂所需的功与破裂表面成正比.png

其中GF=总断裂能(N/ m); Wf=曲线载荷下的面积与裂缝开度(或位移)的关系,是由于断裂引起的功(N-m)或(J);m =样品质量(kg); a =样品的总长度(l)与跨度(支撑之间的长度)(L)之间的关系; a0 =初始切口深度(m); b =样品宽度(毫米); d =光束深度(米); g =重力加速度常数(9.8 m/ s2);Su=测得的位移或裂纹开口的最大值(m); S =装置的标准偏差(N /mm2);L =试样长度(毫米); r =试样顶面与裂纹尖端之间的距离(m)。


4.结果与讨论

4.1.比例极限行为

图3显示了三个系列中每个系列在比例极限下的负载获得的结果。可以观察到,随着切口深度比(a/ d)的增加,负载能力降低,其中对于比率(a/ d)分别降低了33%,53%和66%分别为0.08、0.16和0.33。因此,随着切口-深度比的增加,混凝土变得易于破裂失败。这种现象是由于断裂加工区(FPZ)的减少,也称为韧带长度,它在开裂过程中允许更高的能量耗散[48]。 Zihai Shi [49]也认识到了这种负荷的减少,其中韧带长度的减少导致峰值负荷的减少。


图3. 比例极限下的实验行为。.png

图3. 比例极限下的实验行为。


以相同的方式,在图3中,还可以观察到,负载阻力主要取决于混凝土的阻力面积,而不取决于所添加的纤维量。这可以通过观察在不同纤维体积Vf下每个比率(a / d)所获得的相似载荷值来识别,这表明,对于第一个裂纹发展之前的阶段,纤维几乎或根本没有影响复合材料的强度。从该行为,获得了一般图形(参见图4),其行为也可以用公式(6)描述。

对于第一个裂纹发展之前的阶段,纤维几乎或根本没有影响复合材料的强度公式描述.png





 图4. 比例极限下的一般行为。.png

 图4. 比例极限下的一般行为。

表3列出了每个研究系列的第一个裂纹出现所需的应力。在该表中,计算的应力趋于随着切口深度的增加而减小。另外,对于那些没有初始刻痕的试样,与具有初始刻痕的试样相比,要求更高的应力才能使第一个裂纹出现。与最初产生缺口的混凝土面积相比,这种行为与试样中混凝土面积更大。但是,值得注意的是,(a / d)= 0的试样显示出较大的变异系数(CV),这是因为未控制开裂过程,并且在试样的整个长度上裂纹可能出现在不同的区域,导致残余行为的变化。

表3. 在比例极限(N / mm 2)处的计算应力。


在比例极限(N / mm 2)处的计算应力.png

对于系列1和2,获得的结果分散最少,比率(a / d)= 0.16,这是标准EN 14651,2005 [ 20 ]所建议的陷波深度比。与所研究的其余(a / d)比率相比,观察到了裂化过程的控制。此外,比率(a / d)= 0.16时,在后裂化阶段中获得了纤维性能的更代表性的行为。而且,以该比率,深度足够大,以利于在所需区域中出现第一裂纹,并产生足够大的混凝土区域,以使纤维在残余阶段中适当地传递应力。



4.2.破解后行为

图5-8显示了在弯曲拉伸试验中,钢纤维系列和每种(a / d)比的结果。在这些图中,可以注意到,如前所述,在比例极限(曲线的线性部分)处的负载与所用纤维的数量无关。此外,还可以观察到,纤维的主要作用是在后裂化阶段获得的[13,15,50]。


 

图5. (a / d)= 0的弯曲拉伸试验曲线:(a)系列1和(b)系列2。.png

图5. (a / d)= 0的弯曲拉伸试验曲线:(a)系列1和(b)系列2。


  在对应于系列2的图中,与对应于系列1的那些相比,在裂后阶段显示了更大的性能,其残余载荷等于或什至大于在第一裂化过程中获得的平均载荷。发生阶段。由于使用了大量的纤维(即,Vf = 0.50%),这导致硬化行为,这通过增加通过裂纹面传递应力的能力而改善了裂纹后阶段的性能。



图6. (a / d)= 0.08的弯曲拉伸试验曲线:(a)系列1和(b)系列2。.png

图6. (a / d)= 0.08的弯曲拉伸试验曲线:(a)系列1和(b)系列2。


图7. (a / d)= 0.16的弯曲拉伸试验曲线,(a)系列1,(b)系列2。.png

图7. (a / d)= 0.16的弯曲拉伸试验曲线,(a)系列1,(b)系列2。


通过分析这两个获得的曲线的结果,在图5-8中,可以在残余阶段以小于4 mm CMOD的值观察到样品的最大性能,这相当于在3.64 mm处的位移。中跨,之后开裂性能会降低。这是最重要的,因为通常在计算光纤性能时考虑该值,对于中跨度的3.5mmCMOD或3mm挠度,该值是获得的[9]



图8.(a / d)= 0.33的弯曲拉伸试验曲线:(a)系列1和(b)系列2。.png

图8.(a / d)= 0.33的弯曲拉伸试验曲线:(a)系列1和(b)系列2。

 



4.3.正常残余应力

在图9中,显示了两个研究系列的法向残余应力(fR,j)的结果。基于所使用的(a / d)比率,可以注意到,从图9a-d中可以看出,比例极限处的载荷值是一致的,与所使用的纤维量无关。这表明纤维在第一次破裂发生之前的阶段几乎没有影响。还值得注意的是,通过增加比率(a / d),通过增加纤维的剂量可以改善所产生的残余性能。例如,比率(a / d)=0的样品的残余性能增加了61%。同时,(a / d)比分别为0.08、0.16和0.33的序列分别增加了157%,129%和86%。

以相同的方式,对于0.08至0.16的比率,随着纤维剂量的增加而达到最大性能,而对于0.33,其残余性能降低。


4.4.特征残余应力

在图10a,b中,显示了系列1和2的每个(a / d)比的特征残余应力(fRk,j)的实验结果,以及每种情况下它们的相应平均应力曲线。可以注意到,特征残余应力对法向残余应力的变化非常敏感。这可以在图10a中得到验证,图10a中的比率(a / d)= 0和0.08显示的残余性能低于从比率(a / d)= 0.16和0.33获得的残余性能。因此,比率(a / d)= 0和0.08不符合标准EN 14845-2,2006 [41]中确定的最低要求。

对于系列1,通过增加比值(a / d),可以在开裂后阶段获得更合适的性能,这表明在试样表面上有足够的应力传递。另一方面,在图10b中,通过使用大量的纤维(系列2),特征残余应力满足标准的最低要求[41]。

但是,关于系列2的比率(a / d)的行为与在系列1中获得的结果不一致,因为比率(a / d)= 0.08提供了所有所用比率中的最佳残留性能(请参见图10b)。这可能是纤维数量影响的结果,纤维数量可以在较大的混凝土区域中更好地分布。对于两个系列,比率(a / d)= 0均显示最差的性能。



比率(a / d)= 0均显示最差的性能。.png

(b)                                                                                                 b


 

.纤维系列和每个研究的(a / d)比(a)0,(b)0.08,(c)0.16和(d)0.33的残余法向应力。.png


(c)                                                                                                 d

图9.纤维系列和每个研究的(a / d)比(a)0,(b)0.08,(c)0.16和(d)0.33的残余法向应力。




切口深度比对钢纤维混凝土开裂后行为的影响(下)

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