鋼纖維高性能混凝土劈裂強度與變形特性分析

蘇承東，李 艷，熊祖強

（1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454003；2.河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454003）

鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入鋼纖維所形成的一種新型的多相復合材料.鋼纖維的主要作用是延緩混凝土微裂紋的擴展和阻滯宏觀裂縫的發(fā)生和發(fā)展，從而使混凝土的抗拉強度、抗剪強度較普通混凝土有較大提高，同時對混凝土的抗疲勞、抗沖擊以及韌性、耐久性也有較大改善，因而鋼纖維高性能混凝土被廣泛應用于建筑、公路，鐵路、機場、水利、礦山和國防等領域.

文獻［1－14］對鋼纖維混凝土的力學性能進行了試驗研究，研究表明，鋼纖維混凝土的力學性能與材料組分性質、配合比、施工工藝等因素有關.上述研究只涉及鋼纖維混凝土的單軸壓縮、彎曲、軸向拉伸性能等方面，而有關鋼纖維摻量對混凝土劈裂強度和變形特征影響的研究則不夠充分.鑒于此，本文主要對鋼纖維摻量（φ，體積分數(shù)）分別為0%，1%，2%，4%的混凝土進行了劈裂試驗，分析鋼纖維混凝土在劈裂試驗過程中的強度和變形特性，討論鋼纖維摻量對其力學性能的影響.

1 試驗

1.1 原材料

水泥為焦作千業(yè)水泥有限責任公司生產(chǎn)的P·O 52.5硅酸鹽水泥；河南南陽天然河砂，細度模數(shù)為2.6，過篩后最大粒徑為1.18mm；外加劑為FDN高效減水劑；江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的鋼纖維，其直徑為0.20mm，長度為13mm，彈性模量為205GPa，抗拉強度為2 500MPa，延伸率小于4.0%.

1.2 配合比

為提高鋼纖維混凝土強度并使鋼纖維分散均勻，在滿足強度和韌性要求的前提下，采用低水膠比.本試驗的水膠比（質量比）為0.23，砂膠比（質量比）為0.6.鋼纖維摻量分別為0%，1%，2%，4%，依次編為A，B，C，D 組.

1.3 試樣制作

為保證鋼纖維在混凝土中均勻分散，參照CECS13∶89《鋼纖維混凝土試驗方法》，按配合比稱量后，將鋼纖維、水泥和河砂干料用攪拌機攪拌均勻，然后加入外加劑水溶液繼續(xù)攪拌3min，將混合料倒入200mm×200mm×120mm 的木模內，置于振動臺上澆筑成型，24h后拆模，標準養(yǎng)護28d后，采用鉆、鋸、磨工序加工成直徑為49.9mm，厚度約為30mm，端面平行度為±0.02mm 的試樣.

2 試驗方法

試驗在RMT－150B型巖石力學系統(tǒng)上進行，該試驗系統(tǒng)具有巖石和混凝土單軸抗壓、三軸抗壓、間接抗拉、直接抗拉和壓剪等功能.載荷、變形自動采集，實時顯示.試驗采用鋼絲劈裂法（見圖1），鋼絲墊條直徑為2 mm，100 kN 力傳感器測量載荷，5mm 傳感器測量加載方向的壓縮變形量（x），2.5mm傳感器測量垂直加載方向的拉伸變形量（－x）.采用載荷控制加載，加載速率為0.5kN／s.

3 試驗結果及分析

圖1 鋼纖維高性能混凝土劈裂加載示意圖Fig.1 Splitting loading sketch map of steel fiber reinforced high performance concrete

圖2為鋼纖維高性能混凝土劈裂全程載荷－變形曲線，其中：OA 為壓密階段，AB 為彈性階段，BC為屈服階段，CD 為破壞階段；p1，x1，－x1，W1依次為試樣屈服時載荷（對應中心點屈服抗拉強度R1）、加載方向的壓縮變形量、垂直加載方向的拉伸變形量和屈服前的韌度；p2，x2，－x2和W2則依次為試樣峰值時載荷（對應中心點峰值抗拉強度R2）、加載方向的壓縮變形量、垂直加載方向的拉伸變形量和峰值前的韌度；需要說明的是：加載方向的壓縮變形量包含混凝土壓縮變形和鋼絲墊條變形2部分，垂直加載方向的拉伸變形量是2 個橫向變形的平均值，混凝土劈裂韌度則由加載載荷－變形曲線與橫坐標圍成的面積確定，其量綱與功相同.

圖2 鋼纖維高性能混凝土劈裂全程載荷－變形曲線Fig.2 Load－deformation curve of steel fiber reinforced high performance concrete under splitting loading

3.1 變形特征

圖3 為4 組鋼纖維高性能混凝土劈裂全程載荷－變形的對比曲線.從圖3可以看出，混凝土劈裂載荷－變形曲線特征與纖維摻量有關.圖3（a），（b）顯示，當鋼纖維摻量為0%，1%時，載荷－變形曲線處在壓密階段，主要是鋼絲墊條與混凝土表面接觸處的局部變形，鋼絲墊條的接觸面積隨著載荷增加而增大，曲線上凹.在峰值載荷前，載荷－變形曲線呈線性變化.一旦達到峰值載荷，載荷急速下降.當鋼纖維摻量為0%時，5 個試樣峰值后的載荷瞬時下降為0；當鋼纖維摻量為1%時，除試樣B1的載荷瞬時下降為0外，其他4個試樣仍有少許鋼纖維繼續(xù)承載拉應力，表明鋼纖維摻量低于1%時，混凝土仍表現(xiàn)出明顯的脆性特征.

圖3 鋼纖維高性能混凝土劈裂全程載荷－變形對比曲線Fig.3 Comparison on load－deformation curves of steel fiber reinforced high performance concrete under splitting process

從圖3（c），（d）可以看出，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土劈裂過程的載荷－變形曲線出現(xiàn)明顯差別.當鋼纖維摻量大于2%時，曲線的壓密階段明顯，在載荷達到混凝土基體屈服前，基本呈線性變化.當載荷增加到混凝土基體的屈服抗拉強度時，載荷－變形曲線偏離線性關系，逐漸下凹，進入屈服階段，混凝土內部的低強度材料屈服破壞，出現(xiàn)微裂紋，鋼纖維承受更大的應力，一旦載荷達到其極限，則載荷隨變形增加逐漸降低.

在圖3（c）中，除試樣C3的載荷瞬時下降較快外，其他4個試樣中的鋼纖維仍能承載較大拉應力，峰值后載荷下降速度較慢.與鋼纖維摻量為0%，1%的混凝土相比，鋼纖維摻量為2%，4%的混凝土在峰值前表現(xiàn)出明顯的屈服特征，且峰值后載荷下降速度較慢，韌性明顯增強，具有一定延性特征.對總體變形而言，加載方向的壓縮變形量大于垂直加載方向的拉伸變形量.

圖4為混凝土屈服、峰值時平均壓縮（拉伸）變形量與鋼纖維摻量的關系.從圖4可以看出：鋼纖維混凝土劈裂屈服時，平均拉伸變形量與鋼纖維摻量關系不大，4種摻量混凝土屈服時的拉伸變形量分別為0.117，0.114，0.118，0.115 mm，平均值約為0.12mm，而屈服時壓縮變形量則較為復雜，這和鋼絲墊條與混凝土接觸狀態(tài)有關.鋼纖維摻量低于1%時，混凝土屈服、峰值時的壓縮（拉伸）變形量完全相同，表明鋼纖維混凝土的變形參數(shù)與基體的力學性能大致相同.當鋼纖維摻量為2%時，混凝土的壓縮變形量從0.416mm 增加到0.603mm，增幅為45.0%，拉伸變形量從0.118mm 增加到0.208mm，增幅為76.0%；當鋼纖維摻量為4%時，混凝土的壓縮變形量從0.451 mm 增加到0.780 mm，增幅為72.9%，拉伸變形量從0.115mm 增加到0.226mm，增幅為96.5%.研究結果表明，鋼纖維高性能混凝土劈裂屈服時平均拉伸變形量與鋼纖維摻量關系不大，而峰值時的壓縮（拉伸）變形量則隨著鋼纖維摻量的提高而增大，當鋼纖維摻量為2%，4%時，峰值時壓縮變形量增幅分別為45.0%，72.9%，拉伸變形量增幅分別為76.0%，96.5%.

3.2 強度特征

試樣的屈服抗拉強度R1 和峰值抗拉強度R2可用式（1）進行計算.

式中：D，L 分別為試樣直徑和厚度.

圖4 混凝土屈服、峰值時壓縮（拉伸）變形量與鋼纖維摻量的關系Fig.4 Relationship between compressive（tensile）deformation of concrete on yielding and peak stress and steel fiber content

圖5 混凝土屈服、峰值時抗拉強度與鋼纖維摻量的關系Fig.5 Relationship between yielding and peak tensile strength of concrete and steel fiber content

圖5為混凝土屈服、峰值抗拉強度與鋼纖維摻量的關系.從圖5可以看出：同組混凝土的試驗結果盡管具有離散性，但其平均值與鋼纖維摻量之間仍存在一定規(guī)律.與混凝土基體峰值抗拉強度5.78MPa相比：當鋼纖維摻量為1%時，其平均峰值抗拉強度為6.92MPa，增幅為19.7%；當鋼纖維摻量為2%時，其屈服與峰值抗拉強度相差1.12MPa，屈服平均抗拉強度為7.81MPa，增幅為35.1%，峰值平均抗拉強度為8.93MPa，增幅為54.5%；當鋼纖維摻量為4%時，其屈服平均抗拉強度為7.74MPa，增幅為33.9%，而峰值平均抗拉強度為10.52MPa，增幅為82.0%.研究結果表明，隨著鋼纖維摻量的增加，阻裂性能增強，混凝土的屈服、峰值抗拉強度明顯提高，當鋼纖維摻量為2%～4%時，其屈服抗拉強度增幅為33.9%～35.1%，峰值抗拉強度增幅為54.5%～82.0%，鋼纖維摻量對混凝土峰值抗拉強度的貢獻明顯大于屈服抗拉強度.

3.3 韌度特征

混凝土劈裂韌度由全程載荷－變形曲線與橫坐標圍成的面積確定（見圖2），其屈服和峰值前的韌度W1，W2分別按下式計算：

圖6為混凝土屈服、峰值前韌度與鋼纖維摻量的關系.從圖6可以看出，盡管混凝土的韌度試驗結果具有離散性，但其平均值仍能表征鋼纖維高性能混凝土的韌度.當鋼纖維摻量為0%，1%時，混凝土屈服前和峰值前的韌度完全相同，分別為2.63，2.96J；當鋼纖維摻量大于2%時，其屈服和峰值前的韌度存在較大差異.當鋼纖維摻量為2%，4%時，其屈服前韌度分別為2.90，3.24J，峰值前韌度分別為6.20，10.33J，增幅分別為113.4%，219.1%.研究結果表明，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的屈服、峰值前韌度提高，當鋼纖維摻量為1%～4%時，其屈服前韌度增幅為12.5%～22.8%，峰值前韌度增幅為12.5%～292.8%.

3.4 破壞特征

圖7為4種鋼纖維高性能混凝土試樣劈裂破壞照片.從圖7可以看出，鋼纖維摻量為0%時，5個試樣破裂成兩半，破裂面較光滑；鋼纖維摻量為1%時，其破裂特征與鋼纖維摻量為0%的試樣基本相同，但混凝土內部多數(shù)鋼纖維未全部拉斷或拔出，裂紋寬度約為0.5～1.5mm.當鋼纖維摻量為2%時，除C1，C3試樣的破裂面貫通外，其余試樣均未形成貫通裂紋，C2，C3，C5 試樣在起裂加載基線一端出現(xiàn)2條裂紋，裂紋之間仍有鋼纖維未斷開或拔出，裂紋寬度小于1.0mm；當鋼纖維摻量為4%時，5個試樣均沒有形成貫通裂紋，除D5 試樣的裂紋延伸方向偏離加載方向外，其余試樣裂紋延伸方向均與加載方向相同，裂紋寬度小于0.5mm.研究表明，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土形成貫通裂紋的難度增大，基體開裂后，鋼纖維繼續(xù)承受拉應力，其韌性隨著鋼纖維摻量的增加而增強.

圖6 混凝土屈服、峰值前韌度與鋼纖維摻量的關系Fig.6 Relationship between toughness before yielding and peak stress of concrete and steel fiber content

4 結論

（1）鋼纖維高性能混凝土劈裂屈服時的平均拉伸變形量與鋼纖維摻量關系不大，4 種鋼纖維摻量混凝土屈服時的拉伸變形量約為0.12mm，峰值時壓縮（拉伸）變形量隨著鋼纖維摻量的增加而增大，當鋼纖維摻量為2%，4%時，峰值時壓縮變形量增幅分別為45.0%，72.9%，拉伸變形量增幅分別為76.0%，96.5%.

（2）隨著鋼纖維摻量的增加，阻裂性能增強，混凝土的屈服、峰值抗拉強度明顯提高，當鋼纖維摻量為2%～4%時，其屈服抗拉強度增幅為33.9%～35.1%，峰值抗拉強度增幅為54.5%～82.0%，鋼纖維摻量對混凝土峰值抗拉強度的貢獻明顯大于屈服抗拉強度.

（3）隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的屈服、峰值前韌度提高，當鋼纖維摻量為1%～4%時，其屈服前韌度增幅為12.5%～22.8%，峰值前韌度增幅為12.5%～292.8%.

（4）當鋼纖維摻量大于2%時，混凝土試樣不易形成貫通裂紋，基體開裂后，鋼纖維繼續(xù)承受拉應力，其韌性隨著鋼纖維摻量的增加而增強.

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