PVA-DSECC抗压与抗折强度关系
Relationship between Compressive Strength and Flexural Strength of PVA-DSECC

作者: 张艺馨 , 车佳玲 , 夏国平 , 王 丹 , 郭 威 :宁夏大学,土木与水利工程学院,宁夏 银川;

关键词: PVA-DSECC抗压强度抗折强度换算关系PVA-DSECC Compressive Strength Flexural Strength Conversion Relationship

摘要:
采用聚乙烯醇纤维(Polyvinyl Alcohol Fiber)制备高延性纤维增强水泥基复合材料(Engineered Ce-mentitious Composite) (简称PVA-ECC),具有多裂缝开裂、高韧性、高延展性等特性。试验采用沙漠砂代替部分普通河砂制备PVA-ECC (简称PVA-DSECC),对PVA-DSECC试块进行抗压、抗折强度测试。建立抗压强度与抗折强度关系式;分析龄期对关系式中参数a的影响,参数a随龄期的增加而增大。

Abstract: The Engineered Cementitious Composite (PVA-ECC) is prepared by using polyvinyl alcohol fiber, which has the characteristics of multi-crack cracking, high toughness and high ductility. The test uses desert sand instead of some common river sand to prepare PVA-ECC (referred to as PVA-DSECC), and the PVA-DSECC test block is tested for compression and flexural strength. The relationship between compressive strength and flexural strength is established. The influence of age on the parameter a in the equation is analyzed, and the parameter a increases with the increase of the age.

1. 引言

高延性纤维增强水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite,简称ECC)最早是由美国密歇根大学的Victor C. Li教授提出,它是基于微观力学和断裂力学原理设计,具有多裂缝开裂、高延展性和高韧性的特性。鉴于ECC材料诸多优异性能,工程应用前景良好,近年来国内外学者对ECC进行多方位多角度的深入研究,主要在力学性能、耐久性、工程应用方面进行了大量试验研究,具体包括直接拉伸性能、抗压性能、弯曲性能、延性、抗侵蚀性、抗冲击性等。目前美国、日本已将其运用在水利工程、桥梁工程、道路路面工程、地下工程、抗震结构、修复结构等方面,并取得了很好的效果 [1] 。如日本采用ECC/钢复合建造的北海道斜拉索桥,广岛县采用ECC/钢复合板修复Mitaka大坝 [2] ,美国采用ECC连接板建造的Michigan大桥等 [3] 。

由于天然砂资源日益匮乏,部分学者利用资源丰富的沙漠砂代替天然砂制备绿色环保ECC材料,从力学性能、耐久性能等方面进行了大量研究。M. Iqbal Khan [4] 等提出用阿拉伯沙漠砂制备的ECC和用硅砂制备的ECC的拉伸延性性能相当。本课题组 [5] [6] 提出水胶比、粉煤灰替代量对材料的抗压强度有较大影响;而沙漠砂替代率对抗劈裂强度、抗压强度、抗折强度影响较小;并且提出钢纤维能够提高ECC试件的劈裂抗拉强度,PVA纤维可以增强试件的抗弯强度;使用沙漠砂制备ECC时,沙漠砂最高替代率高达90%。

课题组在前期研究基础上,进一步对PVA-DSECC的抗压强度和抗折强度关系进行研究分析,旨在确定PVA-DSECC抗压-抗折强度间的换算关系,这对工程建设具有很好的指导意义,如根据抗压强度与抗折强度换算公式,可方便快捷的对现场质量进行指导和控制 [7] 。

2. 试验

2.1. 试验原材料

水泥:P·O 42.5R级普通硅酸盐水泥;粉煤灰:I级粉煤灰,细度8.4%,含水率0.4%,水量比90%,烧失量3%;纤维:日本可乐丽公司生产的直径为31 μm,长度为12 mm聚乙烯醇维(PVA纤维),其抗拉强度1400~1600 MPa,干断裂伸度(17 ± 3.0) %,伸长率为6%,杨氏模量 ≥ 380 GPa;细骨料:1) 粒径不大于1.18 mm的水洗河砂,;2) 宁夏盐池县毛乌素沙漠砂,表观密度2624 kg/m3,含泥量0.14%,细度模数0.14 [8] ;水为实验室自来水;外加剂:减水率为30%的聚羧酸高性能减水剂。

2.2. 试验配合比

课题组前期对PVA-DSECC材料力学性能进行了研究,得到PVA-DSECC抗压强度、抗劈裂和抗折强度的最优配合比,其中:水胶比(质量比) 0.29;砂胶比(质量比) 0.36;粉煤灰等质量替代水泥40%;沙漠砂等质量替代天然河沙量为40%;PVA纤维掺入量为试块体积的1.75%。配合比算量如表1所示。

Table 1. Ratio calculation

表1. 配合比算量

2.3. 试件制备

为使PVA纤维在基体中分散的更均匀,更好的发挥PVA作用,PVA纤维采用后掺法。试件制备如图1所示,具体制备工艺如下:1) 将胶凝材料(水泥和粉煤灰)、沙漠砂、河砂干拌2 min;2) 将水和减水剂混合后倒入搅拌锅湿拌2 min;3) 将PVA纤维分散地加入搅拌机搅拌3 min;4) 搅拌结束后进行试件浇筑,并振捣夯实;5) 试块自然养护24 h后拆模,放入标准养护室内养护至龄期。

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Figure 1. Test piece preparation

图1. 试件制备

2.4. 试验方法

为确定PVA-DSECC抗压-抗折强度关系式,试验设计3个龄期(7 d, 28 d, 56 d),每个龄期做5组,其中每组做3个尺寸为70.7 × 70.7 × 70.7 mm的立方体试块,3个尺寸为40 × 40 × 160 mm的抗折试块。试件试验测定过程如图2所示,具体参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行抗压强度和抗折强度测试,

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Figure 2. Test piece mechanical properties measuring instrument

图2. 试件力学性能测定仪器

3. 试验结果

通过观察试件破坏全过程,发现PVA-DSECC试块并非如普通混凝土般发生脆性破坏,而是在受力区多裂缝开展。PVA-DSECC具体破坏情况和裂缝形态如图3所示,荷载与裂缝宽度呈正相关,即随着荷载的提高,裂缝宽度也随之增大。当荷载达到峰值时,试块会随着主裂缝的扩大而被破坏。由于卸荷后主裂缝周围的微细裂缝处张力的减弱,裂缝会发生闭合,实际裂缝要略多于图3。PVA-DSECC的抗压强度及抗折强度试验结果如表2所示。

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Figure 3. Test piece damage and crack shape

图3. 试件破坏情况及裂缝形态

Table 2. Compressive strength and flexural strength

表2. 抗压强度和抗折强度(7 d、28 d、56 d)

4. 抗压强度与抗折强度之间的换算关系

目前,国内外给出多种抗压强度与抗折强关系式,如ACI Committee、CEB-FIP、美国波特兰水泥协会、日本水泥协会、中国交通部等给出的抗压强度与抗折强度关系式,具体如表3所示。由表3可知,国内外提出的混凝土抗压-抗折强度关系式虽各不相同,但都表现出抗折-抗压强度具有很强的相关性。

表2可知,PVA-DSECC的抗压强度与抗折强度呈正相关,即随着抗压强度的增加,相应的抗折强度也随之提高。如图4所示,根据抗折、抗压强度数据,作出抗压-抗折强度散点图,并参考国内外规范,采用线性函数ft = Afcu,m + B对其进行拟合,得出抗压-抗折强度之间的关系式,如式(1)所示。结果表明线性拟合良好,但由于试块数量不足,试验存在一定的误差,试验拟合得到PVA-DSECC抗压强度与抗折强度关系式的相关性R2 = 0.574并不是很高。

f t = 0.376 f c u , m 8.565 ( R 2 = 0.574 ) (1)

式中,ft表示抗折强度,fcu,m代表抗压强度。

式(1)与美国波特兰水泥协会提出的ft = 1.32 + 0.0943 fcu,m相比,fcu,m的系数较高,其主要原因是高强度高弹模PVA纤维的掺入,提高了PVA-DSECC的韧性和抗折性能。1) 从宏观角度分析,试块受外部荷载时,受力区呈多裂缝开裂,试块在破坏之前能够吸收大量的外部能量,并且微裂缝发展速度较为缓慢,此外,PVA纤维对主裂缝扩大有一定阻碍作用,从而延缓了裂缝的发展和试块的破坏。2) 从微观角度分析,PVA纤维与基体之间结合面具有很强的粘结性,试块在出现裂缝后,PVA纤维连接在裂缝两侧,在其被拔出的过程中能够抵消外部荷载,阻碍裂缝继续扩大,从而提高试块的韧性。因此,与普通混凝土相比,PVA-DSECC材料的抗折、变形性能更加优越,抗压-抗折强度关系式中fcu,m的系数也较高。

Table 3. Compressive-reflex strength relationship

表3. 抗压-抗折强度关系式

Figure 4. Relationship between compressive strength and flexural strength of PVA-DSECC

图4. PVA-DSECC抗压强度与抗折强度的关系

5. 龄期对抗压强度-抗折强度关系的影响

根据式(1),令ft = afcu,m − 8.565(其中a为待定参数),分别计算7 d、28 d、56 d的参数a值,结果如表4所示。由表4可知,PVA-DSECC抗折强度和抗压强度关系式中的参数a并非一个确定的值,而是一个关于龄期的函数,随着龄期的增长而不断提高。如图5所示,根据表4中的平均值,作龄期与参数a的关系图。参数a的拟合关系式如下所示,由于试验误差,拟合函数的相关性R2 = 0.81757并不很高。

a = 0.00011 x + 0.37245 ( R 2 = 0.81757 ) (2)

参数a之所以随龄期t的增加显著增大,是由于粉煤灰的掺入。粉煤灰有助于试块后期强度的提高,试块的抗压强度在7天到28天大幅上升,28天后抗压强度虽有增加但增加趋势较为平稳,而抗折强度从龄期7 d到56 d均处于明显上升趋势。抗压强度和抗折强度在龄期内的增长规律,诠释了参数a随龄期t明显增大这一现象。

Table 4. The value of the parameter a to be determined

表4. 待定参数a的数值

Figure 5. Relationship between age and parameter a

图5. 龄期与参数a的关系图

6. 结论

通过对PVA-DSECC进行抗压强度和抗折强度试验,得出结论:

1) 提出抗压-抗折强度关系式;

2) 分析龄期对关系式中参数a的影响,结果表明,参数a随着龄期的增长而增大;

3) 提出参数a与龄期的函数关系式。

基金项目

宁夏自然科学基金资助项目(NZ15043),2018年大学生创新创业训练计划项目(X2018107490847)。

文章引用: 张艺馨 , 车佳玲 , 夏国平 , 王 丹 , 郭 威 (2018) PVA-DSECC抗压与抗折强度关系。 土木工程, 7, 774-780. doi: 10.12677/HJCE.2018.76093

参考文献

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https://doi.org/10.15407/fm24.04.584

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