鋼纖維高強混凝土靜、動力性能試驗研究

趙瑞斌，徐慎春，劉中憲，李嚨昊

（1.天津城建大學土木工程學院，天津 300384；2.天津大學建工學院，天津 300372）

鋼纖維高強混凝土靜、動力性能試驗研究

趙瑞斌1，徐慎春2，劉中憲1，李嚨昊1

（1.天津城建大學土木工程學院，天津 300384；2.天津大學建工學院，天津 300372）

通過鋼纖維高強混凝土的靜力壓縮和拉伸試驗，研究了靜壓力作用下，鋼纖維摻量對其抗壓強度、彈性模量和泊松比的影響；研究了靜拉力作用下鋼纖維摻量對其抗拉強度影響；通過鋼纖維高強混凝土的動態(tài)壓縮試驗，研究了形狀效應、應變率效應對其動態(tài)抗壓強度、極限應變和動力增大系數(shù)（DIF）的影響；通過動態(tài)劈裂試驗研究了應變率效應對其動態(tài)抗拉強度、極限應變和動力增大系數(shù)（DIF）的影響．研究表明：2.5%的鋼纖維能夠顯著提高混凝土的靜力抗壓強度、彈性模量，并能顯著減小泊松比，對混凝土的抗拉強度也具有顯著的增強作用；同時，動壓力作用下，鋼纖維高強混凝土的動態(tài)抗壓強度、極限應變和DIF均隨試件高徑比的增大而提高；動態(tài)劈裂作用下，鋼纖維高強混凝土動態(tài)抗拉強度、極限應變和DIF亦均隨高徑比的增大而提高．

鋼纖維高強混凝土；靜力試驗；動力試驗；動態(tài)應變率效應

0 引言

鋼纖維高強混凝土是一種極具創(chuàng)新性的新型混凝土[1-2]，具有高強度、高韌性、高和易性以及高耐久性等特性．國內眾多學者對其進行了研究，例如，黃政宇等[3]研制了200MPa的鋼纖維高強混凝土；宋玉普[4]等進行了184個試件的三軸抗壓試驗，闡述了鋼纖維混凝土在偏平面上破壞面的特性，并給出了鋼纖維混凝土三向應力狀態(tài)下空間破壞堆則的數(shù)學表達式．嚴少華等[5]結合試驗給出了鋼纖維高強混凝土的單軸壓縮下應力-應變全曲線方程；焦楚杰等[6]通過沖擊壓縮試驗，研究了應變率鋼纖維高強混凝土力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)其為率敏感材料．段吉祥等[7]研究了鋼纖維混凝土在快速變形下的動力性能、低速沖擊荷載作用下的抗沖擊及彈體作用下的抗侵徹性能，結果表明鋼纖維混凝土的動力性能遠優(yōu)于普通混凝土；張育寧等[8]通過霍普金斯桿（SHPB）試驗研究了鋼纖維高強混凝土的動力性能，結果表明鋼纖維高強混凝土為應變率敏感材料；韓嶸等[9]研究了鋼纖維類型、體積率、長徑比等參數(shù)對鋼纖維混凝土批裂抗拉強度、軸心抗拉強度及軸心受拉應力-應變曲線的影響規(guī)律，結果表明，隨著鋼纖維體積率、長徑比的增大，鋼纖維混凝土劈裂抗拉強度、軸心抗拉強度呈線性增大規(guī)律；劉永勝[10]等研究了鋼纖維混凝土的力學性能及其本構關系．

本文針對鋼纖維高強混凝土靜、動力性能進行了試驗研究及分析，通過鋼纖維高強混凝土的靜力壓縮和拉伸試驗，研究了靜壓力作用下，鋼纖維摻量對其抗壓彈性模量和泊松比的影響；通過鋼纖維高強混凝土的動態(tài)壓縮試驗，研究了形狀效應、應變率效應對其動態(tài)抗壓強度、極限應變和動力增大系數(shù)（DIF）的影響；通過動態(tài)劈裂試驗研究了應變率效應對其動態(tài)抗拉強度、極限應變和動力增大系數(shù)（DIF）的影響，以期能夠為鋼纖維高強混凝土的推廣應用提供一定的參考，并為其結構設計提供一定的理論依據(jù)．

表1 試件配合比Tab.1Specimen mixture

表2 靜力壓縮試驗結果Tab.2Static compression test results

1 鋼纖維高強混凝土靜力試驗

1.1靜力壓縮試驗

1.1.1 試驗設計

試件分為2類，一類為不摻加鋼纖維的對照組（DCG），一類為摻加2.5%鋼纖維的試驗組（TCG）．均為高200 mm，直徑100 mm的圓柱體．試件配合比如表1所示[11]．

1.1.2 試驗結果及其分析

通過靜力壓縮試驗測定了不同鋼纖維摻量的鋼纖維高強混凝土的峰值應力、彈性模量、峰值應變和泊松比，具體結果如表2所示．

由表2可以看出：試驗組試件的峰值應力、彈性模量和峰值應變均比對照組試件有所提高，而泊松比卻有所減小．其中，峰值應力提高了14%，彈性模量提高了6%，峰值應變提高了10.5%．

1.2 靜力拉伸試驗

1.2.1 試驗設計

試件分為2類，一類為不摻加鋼纖維的對照組（DTG），一類為摻加2.5%鋼纖維的試驗組（TTG）．均為高150 mm，直徑150 mm的圓柱體，中部均預留深為25 mm，寬為10 mm凹槽．配合比同表1．

1.2.2 試驗結果及其分析

通過靜力拉伸試驗測定了不同鋼纖維摻量的鋼纖維高強混凝土的峰值應力、峰值應變的影響．具體結果如表3所示．

由表3可以看出：試驗組試件的峰值應力、峰值應變均比對照組試件有所提高．其中，峰值應力提高了27.6%，峰值應變提高了20%．

表3 靜力拉伸試驗結果Tab.3Static tension test results

2 鋼纖維高強混凝土動力試驗

2.1 動態(tài)壓縮試驗

2.1.1 試驗設計

為研究形狀效應和應變率效應對鋼纖維高強混凝土動態(tài)抗壓性能的影響，本試驗試件按高徑比（直徑均為70 mm）分為2類，一類高徑比為0.5（HHD），一類高徑比為1（OHD），鋼纖維摻量均為2.5%．對上述試件進行應變率為10 s1，40 s1，80 s1，120 s1的加載．

2.1.2 試驗設置

運用霍普金斯桿試驗機對試件進行動態(tài)壓縮試驗，試驗設置如圖1所示．

2.1.3 試驗結果及其分析

通過動態(tài)壓縮試驗研究了形狀響應和應變率效應對鋼纖維高強混凝土的動態(tài)抗壓強度、極限應變和DIF的影響．具體結果如圖2～圖4所示．

由圖2可以看出：鋼纖維高強混凝土的動態(tài)抗壓強度隨高徑比及應變率的增大而提高．在相同應變率下，OHD試件動態(tài)抗壓強度最大比HHD試件提高約13%；在相同高徑比下，應變率為120 s1的極限抗壓強度提高的幅度最大，提高了約22.5%．

圖1 試驗機及試驗設置Fig.1Test machine and test setup

由圖3可以看出：鋼纖維高強混凝土的動態(tài)極限應變隨高徑比及應變率的增大而提高．在相同應變率下，OHD試件極限應變比HHD試件最大提高了25%左右；在相同高徑比下，應變率為120 s1的極限應變提高的幅度最大，提高了約95%左右．

由圖4可以看出：鋼纖維高強混凝土的動力增大系數(shù)（DIF）隨著高徑比及應變率的增大而提高．在相同應變率下，OHD試件的DIF比HHD試件最大提高了13%左右；在相同高徑比下，應變率為120 s1的DIF提高的幅度最大，提高了約34.3%．

圖2 動態(tài)抗壓強度與應變率關系曲線Fig.2Dynamic compression strength

圖3 極限應變與應變率關系曲線Fig.3Ultimate strain

圖4 DIF與應變率關系曲線Fig.4DIF with different strain rate

2.2 動態(tài)劈裂試驗

2.2.1 試驗設計

本試驗試件采用了統(tǒng)一的高徑比（0.5）及鋼纖維摻量（2.5%）．通過加載應變率的變化來研究其對鋼纖維高強混凝土動態(tài)抗拉強度的影響．加載應變率為10 s1，50 s1，100 s1，150 s1，200 s1，250 s1，300 s1，400s1，500 s1．

2.2.2 試驗設置

使用霍普金斯桿試驗機進行鋼纖維高強混凝土的動態(tài)劈裂試驗．試驗設置同圖1b）．

2.2.3 試驗結果

通過動態(tài)劈裂試驗研究了應變率效應對鋼纖維高強混凝土的動態(tài)抗拉強度、極限應變和DIF的影響．具體結果如圖5～圖7所示．

由圖5可以看出：鋼纖維高強混凝土的動態(tài)抗拉強度隨應變率的增大而提高，其中以應變率為400s1時提高最大，提高了46%左右．

由圖6可以看出：鋼纖維高強混凝土的極限應變隨著應變率的增大而提高，其中以應變率為400 s1時提高最大，提高了93.4%左右．

由圖7可以看出：鋼纖維高強混凝土的DIF隨著應變率的增大而提高，其中以應變率為500s1時DIF提高最大，提高了50%左右．

圖5 動態(tài)抗拉強度與應變率的關系曲線Fig.5Dynamic tension strength

圖6 極限應變與應變率的關系曲線Fig.6Ultimate strain

圖7 DIF與應變率的關系曲線Fig.7DIF with different strain rate

3 結論與建議

1）2.5 %的鋼纖維能夠顯著提高混凝土的抗壓強度、彈性模量，極限應變，并能顯著減小泊松比．抗壓強度提高了約14%，彈性模量提高了約6%，極限應變提高了約10.5，泊松比減小了約3.7%．

2）2.5 %的鋼纖維能夠顯著提高混凝土的抗拉強度及其極限應變．抗拉強度提高了約為27.6%，極限應變提高了約18%．

3）鋼纖維高強混凝土的動態(tài)抗壓強度、極限應變及DIF均隨試件高徑比的增大而提高，在相同應變率下，動態(tài)抗壓強度最大提高了13%左右，極限應變最大提高了25%左右，DIF最大提高了13%左右．

4）鋼纖維高強混凝土的動態(tài)抗壓強度、極限應變及DIF均隨應變率的增大而提高，在相同高徑比下，動態(tài)抗壓強度最大提高了22.5%左右，極限應變最大提高了95%左右，DIF提高了34.3%左右．

5）鋼纖維高強混凝土的動態(tài)抗拉強度、極限應變及DIF均隨應變率的增大而提高，其中以應變率為400s1時提高最為明顯，動態(tài)抗拉強度提高了46%左右，極限應變提高93.4%左右，DIF提高了50%左右．

[1]徐至鈞．纖維混凝土技術及應用[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003．

[2]全國第五屆纖維水泥與鋼纖維混凝土學術會議論文集[C]．廣東：廣東科技出版社，1994．

[3]黃政宇，沈蒲生，蔡松柏．200 MPa超高強鋼纖維混凝土試驗研究[J]．混凝土，1993（3）：3-7．

[4]宋玉普，趙國藩，彭放，等．三向應力狀態(tài)下鋼纖維混凝土的強度特性及破壞準則[J]．土木工程學報，1994，3（3）：14-23．

[5]嚴少華，錢七虎，孫偉，等．鋼纖維高強混凝土單軸壓縮下應力-應變關系[J]．東南大學學報（自然科學版），2001，31（2）：77-80．

[6]焦楚杰，蔣國平，高樂．鋼纖維高強混凝土抗沖擊性能的數(shù)值仿真[J]．江蘇大學學報（自然科學版），2012，33（3）：350-353．

[7]段吉祥，陸渝生，丁健，等．關于鋼纖維混凝土動力性能的試驗研究[J]．混凝土與水泥制品，1999（6）：38-40．

[8]張育寧，方秦，劉小斌，等．高強高摻量鋼纖維混凝土動力性能的SHPB試驗研究[J]．混凝土，2006（7）：32-35．

[9]韓嶸，趙順波，曲福來．鋼纖維混凝土抗拉性能試驗研究[J]．土木工程學報，2006，39（11）：63-67．

[10]劉永勝，王肖鈞，金挺，等．鋼纖維混凝土力學性能和本構關系研究[J]．中國科學技術大學學報，2007，37（7）：717-723．

[11]徐慎春，吳成清，劉中憲，等．鋼纖維及納米材料對超高性能混凝土早期力學性能的影響[J]．硅酸鹽通報，2014，33（3）：542-546．

[責任編輯 楊屹夏紅梅]

Experimental research of static-dyanmic performance of steel fiber reinforced high-strength concrete

ZHAO Ruibin1，XU Shenchun2，LIU Zhongxian1，LI Longhao1

(1.School of Civil Engineering,Tianjin Chengjian Universigy,Tianjin 300384,China;2.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300372,China)

This paper investigates the effect of steel fiber ratio on compression strength,elastic modulus and Poisson's ratio through the experiment of compression test and its tensile strength.Meanwhile,the effect of different shape and strainrate on steelfiberreinforcedhigh-strength concrete dynamic compression strength,ultimate strain andDIFisstudied through the experiments of dynamic compression test and dynamic splitting test strength test.It is shown that 2.5%steel fiberscan significantly increase thecompressivestrength,elastic modulus of concrete,and reduce thePoisson'sratio.The tensile strengthofconcreteisalsosignificantlyenhanced by mixing2.5%steelfibers.Additionally,underdynamicpressure, the dynamic compressionstrength,ultimatestrain and DIFofsteel fiber reinforced concrete increase with theimprovement of height-diameterratio.Meanwhile,dynamicsplitting effect,dynamic tensilestrength,ultimate strain and DIFhave the same phenomenon.

steel fiber reinforced high-strength concrete;static test;dynamic test;dynamic strain rate effect

TU528.572

A

1007-2373(2015)05-0111-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.05.023

2014-09-20

國家科技支撐計劃項目（2012BAJ07B05）

趙瑞斌（1964-），男（漢族），教授，zhao.rb@263.net．