FAAFRC單軸受壓力學性能研究

汪 潔，黃志強，姜詔宇

(沈陽工業大學 建筑與土木工程學院，遼寧 沈陽 110870)

0 前 言

纖維混凝土是一種包含基體相(混凝土)和增強相(纖維)的多相復合材料，通過對纖維種類、纖維體積率、纖維長徑比、纖維形狀的控制，可以改善普通混凝土抗拉強度較低、抗裂性能較差、耐久性較差、抗高溫性能較弱等缺點。國內外許多學者對纖維混凝土進行了研究，閆長旺等[1]研究發現在混凝土中摻入適量的PVA纖維可以改善混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。陳升平等[2]認為：摻入鋼纖維可以提升混凝土的抗壓強度，但在高強混凝土中提升幅度弱于低強混凝土。沈才華等[3]研究發現，峰值強度隨PVA纖維摻量的增加呈先增加后降低的趨勢。鐘光淳等[4]研究發現鋼纖維和PVA纖維對混凝土都有增韌效果。張玉杰等[5]研究發現鋼纖維對混凝土軸心受壓強度有一定提升，但提升幅度較小。可以看出，纖維摻入混凝土后，不僅可以提升其韌性，其抗壓強度還可得到一定提升，但部分研究[6-7]表明，纖維摻入混凝土后，其抗壓強度隨纖維摻量的增加而下降。綜上所述，可見纖維對混凝土并非都是正向效應，纖維對混凝土的效應隨纖維種類的不同可能產生不同效果。

本文通過幾組不同纖維組合條件的鐵基非晶合金纖維混凝土(Fe-based amorphous alloy fiber reinforced concrete,FAAFRC)的單軸受壓試驗，分析纖維摻量、纖維長度對混凝土軸心抗壓強度和抗壓韌性的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料與配合比

水泥：采用本溪山水工源水泥生產的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；水：采用沈陽市鐵西區居民自來水；細骨料：采用細度模數為2.6，粒徑為0～4.75 mm的曬干篩后的優質河砂；粗骨料：采用粒徑為5～20 mm的連續級配碎石；粉煤灰：采用遼寧建科粉煤灰應用技術研究所生產的粉煤灰；纖維：采用佛山市中研非晶科技股份有限公司生產的鐵基非晶合金纖維。

采用上述材料，設計基準混凝土，其配合比見表1。

表1 基準混凝土試驗配合比 單位：kg/m3

在基準混凝土基礎上，設計6組不同纖維條件的試件，見表2。

表2 試件設計

1.2 試件制作與養護

根據《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13:2009)規范,混凝土受壓試件選用100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件。試件制作時，為確保纖維混凝土各組分攪拌均勻，先對水泥、碎石、砂、粉煤灰、纖維等進行干拌，待干拌2 min后再倒入水和減水劑的混合溶液，攪拌2 min后出鍋裝模，在振動臺上進行振搗，并在標準養護條件下養護28 d。

1.3 加載裝置與加載制度

試驗機選用帶有四個高強鋼柱的YAW-J500F微機控制電液伺服壓剪試驗機，以保證試驗過程中具有足夠的剛度可以測得荷載-位移全曲線。加載時先進行預加載，預加載速率為0.5 kN/s，待50 kN后由荷載控制轉為位移控制，加載速率為0.1 mm/min，直至由于試件變形過大而不能繼續進行試驗時停止試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 破壞形態

摻入纖維的混凝土試件在峰值荷載后，應力下降速率較素混凝土試件平緩，試件側表面出現明顯的宏觀大裂縫并伴隨有較多微小裂縫產生，隨加載的持續，有混凝土碎塊脫落并伴有爆鳴聲，并有纖維被拔出，為延性破壞，試驗結束后，纖維混凝土未發生崩壞，表現出較好的完整性。圖1為受壓破壞試件。

圖1 受壓破壞試件

2.2 荷載-位移曲線

摻入鐵基非晶合金纖維對混凝土基體的峰值應變和峰值應力為正向效應，但隨纖維體積摻量的增加，峰值位移隨之增加，峰值荷載呈先增大后減小的趨勢，這是由于纖維體積摻量增加時，混凝土基體與纖維界面薄弱部增多，當纖維對混凝土的增強作用不足以抵消纖維帶來的負面效應時，混凝土強度將表現為隨纖維體積摻量的繼續增加而下降。

纖維長度為17 mm時，相較13 mm和15 mm，混凝土應力-應變曲線下降段更為平緩，曲線與坐標軸所圍面積最大，試件破壞時可以吸收更多的能量，這是由于纖維較長時，與混凝土基體接觸面積較大，可以得到較好的粘結力，破壞拔出時需要吸收更多能量，混凝土韌性提升較大。圖2為荷載-位移曲線。

(a)纖維摻量影響

(b)纖維長度影響

2.3 軸心抗壓強度

軸心抗壓強度計算式如下：

(1)

式中,fcu,0為軸心抗壓強度;Fmax為峰值荷載;A為截面面積。

計算結果見表3。由圖2和表3可知，鐵基非晶合金纖維混凝土軸心抗壓強度隨纖維體積率的先增加后減小，纖維長度對軸心抗壓強度影響較小，這是由于鐵基非晶合金纖維是一種高斷裂韌性、低彈性模量且表面光滑的材料，摻入混凝土基體后，主要承擔基體內部裂縫兩端的拉應力，在纖維摻量增加時，基體內部單位體積存在的纖維增多，反而會致使初始微裂縫和孔隙的產生，導致混凝土強度較低。

表3 鐵基非晶合金纖維混凝土軸心抗壓強度 單位：MPa

2.4 抗壓韌性

抗壓韌性以應力-應變曲線上升段某點、峰值應力點、下降段的某點作為特殊點，進行范圍選取，具體為：選取荷載-位移曲線上升段峰值荷載50%所在點，記為點A，峰值荷載點，記為點B，下降段峰值應力50%所在點，記為點C。韌性指數即為曲線AB和坐標橫軸所圍面積與曲線BC和坐標橫軸所圍面積，如圖3所示。計算式如下：

(2)

式中，S1,0.5為荷載-位移曲線中曲線AB和坐標橫軸所圍面積；S2,0.5為應力-應變曲線中曲線BC和坐標橫軸所圍面積。

圖3 韌性指數法示意圖

韌性指數計算結果見表4。由表4可知，鐵基非晶合金纖維混凝土的抗壓韌性隨纖維摻量和纖維長度的增加而增加，但纖維長度較大時，對抗壓韌性的提升幅度較小。

表4 FAAFRC抗壓韌性指數

圖4為鐵基非晶合金纖維混凝土抗壓韌性。

(a)纖維摻量對抗壓韌性影響

(b)纖維長度對抗壓韌性影響

3 結 論

1)鐵基非晶合金纖維混凝土相較素混凝土下降段較平緩，試件表現出較好的完整性，為塑性破壞。

2)軸心抗壓強度隨纖維體積摻量的增加先增后減，在0.2%取得最大值，纖維長度對抗壓強度影響較小。

3)鐵基非晶合金纖維混凝土的抗壓韌性隨纖維摻量和纖維長度的增加而增加，但纖維長度較大時，對抗壓韌性的提升幅度較小

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