鍍銅鋼纖維高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能靜力試驗(yàn)研究

李　季，石少卿，汪　敏，王　誠

(后勤工程學(xué)院 軍事土木工程系，重慶　401311)

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鍍銅鋼纖維高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能靜力試驗(yàn)研究

李季，石少卿，汪敏，王誠

(后勤工程學(xué)院 軍事土木工程系，重慶401311)

摘要：在高強(qiáng)混凝土中分別摻加0.5%、1.0%、1.5%的鍍銅鋼纖維，通過試驗(yàn)研究不同摻量條件下，鍍銅鋼纖維對高強(qiáng)混凝土破壞形態(tài)的改善作用及對抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等基本力學(xué)性能的影響規(guī)律；研究表明：鍍銅鋼纖維的加入有效地改善了混凝土在高荷載下的脆性破壞特征，提高了塑性變形能力；隨著鋼纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度均得到提高，抗壓強(qiáng)度的提高幅度更為顯著；為了分析鋼纖維摻量更大條件下高強(qiáng)混凝土抗壓及抗折強(qiáng)度的變化趨勢，分別建立了抗壓及抗折強(qiáng)度的預(yù)測公式，發(fā)現(xiàn)預(yù)測值與試驗(yàn)值吻合較好。

關(guān)鍵詞：鍍銅鋼纖維；高強(qiáng)混凝土；抗壓強(qiáng)度；抗折強(qiáng)度；折壓比

高強(qiáng)混凝土具有密度大、抗壓強(qiáng)度高、抗變形能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在構(gòu)件及結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用并取得了良好的效果。隨著混凝土強(qiáng)度等級的不斷提高，其脆性性能愈發(fā)明顯，在承受極限荷載時，呈現(xiàn)出突發(fā)式的爆裂破壞[1]。為了使高強(qiáng)混凝土得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用，在混凝土中添加鋼纖維，從而提高混凝土自身的強(qiáng)度、韌性和抗裂性能，明顯改善混凝土的脆性?？壮奢x等[2]制備出強(qiáng)度超過100 MPa的鋼纖維混凝土，研究了鋼纖維對超強(qiáng)混凝土的脆性改善性能，發(fā)現(xiàn)隨鋼纖維摻量的增加，混凝土的彈性模量有所降低，但抗劈拉強(qiáng)度明顯提高。陳剛等[3-4]對比研究了基體強(qiáng)度和鋼纖維摻量對混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，鋼纖維摻量的增大，試件的破壞特征得到改善，抗折、抗劈拉強(qiáng)度顯著提高。Atis等[5-7]在超高強(qiáng)混凝土中摻入粉煤灰及鋼纖維，通過力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，粉煤灰的微集料效應(yīng)、活性效應(yīng)及鋼纖維的增強(qiáng)增韌效應(yīng)提高了超高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度、改善了其脆性性能。Nicola等[8-10]研究了鋼纖維及合成纖維混凝土在彎曲下的力學(xué)性能，分析了混凝土開裂后的行為。

鍍銅鋼纖維是一種高強(qiáng)度、高彈性模量的鋼纖維[11]，屬于良好的親水性材料，表面能夠附著游離水，容易與混凝土漿體緊密結(jié)合，形成較高的粘結(jié)強(qiáng)度。在混凝土中加入鍍銅鋼纖維后，攪拌不容易出現(xiàn)結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象，鋼纖維能夠均勻地分散在漿體中，使成型的混凝土具有良好的強(qiáng)度和韌性。

1試驗(yàn)基本概況

1.1鍍銅鋼纖維與傳統(tǒng)鋼纖維的優(yōu)勢對比

文獻(xiàn)[12]對不同類型鋼纖維混凝土在同種摻量條件下的力學(xué)性能進(jìn)行了對比試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。通過數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論：鍍銅鋼纖維混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度值大于其他類型鋼纖維混凝土，鍍銅鋼纖維在混凝土受力過程中發(fā)揮了更強(qiáng)的抗拉、抗拔性能；鍍銅鋼纖維混凝土的平均位移量最大，表明摻加鍍銅鋼纖維更有利于提高混凝土的吸能耗能能力。因此，本次試驗(yàn)選用鍍銅鋼纖維是可行的。

1.2試件配合比與制備

本試驗(yàn)配合比中混凝土用水量、粗細(xì)骨料用量、水泥及膠凝材料用量之間的比例保持不變，僅有鍍銅鋼纖維摻量和減水劑用量為變化參數(shù)。當(dāng)鋼纖維摻量增大時，需要提高減水劑的用量來保持混凝土良好的流動性能[13]。具體配合比見表2。

表1　不同類型鋼纖維混凝土力學(xué)性能對比試驗(yàn)

表2　鍍銅鋼纖維高強(qiáng)混凝土配合比

抗壓強(qiáng)度測試采用150 mm×150 mm×150 mm立方體試件，抗折強(qiáng)度測試采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件。按照表2中的配合比，利用小型混凝土攪拌機(jī)對不同鋼纖維摻量的試件進(jìn)行制備。首先將稱量好的粗細(xì)骨料加入并攪拌1 min；待骨料攪拌均勻后，同時加入水泥、粉煤灰、硅灰并攪拌2 min停止；開啟攪拌機(jī)同時緩慢地將鍍銅鋼纖維加入，使得鋼纖維能均勻地混合在混凝土拌合物中，避免出現(xiàn)纖維結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象，持續(xù)時間宜為2～3 min；將減水劑融入水中，緩慢均勻地倒入正在進(jìn)行攪拌的攪拌機(jī)，同時觀察混凝土是否攪拌充分；待攪拌完畢后，將混凝土漿體澆筑入相應(yīng)的試件模具中，并放置于振動臺上振動1 min至漿體密實(shí)；最后用抹刀將模具表面磨平并標(biāo)號，在一定條件下養(yǎng)護(hù)28 d成型[14]。

1.3加載設(shè)備與方法

立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)使用極限壓力為2 000 kN的萬能壓力試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)采用連續(xù)加載，加載速度為0.5 MPa/s；抗折強(qiáng)度試驗(yàn)使用極限壓力為200 kN的萬能壓力試驗(yàn)機(jī)，同時需要在試驗(yàn)機(jī)上安置標(biāo)準(zhǔn)的4點(diǎn)加載設(shè)備，試驗(yàn)采用連續(xù)加載，加載速度為0.2 MPa/s。

2靜力試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1試件試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中對4組共12個100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件進(jìn)行了抗壓試驗(yàn)，通過計算，每組試件的最大值或最小值與中間值的差值均未超過中間值的15%，具體見表3。表明每組試驗(yàn)值是有效可靠的，每組試件測值的算術(shù)平均值作為該組試件的強(qiáng)度值。對4組共12個100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件進(jìn)行了抗折試驗(yàn)，各組試件的斷裂面均在集中加載點(diǎn)之間，表明每組試驗(yàn)值是有效可靠的，具體結(jié)果見表4，每組試件測值的算術(shù)平均值作為該組試件的強(qiáng)度值。

表3　試驗(yàn)試件抗壓強(qiáng)度值

表4　試驗(yàn)試件抗折極限荷載值

2.2立方體抗壓強(qiáng)度

通過對試驗(yàn)現(xiàn)象的分析發(fā)現(xiàn)，未摻加鍍銅鋼纖維的高強(qiáng)混凝土在受壓階段能夠發(fā)揮其高強(qiáng)的能力，承受較大荷載，但是裂縫開展路徑較為單一。當(dāng)達(dá)到極限荷載時，發(fā)生爆裂式破壞，并伴有強(qiáng)烈的崩碎聲，試塊破壞后為倒錐形，呈現(xiàn)出明顯的脆性特征，如圖1(a)所示；摻加鍍銅鋼纖維的高強(qiáng)混凝土具有較多的裂縫開展路徑。當(dāng)加壓荷載增大時，連接于裂縫之間的鋼纖維通過較強(qiáng)的抗拉韌性阻止裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，并伴隨著纖維被拔出的“絲絲”聲。在達(dá)到極限荷載時，混凝土試塊能夠保持原有的立方體形狀，具有較強(qiáng)的塑性特征，如圖1(b)所示。試驗(yàn)表明：鋼纖維的加入能夠改善高強(qiáng)混凝土的脆性性能，提高其抗壓韌性。

試驗(yàn)處理結(jié)果如圖2所示。當(dāng)纖維摻量為0%時，混凝土強(qiáng)度達(dá)到了73.6 MPa，滿足本次試驗(yàn)對混凝土基本強(qiáng)度的要求。在基體強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，隨著纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度不斷提高，分別為89.9 MPa、96.2 MPa、100.5 MPa。各摻量的混凝土強(qiáng)度提高幅度值分別為22.2%、30.7%、36.5%。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著鍍銅鋼纖維摻量的提高，高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度成正比提高，但是提高幅度有所減緩。分析原因在于，鋼纖維摻量的加入能增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土的塑性，提高其抗壓強(qiáng)度。隨著纖維量的增多，能夠使混凝土的抗壓強(qiáng)度得到顯著改善，但是較多的鋼纖維使得混凝土在制備過程中出現(xiàn)攪拌不均勻、結(jié)團(tuán)等現(xiàn)象，導(dǎo)致立方體試塊各部位的承壓能力不一致，因此高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度提高幅度下降。

圖1　鍍銅鋼纖維高強(qiáng)混凝土抗壓破壞形態(tài)對比

圖2　鍍銅鋼纖維高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度值

為了更為方便地研究鋼纖維高強(qiáng)混凝土，提出了一個基于鍍銅鋼纖維摻量Vf及對應(yīng)抗壓強(qiáng)度fC的抗壓強(qiáng)度預(yù)測公式：

為了得到預(yù)測模型方程相應(yīng)的系數(shù)值，通過試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，進(jìn)行了二次曲線擬合，得到：

通過計算，得到了立方體抗壓強(qiáng)度的預(yù)測值，與試驗(yàn)值相比較，兩者的誤差范圍在±1.4%之間，吻合較好，具體見表5。表明上述抗壓強(qiáng)度預(yù)測公式是可行的。

表5　立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值與預(yù)估值比較

2.3抗折強(qiáng)度

如圖3(a)所示，鍍銅鋼纖維摻量為0%的高強(qiáng)混凝土在承受極限受彎荷載時，裂縫從中線部位迅速開展，并沿開裂段斷裂為兩塊。同時觀察其荷載位移曲線發(fā)現(xiàn)，隨著極限破壞的發(fā)生，荷載急劇下降，呈現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。圖3(b)、(c)、(d)所示，鍍銅鋼纖維摻量分別為0.5%、1.0%、1.5%的高強(qiáng)混凝土在發(fā)生極限破壞時，荷載緩慢下降，裂縫沿中部開展，由于鋼纖維連接于裂縫間起到了阻裂拉拔作用，試塊均具有延性破壞特征。隨著鍍銅鋼纖維摻量的增加，破壞裂縫越小，單位裂縫長度上的鋼纖維數(shù)量越多。

圖3　不同摻量鍍銅鋼纖維高強(qiáng)混凝土抗折破壞形態(tài)

根據(jù)GB50081—2002要求，若進(jìn)行抗折試驗(yàn)的試件破壞后，斷裂位置處于兩個集中荷載之間。則抗折強(qiáng)度的計算按照如下公式：

fT為混凝土的抗折強(qiáng)度；f為破壞荷載；L為支座間跨度；B為試件截面高度；H為試件截面寬度。

根據(jù)試驗(yàn)測得的破壞荷載以及上述公式的計算，得到摻量0%、0.5%、1.0%、1.5%的高強(qiáng)混凝土對應(yīng)的抗折強(qiáng)度分別為9.1 MPa、9.3 MPa、9.7 MPa、10.4 MPa，如圖4所示。摻加鋼纖維的高強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度提高幅度值分別為2.2%、6.6%、14.3%。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鍍銅鋼纖維的加入能夠提高混凝土的抗折強(qiáng)度，提高幅度隨著鋼纖維的提高而增大。但是與抗壓強(qiáng)度相比，抗折強(qiáng)度的提高不顯著。

圖4　鍍銅鋼纖維高強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度值

同樣，為了能夠分析摻量更大條件下高強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度的變化趨勢，提出了一個基于鍍銅鋼纖維摻量Vf及對應(yīng)抗折強(qiáng)度fT的抗折強(qiáng)度預(yù)測公式：

通過與抗壓強(qiáng)度預(yù)測公式系數(shù)求解相同的辦法，確定了如下的預(yù)測公式：

利用公式以及每一種摻量值，得到了相應(yīng)摻量條件下抗折強(qiáng)度預(yù)測值，并通過與試驗(yàn)值的比較發(fā)現(xiàn)，兩者的誤差在±0.22%的范圍，具體見表6。表明抗折強(qiáng)度預(yù)測公式是可行的。

表6　抗折強(qiáng)度試驗(yàn)值與預(yù)估值比較

2.4折壓比

混凝土折壓比即為混凝土抗折強(qiáng)度與其抗壓強(qiáng)度的比值，其值的大小變化反應(yīng)了兩種強(qiáng)度增減幅度的差異。本次試驗(yàn)所反應(yīng)的折壓比比值見表7。

表7　鍍銅鋼纖維混凝土抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值

如圖5所示，當(dāng)加入鍍銅鋼纖維后，折壓比值急劇下降。表明鋼纖維的加入對高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度的提高有著顯著貢獻(xiàn)，抗折強(qiáng)度得到了提高，但是其提高幅度小于抗壓強(qiáng)度。而后隨著鋼纖維摻量的提高，折壓比值基本保持不變。表明不同等級的鋼纖維摻量，對抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響程度是基本一致的。

圖5　鍍銅鋼纖維摻量與折壓比的關(guān)系

3鍍銅鋼纖維作用效應(yīng)機(jī)理分析

鍍銅鋼纖維的使用改善了高強(qiáng)混凝土脆性破壞的特征，提高了抗塑性變形的能力。鍍銅鋼纖維較其他鋼纖維，具有更強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度、更高的彈性模量。在制備過程中，具有良好的親水性，能夠均勻緊密地與混凝土漿體結(jié)合在一起，形成較高的粘結(jié)強(qiáng)度。在受力過程中，基體與纖維共同作用，形成統(tǒng)一的受力整體。當(dāng)骨料、砂漿之間的粘結(jié)面因受力而破壞時，連接于裂縫之間的鋼纖維因其與基體良好的錨固關(guān)系，起到了阻裂、耗能的作用，使得混凝土能夠保持基本力學(xué)形態(tài)，繼續(xù)承受壓力。

鍍銅鋼纖維的摻量等級不同也對高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生了重要影響。當(dāng)摻量提高時，單位體積混凝土的鋼纖維數(shù)量相應(yīng)地提高，能夠形成更加密實(shí)的三維網(wǎng)狀受力體系。在受力破壞時，產(chǎn)生同樣寬度與形態(tài)的裂縫，需要消耗更大的能量。

4結(jié)論

1)鍍銅鋼纖維的抗拔、阻裂效應(yīng)有效地改善了混凝土在高荷載下的脆性破壞特征，提高了抗塑性變形能力。隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度顯著提高，提高幅度范圍為22.2%～36.5%；抗折強(qiáng)度也得到提高，提高幅度范圍為2.2%～14.3%；

2)本文分別提出了基于鍍銅鋼纖維摻量Vf的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度預(yù)測公式，預(yù)測值與試驗(yàn)值吻合較好，誤差分別在±1.4%及±0.25%。表明兩種預(yù)測公式是可信的，并可預(yù)測鍍銅鋼纖維摻量更大的高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能值；

3)摻入鋼纖維后，折壓比隨著鋼纖維摻量的增加而基本不變。表明不同量的鋼纖維摻入，對抗壓和抗折強(qiáng)度的貢獻(xiàn)是一致的。同時，未摻入鋼纖維時的折壓比要大于摻入鋼纖維后的折壓比，表明鋼纖維的加入，對抗壓強(qiáng)度的提高幅度大于對抗折強(qiáng)度的提高幅度。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

本文引用格式：李季，石少卿，汪敏，等.鍍銅鋼纖維高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能靜力試驗(yàn)研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，2016(5):153-157.

Citation format:LI Ji,SHI Shao-qing,WANG Min,et al.Static Test Study on Mechanical Properties of Copper Coated Steel Fiber Reinforced High Strength Concrete[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):153-157.

Static Test Study on Mechanical Properties of Copper Coated Steel Fiber Reinforced High Strength Concrete

LI Ji,SHI Shao-qing,WANG Min,WANG Cheng

(Department of Civil Engineering,Logistic Engineering University,Chongqing 401311,China)

Abstract:In high strength concrete,0.5%,1%and 1.5%of copper coated steel fiber were added respectively.The effect of copper coated steel fiber on the failure mode of high strength concrete and its influence on the compressive strength and flexural strength were studied.The research shows that: the addition of steel fiber can change the brittle failure characteristics of concrete under high load and improve the plastic deformation ability.With the increase of steel fiber content,the compressive strength and flexural strength are improved,but the increase of compressive strength is more significant.At the same time,in order to analyze the change trend of the high strength concrete under the condition of higher addition of steel fiber,the prediction formula of the compressive strength and flexural strength were established respectively.The predicted values are in good agreement with the test values.

Key words:copper coated steel fiber; high strength concrete; compressive strength; flexural strength; ratio of flexural and compressive

doi:【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】10.11809/scbgxb2016.05.036

收稿日期：2015-09-26；修回日期：2015-11-02

基金項目：國家科技支撐計劃項目(2012BAK05B00)

作者簡介：李季(1991—)，男，碩士研究生，主要從事土木工程結(jié)構(gòu)研究。

中圖分類號：TU528.572

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)05-0153-05