CN111272790A - 一种测定聚丙烯纤维分布对强韧性混凝土拉伸性能影响的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测定聚丙烯纤维分布对强韧性混凝土拉伸性能影响的方法，将水泥、粉煤灰倒入搅拌机中搅拌混合，再加入水和减水剂，搅拌混合；取多份混合物，分别加入不同含量的聚丙烯纤维，并搅拌；分别测量混合物的坍落度；将混合物倒入制作拉伸试件的模具中；出模后在标准养护室中养护；试件端部用环氧树脂粘贴钢片。使用此装置进行试验，可获得纤维分布与混凝土初次开裂强度、极限拉伸强度、极限拉伸应变的关系，为更加合理地设计纤维分布，获得适用于实际结构的纤维增强混凝土提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域，特别涉及测定聚丙烯纤维分布对强韧性混凝土拉伸性能影响的方法。
背景技术
目前，国内外对纤维加强混凝土广泛进行了大量研究，因其不仅具有高流动性和抗离析性，纤维的掺入还能提高混凝土抗拉强度、韧性和延性。其中高韧性聚丙烯混凝土由于原材料丰富、价格便宜，更是有很大研究价值。聚丙烯纤维还特别适合在恶劣环境下代替钢纤维，因为在某些恶劣的环境下，钢纤维容易受到锈蚀，而聚丙烯纤维则是新型的合成纤维，化学性质稳定并且能有效地抵抗温度应力。
要了解纤维分布对于混凝土拉伸性能的影响以对纤维分布进行合理化设计，一方面要对纤维增强混凝土试件进行拉伸试验，另一方面要观测试件中纤维桥连能力最弱的面即断裂面的纤维分布。
在现存的研究聚丙烯纤维增强混凝土的拉伸性能的试验有三种类型：弯拉试验、劈拉试验和直接拉伸试验，其中只有直接拉伸试验能反应真实抗拉强度，且能得到轴拉作用下试件的全拉伸过程曲线。对试件施加直接拉力的方法包括外夹式、内埋式和粘贴式。其中，外夹式通过摩擦提供拉力，夹持处存在两种方向的应力，混凝土容易在夹持处断裂；内埋式不易实现预埋件的精确对中，且试件内部传力复杂；粘贴式两端应力传递较好。减少应力集中造成的端部效应。本申请提出一种直接拉伸的加载方法，将粘贴式加载方法和扩大头试件结合，经试验发现可减小试件应力集中，得到更加准确的拉伸应力应变关系曲线。
传统采用光学显微镜来捕捉断裂面钢纤维分布图像，但这种装置捕捉的图像难以区分聚丙烯纤维及周围基质，观测精度不高。因此有必要提出一种新的观测方法来观测聚丙烯在试件断裂面基质中的分布，并采用图像处理软件自动统计纤维数量与分布，解放人力。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的聚丙烯增强混凝土拉伸试验中拉伸应力应变关系曲线与实际情况偏差加大、断裂面聚丙烯纤维难以观测的问题，提出一种测定聚丙烯纤维分布对强韧性混凝土拉伸性能影响的方法，可以更加精确地得到高韧性聚丙烯纤维分布对聚丙烯纤维增强混凝土受拉性能的影响。
本发明采用的技术方案为：
一种测定聚丙烯纤维分布对强韧性混凝土拉伸性能影响的方法，包括：
第一步，将水泥、粉煤灰倒入搅拌机中搅拌混合，再加入水和减水剂，搅拌混合；
第二步，取多份第一步得到的混合物，分别加入不同含量的聚丙烯纤维，并搅拌；
第三步，分别测量第二步得到混合物的坍落度；
第四步，将第三步得到的混合物倒入制作拉伸试件的模具中；出模后在标准养护室中养护；
第五步，试件端部用环氧树脂粘贴钢片；
第六步，拉伸试件。
具体地，第一步中先将水泥、粉煤灰倒入搅拌机中混合搅拌2分钟，再加入水和高效减水剂，先低速搅拌1分钟，再高速搅拌2分钟。
具体地，第二步中取五份第一步得到的混合物，分别加入含量分别为0，2，4，6，8kg/m3的聚丙烯纤维，搅拌1分钟，共得到5组试样。
具体地，第三步中测量坍落度的方法是：用一个喇叭状的坍落度桶，灌入试样分三次填装，每次填装后沿桶壁均匀击25下，捣实后，抹平；然后拔起桶，试样因自重产生坍落现象，用桶高减去坍落后试样最高点的高度为坍落度。
具体地，第四步中将第三步得到的混合物倒入制作拉伸试件的模具中，在振动台上振动1分钟，抹平表面；24小时后出模，出模后在标准养护室中养护28天。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明大大减小现存单轴直接拉伸方法中试件应力集中导致的端部效应，克服端部效应对聚丙烯纤维增强混凝土拉伸性能研究的干扰，得到更为准确的应力应变关系曲线。
本发明克服强韧性聚丙烯纤维因尺寸小、与周围基质差别小而难以观测的问题，提高了聚丙烯纤维增强混凝土断裂面纤维观测与统计的精度。
本发明使用图像处理软件对扫描电镜捕捉的图像进行处理后自动统计纤维分布，精度高且避免了研究人员人工统计测量的误差。
本发明为分析纤维分布与拉伸性能的关系的研究提供了一套合理的装置和方法，利于得到二者更为准确、符合实际的关系，为实际工程中通过调整纤维含量、基质黏度来得到合理的纤维分布，以得到适合工程抗拉要求的加强混凝土提供了依据。
附图说明
图1为拉伸试件的主视图结构。
图2为拉伸试件的侧视图结构。
图3为试件拉伸方法示意图。
图4为电镜扫描试件的切取位置示意图。
图5为切口截面划分网格及编号。
图6为使用Image J对图像进行处理的过程，其中6a为调整阈值后的效果图，6b为中值过滤后的效果图，6c为分割后的效果图，6d为最小面积过滤、计数后的效果图。
图7为抗拉强度与断裂面纤维数目之间的关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
在相同的混凝土基质中掺入不同含量的纤维得到五组对照试件。
试件制作：先将水泥、粉煤灰倒入搅拌机中混合搅拌2分钟，再加入水和高效减水剂，先低速搅拌1分钟，再高速搅拌2分钟。再加入体积含量分别为0，0.5％，1％，1.5％，2％的聚丙烯纤维，搅拌1分钟。测量坍落度，均在160-165mm范围内。将混合物倒入模具中，在振动台上振动1分钟，抹平表面。24小时后出模，后在标准养护室中养护28天，共制作5个如图1、2所示的试件。试件端部用环氧树脂粘贴钢片，如图3所示，静置24小时待粘贴牢固。
试件中聚丙烯纤维的参数如表1所示：
表1纤维参数
| 密度 | 长度 | 直径 | 拉伸强度 | 杨氏模量 | 极限伸长率 |
| 0.91g/cm<sup>3</sup> | 6mm | 30um | 850MPa | 6GPa | 21％ |
水泥基质组成如表2所示：
表2水泥基质组成
| 成分 | 普通水泥 | 粉煤灰 | 水 | 水灰比 | 聚羧酸高效减水剂 |
| 含量kg/m<sup>3</sup> | 418 | 1120 | 355 | 0.84 | 7.1 |
加载试件：如图3，使用承载力250KN的全自动MTS液压伺服试验机。将传力钢板与螺杆相连，试件的四周分别安置4个变形引伸仪。安装试件两端的球铰和螺杆后，将试件安装在上下夹具中固定，用计算机进行数据采集及加载控制。将伺服试验机调成位移控制模式，施加单向拉伸荷载，加载速度保持为0.5mm/min，直至试件破坏。加载过程中注意观察裂缝的发生与扩展情况。计算机自动记录应力应变关系曲线，得到每个试件破坏时的裂缝数目和极限拉应变、极限拉伸强度。
如图4，最终失效裂缝附近被认为是试件最薄弱的部位，纤维桥接能力最弱，决定了试件的极限拉伸强度，因此观测此处纤维分布并分析与拉伸性能的关系。在接近最大裂缝处切取厚度为10mm的试件，用砂纸打磨切口，使截面平滑。将横截面划分为网格方便扫描电镜分区成像，标记方法如图5，网格大小根据清晰度要求调整。在真空条件下在试件表面镀金属，进行预导电处理。
使用扫描电子显微镜在背散射电子模式下拍摄每个网格内的图像。在保证便于区分纤维和周围基质的条件下选取较小的放大倍数，得到每个网格截面的清晰图片。
试件表面可能存在一些缺陷(孔洞、裂缝等)会导致图像分析过程中精度不足，人工分析又占用时间，因此首先使用图像处理软件Image J对图像进行一系列处理提高清晰度后再用Image J自动分析，如图6。步骤如下：
第一步：将扫描电镜扫描得到的图片二值化。
第二步：阈值调整，提高图像对比度。
第三步：中值过滤。
第四步：接触纤维分割。使用watershed分割算法分割多个接触的纤维。对可能过度分割的纤维进行手动调整。
第五步：基于最小面积的过滤、计数。纤维截面最小面积为横截面积，输入纤维面积下限，删除误检测的纤维(面积小于横截面面积的)，使用统计颗粒功能自动统计纤维数量。
第六步：量化分析。
记录纤维含量、断面纤维数量、破坏时裂缝数目及极限拉伸强度，如表3，并计算量化纤维分布与混凝土拉伸性能关系的系数。
横截面纤维总数X：
X＝∑Xi/n
其中，Xi：各网格单元内纤维的数量
n：网格单元数目
根据破坏时裂缝数目、抗拉强度与断裂面纤维数目、纤维分布系数的关系。得出纤维分布对混凝土试件拉伸破坏形态和力学性能的影响。
表3
破坏时裂缝数目随试件纤维含量增加而增多。聚丙烯纤维的存在改变了混凝土试件的破坏模式，试件的破坏模式从第一条裂缝出现后裂缝不断扩展迅速拉坏转变为产生多条细小的裂缝后拉坏。试件破坏前的征兆更为明显，安全储备提高了。
混凝土试件抗拉强度和断面上纤维数量基本成正比，断面上纤维增多对提高试件抗拉强度有利。
Claims (5)
1.一种测定聚丙烯纤维分布对强韧性混凝土拉伸性能影响的方法，其特征在于，包括：
第一步，将水泥、粉煤灰倒入搅拌机中搅拌混合，再加入水和减水剂，搅拌混合；
第二步，取多份第一步得到的混合物，分别加入不同含量的聚丙烯纤维，并搅拌；
第三步，分别测量第二步得到混合物的坍落度；
第四步，将第三步得到的混合物倒入制作拉伸试件的模具中；出模后在标准养护室中养护；
第五步，试件端部用环氧树脂粘贴钢片；
第六步，拉伸试件。
2.根据权利要求1所述的一种测定聚丙烯纤维分布对强韧性混凝土拉伸性能影响的方法，其特征在于，第一步中先将水泥、粉煤灰倒入搅拌机中混合搅拌2分钟，再加入水和高效减水剂，先低速搅拌1分钟，再高速搅拌2分钟。
3.根据权利要求2所述的一种测定聚丙烯纤维分布对强韧性混凝土拉伸性能影响的方法，其特征在于，第二步中取五份第一步得到的混合物，分别加入含量分别为0，2，4，6，8kg/m3的聚丙烯纤维，搅拌1分钟，共得到5组试样。
4.根据权利要求2所述的一种测定聚丙烯纤维分布对强韧性混凝土拉伸性能影响的方法，其特征在于，第三步中测量坍落度的方法是：用一个喇叭状的坍落度桶，灌入试样分三次填装，每次填装后沿桶壁均匀击25下，捣实后，抹平；然后拔起桶，试样因自重产生坍落现象，用桶高减去坍落后试样最高点的高度为坍落度。
5.根据权利要求2所述的一种测定聚丙烯纤维分布对强韧性混凝土拉伸性能影响的方法，其特征在于，第四步中将第三步得到的混合物倒入制作拉伸试件的模具中，在振动台上振动1分钟，抹平表面；24小时后出模，出模后在标准养护室中养护28天。
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