鋼纖維混凝土受壓韌性評價

倪亮 陳升平

摘要：對鋼纖維混凝土進行了單軸壓縮實驗，結(jié)合已有鋼纖維混凝土受壓韌性的理論方法與試驗數(shù)據(jù)，分別研究了鋼纖維類型、摻入率、混凝土強度等參數(shù)對混凝土韌性指數(shù)的影響規(guī)律。

Abstract： Uniaxial compression experiments were carried out on steel fiber concrete. Combining with the existing theoretical methods and experimental data of compressive toughness of steel fiber concrete， the influence rules of steel fiber type， admixture rate， concrete strength and other parameters on concrete toughness index were studied.

關鍵詞：韌性指數(shù);鋼纖維;混凝土

Key words： toughness index;steel fiber;concrete

中圖分類號：U454，TU528.572? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）22-0157-02

0? 引言

在近半個世紀以來，國際范圍內(nèi)因混凝土發(fā)生脆性破壞，以致結(jié)構(gòu)失效的現(xiàn)象數(shù)不勝數(shù)，為使混凝土有更高的適用性，有許多學者對纖維混凝土進行了研究，例如Ning [1]研究了不同尺度的聚丙烯纖維和混合纖維對混凝土壓縮變形的影響，他認為摻混纖維可以提高混凝土的抗壓韌性。Wu[2]的試驗結(jié)果表明，摻入1～3%的直鋼纖維，可使混凝土抗壓強度增加8～32%，但摻入率達到3%時，對混凝土韌性的提升卻不再明顯。可見對于鋼纖維混凝土受壓韌性方面的相關研究較有限。

1? 試驗材料與設計

選用華興水泥（P.O42.5），碎石（5～20mm），中粗河沙（細度模數(shù)2.5～3.0）、鋼纖維、水及適量減水劑等作為試驗原材料。其中，鋼纖維參數(shù)如表1。

本試驗共制作了18組Φ150×300鋼纖維混凝土圓柱體試件，每組試件3個，以混凝土強度等級（C30、C40、C50）、鋼纖維摻入率（1.0%、1.3%、1.6%）及類型（多錨固點型、剪切型）三個因素作為試驗變量進行了單軸壓縮試驗。

2? 試驗方法

在電液伺服萬能壓力試驗機上對圓柱體試件進行壓縮測試，試件兩端中部對稱貼2個電阻應變片，并固定兩個標距100mm的位移傳感器測量軸向位移，將試驗所得的數(shù)據(jù)使用應變采集儀DH3816及對應計算機軟件進行采集，試驗加載布置如圖1所示。

具體流程為：

①將圓柱體試件從標準蒸汽養(yǎng)護室養(yǎng)護28天后取出，檢查外觀是否有破損。②使用直尺測量，并用記號筆標記出位移傳感器支架的固定位置，然后將位移傳感器固定在圓柱體試件正對中心線的兩側(cè)。③位移傳感器連接應變儀后，根據(jù)計算機顯示的數(shù)值，確定位移傳感器能完好使用后，進行“歸0”設置。④試件受壓面為直徑150mm的圓，每次試驗前需在試件的上下端表面用打磨機打磨平整，然后用濕紙巾擦干，下端用細砂找平，并用水平尺多次測試水平，以保證試件上下表面與上下壓板保持水平。⑤需進行一次預加載，采用應力控制方式，荷載至50kN后，采用速率0.003m/s的位移控制持續(xù)加載，及時記錄試驗所需的相關數(shù)據(jù)。⑥根據(jù)實測的數(shù)據(jù)使用Origin軟件繪制應力-應變曲線，通過計算得出各試驗組的韌性指數(shù)。

3? 試驗結(jié)果與分析

在混凝土中摻入鋼纖維能夠顯著提高試件的變形性能，限制裂縫的發(fā)展，從而提高結(jié)構(gòu)韌性。本文主要采用依據(jù)文獻[1]中對韌性指數(shù)的定義，本文中韌性指數(shù)定義為當軸向應力減小到50%時，應力-應變曲線下降段與下軸線圍成面積同上升段與軸線圍成面積的比值，以前的研究人員也曾采用過類似的定義[3]-[4]。

所得出的主要試驗結(jié)果如表2。

3.1 鋼纖維類型對混凝土韌性指數(shù)的影響

將兩種鋼纖維混凝土所有試驗組的韌性指數(shù)進行平均后對比，可以得出鋼纖維類型對混凝土韌性的影響，如圖2。混凝土強度為CF30和CF40時，摻入率為1～1.6%的多錨固點型鋼纖維使混凝土平均韌性指數(shù)分別達到了2.92和2.8，從數(shù)值上看，均高于剪切型鋼纖維混凝土的平均韌性指數(shù)，因此多錨固點型鋼纖維對混凝土韌性增強優(yōu)于剪切型鋼纖維。但在CF50這種較高強度時，多錨固點型鋼纖維的平均韌性指數(shù)卻不如剪切型。說明兩種鋼纖維對混凝土韌性增強效果在不同強度等級上有差異，在較低強度下，多錨固點型鋼纖維的增韌效果較剪切型的要好，然而混凝土在較高強度時，剪切型鋼纖維能帶給混凝土更顯著的增韌效果。

3.2 鋼纖維摻入率對混凝土韌性指數(shù)的影響

CF30及CF40強度下，兩種鋼纖維混凝土的韌性指數(shù)在鋼纖維摻入率為1.6%時，各組試件的韌性指數(shù)均達到最高。因此，鋼纖維摻入率達到1.6%時，對混凝土韌性指數(shù)的影響最大，如圖3（a）～（b）。CF50強度下，剪切型鋼纖維的摻入率為1.3%時，其韌性指數(shù)高于其他摻入率的混凝土，因此對混凝土韌性影響最佳;同理，多錨固點型鋼纖維摻入率為1.6%時，對混凝土韌性影響最佳，如圖3（c）。

3.3 混凝土強度對混凝土韌性指數(shù)的影響

圖4表示為不同強度混凝土在各鋼纖維摻入率下的平均值，當強度等級從CF30上升至CF40，韌性指數(shù)降低了6.11%，強度從CF40上升至CF50時，韌性指數(shù)卻從2.61變?yōu)?.18，降幅達到16.48%。整體而言，在較低強度下鋼纖維對于混凝土有著顯著的增韌效果，混凝土強度在CF50時，結(jié)構(gòu)脆性變大，韌性指數(shù)與C30及C40強度混凝土相比有較明顯的減少。鋼纖維對低強度混凝土的增韌效果較其他強度而言更好，韌性指數(shù)在CF30強度時最大。

在CF30及CF40強度下，摻入率1.6%的多錨固點型鋼纖維混凝土增韌最好，在CF50強度下，摻入率為1.3%的剪切型鋼纖維混凝土增韌性最好。

4? 結(jié)論

①鋼纖維對C30強度混凝土的增韌效應顯著高于C40及C50強度混凝土。②混凝土強度為C30和C40，鋼纖維摻入率為1～1.6%，韌性指數(shù)隨著鋼纖維的摻入率增加而增加。③多錨固點型鋼纖維混凝土的韌性指數(shù)在CF30及CF40強度下，高于剪切型鋼纖維混凝土，但CF50強度下，剪切型鋼纖維對多錨固點型鋼纖維的韌性影響更顯著，其最佳的摻入率為1.3%。

參考文獻：

[1]Ning HuiLiang.Experimental Study of Compression for Multi-scale Polypropylene Fiber Concrete.[C]. International Conference on Civil Engineering， Architecture and Building Materials （CEABM 2012）.

[2]Zemei Wu， Caijun Shi， Kamal Henri Khayat. Investigation of mechanical properties and shrinkage of ultra-high performance concrete： Influence of steel fiber content and shape，composites[J].Part B： Engineering，Volume 174， 2019，107021， ISSN 1359-8368.

[3]M.A. Mansur， M.S. Chin， T.H. Wee.Stress-strain relationship of high-strength fiber concrete in compression [J]. Mater. Civ. Eng. ASCE， 1999， 11 （1）： 21-29.

[4]J.J. Zhou， J.L. Pan， C.K.Y. Leung. Mechanical behavior of fiber-reinforced engineered cementitious composites in uniaxial compression[J]. Mater. Civ. Eng.， 2014， 27（1）.

作者簡介：倪亮（1995-），男，湖北武漢人，碩士研究生。