鋼纖維混凝土受壓韌性評(píng)價(jià)

倪亮 陳升平

摘要：對(duì)鋼纖維混凝土進(jìn)行了單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，結(jié)合已有鋼纖維混凝土受壓韌性的理論方法與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別研究了鋼纖維類型、摻入率、混凝土強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)混凝土韌性指數(shù)的影響規(guī)律。

Abstract： Uniaxial compression experiments were carried out on steel fiber concrete. Combining with the existing theoretical methods and experimental data of compressive toughness of steel fiber concrete， the influence rules of steel fiber type， admixture rate， concrete strength and other parameters on concrete toughness index were studied.

關(guān)鍵詞：韌性指數(shù);鋼纖維;混凝土

Key words： toughness index;steel fiber;concrete

中圖分類號(hào)：U454，TU528.572? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）22-0157-02

0? 引言

在近半個(gè)世紀(jì)以來，國(guó)際范圍內(nèi)因混凝土發(fā)生脆性破壞，以致結(jié)構(gòu)失效的現(xiàn)象數(shù)不勝數(shù)，為使混凝土有更高的適用性，有許多學(xué)者對(duì)纖維混凝土進(jìn)行了研究，例如Ning [1]研究了不同尺度的聚丙烯纖維和混合纖維對(duì)混凝土壓縮變形的影響，他認(rèn)為摻混纖維可以提高混凝土的抗壓韌性。Wu[2]的試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入1～3%的直鋼纖維，可使混凝土抗壓強(qiáng)度增加8～32%，但摻入率達(dá)到3%時(shí)，對(duì)混凝土韌性的提升卻不再明顯?？梢妼?duì)于鋼纖維混凝土受壓韌性方面的相關(guān)研究較有限。

1? 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

選用華興水泥（P.O42.5），碎石（5～20mm），中粗河沙（細(xì)度模數(shù)2.5～3.0）、鋼纖維、水及適量減水劑等作為試驗(yàn)原材料。其中，鋼纖維參數(shù)如表1。

本試驗(yàn)共制作了18組Φ150×300鋼纖維混凝土圓柱體試件，每組試件3個(gè)，以混凝土強(qiáng)度等級(jí)（C30、C40、C50）、鋼纖維摻入率（1.0%、1.3%、1.6%）及類型（多錨固點(diǎn)型、剪切型）三個(gè)因素作為試驗(yàn)變量進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)。

2? 試驗(yàn)方法

在電液伺服萬能壓力試驗(yàn)機(jī)上對(duì)圓柱體試件進(jìn)行壓縮測(cè)試，試件兩端中部對(duì)稱貼2個(gè)電阻應(yīng)變片，并固定兩個(gè)標(biāo)距100mm的位移傳感器測(cè)量軸向位移，將試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)使用應(yīng)變采集儀DH3816及對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行采集，試驗(yàn)加載布置如圖1所示。

具體流程為：

①將圓柱體試件從標(biāo)準(zhǔn)蒸汽養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28天后取出，檢查外觀是否有破損。②使用直尺測(cè)量，并用記號(hào)筆標(biāo)記出位移傳感器支架的固定位置，然后將位移傳感器固定在圓柱體試件正對(duì)中心線的兩側(cè)。③位移傳感器連接應(yīng)變儀后，根據(jù)計(jì)算機(jī)顯示的數(shù)值，確定位移傳感器能完好使用后，進(jìn)行“歸0”設(shè)置。④試件受壓面為直徑150mm的圓，每次試驗(yàn)前需在試件的上下端表面用打磨機(jī)打磨平整，然后用濕紙巾擦干，下端用細(xì)砂找平，并用水平尺多次測(cè)試水平，以保證試件上下表面與上下壓板保持水平。⑤需進(jìn)行一次預(yù)加載，采用應(yīng)力控制方式，荷載至50kN后，采用速率0.003m/s的位移控制持續(xù)加載，及時(shí)記錄試驗(yàn)所需的相關(guān)數(shù)據(jù)。⑥根據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)使用Origin軟件繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過計(jì)算得出各試驗(yàn)組的韌性指數(shù)。

3? 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在混凝土中摻入鋼纖維能夠顯著提高試件的變形性能，限制裂縫的發(fā)展，從而提高結(jié)構(gòu)韌性。本文主要采用依據(jù)文獻(xiàn)[1]中對(duì)韌性指數(shù)的定義，本文中韌性指數(shù)定義為當(dāng)軸向應(yīng)力減小到50%時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段與下軸線圍成面積同上升段與軸線圍成面積的比值，以前的研究人員也曾采用過類似的定義[3]-[4]。

所得出的主要試驗(yàn)結(jié)果如表2。

3.1 鋼纖維類型對(duì)混凝土韌性指數(shù)的影響

將兩種鋼纖維混凝土所有試驗(yàn)組的韌性指數(shù)進(jìn)行平均后對(duì)比，可以得出鋼纖維類型對(duì)混凝土韌性的影響，如圖2?；炷翉?qiáng)度為CF30和CF40時(shí)，摻入率為1～1.6%的多錨固點(diǎn)型鋼纖維使混凝土平均韌性指數(shù)分別達(dá)到了2.92和2.8，從數(shù)值上看，均高于剪切型鋼纖維混凝土的平均韌性指數(shù)，因此多錨固點(diǎn)型鋼纖維對(duì)混凝土韌性增強(qiáng)優(yōu)于剪切型鋼纖維。但在CF50這種較高強(qiáng)度時(shí)，多錨固點(diǎn)型鋼纖維的平均韌性指數(shù)卻不如剪切型。說明兩種鋼纖維對(duì)混凝土韌性增強(qiáng)效果在不同強(qiáng)度等級(jí)上有差異，在較低強(qiáng)度下，多錨固點(diǎn)型鋼纖維的增韌效果較剪切型的要好，然而混凝土在較高強(qiáng)度時(shí)，剪切型鋼纖維能帶給混凝土更顯著的增韌效果。

3.2 鋼纖維摻入率對(duì)混凝土韌性指數(shù)的影響

CF30及CF40強(qiáng)度下，兩種鋼纖維混凝土的韌性指數(shù)在鋼纖維摻入率為1.6%時(shí)，各組試件的韌性指數(shù)均達(dá)到最高。因此，鋼纖維摻入率達(dá)到1.6%時(shí)，對(duì)混凝土韌性指數(shù)的影響最大，如圖3（a）～（b）。CF50強(qiáng)度下，剪切型鋼纖維的摻入率為1.3%時(shí)，其韌性指數(shù)高于其他摻入率的混凝土，因此對(duì)混凝土韌性影響最佳;同理，多錨固點(diǎn)型鋼纖維摻入率為1.6%時(shí)，對(duì)混凝土韌性影響最佳，如圖3（c）。

3.3 混凝土強(qiáng)度對(duì)混凝土韌性指數(shù)的影響

圖4表示為不同強(qiáng)度混凝土在各鋼纖維摻入率下的平均值，當(dāng)強(qiáng)度等級(jí)從CF30上升至CF40，韌性指數(shù)降低了6.11%，強(qiáng)度從CF40上升至CF50時(shí)，韌性指數(shù)卻從2.61變?yōu)?.18，降幅達(dá)到16.48%。整體而言，在較低強(qiáng)度下鋼纖維對(duì)于混凝土有著顯著的增韌效果，混凝土強(qiáng)度在CF50時(shí)，結(jié)構(gòu)脆性變大，韌性指數(shù)與C30及C40強(qiáng)度混凝土相比有較明顯的減少。鋼纖維對(duì)低強(qiáng)度混凝土的增韌效果較其他強(qiáng)度而言更好，韌性指數(shù)在CF30強(qiáng)度時(shí)最大。

在CF30及CF40強(qiáng)度下，摻入率1.6%的多錨固點(diǎn)型鋼纖維混凝土增韌最好，在CF50強(qiáng)度下，摻入率為1.3%的剪切型鋼纖維混凝土增韌性最好。

4? 結(jié)論

①鋼纖維對(duì)C30強(qiáng)度混凝土的增韌效應(yīng)顯著高于C40及C50強(qiáng)度混凝土。②混凝土強(qiáng)度為C30和C40，鋼纖維摻入率為1～1.6%，韌性指數(shù)隨著鋼纖維的摻入率增加而增加。③多錨固點(diǎn)型鋼纖維混凝土的韌性指數(shù)在CF30及CF40強(qiáng)度下，高于剪切型鋼纖維混凝土，但CF50強(qiáng)度下，剪切型鋼纖維對(duì)多錨固點(diǎn)型鋼纖維的韌性影響更顯著，其最佳的摻入率為1.3%。

參考文獻(xiàn)：

[1]Ning HuiLiang.Experimental Study of Compression for Multi-scale Polypropylene Fiber Concrete.[C]. International Conference on Civil Engineering， Architecture and Building Materials （CEABM 2012）.

[2]Zemei Wu， Caijun Shi， Kamal Henri Khayat. Investigation of mechanical properties and shrinkage of ultra-high performance concrete： Influence of steel fiber content and shape，composites[J].Part B： Engineering，Volume 174， 2019，107021， ISSN 1359-8368.

[3]M.A. Mansur， M.S. Chin， T.H. Wee.Stress-strain relationship of high-strength fiber concrete in compression [J]. Mater. Civ. Eng. ASCE， 1999， 11 （1）： 21-29.

[4]J.J. Zhou， J.L. Pan， C.K.Y. Leung. Mechanical behavior of fiber-reinforced engineered cementitious composites in uniaxial compression[J]. Mater. Civ. Eng.， 2014， 27（1）.

作者簡(jiǎn)介：倪亮（1995-），男，湖北武漢人，碩士研究生。