鋼纖維對混凝土軸壓性能影響的試驗研究

陳升平，倪 亮，盧應(yīng)發(fā)，田 肖

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代化工程對混凝土提出了更高的要求。顯然，脆性大的普通混凝土已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代工程的需要。因此，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對纖維增強(qiáng)混凝土這種復(fù)合材料的力學(xué)性能展開了大量研究[1-6]。其中，鋼纖維混凝土成本低，制造方式簡易，增韌效果好，應(yīng)用最廣泛。趙順波[7]通過對0%～1.6%鋼纖維摻入率的全輕混凝土進(jìn)行軸壓試驗，提出了兩類混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線統(tǒng)一計算模型及其特征點計算公式。黃彪[8]等人認(rèn)為:隨著鋼纖維體積摻量和長徑比增加,混凝土峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變明顯提高,其韌性和延性得到顯著改善。Mingshuang Zhao[9]設(shè)計了鋼纖維體積分?jǐn)?shù)分別為0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%和2.0% 的鋼纖維混凝土。進(jìn)行單軸壓縮試驗并得出了應(yīng)力-應(yīng)變曲線。結(jié)果表明，隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值應(yīng)力處的壓應(yīng)變增大，而應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降部分的斜率減小。楊克榮[10]試驗結(jié)果表明:試驗機(jī)的加載速率與混凝土的抗壓強(qiáng)度呈正比，鋼纖維對于強(qiáng)度的影響較小，對混凝土的影響主要是使其韌性提高。

在混凝土中摻入一定體積率的鋼纖維，可以顯著改善混凝土的抗裂能力，改變其破壞形態(tài)。因此，這里將通過三個變量的正交試驗，分析鋼纖維對混凝土軸壓力學(xué)性能的影響，能為鋼纖維在工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗用料分別采用鋼絲冷拉和鋼板剪切工藝制作而成的剪切型和多錨固點型鋼纖維，強(qiáng)度P.O42.5水泥、5～20 mm瓜米石、中粗普通河砂、高效粉末減水劑、城市生活用水等。為了降低粗骨料中的泥灰雜質(zhì)，瓜米石需要經(jīng)過沖洗、晾干后使用。鋼纖維參數(shù)及類型見表1、圖1。

表1 鋼纖維參數(shù)

圖1 鋼纖維類型

1.2 試驗設(shè)計

合計澆筑21組圓柱體及相同數(shù)量的立方體試件，每組數(shù)量3個，尺寸分別為150 mm×300 mm和150 mm×150 mm×150 mm，其中設(shè)置3組普通混凝土作為對比項。以鋼纖維摻量及類型為變化量研究對不同強(qiáng)度混凝土的影響，并進(jìn)行了相對應(yīng)的正交設(shè)計(表2)。X1～X3表示混凝土強(qiáng)度等級，Y1～Y3、Z1～Z2則表示為鋼纖維含量及類型。

表2 試件的參數(shù)及編號

1.3 加載裝置

試驗加載裝置如圖2所示，位移控制加載，位移計間距100 mm，軸向位移的測試由位移傳感器實現(xiàn)，并在試件的中部對稱豎向粘貼兩個應(yīng)變片，并使用應(yīng)變采集儀DH3816及配套電腦軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖2 試驗加載裝置

2 試驗結(jié)果與分析

各組試驗結(jié)果的平均值如表2所示，其中fcu為立方體試件抗壓強(qiáng)度，fc為圓柱體軸心抗壓強(qiáng)度，ε0為混凝土峰值應(yīng)變、εcu為混凝土極限壓應(yīng)變，fr為壓應(yīng)變0.01時的殘余應(yīng)力。

2.1 破壞特征

由于使用位移控制加載，位移緩緩提升的過程中，機(jī)器傳給試件表面的壓力不斷增大，當(dāng)壓力接近試件的極限抗壓能力，試件中部及上下兩個表面邊緣出現(xiàn)可用肉眼觀測的較小裂紋，并不斷從兩端至中間緩慢延申，而后機(jī)器壓力達(dá)到試件的抗壓極限，裂縫寬度逐漸變大，壓力機(jī)所顯示的荷載出現(xiàn)一定程度的降低，而后裂縫延申速度加快，混凝土內(nèi)部各類材料所共同形成的摩擦力、粘結(jié)力及殘余抗壓能力逐漸降低。該階段延續(xù)的過程中，可聽見混凝土碎末因受壓剝離外表面、鋼纖維被拔出的響聲。維持一定時間后，應(yīng)變采集儀配套電腦上顯示的位移突然急劇增加，壓力機(jī)所顯示荷載的快速降低，此時的試件不再具備壓縮變形能力，喪失穩(wěn)定性及殘余承載能力。破壞后的試件可觀測到貫穿裂縫，傾角約為45°(圖3)。得益于鋼纖維在混凝土內(nèi)部的隨機(jī)分布，不僅抑制了混凝土外表面的剝離，而且還對裂紋寬度及數(shù)量有極其顯著的限制作用，所以使得試件的完整性得到比較好的保留。

表3 主要試驗結(jié)果

圖3 鋼纖維混凝土圓柱體破壞形態(tài)

2.2 抗壓強(qiáng)度

如圖4所示，鋼纖維明顯增強(qiáng)了C30、C40混凝土立方體試件的抗壓強(qiáng)度。如摻入1.6%的多錨固點型鋼纖維，使得C30強(qiáng)度普通混凝土抗壓強(qiáng)度提高11.3 MPa，增幅達(dá)34.84%。

圖4 立方體抗壓強(qiáng)度變化趨勢

對于C50強(qiáng)度混凝土，鋼纖維對強(qiáng)度提升的作用并不顯著，在鋼纖維摻入率1.0%～1.6%情況下，抗壓強(qiáng)度增長幅度至多為12.8%，鋼纖維對高強(qiáng)度混凝土抗壓性能的改善效果沒有C30、C40強(qiáng)度時顯著。混凝土強(qiáng)度為C50，通過改變剪切型鋼纖維的摻量，使其含量從0提升至1.3%，抗壓強(qiáng)度呈線性增長，但將其含量從1.3%提升至1.6%，抗壓強(qiáng)度降低了0.6 MPa，因此剪切型鋼纖維對于抗壓強(qiáng)度具有雙向作用，可能是增強(qiáng)或減弱。作為對比組，隨多錨固點型鋼纖維在混凝土中含量提升，從0～1.6%，強(qiáng)度均呈增長趨勢，其增長的強(qiáng)度至多達(dá)到7.19 MPa，增益效果比剪切型鋼纖維更加明顯。

由于這里所采用的鋼纖維屬性存在差異，根據(jù)所參考的文獻(xiàn)[13]，立方體試件抗壓強(qiáng)度

fcu=fcu,0(1+αvflf/df)

(1)

式中：fcu,0為素混凝土的實測強(qiáng)度；α為鋼纖維影響系數(shù)；vf、lf/df分別為鋼纖維摻入比例及長徑比。

對試驗過程中所記錄的數(shù)據(jù)通過相關(guān)軟件進(jìn)行分析計算，影響系數(shù)α如表4所示。

表4 鋼纖維對立方體混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)α

如表4所示，混凝土強(qiáng)度等級越高，影響系數(shù)α則越小，式(1)中的fcu與α成正比，因此鋼纖維對立方體強(qiáng)度的影響會由其自身強(qiáng)度提高而降低。

表5為計算與試驗值的比例關(guān)系，可以得出二者比值與1十分接近，所以基于鋼纖維影響系數(shù)來計算立方體抗壓強(qiáng)度是可行的。

表5 抗壓強(qiáng)度計算值和試驗值對比

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

基于所有組試件記錄的試驗數(shù)據(jù)，所繪制的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€如圖5所示。

圖5 應(yīng)力-應(yīng)變試驗曲線

2.4 峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變

峰值應(yīng)力體現(xiàn)了試件的受壓時的極限承載能力，峰值應(yīng)變的大小則取決于峰值前對裂縫不規(guī)律擴(kuò)展的限制能力。鋼纖維對峰值應(yīng)力的影響規(guī)律與立方體試件的抗壓強(qiáng)度相類似，因此不再贅述。峰值應(yīng)變增量如表6所示，鋼纖維分別能為C30、C40、C50強(qiáng)度等級的混凝土增加45.04%～73.04%、40.52%～51.45%、和27.91%～56.84%的峰值應(yīng)變。說明鋼纖維對各個強(qiáng)度混凝土的阻裂能力均有積極作用，在低強(qiáng)度時尤為顯著。

表6 鋼纖維混凝土較普通混凝土峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變增量

由表6可知，η為鋼纖維混凝土對照同強(qiáng)度普通混凝土峰值應(yīng)力的增比，ω為鋼纖維混凝土對照同強(qiáng)度普通混凝土峰值應(yīng)變的增比，與鋼纖維摻入率一一對應(yīng)，計算公式分別為

η=(σ鋼纖維混凝土/σ普通混凝土-1)×100%

(2)

ω=(ε鋼纖維混凝土/ε普通混凝土-1)×100%

(3)

式(2)、(3)的下標(biāo)限定條件為同強(qiáng)度等級。

2.5 極限壓應(yīng)變及殘余應(yīng)力

摻入1.0%～1.6%的剪切型鋼纖維和多錨固點型鋼纖維，分別能使混凝土的極限壓應(yīng)變達(dá)到規(guī)范[14]值0.0035的1.6～3.9倍和1.8～4.2倍，極大增強(qiáng)了混凝土的變形能力，多錨固點型鋼纖維由于它在同樣摻入率下，有更多的數(shù)量，外加扁平的中連段及扁平的兩末端的共同橋接作用，其對混凝土極限壓應(yīng)變的改善要略好于剪切型鋼纖維。

殘余壓應(yīng)力體現(xiàn)在當(dāng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力達(dá)到峰值水平后，經(jīng)過一段塑性變形后所殘留的承載能力。由表2可以得出，在0.01時的壓應(yīng)變殘余強(qiáng)度與鋼纖維摻入率呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)混凝土為C30、C40強(qiáng)度，多錨固點型鋼纖維殘余強(qiáng)度可達(dá)到極限強(qiáng)度的35.6%～70%，在相同條件下其數(shù)值均高于剪切型鋼纖維，多錨固點型鋼纖維對混凝土殘余應(yīng)力的影響較剪切型好。

由于試驗機(jī)自身剛度以及較高強(qiáng)度混凝土的脆性比較大，無法使C50強(qiáng)度混凝土壓應(yīng)變達(dá)到0.01。因此想要對比不同鋼纖維對C50強(qiáng)度混凝土韌性的影響，需要結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變曲線并采用相應(yīng)模型，通過軟件進(jìn)行分析計算。

2.6 韌性指數(shù)

依據(jù)文獻(xiàn)[15]所給出的韌性計算模型如圖6，A為峰點，C為下降段一點，值取峰值應(yīng)力的50%，韌性指數(shù)為下降段AC與下軸線圍成的面積S2同上升段OA與下軸線圍成面積S1的比值。計算所得到的結(jié)果如表7所示，將鋼纖維的摻入率從1%提升至1.6%，各組試件韌性指數(shù)均有明顯的增加，鋼纖維摻入率的提高能有效改善混凝土的韌性。

圖6 韌性計算模型

表7 韌性指數(shù)實測結(jié)果

表7為各組試件韌性指數(shù)平均結(jié)果，可見混凝土韌性會受到鋼纖維類型、摻量及自身強(qiáng)度的影響。在CF30和CF40強(qiáng)度下，多錨固點型鋼纖維對混凝土的韌性有更好的影響結(jié)果，在CF50強(qiáng)度下，剪切型要比多錨固點型鋼纖維更佳，如圖7所示。

圖7 韌性指數(shù)平均值對比

3 結(jié)論

1)鋼纖維摻入率的提高能使結(jié)構(gòu)韌性有所提升，對比強(qiáng)度為CF30和CF40的混凝土的增韌效果，多錨固點型鋼纖維優(yōu)于剪切型，但在CF50混凝土強(qiáng)度下，剪切型鋼纖維的增韌效果更好。

2)混凝土強(qiáng)度等級越低，則鋼纖維對抗壓強(qiáng)度的提升越高，二者之間呈現(xiàn)反比例關(guān)系，強(qiáng)度達(dá)到CF50時，隨著剪切型鋼纖維摻入率的增加，抗壓強(qiáng)度可能增減不定。

3)通過對比可以看出,基于鋼纖維影響系數(shù)所提出的混凝土抗壓強(qiáng)度計算方法與試驗結(jié)果有較好的吻合。