鋼纖維混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究

張 倉

(1.南京理工大學(xué)土木工程系，江蘇 南京 210094； 2.鹽城幼兒師范高等專科學(xué)校，江蘇 鹽城 224000)

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)是土木工程中常見的一種建筑形式，混凝土材料即是混凝土結(jié)構(gòu)體系中的基礎(chǔ)組成部分，廣泛應(yīng)用于土木，航空，水利等領(lǐng)域[1-3]，為我國的基建作出了卓越的貢獻(xiàn)。國內(nèi)外針對(duì)混凝土性能特性展開了大量有益的研究，研究成果主要集中在室內(nèi)試驗(yàn)，數(shù)值模擬和理論研究方面。室內(nèi)試驗(yàn)方面：蘇有彪等[4]對(duì)混凝土碳化—凍融循環(huán)下的性能變化進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)；古麗娜等[5]對(duì)全級(jí)配水工混凝土的抗裂特性進(jìn)行了系統(tǒng)測試；劉紅森等[6]對(duì)膠凝砂礫石混凝土的抗凍性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。數(shù)值模擬方面：朱萬成等[7]利用RFPA軟件對(duì)混凝土的脆性斷裂過程進(jìn)行了模擬研究；孫其然等[8]利用LS-DYNA軟件，基于HJC損傷模型對(duì)鋼筋混凝土的侵蝕進(jìn)行了模擬；宿輝等[9]利用PFC離散元軟件對(duì)混凝土的細(xì)觀破壞機(jī)理進(jìn)行了研究。理論方面：吳瑤[10]提出了混凝土的雙K斷裂準(zhǔn)則；王璀瑾等[11]對(duì)混凝土不同的Ⅰ型斷裂準(zhǔn)則進(jìn)行了比較；許斌等[12]對(duì)混凝土的Ⅰ-Ⅱ型復(fù)合斷裂準(zhǔn)則進(jìn)行了研究。

鋼纖維混凝土由于其優(yōu)異的性能逐漸被廣泛地應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中，由其組成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件承擔(dān)著結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)的荷載，當(dāng)材料力學(xué)性能發(fā)生改變時(shí)，結(jié)構(gòu)的抗震性能及服役性能也將發(fā)生相應(yīng)改變。為獲得鋼纖維混凝土的力學(xué)性能參數(shù)及影響因素，本文設(shè)計(jì)了鋼纖維混凝土力學(xué)性能測試試驗(yàn)，對(duì)鋼纖維混凝土抗壓性能、抗劈拉強(qiáng)度進(jìn)行了測試，并分析研究了鋼纖維摻量對(duì)混凝土抗壓性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用水泥、細(xì)骨料、粗骨料、水、鋼纖維。鋼纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)測試中試件所用水泥材料為盤固水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的P.O42.5級(jí)水泥；細(xì)骨料采用產(chǎn)自湖南洞庭湖的天然中砂；試驗(yàn)中粗骨料是東方希望重慶水泥有限公司生產(chǎn)的碎石，最大直徑10 mm，最小直徑5 mm；拌合水選用自來水；鋼纖維選用江蘇蘇博特新型材料有限公司生產(chǎn)的壓痕型鋼纖維。

根據(jù)中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)CECS 13∶89鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法進(jìn)行鋼纖維混凝土試件的制作，試件制作時(shí)，先將鋼纖維與粗骨料加入攪拌機(jī)攪拌，使鋼纖維分散在石子中，攪拌以防止團(tuán)簇現(xiàn)象發(fā)生，再將砂子和水泥加入攪拌機(jī)干攪拌至材料分散均勻，后在轉(zhuǎn)動(dòng)的攪拌機(jī)中加水。攪拌完成后，將混凝土拌合物倒入尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的鑄鐵模具中，將表面磨平，用塑料薄膜封閉，然后室溫條件下24 h后脫膜，養(yǎng)護(hù)28 d后即可進(jìn)行力學(xué)性能的測試。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器采用微機(jī)屏顯示液晶壓力機(jī)，該系統(tǒng)擁有位移以及應(yīng)力兩種加載模式，力值最大加載為600 kN，位移控制范圍為0 mm～200 mm，本次試驗(yàn)采用力值加載控制方式，加載速率為0.5 kN/s。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案中BZ表示空白試驗(yàn)組，SFRC-XX表示不同鋼纖維摻量條件下的鋼纖維混凝土試件，SFRC-WC-XX表示相同鋼纖維體積率條件下的鋼纖維混凝土試件，SFRC-FC-XX表示相同配合比、不同混凝土強(qiáng)度條件下的鋼纖維混凝土試件，見表1?；炷敛牧吓浜媳葹樗盟唷蒙啊檬?0.45∶1∶1.5∶2.8，共計(jì)54個(gè)試件。

2 不同鋼纖維體積率下混凝土的力學(xué)性能

為獲得鋼纖維摻量與鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，在本章節(jié)試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了4種不同鋼纖維摻量的鋼纖維混凝土立方體試件，每組包含3個(gè)試件，以進(jìn)行力學(xué)性能的測試，其中鋼纖維摻量分別為0%，0.5%，1%，1.5%。

2.1 抗壓強(qiáng)度

根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的計(jì)算方法可用式(1)表示：

(1)

式中：F——立方體試件破壞時(shí)試驗(yàn)機(jī)的加載力,N；

A——混凝土試件截面面積,mm2。

不同鋼纖維摻量條件下混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測試結(jié)果如表1,表2所示。

表1 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

表2 不同鋼纖維摻量時(shí)混凝土試件抗壓強(qiáng)度

表1，表2給出了不同鋼纖維摻量情況下混凝土抗壓強(qiáng)度值，從圖1中可以看出，在混凝土中添加鋼纖維后，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度有所提升，且鋼纖維的摻量越大，混凝土抗壓強(qiáng)度百分比增加越多，但增加量不大，當(dāng)鋼纖維摻量為1.5%時(shí)混凝土強(qiáng)度增加百分比不超過7%。由此可以看出，在混凝土中添加鋼纖維，對(duì)混凝土抗壓性能提升不明顯。

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

根據(jù)規(guī)范，鋼纖維混凝土立方體試件的劈裂抗拉強(qiáng)度按式(2)計(jì)算：

(2)

其中，fts為鋼纖維混凝土立方體試件的劈裂抗壓強(qiáng)度。

不同鋼纖維摻量條件下混凝土立方體的劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)測試結(jié)果如表3所示。

表3 不同鋼纖維摻量時(shí)混凝土試件劈裂抗拉強(qiáng)度

由表3及圖2可以看出，在混凝土中添加鋼纖維后，混凝土的劈裂抗壓強(qiáng)度均有明顯的提高，在鋼纖維添加體積率為0.5%和1%時(shí)，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度分別提升了14%和27%，幾乎是按照線性關(guān)系增加的，而鋼纖維添加體積率為1.5%時(shí)，強(qiáng)度不再呈線性增長，僅提升了33%，由此可以看出，在混凝土中添加鋼纖維后，存在一個(gè)增強(qiáng)效果的極大值點(diǎn)，若鋼纖維摻量小于這個(gè)極大值，則鋼纖維對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的提升非常顯著，基本呈線性增強(qiáng)，而鋼纖維摻量大于這個(gè)極大值摻量點(diǎn)時(shí)，繼續(xù)在混凝土中增加鋼纖維的摻量，雖依然有一定的提升效果，但提升效果不再那么明顯。

2.3 彈性模量

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)國家規(guī)范中混凝土彈性模量Ec計(jì)算公式為：

(3)

式中:Fa——應(yīng)力為1/3抗壓強(qiáng)度時(shí)的荷載，N；

F0——應(yīng)力為0.5 MPa時(shí)的初始荷載，N；

A——試件承壓面面積，mm2；

L——測量標(biāo)距；

Δn按式(4)計(jì)算：

Δn=εa-ε0

(4)

式中：Δn——最后一次從F0加荷至Fa時(shí)試件兩側(cè)變形的平均值，mm；

εa——受力為Fa時(shí)試件兩側(cè)變形的平均值,mm；

ε0——受力為F0時(shí)試件兩側(cè)變形的平均值,mm。

同時(shí)規(guī)范規(guī)定了混凝土受壓彈性模量計(jì)算精確至100 MPa。綜上可將式(3)及式(4)歸結(jié)為下式：

(5)

將各個(gè)試件所測得的數(shù)據(jù)值按照式(5)進(jìn)行計(jì)算，獲得不同鋼纖維摻量時(shí)混凝土的彈性模量數(shù)值，各組試件取平均值后獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。不同鋼纖維摻量彈性模量分布見圖3。

表4 不同鋼纖維摻量時(shí)混凝土試件彈性模量

根據(jù)表4給出的不同鋼纖維摻量時(shí)混凝土試件彈性模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)值，在混凝土中添加鋼纖維后，混凝土的彈性模量有所增加，但提升的效果不是非常顯著，例如，混凝土中鋼纖維摻量達(dá)到1.5%時(shí)，混凝土的彈性模量提升百分比不超過10%，而混凝土中的鋼纖維摻量較小時(shí)，對(duì)其彈性模量值影響較小，例如，混凝土中鋼纖維摻量0.5%時(shí)，混凝土的彈性模量提升百分比僅1.72%，且鋼纖維摻量從1%增加到1.5%時(shí)，彈性模量增加百分比較從0.5%增加到1%時(shí)的增量百分比明顯減小，由此，可以看出，當(dāng)混凝土中鋼纖維的摻量較小時(shí)，對(duì)混凝土彈性模量值影響較小，而隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的彈性模量有一定的提升，但效果不是特別顯著。

3 結(jié)論

1)開展了不同鋼纖維摻量條件下混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度等力學(xué)性能試驗(yàn)，得到了鋼纖維摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，并對(duì)相同鋼纖維摻量、不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土基體的鋼纖維混凝土進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度等力學(xué)性能參數(shù)的測試。

2)混凝土基體強(qiáng)度等級(jí)不同時(shí)，鋼纖維混凝土力學(xué)性能的變化情況不同，強(qiáng)度等級(jí)較高時(shí)，混凝土中鋼纖維越能發(fā)揮其作用，相應(yīng)的鋼纖維混凝土試件抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能表現(xiàn)越佳。