鋼纖維混凝土基本力學性能試驗研究

張 倉

(1.南京理工大學土木工程系，江蘇 南京 210094； 2.鹽城幼兒師范高等專科學校，江蘇 鹽城 224000)

0 引言

混凝土結構是土木工程中常見的一種建筑形式，混凝土材料即是混凝土結構體系中的基礎組成部分，廣泛應用于土木，航空，水利等領域[1-3]，為我國的基建作出了卓越的貢獻。國內外針對混凝土性能特性展開了大量有益的研究，研究成果主要集中在室內試驗，數值模擬和理論研究方面。室內試驗方面：蘇有彪等[4]對混凝土碳化—凍融循環下的性能變化進行了室內試驗；古麗娜等[5]對全級配水工混凝土的抗裂特性進行了系統測試；劉紅森等[6]對膠凝砂礫石混凝土的抗凍性進行了試驗研究。數值模擬方面：朱萬成等[7]利用RFPA軟件對混凝土的脆性斷裂過程進行了模擬研究；孫其然等[8]利用LS-DYNA軟件，基于HJC損傷模型對鋼筋混凝土的侵蝕進行了模擬；宿輝等[9]利用PFC離散元軟件對混凝土的細觀破壞機理進行了研究。理論方面：吳瑤[10]提出了混凝土的雙K斷裂準則；王璀瑾等[11]對混凝土不同的Ⅰ型斷裂準則進行了比較；許斌等[12]對混凝土的Ⅰ-Ⅱ型復合斷裂準則進行了研究。

鋼纖維混凝土由于其優異的性能逐漸被廣泛地應用于混凝土結構中，由其組成的結構構件承擔著結構絕大多數的荷載，當材料力學性能發生改變時，結構的抗震性能及服役性能也將發生相應改變。為獲得鋼纖維混凝土的力學性能參數及影響因素，本文設計了鋼纖維混凝土力學性能測試試驗，對鋼纖維混凝土抗壓性能、抗劈拉強度進行了測試，并分析研究了鋼纖維摻量對混凝土抗壓性能的影響。

1 試驗材料及試驗方案

1.1 試驗材料

試驗采用水泥、細骨料、粗骨料、水、鋼纖維。鋼纖維混凝土力學性能試驗測試中試件所用水泥材料為盤固水泥集團有限公司生產的P.O42.5級水泥；細骨料采用產自湖南洞庭湖的天然中砂；試驗中粗骨料是東方希望重慶水泥有限公司生產的碎石，最大直徑10 mm，最小直徑5 mm；拌合水選用自來水；鋼纖維選用江蘇蘇博特新型材料有限公司生產的壓痕型鋼纖維。

根據中國工程建設標準化協會標準CECS 13∶89鋼纖維混凝土試驗方法進行鋼纖維混凝土試件的制作，試件制作時，先將鋼纖維與粗骨料加入攪拌機攪拌，使鋼纖維分散在石子中，攪拌以防止團簇現象發生，再將砂子和水泥加入攪拌機干攪拌至材料分散均勻，后在轉動的攪拌機中加水。攪拌完成后，將混凝土拌合物倒入尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的鑄鐵模具中，將表面磨平，用塑料薄膜封閉，然后室溫條件下24 h后脫膜，養護28 d后即可進行力學性能的測試。

1.2 試驗儀器

試驗儀器采用微機屏顯示液晶壓力機，該系統擁有位移以及應力兩種加載模式，力值最大加載為600 kN，位移控制范圍為0 mm～200 mm，本次試驗采用力值加載控制方式，加載速率為0.5 kN/s。

1.3 試驗方案

試驗方案中BZ表示空白試驗組，SFRC-XX表示不同鋼纖維摻量條件下的鋼纖維混凝土試件，SFRC-WC-XX表示相同鋼纖維體積率條件下的鋼纖維混凝土試件，SFRC-FC-XX表示相同配合比、不同混凝土強度條件下的鋼纖維混凝土試件，見表1。混凝土材料配合比為水∶水泥∶砂∶石子=0.45∶1∶1.5∶2.8，共計54個試件。

2 不同鋼纖維體積率下混凝土的力學性能

為獲得鋼纖維摻量與鋼纖維混凝土抗壓強度之間的關系，在本章節試驗中設計了4種不同鋼纖維摻量的鋼纖維混凝土立方體試件，每組包含3個試件，以進行力學性能的測試，其中鋼纖維摻量分別為0%，0.5%，1%，1.5%。

2.1 抗壓強度

根據中華人民共和國國家標準規范，混凝土立方體抗壓強度的計算方法可用式(1)表示：

(1)

式中：F——立方體試件破壞時試驗機的加載力,N；

A——混凝土試件截面面積,mm2。

不同鋼纖維摻量條件下混凝土立方體的抗壓強度試驗測試結果如表1,表2所示。

表1 立方體抗壓強度試驗結果 MPa

表2 不同鋼纖維摻量時混凝土試件抗壓強度

表1，表2給出了不同鋼纖維摻量情況下混凝土抗壓強度值，從圖1中可以看出，在混凝土中添加鋼纖維后，混凝土試件的抗壓強度有所提升，且鋼纖維的摻量越大，混凝土抗壓強度百分比增加越多，但增加量不大，當鋼纖維摻量為1.5%時混凝土強度增加百分比不超過7%。由此可以看出，在混凝土中添加鋼纖維，對混凝土抗壓性能提升不明顯。

2.2 劈裂抗拉強度

根據規范，鋼纖維混凝土立方體試件的劈裂抗拉強度按式(2)計算：

(2)

其中，fts為鋼纖維混凝土立方體試件的劈裂抗壓強度。

不同鋼纖維摻量條件下混凝土立方體的劈裂抗拉強度試驗測試結果如表3所示。

表3 不同鋼纖維摻量時混凝土試件劈裂抗拉強度

由表3及圖2可以看出，在混凝土中添加鋼纖維后，混凝土的劈裂抗壓強度均有明顯的提高，在鋼纖維添加體積率為0.5%和1%時，混凝土劈裂抗拉強度分別提升了14%和27%，幾乎是按照線性關系增加的，而鋼纖維添加體積率為1.5%時，強度不再呈線性增長，僅提升了33%，由此可以看出，在混凝土中添加鋼纖維后，存在一個增強效果的極大值點，若鋼纖維摻量小于這個極大值，則鋼纖維對混凝土劈裂抗拉強度的提升非常顯著，基本呈線性增強，而鋼纖維摻量大于這個極大值摻量點時，繼續在混凝土中增加鋼纖維的摻量，雖依然有一定的提升效果，但提升效果不再那么明顯。

2.3 彈性模量

混凝土結構設計國家規范中混凝土彈性模量Ec計算公式為：

(3)

式中:Fa——應力為1/3抗壓強度時的荷載，N；

F0——應力為0.5 MPa時的初始荷載，N；

A——試件承壓面面積，mm2；

L——測量標距；

Δn按式(4)計算：

Δn=εa-ε0

(4)

式中：Δn——最后一次從F0加荷至Fa時試件兩側變形的平均值，mm；

εa——受力為Fa時試件兩側變形的平均值,mm；

ε0——受力為F0時試件兩側變形的平均值,mm。

同時規范規定了混凝土受壓彈性模量計算精確至100 MPa。綜上可將式(3)及式(4)歸結為下式：

(5)

將各個試件所測得的數據值按照式(5)進行計算，獲得不同鋼纖維摻量時混凝土的彈性模量數值，各組試件取平均值后獲得的試驗數據如表4所示。不同鋼纖維摻量彈性模量分布見圖3。

表4 不同鋼纖維摻量時混凝土試件彈性模量

根據表4給出的不同鋼纖維摻量時混凝土試件彈性模量試驗數據值，在混凝土中添加鋼纖維后，混凝土的彈性模量有所增加，但提升的效果不是非常顯著，例如，混凝土中鋼纖維摻量達到1.5%時，混凝土的彈性模量提升百分比不超過10%，而混凝土中的鋼纖維摻量較小時，對其彈性模量值影響較小，例如，混凝土中鋼纖維摻量0.5%時，混凝土的彈性模量提升百分比僅1.72%，且鋼纖維摻量從1%增加到1.5%時，彈性模量增加百分比較從0.5%增加到1%時的增量百分比明顯減小，由此，可以看出，當混凝土中鋼纖維的摻量較小時，對混凝土彈性模量值影響較小，而隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的彈性模量有一定的提升，但效果不是特別顯著。

3 結論

1)開展了不同鋼纖維摻量條件下混凝土試件的抗壓強度、劈拉強度等力學性能試驗，得到了鋼纖維摻量對混凝土力學性能的影響規律，并對相同鋼纖維摻量、不同強度等級混凝土基體的鋼纖維混凝土進行了抗壓強度、劈拉強度等力學性能參數的測試。

2)混凝土基體強度等級不同時，鋼纖維混凝土力學性能的變化情況不同，強度等級較高時，混凝土中鋼纖維越能發揮其作用，相應的鋼纖維混凝土試件抗壓強度、抗拉強度等力學性能表現越佳。