胡浩聪,刘娟红,王金安

(北京科技大学 土木与资源工程学院,北京 100083)

随着矿产资源向深部开采的持续推进,地表位移、变形愈发复杂,开采影响区范围内建筑物的稳定性严重降低。以抚顺市为例,抚顺市是典型的煤炭资源型城市,由于特殊的地质环境和长期的煤炭开采活动,西露天矿影响区内出现了地裂缝、地表变形等严重的地质灾害,大量建筑物发生开裂和破坏[1]。针对此类现象,研制新型韧性纤维增强混凝土来抵御地表变形对影响区内建筑物的损害具有重要意义。

为了提高混凝土的强度,改善抗裂性,增强混凝土的韧性,国内外学者不断探索提高混凝土性能、研发新材料并扩大其使用范围和适用条件[2]。以往的研究表明[3-5],纤维可以有效地抑制混凝土中裂纹的扩展,增加变形能,提高韧性,将危害较大的脆性破坏转为延性破坏。纤维混凝土中常用的纤维种类有钢纤维(SF)、聚丙烯纤维(PP)、玻璃纤维、纤维素纤维、聚乙烯醇纤维(PVA)等。其中,钢纤维、聚丙烯纤维混凝土凭借施工便捷、性能优良、价格低廉等优点广泛运用。钢纤维属于高弹性模量纤维,具有传递荷载和抑制裂缝扩展的能力,能够显著提高混凝土的抗裂、抗拉伸和增韧性能。已有研究表明,钢纤维的抗裂效应减轻了混凝土接近破坏时的裂缝扩展,使混凝土在开裂后保持一定的强度和变形能力。这种增韧效应被认为与钢纤维的弹性模量、拉伸强度和界面黏结强度密切相关[6]。混凝土凝结硬化初期的初级裂缝和缺陷对混凝土性能有较大的影响,在混凝土中掺入聚丙烯纤维可以有效地控制伸缩变形干燥收缩、温度变化等因素引起的早期裂缝。这种抑制裂缝产生和发展的方法大幅提高了混凝土的韧性、抗裂性[7]。韧性表现为能量吸收的能力,邓明科等[8]研究得出含PVA的高延性纤维混凝土的等效抗压韧性指数反映了试件单轴受压时单位体积的变形能。苏骏等[9]研究超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)中PVA纤维体积分数达到1.0%时,其等效抗压韧性最大,常温下相对于普通混凝土提升19.07%。ZHANG等[10]评价了纤维对纤维增强地质聚物混凝土(FRGPC)弯曲韧性改善的影响,极限韧性(L/75)可以真实地反映FRGPC的能量吸收能力。弯曲韧性评价方法主要有依赖于初裂点和不依赖初裂点的方法。前者包括美国ASTM C1018—1985方法和中国CECS 13—2009方法等,此类方法能较好地反映纤维种类、体积掺量等对韧性的影响,但初裂点难以确定影响韧性计算的精度。后者包括美国ASTM—C1069方法、中国JG/T 472—2015方法和日本JSCE SF—4方法等,此类方法计算简便,避免了初裂点对计算结果的影响,但无法区分纤维和基体各自对韧性的贡献。由于混凝土的运用广泛,韧性方法不能完全适用各类混凝土,LI等[11]建立了一种新的评价体系可以定量地测量纤维对峰前、峰后韧性的影响。该方法特别适用于大峰值挠度或挠度硬化行为的纤维增强混凝土(FRC)的弯曲韧性评价。根据新的韧性评定方法,微钢纤维能显著提高混凝土开裂后的韧性和承载能力,苏骏等[12]针对超低温作用下的超高韧性水泥基复合材料提出了一种峰后韧性评价方法,可以分析温度变化对抗弯性能的影响。建立不同评价体系的目的是研究特定挠度下弯曲韧性的水平,但大多数情况下只能满足与研究相关的混凝土韧性评价,对其他混凝土适用性较低,而声发射信号可以有效检测混凝土损伤过程,筛选特定挠度,确定初裂点和韧性评价中的特征失效点。TRIANTIS等[13]通过声发射信号研究FRC宏观断裂之前的损伤过程,FRIEDRICH等[14]提出了一种分离声发射信号的方法,分析了玻璃纤维增强聚合物(GFRP)的特征失效和损伤演化规律。因此,建立声发射损伤特征与韧性的关系,有助于推动混凝土韧性评价普遍适用性的发展。

笔者通过研究相同体积掺量下,不同纤维种类对C40、C50两种强度的混凝土力学性能和韧性指标的影响,对FRC的抗压韧性、抗弯韧性进行评价,并通过声发射试验研究微裂缝产生、发展和拉伸剪切裂纹的发展规律,改善现有弯曲韧性评价方法,未来可为地下开采导致地表变形的城市韧性建设提供参考依据。

1 原材料及试验方法

试验材料为:P.O.42.5 普通硅酸盐水泥(其28 d 的抗压强度为51.1 MPa),Ⅱ级粉煤灰,S95级矿渣粉,细度模数为2.7的机制砂,5～25 mm连续级配的碎石(石粉质量分数为4%),纤维:端钩形钢纤维、波浪形钢纤维、镀铜钢纤维、丝状聚丙烯纤维、仿钢纤维,如图1所示,规格见表1,配比及力学性能见表2。

图1 5种纤维外形Fig.1 Appearance of five fibers

表1 纤维力学性能及尺寸Table 1 Fiber mechanical properties and size

制备过程,先将胶凝材料以及骨料倒入搅拌机中进行2 min的干拌,接着加水继续搅拌,待拌合物呈现黏稠状时,使用2 cm筛网均匀投入纤维,防止纤维结团,再搅拌2 min得到最终拌合物,全程封闭进行。按标准试件包括尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的正方体试件,100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试件,100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件,浇筑完成后24 h拆模,并置于标准养护室内养护28 d,取出后放在自然环境下晾干,试验参照《纤维混凝土试验方法标准》[15]使用WAW-1000微机控制电液伺服万能试验机进行抗压韧性试验,按照应力控制方式进行加载,加载速率设置为0.5 MPa/s,参照JGJ/T 221—2010《纤维混凝土应用技术规程》[16]使用SHT 4106微机控制电液伺服万能试验机进行抗弯韧性试验,按照应力控制方式进行加载,加载速率设置为0.05 MPa/s,如图2所示,全程采用DS5-8B声发射装置进行信号采集和监测,在上表面采用4个传感器对声发射源进行定位,4个传感器坐标分别为(50,20,100)、(50,80,100)、(350,20,100)、(350,80,100),并使用凡士林将传感器固定在混凝土表面,填充粗糙表面产生的间隙,确保良好的声音传输。

表2 纤维混凝土配合比及力学性能Table 2 Mix proportion and mechanical properties of fiber reinforced concrete

图2 声发射装置示意Fig.2 Schematic diagram of acoustic emission device

2 抗压韧性试验结果及参数分析

2.1 轴心抗压试验分析

抗压韧性通过计算轴心抗压荷载-位移曲线(图3)下覆盖面积来表现能量吸收和抵抗开裂的能力,FRC的轴心抗压完整试验阶段如下:弹性阶段,此时材料基本没有产生宏观裂缝,外部荷载主要由基体承担,纤维还未发挥增韧阻裂作用。裂缝稳定扩展阶段(90%的峰值荷载到峰值荷载之间),随着应力的持续增加,试件内微裂缝不断萌生,基体内部出现损伤,荷载位移曲线出现弯曲段,切线斜率不断降低。纤维开始发挥增韧阻裂作用,约束内部裂缝的扩展。裂缝失稳开裂阶段,试件的微裂缝不断贯穿形成宏观裂缝,受力的纤维也随着裂缝的增长变得更多,阻碍了裂缝的发展,裂缝两端桥接效应的累积使得混凝土峰后出现“v”字型变化,并阻止了裂缝面的大块崩裂,使得荷载-位移曲线的斜率呈现较为平缓的下降。残余阶段,试件仍然保持一定承载力,强度约为峰值荷载的5%。

由图3、4可见,FRC荷载-位移曲线的上升段形状相似,C40波浪纤维混凝土、C50微丝镀铜钢纤维混凝土强度最高,微丝镀铜钢纤维混凝土达到峰值荷载时的位移量最大并且残余强度最大,表明其承担轴向变形能力、稳定性最好。素混凝土试件在轴心压缩破坏过程中出现了剪切裂纹,并且裂纹从上到下不断扩展,出现剥落现象。丝状聚丙烯混凝土峰前抗压韧性得到明显改善,但峰后韧性较弱。钢纤维混凝土试件均保持完整,试件表面只有小的短裂纹,延长了抵御变形的时间。掺入纤维的混凝土表现出延性破坏但素混凝土显示脆性破坏。纤维的加入防止了FRC样品的突然失效,阻止轻微剥落的发生,并将脆性崩坏变为延性开裂破坏。

图3 纤维混凝土轴心抗压荷载-位移曲线Fig.3 Axial compressive load-displacement curves of fiber reinforced concrete

图4 混凝土轴心抗压破坏形态Fig.4 Axial compressive failure mode of concrete

2.2 抗压韧性分析

参照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS13:2009)中等效弯曲强度fce的计算方法,结合FRC轴心抗压试验下的荷载-变形曲线,采用苏骏等[9]得出的修正后的等效抗压强度确定抗压韧性指数Wu,计算方法如图5所示,计算结果见表3。

(1)

(2)

式中,F为轴向荷载;h为混凝土柱高度;Ωu为竖向位移量为δu时荷载-位移曲线下的积分;δu为荷载下降至极限荷载的u倍(可取0.85、0.50或0.20)所对应的竖向位移;A为试件轴心受压的面积。

图5 抗压韧性示意Fig.5 Schematic diagram of compressive toughness

抗压韧性反映试块轴心受压破坏过程中吸收能量的能力和压缩性能,可以量化纤维对混凝土的增韧作用[17]。在试件受到轴向压缩时,基体内部乱向分布的纤维可以通过桥接作用对试件的横向扩张起到一定约束,这种横向约束也增强了FRC的黏聚力。其中微丝镀铜钢纤维混凝土抗压韧性最好,微丝镀铜钢纤维混凝土δ0.85较未掺入纤维的混凝土提高57.2%,δ0.5提高56.2%,δ0.2提高54.6%,峰后强度的变形量显著提高,表明FRC吸收能量的能力明显提升并能够抑制裂缝的产生,适应开采影响区内较大的地表变形对建(构)筑物的影响。

C40混凝土抗压韧性指标W0.85提高16.3%～43.8%,W0.5提高11.8%～36.4%,W0.2提高12%～45.2%,C50混凝土W0.85提高16.3%～43.8%,W0.5提高11.8%～36.4%,W0.2提高12.0%～45.2%,峰后抗压韧性W0.85、W0.5、W0.2的上升表明试块开裂所需能耗增加,纤维的掺入改变混凝土整体结构,分担混凝土的荷载作用,产生有效应力路径,减少脆性开裂,具有更好的整体性、延性[18]。

3 抗弯韧性试验结果及参数分析

3.1 四点弯曲试验分析

抗弯韧性通过计算四点弯曲荷载-位移曲线下(图6)覆盖面积来衡量纤维增韧效果、吸收能量强弱。FRC四点弯曲完整试验阶段如下:线弹性变形阶段,此时混凝土受弯,产生很小的弯矩,试块还未产生裂缝,纤维与混凝土协同抵抗荷载变形,但纤维还未发挥增韧阻裂作用。细观裂缝发展阶段,荷载-位移曲线不再呈现线性状态,试块内部出现细观裂缝,纤维发挥阻裂作用,桥接在裂缝两端,抑制裂缝产生。宏观裂缝发展阶段,细观裂缝逐渐克服纤维阻力,钢纤维开始承担较高的应力,混凝土下降趋势减弱并出现少量回升,承载力随变形出现一定屈服性改善,曲线逐渐平缓并有所回升,当试块黏结锚固强度大于纤维承受的应力,纤维逐渐被拔出或拉断,承载力开始降低,试块主裂缝不断向上发展。破坏阶段,试块中纤维依然承担着部分应力,直到裂缝贯穿试块顶部。素混凝土一旦开裂便迅速延伸至顶部,导致试件断裂失效。而纤维混凝土破裂后,纤维通过裂纹截面传递荷载,吸收残余应力,延缓裂缝的扩展,减小裂缝宽度,对抗弯刚度起到积极作用,端钩形钢纤维最先在峰后强度中承担应力。FRC达到峰值强度时,波浪钢纤维混凝土位移量最大,限制裂缝扩展能力最强。

表3 纤维混凝土抗压韧性指标Table 3 Compressive toughness index of fiber reinforced concrete

图6 纤维混凝土四点弯曲荷载-位移曲线Fig.6 Four-point bending load-displacement curves of fiber reinforced concrete

3.2 抗弯韧性分析

根据JGJ/T 221—2010《纤维混凝土应用技术规程》,进行四点弯曲试验,绘制荷载-位移曲线。确定曲线由线性转为非线性的点为初裂点A;A点对应的纵坐标为初裂荷载Fcra,横坐标为初裂挠度。以O为原点,在横轴上分别按初裂挠度的3.0、5.5和10.5的倍数确定D、F和H点。采用弯曲韧性指数I3、I5.5和I10.5表征混凝土的弯曲韧性,剩余强度指标R1、R2,计算方法如图7所示,计算结果见表4。

(3)

R1=20(I5.5-I3),R2=20(I10.5-I5.5)

(4)

式中,δ为初裂点对应的跨中位移,mm;Ωδ、Ω3δ、Ω5.5δ和Ω10.5δ分别为跨中位移δ、3δ、5.5δ和10.5δ时荷载-位移曲线下的面积。

研究表明,素混凝土和丝状聚丙烯混凝土无峰后韧性,表现出脆性行为。波浪、端钩形钢纤维峰后韧性、延性得到了明显的提高,C40端勾纤维混凝土较掺入仿钢纤维的弯曲韧性指数I3提升75%,I5.5提升91.6%,I10.5提升53.5%,C50波浪纤维混凝土较掺入仿钢纤维的弯曲韧性I3提高2.1倍,I5.5提高1.85倍,I10.5提高1.86倍,I3的提高表明混凝土达到临界荷载前吸收能量得到提高,使得试块出现损伤的时间延长,试块裂纹产生的速度减缓、开裂所需的能量提升,I5.5阶段,裂缝活动明显,裂缝尖端附近的应变能达到裂缝加速扩展的临界值附近,I5.5的提高使得微裂缝的活动不断收缩,抑制裂缝贯穿,I10.5的提升表明混凝土可以长时间保持“裂而不断”,钢纤维一直桥接着宏观裂缝,虽然混凝土完全破坏,失去了结构性,但块体依旧维持着一定的承载力,钢纤维的高抗拉强度和几何形状补偿了裂缝的脆性,最终导致主裂缝形成前弯曲韧性和延性的提高。

表4 纤维混凝土抗弯韧性指标Table 4 Flexural toughness index of fiber reinforced concrete

当水泥基体断裂时,需要额外的能量将纤维从断裂的水泥浆体中拔出,使裂缝继续扩展。素混凝土试样在开裂后没有吸收能量,第1次裂纹形成后,直接失效并塌陷。但是FRC由于乱向分布的三维网状结构,纤维的拉拔可以吸收部分能量,延缓混凝土的失效。

波浪、端钩形钢纤维在提高FRC抗弯韧性方面表现出最好的性能,对试样峰值后韧性和承载能力的改善作用越显著,FRC的总韧性和总能量吸收随着弯曲荷载的增加而增加。

C40端钩形纤维混凝土剩余强度指标R1、R2分别为仿钢纤维混凝土的1.66、1.43倍, C50波浪形纤维混凝土剩余强度指标R1、R2分别为仿钢纤维混凝土的1.16、1.89倍,I3—I5.5段剩余强度的变化表明混凝土峰后仍保留部分界面粘结能力,减少了FRC抗弯韧性的损失,I5.5—I10.5段剩余强度的变化表明FRC失稳后仍能吸收大量能量,承受部分荷载,抗弯韧性的提高使得FRC能够在开采影响区内抵御地层不均匀沉降带来的影响。

4 四点弯曲下声发射数据分析

4.1 声发射累积能量和振铃计数分析

通过声发射累积能量和振铃计数,可以推断微裂纹的产生和发展。声发射能量可以反映声发射事件的强弱,振铃计数是指声发射事件中超过信号阈值的波形振荡次数,可以用来评价FRC变形破坏的过程。图8给出了混凝土在弯曲荷载状态下的声发射参数曲线,振铃计数和累积能量的变化表现出相似的行为。在波浪钢纤维混凝土中微裂纹的闭合和扩展所引起的峰前区域只检测到很少的声发射信号。累积能量与计数曲线与水平轴基本一致,并且微裂缝稳定发育,累积能量轻微上升。在峰值荷载附近,基体出现开裂和纤维拔出,AE信号范围广泛且急剧上升,累积能量曲线呈现突变(阶跃变化),振铃计数不断活动。由于基体开裂后大量的纤维拔出活动,AE计数和能量率一直保持在较高的水平。结合荷载-位移(图9),FRC裂纹破坏大致分为4个阶段(图10):裂纹萌生阶段、稳定增长阶段、失稳开裂阶段及残余破坏阶段。裂纹萌生阶段累积能量几乎无增长,振铃计数较少且稀疏,声发射信号活性较低,无明显裂纹扩展。稳定增长阶段,微裂纹不断累计达到峰值,累积能量出现轻微上升,振铃计数不断上升并逐渐密集,微裂纹不断累积。失稳开裂阶段,累积能量大幅上升,振铃计数处于高位且密集,荷载作用下微裂纹密度迅速增加形成宏观裂缝,且峰后出现突降后回升,过程中出现振铃计数和累积能量消失的片段,表明宏观裂缝出现后基体突然失稳后恢复,钢纤维阻碍了裂缝延伸。残余破坏阶段,由于钢纤维的勾连,累积能量存在一定上升,振铃计数逐渐下降。

图8 四点弯曲下声发射累积能量和振铃计数Fig.8 Acoustic emission cumulative energy and ringing count under four-point bending

图9 波浪钢纤维混凝土荷载-位移Fig.9 Load-displacement diagram of wave steel fiber reinforced concrete

图10 弯曲韧性指数示意Fig.10 Schematic diagram of bending toughness index

4.2 RA-AF分析

声发射中RA-AF值可以对混凝土破坏中的拉伸裂缝和剪切裂缝进行分类。平均频率(AF)为振铃计数除以信号的持续时间(以kHz为单位);RA定义为上升时间除以幅度(以μs/V为单位)。基于相关研究[19-21]一般认为,剪切裂纹的声发射信号具有较高的RA和较低的AF,而拉伸裂纹的AE信号具有较高的AF和较低的RA。然而,这2种类型的裂缝并没有准确的分类标准,基于高斯混合模型(GMM)分析将声发射信号分为拉伸裂纹和剪切裂纹2类,可以了解这2种裂缝的比例和内部裂纹发展规律。

GMM是一种基于概率模型的聚类方法[22],假设样本服从m个高斯分布,m个单高斯模型通过不同权重的线性组合逼近数据,计算权重系数下的结果,同一分布的样本被聚为一类。并利用最大期望(EM)算法对m个混合的高斯分布拟合,求得每个分布的均值μj和协方差εj。具体步骤如下:

(1)步骤1。初始化m个多元高斯分布的参数μj和εj。

(2)步骤2。遍历k个样本点,计算样本点xi(i=1,2,…,k)属于第j个高斯分布的概率γi,j。

(5)

式中,p(·)为概率函数;zi为xi所属的类;d为xi的维度。

(3)步骤3。按照式(6)和式(7)得到各高斯分布参数μj和εj的更新值μ′j和ε′j。

(6)

(7)

(4)步骤4。重复上述步骤2、3直到各个高斯参数收敛。

(5)步骤5。得出样本属于各类别的概率,将样本归于概率γi,j最大的一类。

图11描述了波浪形钢纤维混凝土RA和AF随时间的变化,描述了四点弯曲过程中拉伸剪切裂缝的历程,可以显示每个试件的失效时刻。图12描述了波浪形钢纤维混凝土失效时刻拉伸、剪切裂纹的占比。通过GMM对裂纹萌生、裂纹稳定增长、裂纹失稳破坏处的裂纹进行分类,得出图13波浪形钢纤维裂纹拓展演化机制。随着试样挠度的增大和断裂的进行,RA逐渐增大,直至试验结束。虽然裂纹是由拉应力引起的,但在破坏过程中,钢纤维的桥接使得混凝土可以承受剪切应力,随着裂纹的扩展,剪切裂纹变得更加活跃,不断增加并占到总裂缝的40%,纤维增加了裂缝扩展处的咬合力,由于剪切应力承担了部分应力,开裂宽度出现一定减小,且FRC内部出现的裂缝形式由拉伸型裂缝向剪切型裂缝的过渡是造成混凝土开裂破坏的重要原因。纤维的掺入起到了抗拉、抗剪作用,改变了基体的损伤机制,提高了FRC断裂韧性。因此,试件不会以单一的垂直裂缝断裂,裂纹以不规则形式不断攀升,增加了基体在断裂过程中的接触面积,抑制裂缝形成并储存能量,提高了变形能力和韧性。

图11 纤维混凝土RA-AF-时间散点示意Fig.11 RA-AF-time scatter diagram of fiber reinforced concrete

图12 纤维混凝土RA-AF散点示意Fig.12 RA-AF scatter diagram of fiber reinforced concrete

图13 裂纹分类Fig.13 Crack classification

4.3 基于振铃计数、撞击数、RA-AF和能量的弯曲韧性评价方法

JGJ/T 221—2010《纤维混凝土应用技术规程》虽然能够较为有效地评价弯曲韧性,但初裂点难以确定,对峰前韧性,峰后韧性评价有一定局限性,选取点对弯曲韧性改善程度依据不统一,而通过声发射能检测裂缝开裂情况和混凝土损伤情况[23],基于振铃计数、撞击数、RA-AF和能量,研究混凝土试块性能出现急剧变化的位置,如图10选定裂纹萌生阶段、稳定增长阶段、失稳开裂阶段及残余破坏阶段,以裂缝初步稳定增长点A1、初步失稳开裂点B1、失稳开裂突降点C1、D1,以及残余破坏点E1作为评价点,这些评价点与ZHANG等[10]观察到钢纤维混凝土峰后线性、非线性阶段具有相似性。

记A1、B1、C1、D1、E1点下荷载位移曲线面积为UA1、UB1、UC1、UD1、UE1,记同组 0%纤维掺量稳定增长与失稳开裂处(即图10特征点B1点)下方荷载位移曲线面积为R0,g取A1、B1、C1、D1、E1,韧性指数Ig计算公式见式(8),计算结果见表5。

Ig=Ug/R0

(8)

表5 纤维混凝土新韧性指标Table 5 New toughness index of fiber reinforced concrete

挑选综合性能较优的C40波浪形纤维混凝土进行撞击数定量化描述:裂纹萌生阶段,随着荷载的持续增加,撞击数出现且发展平稳,数值较低。裂缝稳定增长阶段,此时声发射事件开始活跃,撞击数随着荷载缓慢增大,在荷载峰值附近,撞击数快速增大并接近峰值,失稳开裂阶段,随着裂纹的扩展,撞击数随着峰值到达最大,并由于纤维的掺入在峰值后的一段区域内仍然保持较大数值,残余破坏阶段,撞击数以较小数值发展,直到试件破坏。混凝土的开裂可以描述为混凝土内部应变能积蓄到某个临界值时,应变能释放形成新的裂缝而后重新积蓄应变能直到下一次极限[24]。弯曲韧性指数IA1表明骨料与水泥之间开裂、脱黏时所需积累的能量充足,已经达到同组素混凝土初裂所消耗的变形能的35%,骨料、纤维等对裂缝萌生已经有较大的阻力,IB1表明纤维混凝土初裂所需要的变形能提高50%,混凝土的开裂上限提升,IC1、ID1表明开裂后仍然具有较强的峰后韧性,D1点较C1点抗弯韧性提高2.15倍,IE1表明混凝土残余破坏前仍然具有一定的吸能效果,较D1点韧性提升22.1%,整体吸收能量的能力为素混凝土发生初裂时所需能量的5.56倍。韧性方法表征混凝土的变形能力具有较强的针对性,并为韧性参数特征点的选取提供理论支持。

新的弯曲韧性评价方法具有以下优点。新的弯曲韧性评定方法不需要人为定义初裂点,能有效区分和定量描述纤维对峰前和峰后韧性的影响,并且不局限于上述比较,也可选取自身初裂点B1处进行比较,较为灵活。韧性评价指标是无量纲的,不受试样尺寸、试样形状和加载速率的影响,便于与不同试验结果进行比较。不同混凝土开裂缝方式不同,可以通过声发射选取如振铃计数或能量等不同数据来表述开裂方式、能量损耗,且适用于大部分韧性混凝土,并保证考虑到峰前和峰后区域,不会出现韧性特征点不合适所造成的偏差。针对不同混凝土虽可以建立不同的韧性评价体系,但混凝土种类太过复杂,声发射可以基于混凝土材质不同带来的应变硬化等特殊特征点进行定量化表述。

5 结 论

(1)在轴心抗压试件中,纤维的加入导致试样在破坏时不会发生塌陷,提高了抗压韧性,抑制试件剥落。此外,断裂所需的时间也会增加,在柱等结构单元中使用这种混凝土可以防止其突然倒塌。

(2)在弯曲试件中使用纤维提高了其抗弯韧性和延性,加强了梁受到竖向应力时的抗弯承载力。在第1次裂缝发生后,纤维抵抗开裂,并通过抑制裂缝处的张力来提高抗弯性能,防止裂纹扩展。

(3)微丝镀铜钢纤维在同组纤维中拥有最优质的抗压韧性,轴心抗压强度轻微上升,其中C40、C50混凝土较素混凝土抗压韧性W0.85提高43.8%、29.2%,W0.5提高36.5%、20.6%,W0.5提高45.2%、55.3%,且开裂时间存在延后,吸收能量的呈现不断增强的趋势。

(4)C40混凝土掺端钩形纤维、C50混凝土掺波浪形钢纤维在同组纤维中拥有最优质的抗弯韧性,初裂强度、峰值强度、残余强度均有明显提升,其中较同组仿钢纤维,C40弯曲韧性I3提高71.3%,I5.5提高63.7%,I10.5提高59.7%,C50弯曲韧性I3提高77.6%,I5.5提高57.3%,I10.5提高36.7%,纤维的掺入抑制基体开裂,提高混凝土变形能力,显著作用于峰后段韧性,减少裂缝数量,阻碍了裂缝贯通,产生延性破坏。

(5)基于声发射信号的分析,混凝土弯曲破坏可分为4个阶段:裂纹萌生(Ⅰ),裂纹稳定增长(Ⅱ),失稳开裂(Ⅲ),残余破坏(Ⅳ),纤维的掺入能够使混凝土从拉伸裂缝向剪切裂缝过渡,避免裂缝的贯穿,减少损伤程度,且新的弯曲韧性评定方法可以定量地描述纤维对峰前、峰后韧性的影响。该方法适用于大部分FRC的弯曲韧性评价。根据新的韧性评定方法,钢纤维能显著提高FRC开裂后的韧性和承载能力。

(6)基于抗弯韧性和抗压韧性的综合性能评定,C40纤维混凝土建议使用端钩形钢纤维,C50纤维混凝土建议使用波浪形钢纤维,而地表变形较大处可以特定使用上述抗压韧性或抗弯韧性最优的纤维混凝土抵御开采导致的地表变形,提高城市防灾韧性。