不同方法测试的超高性能混凝土抗拉强度
2020-08-22
来源:榕意旅游网
不同方法测试的超高性能混凝土抗拉强度/杜任远等 ・483・ 不同方法测试的超高性能混凝土抗拉强度 杜任远 ,陈宝春 ,沈秀将。 (1华东交通大学土木建筑学院,南昌330013;2福州大学土木工程学院,福州350108;3洛桑联邦理工学院,洛桑,瑞士) 摘要 通过16组不同钢纤维掺量超高性能混凝土(UHPC)轴心抗拉强度、抗折强度和劈裂抗拉强度的试验, 并结合各单位试验数据的统计分析,开展不同试验方法下UHPC抗拉强度的研究。结果表明,不同UHPC抗拉强度 均随钢纤维掺量的增加而提高,但强度提高幅度各不相同,其中劈拉强度增幅较大;相同钢纤维掺量时,UHPC的抗 折强度和劈拉强度相近,且远大于轴拉强度。UHPC轴拉强度和抗折强度的比值与钢纤维混凝土和普通混凝土的抗 拉强度之间的比值较接近,而劈拉强度相关的其他2个比值则相差较大。建议以抗折强度试验作为工程实践中UH— PC抗拉强度的间接测试方法。 关键词 超高性能混凝土(UHPC)抗拉强度试验方法钢纤维统计分析 文献标识码:A 中图分类号:TU528.01 Tensile Strength 0f UHPC by Different Testing Methods DU Renyuan ,CHEN Baochun ,SHEN Xiuj iang。 (1 School of Civil Engineering and Architecture,East China Jiaotong University,Nanchang 330013;2 College of Civil Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350108;3 Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne,Lausanne,Swiss) Abstract Research on UHPC tensile strength by different testing methods was carried out through experiment on 16 groups of ultra high performance concrete(UHPC)specimen with different steel content and statistics analysis on data collected from various researchers.The results show that axial tensile strength,flexural strength and splitting tensile strength were increased by steel fiber content,but the strength enhancement was in different way,tensile strength developed higher strength enhancement than two others.UHPC flexural strength and splitting tensile strength was close and significantly greater than the axial tensile strength when steel fiber was in same content.Con— trasting with steel fiber concrete(SFC)and normal concrete(NC),ratio of axial tensile strength tO flexural strength of UHPC was close to that of SFC and NC,but the two other ratios related tO splitting tensile strength were greatly different with those of SFC and NC.It is suggested that the flexural strength test can be the method for testing UHPC tensile strength indirectly in engineering practice. Key words analysis ultra high performance concrete(UHPC),tensile strength,test method,steel fiber,statistics 0 引言 超高性能混凝土(Ultra high performance concrete,UH— PC)是一种新型混凝土材料,以活性粉末混凝土的制备原理 为基础,具有超高的抗压强度、较高的抗拉强度和优异的耐 久性能_】-4]。UHPC材料的拉压比与普通混凝土和钢纤维 混凝土相差不大,但其轴拉强度的绝对值已达10 MPa左右 强度或两种强度,对3种强度系统试验的研究还较少,对不 同抗拉强度与钢纤维掺量之间的关系还未深入分析,对采用 不同试验方法的测试结果之间的差异缺乏有效的分析,也未 能深入探究各种试验方法对UHPC抗拉强度的影响,应采 用何种试验方法进行抗拉强度的间接测试还未有充分的认 识。 为此,本实验进行了16组共34个试件的不同钢纤维掺 或更高,在结构受力中能发挥一定的作用,因此,UHPC的抗 拉强度研究日益受到重视。 量UHPC的轴拉强度、抗折强度和劈拉强度试验研究。以 钢纤维掺量作为参数,收集各单位的相关强度试验数据,开 展不同抗拉强度与钢纤维掺量之间的统计分析,探讨3种强 度之间的关系,以期推荐适用于工程实践中的UHPC抗拉 强度间接测试试验方法,推动UHPC材料在实际工程中的 应用。 UHPC的抗拉强度试验方法沿用了钢纤维混凝土和普 通混凝土的3种方法,即轴心抗拉强度试验、抗折强度试验 和劈裂抗拉强度试验。各单位对UHPC轴拉强度、抗折强 度和劈拉强度均开展了较多研究_5 ,但多局限于研究一种 *国家自然科学基金重点项目(U1305245);华东交通大学科研启动基金(2003416006) 杜任远:1984年生,博士,讲师,主要研究方向为超高性能混凝土和桥梁结构工程E-mail:durenyuan@ecjtu.jx cn ・484・ 材料导报 2016年l1月第30卷专辑28 1 材料制备 选用福建“炼石牌”P 0.42.5普通硅酸盐水泥;硅灰产 于西宁铁合金厂,其SiO 含量大于等于9O ,比表面积为 18920 m2/kg,密度2.0 g/cm ;细砂为粒径小于0.63 mm、密 法GB/T50081—2002 ̄[” 中相应的试验方法。根据要求采用相 应的试验夹具,加载速度均控制在0.1 MPa/s左右。抗折试 验和劈拉试验的试件均为4组,每组3个,其尺寸分别为100 minx100 rnm×100 mm和100 mm×1O0 mmX400 mm。 度2.6 g/cm。的闽江河砂;减水剂由福州创先工程材料有限 公司提供的减水率不小于25 的CX一8聚羧酸高效减水剂; 钢纤维来自鞍山昌宏钢纤维厂,其直径为0.18~0.22 mm, 长度为12~14 mm,抗拉强度不小于2850 MPa。本实验采 用的UHPC配合比如表1所示,以钢纤维体积掺量0 、 1 、2 和3%为参数制作试件。养护制度采用8 h、180℃ 的蒸压养护。 表1 UHPC配合比 Table 1 UHPC mix proportion 图2 UHPC轴拉试验装置 Fig.2 UHPC axial test set—up 3结果分析 2实验方法 2.1轴拉试验 采用哑铃式试件,其等截面尺寸为50 mm×100 mm× 3.1 抗拉强度与钢纤维掺量的关系 表2为不同钢纤维掺量下试件的抗拉强度试验结果。 由表2可知,轴拉强度、抗折强度和劈拉强度均随着钢纤维 150 mm,以5个试件为一组,共4组,详细尺寸如图1所示。 采用端部提拉式装卡方式,试验装置如图2所示。试件标距 设置在中部,测量标距为沿拉力方向100 ram;以变形量控制 掺量的增加而提高,但各强度的增加幅度不相同。以钢纤维 掺量2 的UHPC为例,其轴拉强度、抗折强度和劈拉强度 分别较钢纤维掺量0 时提高约100 、166 和203 。需 试验加载速度,采用加载速度为0.01 mm/s(应变速率约 0.0001 S )的拟静力加载模式。正式试验前,在材料弹性范 围内进行预加载,微调试件或夹具使其偏心率不大于15 。 试验加载设备为SHT4系列微机控制电液伺服万能试验机, 其最大试验力为2000 kN;标距内测量设备为SANJ Y50/25 要说明的是,轴拉试验有一定的失败率,表2中仅列出了成 功的测试结果,因而列出的测试值数量与试件数不相同。 表2 UHPC抗拉强度试验结果 Table 2 Test results of UHPC tensile strength 电子引伸计,其最大测量变形量为25 mm。试验结果处理参 考《纤维混凝土试验方法标准CECS13:2009》_ 。】 ・ Q ・ fJ 单位:am r图1 UHPC轴拉试件尺寸 Fig.1 Specimen size of UHPC axial test samples 2.2抗折试验和劈拉试验 抗折试验和劈拉试验参照《普通混凝土力学性能试验方 为进一步深入研究抗拉强度与钢纤维掺量之间的关系, 收集他人试验数据开展统计分析。轴拉强度反映混凝土的 不同方法测试的超高性能混凝土抗拉强度/杜任远等 真实强度,受试件截面尺寸的影响较小_6 ;抗折强度和劈拉 强度均基于弹性计算理论,其尺寸的影响不可忽略。在收集 样本时,轴拉强度按不同钢纤维掺量收集l_5],抗折强度和劈 拉强度则仅收集试件横截面尺寸为100 mm×100 mm的试 验数据。表3为不同钢纤维掺量的样本数量,各类抗拉强度 ・485・ 根据图3中样本的分布规则,并借鉴钢纤维混凝土中抗 拉强度与钢纤维掺量的关系式 ,采用一元线性数学模型对 样本数据进行回归分析。以钢纤维掺量作为自变量,通过线 性回归得到轴拉强度、抗折强度和劈拉强度与钢纤维掺量之 间的关系式,如式(1)一式(3)所示,其相关系数分别为o.65、 o.84和o.77,其中抗折强度与钢纤维掺量的相关系数大于 o.8,属于高度相关的范畴。 _厂c一253pf+4.97 厂 f一515pf+10.31 一的样本数量均超过了5O个,其中轴拉强度的样本数量达到 了101个。钢纤维掺量2 的样本数量较多,在轴拉强度、抗 折强度和劈拉强度总样本中分别占64 、56 和50%。 表3样本数量 Table 3 Sample number (1) (2) (3) 564pf+7.54 式中: 为轴拉强度, 为抗折强度,jf 为劈拉强度,P 为钢 纤维掺量。 为检验各回归关系式的显著性,通过SPSS软件对各强 度数据样本的直方图和P-p图进行检验,发现样本残差符合 近似正态分布,可采用F检验法对线性回归数学模型的显著 性进行检验。假设H。:6—0,即强度与钢纤维掺量之间线 性关系不显著;确定显著性水平a=0.05,可根据F分布表找 出相应的F临界值;如F值>F临界值,则拒绝H。,表明两 者线性关系显著。表4为3种强度的F检验结果,可知3种 强度均与钢纤维掺量存在显著的线性关系,表明通过回归得 到的关系式具有一定的实用价值。 表4 F检验结果 Table 4 F-test results 钢纤维掺量/% (a)轴拉强度 3.2抗拉强度之间的关系 由表3可知,钢纤维掺量为2%的UHPC样本数量明显 多于其他掺量,表明各单位对2 钢纤维掺量的UHPC研究 较多。该UHPC作为主体混凝土材料使用也较多,具有较 好的应用前景口 。本节以2 钢纤维掺量的UHPC为例,分 析轴拉强度、抗折强度和劈拉强度之间的关系 表5给出了钢纤维掺量为2 时UHPC抗拉强度的统 钢纤维掺量/% (b)抗折强度 计参数。由表5可知,3种抗拉强度之中轴拉强度与抗折强 度和劈拉强度相差较大,其比值在0.5O左右;抗折强度和劈 拉强度相近,两者均值之比接近1.10。在试验数据的变异性 方面,抗折强度的变异系数为0.163,劈拉强度的变异系数为 0.262,表明抗折强度测试结果的稳定性较轴拉强度和劈拉 强度好。 表5 UHPC抗拉强度的统计参数(tof=2 ̄ ̄00) Table 5 Statistical parameter of UHPC tensile strength( ̄=2%) 钢纤维掺量『0/0 fc)劈拉强度 图3 UHPC抗拉强度与钢纤维掺量的关系 Fig.3 Relationship between UHPC tensile strength and stee1 fiber content ・486・ 材料导报 2016年11月第30卷专辑28 (2)UHPC的抗折强度和劈拉强度相近,且明显大于其 表6为不同混凝土的抗拉强度比值。通过对比可知,3 种强度的比值中UHPC、钢纤维混凝土和普通混凝土的轴拉 强度与抗折强度之比较接近,在0.55左右;与劈拉强度相关 的其他2个比值,即轴拉强度与劈拉强度之比和抗折强度与 劈拉强度之比,UHPC与钢纤维混凝土和普通混凝土相差较 大。UHPC的劈拉强度提高幅度较大,使其大大偏离轴拉强 度,而更接近抗折强度,可能是劈拉试件与试验夹具的接触 位置应力状态复杂,不同应力相互作用的结果;也可能是边 壁效应的原因[2 。 轴拉强度。与钢纤维混凝土和普通混凝土的抗拉强度比值 相比,UHPC轴拉强度和抗折强度的比值与之较接近,而劈 拉强度相关的其他2个比值则相差较大。 (3)推荐以抗折试验作为工程实践中UHPC抗拉强度 间接测试试验方法,并给出了研究应用较多的钢纤维掺量 2 的UHPC轴拉强度与抗折强度之间的换算参考区间。 参考文献 l陈宝舂,季韬,黄卿维,等.超高性能混凝土研究综述口].建筑科学 表6不同种类混凝土的抗拉强度比值 Table 6 Tensile strength ratio of different kinds of concrete 3.3抗拉强度间接测试试验方法分析 轴拉试验结果能够反映真实的抗拉强度和受拉应力一应 变关系,是研究混凝土受拉性能不可或缺的试验手段,但轴 拉试验测试难度较大,并不适用于实际工程中使用,仍需与 普通混凝土和钢纤维混凝土一样,采用较简便且合理的间接 测试试验方法。 劈拉试验是普通混凝土和钢纤维混凝土测试抗拉强度 的常用方法,但其是否能够作为UHPC抗拉强度的试验方 法还值得商榷,主要有以下3点原因。其一,与普通混凝土 和钢纤维混凝土的强度规律不同,UHPC的劈拉强度较接近 抗折强度,而非轴拉强度;其二,从受力性能方面来看,其顶 端接触位置的应力状态较复杂,包括拉、压、剪和扭转等综合 作用,不利于进行力学分析,较难控制其试验结果,可能得不 到理想的试验数据。其三,由表5中数据样本的变异系数可 知,劈拉强度的变异系数最大,表明UHPC的劈拉强度具有 相对较大的不确定性。 抗折试验与劈拉试验相比,抗折试件受力明确且分析简 单,由表5可知其试验结果的离散性较小,抗折强度与轴拉 强度的比值也较靠近钢纤维混凝土和普通混凝土的比值。 在文献[26]中,根据材料的抗折强度进行活性粉末混凝土等 级划分;日本的相关规程中采用抗折试验间接获取UHPC 的抗拉强度_2 。因此,建议实际工程应用中可采用抗折试验 作为UHPC抗拉强度的间接试验方法。对于钢纤维掺量为 2 的UHPC,采用表5的统计参数,并结合式(1)和式(2)的 计算值,推算出轴拉强度与抗折强度的比值范围为0.46~ 0.52,可作为两种强度之间的换算参考区间。 4 结论 (1)轴拉强度、抗折强度和劈拉强度均随着钢纤维掺量 的增加而提高,但增幅各不相同,其中劈拉强度增幅较大。 提出轴拉强度、抗折强度和劈拉强度与钢纤维掺量之间的关 系式,F检验结果表明3种强度与钢纤维掺量之间的线性关 系显著。 与工程学报,2014,31(3):2 2 Richard P,Cheyrezy M.Composition of reactive powder concretes EJ].CemConcr Res,1995,25(7):1503 3史才军,何稳,吴泽媚,等.纤维对UHPC力学性能的影响研究进 展LJ].硅酸盐通报,2015,32(8):2228 4邓宗才,肖锐,申臣良.超高性能混凝土的制备和性能[J].材料导 报:综述篇,2013,27(5):67 5徐海滨,邓宗才.新型UHPC应力一应变关系研究_J].混凝土,2015 (6):67 6 Wfile K,Tavwil S,Naaman A E.Properties of strain hardening ul tra high performance fiber reinforced concrete(UHP—FRC)under di— reet tensile loading[J].Cem Coner Compos,2014,48:58 7 Nguyen D L,Ryu G S,Koh K T,et a1.Size and geometry dependent behavior of ultra high performance fiber reinforced concrete[J]. 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