鋼纖維混凝土斷裂性能綜述

喻泊廳 王 磊 趙燕茹

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的一種復(fù)合材料?；炷亮芽p問題一直是工程界極為關(guān)心的問題，混凝土早期表面裂縫在以后氣溫驟降形成的溫度應(yīng)力和外力作用下,表面裂縫可發(fā)展成具有破壞性的貫穿裂縫和深層裂縫。貫穿裂縫和深層裂縫會破壞結(jié)構(gòu)的整體性,改變混凝土的受力條件,從而有使局部甚至整體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的可能,嚴(yán)重影響建筑物的質(zhì)量和運(yùn)行安全性。而鋼纖維混凝土恰好可以有效改善裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展等問題，因此鋼纖維斷裂性能具有重要的研究意義。

1 影響鋼纖維混凝土斷裂性能的因素

影響鋼纖維混凝土斷裂性能的因素有很多，主要有鋼纖維的形狀、分布、長度、骨料粒徑以及混凝土的強(qiáng)度等因素。

1.1 鋼纖維形狀及體積率

楊松霖等[1]研究鋼纖維形狀和體積摻率對超高性能纖維混凝土的試驗(yàn)結(jié)果表明:纖維體積摻率為1.0%～2.5%時(shí),端部扁平型鋼纖維超高性能混凝土的斷裂能最佳;纖維體積摻率為3.0%時(shí),端部彎折型鋼纖維超高性能混凝土的斷裂能最大;纖維體積摻率為1.0%～3.0%時(shí),波浪型鋼纖維超高性能混凝土的斷裂能最低。徐朦等[2]測定了六種不同形狀的鋼纖維摻入混凝土后的力學(xué)性能，結(jié)果表明：環(huán)保波紋形鋼纖維對高性能混凝土及超高性能混凝土斷裂能提升最明顯，在高性能混凝土中端鉤形鋼纖維明顯比波紋形鋼纖維更好地提升了混凝土的斷裂能。對鋼纖維高強(qiáng)混凝土而言隨著鋼纖維體積率的增大,鋼纖維高強(qiáng)混凝土斷裂韌度和斷裂能均顯著增加[3]。

1.2 混凝土強(qiáng)度

高丹盈等[4]通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)隨著混凝土強(qiáng)度的提高,鋼纖維混凝土的斷裂韌度逐漸增加。

1.3 鋼纖維長度及骨料粒徑

陳京鈺等[5]通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)探究了骨料粒徑與纖維長度對鋼纖維混凝土斷裂性能的研究表明：骨料粒徑與纖維長度的耦合作用對鋼纖維混凝土起裂韌度的影響較??；失穩(wěn)韌度受骨料粒徑與纖維長度的耦合作用的影響較大；當(dāng)纖維長度與最大骨料粒徑的比值為 1～4時(shí)，鋼纖維混凝土的失穩(wěn)韌度隨比值的增大呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。斷裂能受最大骨料粒徑的影響較小，受纖維長度的影響較大，當(dāng)最大骨料粒徑相同時(shí)，隨纖維長度的增加呈現(xiàn)增大的趨勢。

1.4 鋼纖維分布

慕儒等[6]通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，分析比較了單向分布與亂向分布鋼纖維混凝土的斷裂韌度和斷裂能，結(jié)果表明：與亂向分布鋼纖維混凝土相比，單向分布鋼纖維混凝土斷裂韌度、斷裂能均有明顯提高。單向分布鋼纖維混凝土斷裂性能明顯優(yōu)于亂向分布鋼纖維混凝土．單向分布鋼纖維混凝土中有更多的鋼纖維橋接裂縫兩邊并有效承受荷載，使其斷裂性能明顯提高。

2 斷裂參數(shù)

衡量斷裂性能最重要的兩個(gè)指標(biāo)：斷裂能、斷裂韌性。

2.1 斷裂能

混凝土的斷裂性能與裂縫密切相關(guān)，斷裂能的提出便是在帶切口的三點(diǎn)彎曲梁實(shí)驗(yàn)上測量得出的。曾志興[7]基于斷裂力學(xué)的基本觀點(diǎn)提出平直纖維裂縫寬度與斷裂能的關(guān)系公式。最初Pe tersson提出斷裂能的定義是： 裂縫擴(kuò)展單位面積所需的能量。RILEM TC50FM C提出一套測定斷裂能的約定：三點(diǎn)彎曲梁荷載-位移曲線的面積大小。

式中：W0為荷載-撓度曲線下的面積；δ0為梁斷裂時(shí)最大撓度值；G為重力加速度;

A為韌帶斷面的面積;M為梁的質(zhì)量。

上述公式是將混凝土當(dāng)做線彈性材料得出的與真實(shí)情況不符，實(shí)際中在混凝土的裂縫端部存在微裂縫區(qū)，在鋼纖維混凝土中也同樣存在。劉冬梅等[8]在hillerborg的虛擬裂縫模型（FCM）的基礎(chǔ)上應(yīng)用全息干涉法對鋼纖維混凝土三點(diǎn)彎曲梁斷裂全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)觀測推出真實(shí)斷裂能公式。

式中：W0為荷載-撓度曲線下的面積；為m1和m2在加載前引起梁變形所做的功；Α為增韌擴(kuò)大系數(shù)；δ0為梁斷裂時(shí)最大撓度值；G為重力加速度;H為試樣高度;B為試樣厚度；m1為梁的質(zhì)量；m2為作用于試樣上的附屬設(shè)備質(zhì)量；

2.2 斷裂韌度

斷裂韌度其實(shí)就是裂紋尖端產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子，它的大小反映了材料

斷裂韌性的強(qiáng)弱。考慮鋼纖維的增效作用，并建立與普通材料斷裂韌度相銜接的計(jì)算公式，鋼纖維混凝土斷裂韌度可以由下列式子求得：

式中：KIC為斷裂韌度；P為構(gòu)件上的荷載；L為試件長度的一半；b為試件截面寬度；d為試件截面高度；a0為預(yù)制裂縫深度；Αt1為鋼纖維的增效系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)得出；Ρf、Lf、df— —分別為鋼纖維的體積率、長度和直徑。

由徐世烺等人[9]提出的雙K模型我們知道混凝土裂縫擴(kuò)展分為三個(gè)階段，即裂縫起裂階段、穩(wěn)定階段、失穩(wěn)破壞。且給出了起裂韌度和失穩(wěn)韌度的計(jì)算公式。張井財(cái)?shù)萚10]基于此針對鋼纖維混凝土進(jìn)行了雙K模型的驗(yàn)證表明依然適用并給出了鋼纖維混凝土的起裂韌度和失穩(wěn)韌度表達(dá)式，而且發(fā)現(xiàn)相較于素混凝土都有顯著提高。

3 結(jié)論與展望

本文對鋼纖維混凝土的斷裂性能的影響因素、阻裂機(jī)理及斷裂參數(shù)的確定進(jìn)行了綜述，以后的研究應(yīng)該從多因素綜合作用的角度對鋼纖維斷裂性能進(jìn)行研究并提出合理的理論模型。

[1]楊松霖,刁波.超高性能鋼纖維混凝土力學(xué)性能[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2011,11(02):8-13.

[2]徐朦.多種鋼纖維對超高性能混凝土力學(xué)性能影響的比較研究[D].北京交通大學(xué),2014.

[3]高丹盈,趙偉,張廷毅,王寶庭.鋼纖維體積率對高強(qiáng)混凝土斷裂性能的影響[J].工業(yè)建筑,2008,(08):50-53+108.

[4]高丹盈,劉穎浩,趙偉.混凝土強(qiáng)度對鋼纖維混凝土斷裂韌度的影響[J].混凝土,2008,(07):16-18.

[5]陳京鈺.骨料粒徑與纖維長度對鋼纖維混凝土斷裂性能影響的研究[D].鄭州大學(xué),2016.1

[6]慕儒,邱欣,趙全明,李輝.單向分布鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(I):鋼纖維方向控制[J].建筑材料學(xué)報(bào),2015,18(02):208-213.

[7]曾志興.基于斷裂力學(xué)的鋼纖維混凝土裂縫的研究[J].工業(yè)建筑,2005(03):53-55.

[8]劉冬梅,宋超業(yè),陳志勇.鋼纖維混凝土斷裂過程激光實(shí)時(shí)全息干涉法研究[J].巖土力學(xué),2007(09):1997-2002.

[9]徐世烺,趙國藩.混凝土結(jié)構(gòu)裂縫擴(kuò)展的雙K斷裂準(zhǔn)則[J].土木工程學(xué)報(bào),1992(02):32-38.

[10]張井財(cái),薛啟超,何建.鋼纖維混凝土裂縫擴(kuò)展的雙K準(zhǔn)則研究[J].混凝土,2016(09):16-20.