超短鋼纖維混凝土動態三點彎曲性能研究

劉永勝

(華東交通大學 土木建筑學院，江西 南昌 330013)

超短鋼纖維混凝土動態三點彎曲性能研究

劉永勝

(華東交通大學 土木建筑學院，江西 南昌 330013)

利用導軌式落錘試驗機開展了不同含量超短鋼纖維混凝土試件的動態三點彎曲試驗，對獲得的加速度與時間關系曲線和各試件的荷載—位移曲線進行分析，并對試件的斷裂能進行了計算。試驗結果表明：當纖維含量較低時，超短鋼纖維能夠提高混凝土的動態三點彎曲承載能力，斷裂能隨纖維摻量提高而明顯提高;當纖維含量過高時，隨纖維含量的提高，試件的動態三點彎曲承載能力下降，斷裂能隨纖維摻量的提高而降低;最佳纖維摻量為3.0%。依據試驗結果提出了纖維摻量為0～3.0%時超短鋼纖維混凝土動態三點彎曲斷裂能的計算公式和相關參數。

鋼纖維混凝土 三點彎曲 動態 斷裂能

沖擊荷載是防護工程、機場跑道、高速鐵路軌道等工程結構承受的主要荷載，材料的抗沖擊韌性是影響上述結構穩定性和耐久性的重要因素。在混凝土基體中摻入超細超短鋼纖維能夠提高混凝土材料的強度，改變破壞形態，提高抗沖擊韌性［1］。斷裂能是描述材料斷裂韌性的重要參數之一，其測試方法有直接拉伸法、楔劈拉伸法、三點彎曲梁法和緊湊拉伸法。對混凝土材料而言，三點彎曲梁法是常用的測試斷裂能的方法［2-7］。

本文利用導軌式落錘試驗機對不同含量超短鋼纖維混凝土開展了沖擊三點彎曲試驗，得到材料的動態三點彎曲荷載—位移曲線，并結合超短鋼纖維混凝土動態三點彎曲的破壞特點，分析材料的斷裂能。

1 材料和試件

試件制作材料包括:長6 mm、長徑比為40的表面鍍銅超細超短高強鋼纖維;P．O42.5級水泥;600目普通硅微粉，粉煤灰;粒徑為5～10 mm碎石;細度模數為2.9的粗砂;高效減水劑;普通自來水。

試件為截面160 mm×40 mm的長方體。尺寸較小，斷裂面在試驗后易于測量到，由于預制切口可能導致試件的纖維分布不均勻，所以試件未預制切口。試件設計素混凝土的水灰比為0.28，設計強度為45 MPa。試件材料用量及分組情況如表1所示。

表1 試件材料用量

2 試驗裝置及測試系統

導軌式落錘試驗機錘頭的最大落高為1.8 m，質量調節范圍為2.58～11.80 kg。為了方便安裝加速度傳感器，采用了楔形中空錘頭，楔形角約為34°。通過錘頭中的加速度傳感器測得錘頭的加速度信號，然后經放大存放到波形存儲器中，并與計算機連接成數據測試和記錄系統。試件對稱地放置在圓柱形支撐上，并用橡皮筋將試件固定，既使錘頭下落時剛好沖擊在試件的中點，又要防止試件受到沖擊后彈離支座。試件安裝和加載如圖1所示。

圖1 試件安裝和加載示意

落錘被提升到預定的高度后，自由釋放，落錘沿導軌自由下落，沖擊試件。假定錘頭為剛體，忽略錘頭對試件的二次沖擊以及外界干擾的影響，則沖擊速度V(t)和沖擊點的位移S(t)分別為［8］

式中，V0是錘頭沖擊試件的初速度，a(t)是加速度。根據錘頭上的加速度，可以算出試件所受的荷載F(t)為

式中，M為錘頭和配重的總質量。

由式(1)～式(3)，可得到試件動態三點彎曲的荷載—變形曲線及應變能、斷裂韌度等參數。

3 試驗結果及分析

3.1 加速度與時間的關系曲線

由于試驗環境中其它信號的干擾，試驗測得的加速度信號較分散，必須對所得信號進行高頻濾波處理。處理后的加速度與時間關系曲線如圖2所示。由圖2可知，加速度曲線有兩個峰值。這是由于混凝土試件為脆性材料，在錘頭沖擊試件初期，試件表面的材料脫落，錘頭受到的約束反力下降，加速度下降，出現第一個峰值;當試件臨近破壞時，試件承載能力下降，錘頭的加速度下降，加速度出現第二次峰值。

3.2 荷載—位移關系曲線

圖2 加速度與時間關系曲線

把測得的加速度信號采用式(2)和式(3)處理后，可得到荷載—位移關系曲線，如圖3所示。可知:當鋼纖維含量較低時，隨著纖維摻量的增加，試件的承載能力和變形能力顯著提高;當纖維含量較高時，隨著纖維摻量的增加，試件的承載能力和變形能力反而降低。這種規律與纖維混凝土的抗壓性能相同，即纖維對混凝土的增強增韌效果并非纖維摻量越高效果越佳，而是存在一個最佳纖維摻量。本試驗說明摻量SF=3%時最佳。

圖3 超短鋼纖維混凝土荷載—位移曲線

另外，為了研究纖維類型對試件動態彎曲的影響，本文還開展了普通短切鋼纖維混凝土的動態三點彎曲梁試驗，得到兩種不同類型纖維混凝土的荷載—位移曲線，如圖4所示。

由圖4可知，超短鋼纖維混凝土與普通鋼纖維混凝土的動態三點彎曲荷載—位移曲線基本一致，但超短鋼纖維混凝土的承載能力比普通鋼纖維混凝土稍高一些。

圖4 不同纖維類型混凝土的荷載—位移曲線

3.3 動態斷裂能分析

斷裂能是指形成單位斷裂面所需要消耗的能量，以GF表示。纖維混凝土的斷裂能通常采用帶切口的三點彎曲試驗來測試其斷裂能［9］，忽略試件加載變形過程的能量損耗，其計算公式為

式中:W0是外荷載對試件做功，通常采用荷載—位移曲線下包圍的面積計算;Wg是指試件自重在試件變形過程中做的功;A為試件斷口的面積。在本試驗中，假設試件跨中位移為1 mm時試件已經斷裂。斷裂能計算結果見表2。

表2 外荷載及試件自重做功

由表2知，與外荷載功相比，試件自重做功非常小。因此在計算材料斷裂能時，忽略試件自身重力功。斷裂能的變化規律與試件的動態三點彎曲承載力相似，當SF＜3.0% 時，鋼纖維混凝土的動態斷裂能隨著纖維含量的增加而提高;當SF＞3.0% 時，鋼纖維混凝土的動態斷裂能隨著纖維含量的增加而降低。這主要是由于在低摻量時，隨著纖維摻量的提高，由于纖維的橋聯效果，增加了試件破壞所需的能量;而當纖維含量超過某一極限值時，纖維與混凝土基體的粘結強度下降，因而所需的斷裂能下降。對于鋼纖維含量0～3.0%時的動態斷裂能GfF可由下式計算

式中，aF為鋼纖維對鋼纖維混凝土動態斷裂能的增益系數，λF為鋼纖維含量特征參數(鋼纖維的體積率SF與長徑比的乘積)，G0F為鋼纖維體積率為0的動態斷裂能。鋼纖維含量 SF=1.5% 時，λF=0.6，aF=0.2;鋼纖維含量 SF=3.0% 時，λF=1.2，aF=8.4。

4 結論

本文采用導軌式落錘試驗機開展了超短鋼纖維混凝土的動態三點彎曲梁試驗，得到如下結論:

1)當纖維含量較低時，超短鋼纖維能夠提高混凝土的動態三點彎曲的承載能力;當纖維含量過高時，隨纖維含量的提高，試件的動態三點彎曲承載能力下降。通過試驗證明，最佳纖維摻量為3.0%。

2)采用荷載—位移曲線的軟化段能很好地計算試件的斷裂能。在纖維摻量＜3.0%時，斷裂能隨纖維摻量提高而明顯提高;當纖維摻量＞3.0%時，斷裂能隨纖維摻量的提高而降低。

3)針對超短鋼纖維混凝土沖擊三點彎曲的變形破壞特點，結合試驗結果提出了纖維摻量0～3.0%時超短鋼纖維混凝土動態三點彎曲斷裂能的計算公式和相應參數。

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TU528．572

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．50

1003-1995(2013)04-0163-03

2012-06-20;

2013-01-18

國家自然科學基金項目(71074076);住房與城鄉建設部項目(2010-K4-4)

劉永勝(1974— )，男，江西余干人，副教授，博士。

(責任審編 李付軍)