鋼纖維對C80級高強混凝土靜力及沖擊韌性影響分析

錢子晗，徐 諾，劉安南，張 祥，張虹宇

(江蘇大學土木工程與力學學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著我國城市化進程的發(fā)展，土木、交通、水利等領(lǐng)域中的各類工程結(jié)構(gòu)越來越高強度化、耐久化以及低碳化；而混凝土作為應用廣泛、用量最大的材料，其性能要求一直是關(guān)注的熱點問題[1-2]。世界各國使用的混凝土強度在逐步提高，我國C50～C60的混凝土用量也在持續(xù)增大，進一步推廣C80及以上高強混凝土材料的應用符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，有廣闊的應用前景[3-5]。本文以C80高強混凝土為對象，借助抗壓、抗折以及抗沖擊試驗來研究高強混凝土的韌性性能，重點探討了鋼纖維摻量對高強混凝土的靜力和沖擊韌性的影響，并給出了優(yōu)化的設(shè)計建議。

1 實驗概況

1.1 原材料

水泥采用P.Ⅰ42.5硅酸鹽水泥；粗骨料采用5 mm～20 mm連續(xù)級配碎石，含泥量為0.2%；細骨料采用普通河砂，其細度模數(shù)為2.8，含泥量為0.5%；礦物摻合料采用河南恒源新材料有限公司生產(chǎn)的S95級礦粉和96硅灰；減水劑采用聚羧酸系減水劑，減水率大于14%；鋼纖維選用端鉤鋼纖維(長度30 mm，直徑0.5 mm)，其抗拉強度為1 100 MPa。

1.2 混凝土配合比設(shè)計及試件制備

按C80等級混凝土進行配合比設(shè)計，水膠比(質(zhì)量比)選定為0.25，減水劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的2%；按鋼纖維摻量(膠凝材料質(zhì)量百分比)0，1%和2%設(shè)計了三種配合比。

鑒于實驗目的，本次試驗分別測試試件的抗壓強度、抗折強度以及抗沖擊韌性等力學性能，具體試件尺寸、測試齡期及數(shù)量見表1。試件澆筑完成后，室內(nèi)放置24 h后脫模；隨后定期澆水并用濕毯保持濕度，養(yǎng)護至28 d。

1.3 力學性能測試方法

混凝土立方體抗壓強度按GB/T 50081—2019普通混凝土力學性能試驗方法標準中的相關(guān)方法進行測定，此處不再贅述。這里主要介紹抗折強度試驗和抗沖擊試驗。

表1 試驗試件及設(shè)計參數(shù)

1.3.1 抗折強度試驗

參照GB/T 50081—2019普通混凝土力學性能試驗方法標準開展不同齡期混凝土抗折強度試驗。對于本文采用的C80高強混凝土，試驗加載速率采用0.10 MPa/s；當試件接近破壞時，停止調(diào)整試驗機油門，直至試件破壞，并記錄破壞荷載F及試件下邊緣斷裂位置。

1.3.2 抗沖擊試驗

參照CECS 13:2009纖維混凝土試驗方法標準開展混凝土圓柱體(圓餅)抗沖擊試驗，實驗裝置示意圖見圖1。圖1中，鋼球質(zhì)量4.5 kg，沖擊高度1 m，為保證鋼球落點不偏離試件中心，將鋼球提升至預定高度后使其恰好固定于預先設(shè)定的凹槽內(nèi)，凹槽中心與試件中心連線垂直于試件表面。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗壓強度試驗

經(jīng)測定，三類高強混凝土在7 d,14 d和28 d齡期時的立方體抗壓強度實測值fcu(三個試件的平均值)中可以看出，對于三類高強混凝土，其抗壓強度隨養(yǎng)護齡期增大而逐漸提高，且三者的變化趨勢相當。在同一齡期下，混凝土抗壓強度隨鋼纖維含量的增大而增大，與未摻鋼纖維的HSC-SF0試件相比，摻加1%和2%鋼纖維的混凝土抗壓強度分別提高約14%和23%。由此可見，摻入鋼纖維在提高高強混凝土抗壓強度方面仍表現(xiàn)出優(yōu)越性。

可以認為，在高強混凝土中加入鋼纖維，由于鋼纖維從基體中拉斷時會產(chǎn)生一定的應力，一定程度上可以提高混凝土承受荷載的能力。此外，隨著受壓荷載的增加，混凝土中會產(chǎn)生一定的裂縫，鋼纖維的加入能夠阻礙裂縫的進一步發(fā)展，從而提高混凝土的整體性和延展性。

2.2 抗折強度試驗

對于棱柱體試件，其抗折強度可按式(1)計算。經(jīng)測定，三類高強混凝土28 d養(yǎng)護后的抗折強度實測值(三個試件的平均值)見表2。

(1)

其中，ff為混凝土抗折強度,MPa；F為試件被破壞荷載,N；L為支座間跨度，此處為300 mm；b為試件截面寬度，b=100 mm；h為試件截面高度，h=100 mm。

表2 高強混凝土試件抗折強度實測結(jié)果

由表2可知，混凝土抗折強度同樣隨鋼纖維含量的增大而增大，與未摻鋼纖維的HSC-SF0試件相比，摻加1%和2%鋼纖維的混凝土抗折強度分別提高13.3%和21.3%。相關(guān)文獻同樣采用鋼纖維(含量為0%,0.5%和1%)配置了C80級的高強混凝土，試驗得到了鋼纖維含量0.5%和1%的混凝土抗折強度比值分別為1.04和1.20，其提高效果與本文相當。由此可見，鋼纖維摻量(2%以內(nèi))的增大能有效提高高強混凝土的抗折強度，對改善高強混凝土的延性有一定作用。

對于強度等級為C80的高強混凝土，其高強度很可能引起混凝土的韌性不足。這里采用折壓比(見式(2))作為混凝土靜力韌性指標，分析鋼纖維的加入對高強混凝土韌性的影響，相關(guān)結(jié)果見表2。折壓比是衡量混凝土韌性的指標之一，折壓比越大，混凝土韌性越好。由表2結(jié)果可知，隨著鋼纖維含量的增大，混凝土折壓比呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，但增長幅度不大。但對比來看，鋼纖維的加入對混凝土靜力韌性有一定改善作用。

k=ff/fcu

(2)

其中，k為混凝土折壓比。

2.3 抗沖擊試驗

部分圓餅試件的沖擊破壞形態(tài)中，在沖擊試驗過程中，未摻加鋼纖維的HSC-SF0高強混凝土試件表面一旦出現(xiàn)損傷裂縫，下次沖擊時裂縫便快速發(fā)展，很快出現(xiàn)破壞，呈現(xiàn)典型的脆性破壞特征；而摻加鋼纖維的HSC-SF1和HSC-SF2高強混凝土試件的初裂沖擊次數(shù)明顯增加，試件表面的裂縫發(fā)展也較為緩慢，在此過程中可以發(fā)現(xiàn)裂縫間的纖維有拉結(jié)的現(xiàn)象，破壞過程較為緩慢，屬于延性破壞。

此時，對應的抗初裂沖擊耗能W1(J)、抗破壞沖擊耗能W2(J)可統(tǒng)一按式(3)計算。

W=Nmgh

(3)

其中，N為沖擊次數(shù)，分別取N1和N2；m為沖擊錘的質(zhì)量，此處取4.5 kg；g為重力加速度，取9.81 m/s2；h為沖擊錘下落高度，此處取1 m。

由數(shù)據(jù)的結(jié)果可知，對于未摻鋼纖維的試件，其初裂和破壞沖擊次數(shù)相差不大，且沖擊次數(shù)較小，能吸收消耗的沖擊能量也較小。而摻入鋼纖維后，混凝土的沖擊次數(shù)有明顯增大，鋼纖維混凝土對于沖擊能量的吸收能力也顯著提高。當鋼纖維含量從0%增大到2%時，試件的初裂和破壞沖擊次數(shù)呈現(xiàn)先提高后下降的趨勢；在鋼纖維含量為1%時，試件初裂與破壞沖擊次數(shù)達到峰值。其主要原因在于，在試件承受荷載后，鋼纖維與混凝土的界面首先出現(xiàn)裂縫；而隨著裂縫的進一步發(fā)展，鋼纖維開始承受荷載，與界面相交的鋼纖維起到了很好的增韌效果，促進了初裂和破壞沖擊次數(shù)的增大。參照文獻，本文采用延比性β、韌性系數(shù)C來評判鋼纖維混凝土的沖擊韌性，兩者的計算公式見式(4)，式(5)；相應的計算結(jié)果見表3。

β=(N2-N1)/N1

(4)

C=W2,i/W2,0

(5)

其中，N1,N2分別為初裂、破壞沖擊次數(shù)；W2,i為試件的抗破壞沖擊耗能；W2,0為未摻鋼纖維試件的抗破壞沖擊耗能。

表3 高強混凝土沖擊韌性分析

由表3結(jié)果可得，未摻鋼纖維混凝土受到?jīng)_擊荷載時，延比性β非常小(接近于0)，符合試件的脆性破壞特性；當鋼纖維含量為1%時，試件的韌性系數(shù)C和延比性β均達到最大值，這是因為在裂縫擴展階段，鋼纖維的橋接作用消耗了大量的沖擊功，增韌效果明顯；當鋼纖維含量增至2%時，試件的韌性系數(shù)C和延比性β均出現(xiàn)了下降，但仍高于未摻鋼纖維混凝土試件；其原因是鋼纖維摻入量增加，使得鋼纖維表面增加，而混凝土內(nèi)的水泥漿不足以完全包裹鋼纖維，導致界面處的黏結(jié)力降低，混凝土內(nèi)出現(xiàn)較多薄弱區(qū)，在沖擊荷載作用下，界面的薄弱區(qū)產(chǎn)生集中應力，當應力大于黏結(jié)力時，鋼纖維脫粘被拔出，降低了鋼纖維對韌性的增加效果，減少了對沖擊能量的吸收。結(jié)合相關(guān)文獻的試驗結(jié)果，對比分析了鋼纖維含量對混凝土韌性系數(shù)影響，可以看出，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土沖擊韌性系數(shù)均呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，當鋼纖維摻量為1%時，韌性系數(shù)均達到最大值。故可以認為，對于C80級高強混凝土，為了取得較好的抗沖擊性能和沖擊韌性，建議將鋼纖維摻量取為1%左右。

3 結(jié)論

1)對于C80級高強混凝土，鋼纖維的加入(摻量2%以內(nèi))能有效提高混凝土的抗壓強度。2)高強混凝土的抗折強度也隨著鋼纖維含量的增大而逐漸提高，但由于抗壓強度的提高，試件折壓比隨鋼纖維含量增大的提高幅度不大。3)隨著混凝土強度的提高，混凝土脆性問題突出，而鋼纖維與高強混凝土的復合效應，能有效改善混凝土的增強、增韌和阻裂效應，從而有效改善混凝土的脆性問題，提高高強混凝土的韌性。對于C80級高強混凝土，當鋼纖維摻量取為1%左右時，取得的增韌效果最好。