鋼纖維阻裂增強(qiáng)頁巖陶粒混凝土機(jī)理分析

楊明宇 王 超 張 浩

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院機(jī)場工程與保障系，江蘇 徐州 221000； 2.中國人民解放軍94676部隊(duì)營房股，上海 202150)

鋼纖維阻裂增強(qiáng)頁巖陶粒混凝土機(jī)理分析

楊明宇1王 超1張 浩2

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院機(jī)場工程與保障系，江蘇 徐州 221000； 2.中國人民解放軍94676部隊(duì)營房股，上海 202150)

主要分析了鋼纖維阻裂增強(qiáng)頁巖陶粒混凝土的機(jī)理，并通過機(jī)理利用抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)擬合了鋼纖維體積摻量和抗壓強(qiáng)度的線性關(guān)系，指出將鋼纖維摻入頁巖陶粒混凝土，能起到阻裂增強(qiáng)的作用。

鋼纖維，頁巖陶粒混凝土，阻裂，增強(qiáng)

0 引言

頁巖陶粒混凝土是一種輕骨料混凝土，摻鋼纖維后，頁巖陶粒混凝土的強(qiáng)度得到提升，內(nèi)部的微裂縫受到抑制。目前，有關(guān)鋼纖維增強(qiáng)頁巖陶粒混凝土的試驗(yàn)研究較全面，而關(guān)于鋼纖維阻裂增強(qiáng)頁巖陶粒混凝土機(jī)理分析仍有待總結(jié)。因此，本文對鋼纖維阻裂增強(qiáng)頁巖陶粒混凝土機(jī)理進(jìn)行了分析，并依據(jù)機(jī)理建立了新增強(qiáng)模型，擬合了鋼纖維體積摻量和抗壓強(qiáng)度的線性關(guān)系。

1 鋼纖維阻裂機(jī)理分析

抑制微裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展是鋼纖維實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)增韌頁巖陶粒混凝土基體的途徑。它的阻裂作用主要從兩方面展開：

1)澆筑養(yǎng)護(hù)時抑制微裂縫生成。澆筑成型頁巖陶粒混凝土后，由于內(nèi)部水分的流動形成了很多孔隙。由于混凝土外部的失水蒸發(fā)速率大于內(nèi)部，水會通過這些孔隙由內(nèi)向外運(yùn)動，使得孔隙的液面成為凹形液面，產(chǎn)生拉應(yīng)力，促使微裂縫的產(chǎn)生。將4鋼纖維摻入頁巖陶粒混凝土后，一方面使水移動的有效面積減少，增加了水分遷移的難度，減弱了孔隙失水收縮的張力；另一方面，鋼纖維與頁巖陶粒混凝土基體之間形成的粘結(jié)力和咬合力，增強(qiáng)了混凝土開裂所需的能量，減少微裂縫的產(chǎn)生。2)承載時阻止微裂縫擴(kuò)展。承受荷載時，混凝土內(nèi)部微裂縫的兩端容易應(yīng)力集中，一旦裂縫端頭的集中應(yīng)力大于混凝土局部承載力，裂縫會急劇擴(kuò)展，加速形成宏觀裂紋，使混凝土斷裂破壞。摻入鋼纖維后，有兩種情形：當(dāng)相鄰鋼纖維的間距大于微裂縫的長度時，微裂縫向前的擴(kuò)展會受到鋼纖維的阻力，強(qiáng)迫裂縫改變擴(kuò)展方向，加大了裂縫擴(kuò)展的能量消耗；當(dāng)相鄰鋼纖維的間距小于微裂縫的長度時，鋼纖維將橫跨裂縫，傳遞裂縫所受的應(yīng)力，減輕裂縫兩端的應(yīng)力集中，使混凝土內(nèi)部的應(yīng)力場更加均勻分布。綜合兩種情形可見，鋼纖維的摻入對混凝土微裂縫擴(kuò)展有較強(qiáng)的阻止作用。

2 鋼纖維增強(qiáng)機(jī)理分析

關(guān)于鋼纖維增強(qiáng)機(jī)理的解釋尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，其中以復(fù)合材料理論和纖維間距理論引用解釋次數(shù)較多。兩種理論從不同的角度解釋鋼纖維增強(qiáng)機(jī)理，效果都較好。1)復(fù)合材料理論。復(fù)合材料理論最初用于解釋高彈模纖維增強(qiáng)延性材料的作用機(jī)理，一般將高彈模纖維和延性材料形成的復(fù)合材料視為多相體系，整體的力學(xué)性能為單相組分性能的和值。該理論假定所有纖維都均勻分布，且方向與受力方向相同；纖維與延性材料應(yīng)變相等，無交錯滑動；纖維與延性材料均發(fā)生彈性變形。將復(fù)合材料理論[1]應(yīng)用于鋼纖維混凝土，得到鋼纖維混凝土內(nèi)部應(yīng)力為：δc=δtρf+δmρm。其中，ρf，ρm分別為鋼纖維與混凝土基體的體積率，和為1；δc，δt，δm分別為鋼纖維混凝土、鋼纖維和混凝土基體所受的應(yīng)力大小。但是，鋼纖維在混凝土基體三維空間內(nèi)雜亂分布且不連續(xù)。混凝土基體發(fā)生初裂后，應(yīng)變也與鋼纖維的應(yīng)變有所不同。由此可見，復(fù)合材料理論的假設(shè)過于理想化，為貼近鋼纖維混凝土的實(shí)際力學(xué)響應(yīng)，必須考慮鋼纖維的有效方向系數(shù)、鋼纖維和混凝土基體的粘結(jié)程度和鋼纖維長徑比等因素。2)纖維間距理論。纖維間距理論以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，認(rèn)為普通混凝土在承載前已經(jīng)存在微裂縫。當(dāng)混凝土承受荷載時，微裂縫的兩端發(fā)生應(yīng)力集中，繼續(xù)向前擴(kuò)展，與附近其他微裂縫匯合形成更大的裂縫，最后發(fā)展至貫穿混凝土的宏觀裂紋。摻入鋼纖維后，鋼纖維在混凝土基體破壞時對開裂的水泥漿體提供粘結(jié)力，阻止延緩混凝土的繼續(xù)破壞。所以，纖維間距理論主要在于強(qiáng)調(diào)鋼纖維對混凝土裂縫產(chǎn)生發(fā)展的抑制作用。綜合分析兩種理論，發(fā)現(xiàn)鋼纖維在頁巖陶粒混凝土基體中的增強(qiáng)效果主要取決于兩種因素：鋼纖維的摻量和自身特性。頁巖陶粒混凝土基體在破壞前，內(nèi)部的微裂縫持續(xù)擴(kuò)展，基體呈現(xiàn)開裂的趨勢。鋼纖維處于開裂基體的兩端，對開裂基體起到橋聯(lián)的作用，能夠抑制裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，并且鋼纖維摻量的增加能增強(qiáng)橋聯(lián)的效果。而鋼纖維的自身特性包括鋼纖維的長徑比和形狀，這些因素影響鋼纖維與頁巖陶粒混凝土基體的粘結(jié)力大小，決定著單根鋼纖維對混凝土基體的橋聯(lián)作用強(qiáng)弱。因此，選擇合適的鋼纖維摻量和類型在鋼纖維增強(qiáng)頁巖陶粒混凝土基體效果中至關(guān)重要。

3 新增強(qiáng)模型的建立

鋼纖維摻入頁巖陶粒混凝土基體后，起著增強(qiáng)的作用。本文建立一種新增強(qiáng)模型，用文獻(xiàn)[2]中的抗壓試驗(yàn)強(qiáng)度數(shù)據(jù)代入模型進(jìn)行擬合，求得模型參數(shù)，找出增強(qiáng)效果最好時的鋼纖維摻量，抗壓試驗(yàn)強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表1。

表1 靜態(tài)抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)

新模型以鋼纖維頁巖陶粒混凝土某一截面為研究對象，對截面的力學(xué)關(guān)系進(jìn)行分析：

δc=δm(1-ρf)+δtρf。

其中，ρf為鋼纖維體積率；δc為鋼纖維頁巖陶粒混凝土所受應(yīng)力的大小，即為抗壓強(qiáng)度；δt為鋼纖維所受應(yīng)力大小，而鋼纖維一般被拔出，非破壞，所以δt又可表示為鋼纖維與頁巖陶粒混凝土基體的界面強(qiáng)度；δm為頁巖陶粒混凝土基體所受應(yīng)力大小，即頁巖陶粒混凝土基體抗壓強(qiáng)度。

由于所用鋼纖維為單一類型，長徑比和形狀不變，而ρf相關(guān)的一次線性函數(shù)不能精準(zhǔn)反映鋼纖維摻量變化對鋼纖維頁巖陶粒混凝土的影響，所以認(rèn)為模型中δt只與ρf相關(guān)。對公式進(jìn)行改造，得：

將文獻(xiàn)[2]5種不同鋼纖維頁巖陶粒混凝土的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)代入模型中，用Matlab軟件調(diào)用cftool工具箱進(jìn)行擬合，得出模型參數(shù)A=24.15，B=749.7，相關(guān)系數(shù)R=0.996 5，擬合效果較好，模型的擬合效果見圖1，可知鋼纖維增強(qiáng)效果最好時鋼纖維摻量為1.6%。

[1] 王 鵬.陶粒混凝土基本力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2008.

[2] 楊明宇,劉道永，李彥龍.鋼纖維摻量對頁巖陶粒混凝土抗壓性能影響研究[J].山西建筑,2015，41(25)：129-131.

Analysis on steel fiber crack resistance increased shale ceramsite concrete mechanism

Yang Mingyu1Wang Chao1Zhang Hao2

(1.EngineeringandSecurityServiceDepartment,TheAirForceInstitute,Xuzhou221000,China; 2.94676PartArmyBarracks,TheChinesePeople’sLiberation,Shanghai202150,China)

This paper mainly analyzed the steel fiber crack resistance increased shale ceramsite concrete mechanism, and through the mechanism using the compression strength data fitting the linear relationship of steel fiber volume content and compression strength, pointed out that made the steel fiber mixed with shale ceramsite concrete, could have the effect of crack resistance enhancement.

steel fiber, shale ceramsite concrete, crack resistance, increased

1009-6825(2015)30-0110-02

2015-08-14

楊明宇(1992- )，男，在讀碩士

TU528.2

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