鋼纖維增強(qiáng)高強(qiáng)輕骨料混凝土的力學(xué)性能

葉艷霞,王宗彬，謝夫林,付翠紅,張志銀

(1.長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061; 2.成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司西安分公司, 陜西 西安 710061)

高強(qiáng)輕骨料混凝土(HLAC)的表觀密度小于1950kg/m3，強(qiáng)度不低于LC40，是輕質(zhì)、高強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保的結(jié)構(gòu)材料[1-2].在高層、大跨、橋梁、海事和軟土地基工程中，HLAC具有廣泛的應(yīng)用前景和良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益.隨著高強(qiáng)輕質(zhì)陶粒生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，HLAC的制備工藝不斷成熟，且輕質(zhì)陶粒的生產(chǎn)原料(工業(yè)廢渣、粉煤灰、煤矸石、浮石、黏土等)儲(chǔ)備豐富，為HLAC的推廣應(yīng)用提供了保障.隨著HLAC強(qiáng)度的提高，其脆性更加明顯，不利于其在一些高受拉和高剪切結(jié)構(gòu)部位的應(yīng)用.因此，HLAC的增強(qiáng)增韌成為近些年的研究熱點(diǎn)之一.

文獻(xiàn)[3-5]借鑒了鋼纖維增強(qiáng)普通混凝土的研究經(jīng)驗(yàn)，利用鋼纖維(SF)來改善HLAC各項(xiàng)力學(xué)性能，提高了其韌性和延性.Campione等[3]研究表明，同一類型和摻量的鋼纖維可使膨脹黏土和陶粒輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度提高30%左右，對(duì)浮石輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度基本沒有影響.Ma等[4]將13mm 微細(xì)型鋼纖維加入到3種類型粗骨料混凝土中，使混凝土抗壓強(qiáng)度分別提高了19%、40%和42%，抗折強(qiáng)度分別提高了108%、92%和78%，表明粗骨料類型對(duì)鋼纖維增強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響較大.劉漢勇等[5]同樣證實(shí)了鋼纖維對(duì)HLAC各項(xiàng)強(qiáng)度和韌性均有明顯改善，其對(duì)HLAC抗壓強(qiáng)度的改善優(yōu)于低強(qiáng)度等級(jí)輕骨料混凝土和普通混凝土.朱海堂等[6]研究發(fā)現(xiàn)不同類型鋼纖維對(duì)混凝土的強(qiáng)度增強(qiáng)效應(yīng)存在較大差異，且有明顯的尺寸效應(yīng).由此可見，鋼纖維類型、尺寸參數(shù)、粗骨料類型等對(duì)HLAC的性能影響較大，有必要對(duì)鋼纖維增強(qiáng)高強(qiáng)輕骨料混凝土(SFHLAC)的增強(qiáng)增韌效應(yīng)及機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究.

本文選取工程中常用的微細(xì)型鋼纖維(M-SF)、端鉤型鋼纖維(H-SF)和波紋型鋼纖維(C-SF)3種典型鋼纖維，研究了鋼纖維類型及其體積分?jǐn)?shù)對(duì)HLAC抗壓、劈裂抗拉、抗折和抗剪強(qiáng)度的影響，分析了SFHLAC的韌度因子和承載力變化系數(shù)，為工程應(yīng)用和試驗(yàn)研究提供參考.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

選用P·O 42.5型普通硅酸鹽水泥(C)，表觀密度為3100kg/m3；Ⅰ級(jí)粉煤灰(FA)，密度為2600kg/m3;微硅粉(SF)，密度為2200kg·m-3；粗骨料采用5～16mm連續(xù)級(jí)配碎石型頁巖陶粒(A)，筒壓強(qiáng)度為6.2MPa，堆積密度為750kg/m3，表觀密度為1360kg/m3，1h吸水率(1)文中涉及的吸水率、水膠比等除特殊說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.為3.2%，24h 吸水率為3.8%；細(xì)骨料(S)采用細(xì)度模數(shù)2.6的普通河砂，表觀密度為2600kg/m3；減水劑采用聚羧酸高效減水劑，減水率為25%～27%；鋼纖維采用M-SF、H-SF和C-SF，其特征參數(shù)見表1.

表1 鋼纖維的特征參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參照J(rèn)SCE-SF-4《Method of test for flexural strength and flexural toughness of fiber reinforced concrete》，采用絕對(duì)體積法進(jìn)行強(qiáng)度等級(jí)為LC50的高強(qiáng)輕骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)，基準(zhǔn)HLAC的配合比見表2.試件編號(hào)規(guī)則如下：P代表基準(zhǔn)HLAC；M-SF0.5、H-SF0.5、C-SF0.5分別表示鋼纖維M-SF、H-SF、C-SF的體積分?jǐn)?shù)φM-SF、φH-SF、φC-SF均為0.5%的SFHLAC,其他按此類推；M-SFHLAC、H-SFHLAC和C-SFHLAC分別表示微細(xì)型、端鉤型和波紋型鋼纖維增強(qiáng)高強(qiáng)輕骨料混凝土.

表2 基準(zhǔn)高強(qiáng)輕骨料混凝土配合比

1.3 試件制作

根據(jù)JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》和CECS13—2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用容量為60 L的強(qiáng)制攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，混凝土拌和物的制作工序?yàn)椋合葘⒘栏傻暮由昂湍z凝材料干拌2min，接著加入摻有減水劑的水?dāng)嚢?min，制成砂漿漿體，然后加入潤濕24h的陶粒繼續(xù)攪拌1min，最后在攪拌機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下均勻加入鋼纖維攪拌4min 后出料.新拌基準(zhǔn)HLAC拌和物的坍落度和拓展度分別為244mm和680mm，流動(dòng)性較好；隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)φSF的增大，拌和物工作性能逐漸變差，φSF=1.5%時(shí)，拌和物坍落度和拓展度分別為190～210mm和410～520mm，φSF=2.0%時(shí)，拌和物流動(dòng)性驟降，其中M-SF2.0的擴(kuò)展度只有190mm，流動(dòng)性極差.將拌和物一次入模，制作抗壓、抗折、劈裂抗拉和抗剪強(qiáng)度試件(每組各3個(gè))，用鐵棒敲擊試件側(cè)壁大約30次并在地上輕輕振動(dòng)，用抹刀將上表面抹平，成型24h后拆模并灑水養(yǎng)護(hù)28d(西安室外6月份氣候)，養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn).

1.4 試驗(yàn)方法

根據(jù)CECS13—2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，抗壓測試采用立方體試件，試件尺寸為100mm×100mm×100mm，劈裂抗拉、抗剪和抗折強(qiáng)度試件尺寸均為100mm×100mm×400mm，抗壓、劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度試件的尺寸換算系數(shù)分別取0.90、0.80、0.82.力學(xué)性能測試在萬能試驗(yàn)機(jī)上完成，荷載數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)軟件Test Expert.net采集，小梁跨度中間位置的縱向位移采用DH3820準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)及其配套的位移傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)加載速率0.1mm/min.

將試驗(yàn)所得荷載-位移(σ-ε)曲線進(jìn)行擬合，受力初期的直線段峰值點(diǎn)即為初裂點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載和位移分別為試件的初裂荷載和初裂位移(δ).韌性指數(shù)ηm，n包括ηm，5、ηm，10、ηm，30，其含義為當(dāng)位移分別達(dá)3.0δ、5.5δ和15.5δ時(shí)，荷載-位移曲線和橫坐標(biāo)軸所圍面積與位移達(dá)初裂位移δ時(shí)所圍面積之比.承載力變化系數(shù)ζm,n為：

ζm,n=(ηm，n-α)/(α-1)

(1)

式中：α為給定位移與初裂位移的比值，取α=3.0、5.5、15.5.

為了比較不同SFHLAC的韌度，參照文獻(xiàn)[7]計(jì)算韌性指標(biāo)T150(T150為撓度達(dá)L/150時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載-位移曲線與橫坐標(biāo)所圍面積)，對(duì)應(yīng)平均強(qiáng)度的韌度因子(TF)為：

TF=TbL/bh2δk=150T150/bh2

(2)

式中：Tb為韌性指標(biāo)；L、b、h分別為支座間距、試件截面寬度和試件截面高度；δk為給定的撓度L/150.

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

比強(qiáng)度為混凝土的抗壓強(qiáng)度與其干表觀密度之比，SFHLAC的抗壓強(qiáng)度(fcu)和比強(qiáng)度見圖1.

圖1 SFHLAC的抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度Fig.1 Compressive strength and specific strength of SFHLACs

由圖1可見：不同鋼纖維類型SFHLAC試件的抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度差異較大；φSF在0.5%～1.5%范圍內(nèi)遞增時(shí)，同一鋼纖維類型SFHLAC的抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度亦隨之增大；φSF=2.0%時(shí)，試件M-SF2.0的抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度增長幅度減弱，而試件H-SF2.0和C-SF2.0的抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度卻降低.

φM-SF在0.5%～2.0%范圍內(nèi)，M-SF易分散，凝結(jié)硬化后M-SF與水泥基體黏結(jié)性能較好，對(duì)HLAC產(chǎn)生較強(qiáng)的環(huán)向約束力，因此M-SFHLAC試件的抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)試件P提高最為顯著；當(dāng)φM-SF=2.0%時(shí)，試件的比強(qiáng)度達(dá)到36.23MPa/(kg·m-3)，試件M-SF2.0的抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度較基準(zhǔn)試件P分別提高40.8%和28.8%；φM-SF≤1.0%時(shí)，M-SFHLAC的抗壓強(qiáng)度增幅明顯，φM-SF>1.5%后，拌和物流動(dòng)性大幅降低.因此建議φM-SF取0.5%～1.0%.

對(duì)比圖1中φSF相同的SFHLAC試件的抗壓強(qiáng)度，并結(jié)合表1，試件的抗壓強(qiáng)度增幅變化順序?yàn)镸-SFHLAC>H-SFHLAC>C-SFHLAC；與基準(zhǔn)試件P相比，試件H-SF2.0的抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)度分別提高了19.1%和8.3%，略低于文獻(xiàn)[5,8]中同類型的壓痕型(32mm，長徑比50)鋼纖維的抗壓增強(qiáng)效果，這表明形狀、幾何尺寸、力學(xué)性能等參數(shù)相近的同類型鋼纖維對(duì)HLAC的抗壓增強(qiáng)效果較為一致.文獻(xiàn)[6,9]中摻入與本試驗(yàn)H-SF類似、體積分?jǐn)?shù)不超過2.0%的鋼纖維時(shí)，使高強(qiáng)混凝土和普通輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度僅提高了10.0%左右，說明H-SF鋼纖維對(duì)HLAC的抗壓增強(qiáng)效果較高強(qiáng)混凝土和普通輕骨料混凝土更優(yōu).從破壞機(jī)理分析可知，HLAC破壞斷面與普通混凝土不同，前者骨料及水泥基體均開裂破壞，而后者主要為水泥基體開裂破壞，鋼纖維在HLAC中能更好地發(fā)揮約束變形和輔助受力作用.3種鋼纖維中，C-SF對(duì)HLAC抗壓強(qiáng)度的提高效果最差，僅為6.5%.其原因在于，本試驗(yàn)中選用的C-SF在相同體積分?jǐn)?shù)下的纖維數(shù)量較少，不易分散均勻，相對(duì)較低的力學(xué)性能使C-SF對(duì)基材破壞強(qiáng)度提高的貢獻(xiàn)度也偏低，成型后的試件上表面略鼓起，試件的密實(shí)度降低，試件在承受壓應(yīng)力時(shí)易變形，纖維約束變形和輔助受力效果都較弱.

為保障鋼纖維對(duì)HLAC的抗壓增強(qiáng)效應(yīng)，建議優(yōu)先選用較大長徑比的小尺寸直鋼纖維.

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

SFHLAC的劈裂抗拉強(qiáng)度(fts)和拉壓比(fts/fcu)見圖2.由圖2可見：不同鋼纖維類型的SFHLAC劈裂抗拉強(qiáng)度與拉壓比隨φSF的變化規(guī)律一致；φSF為0.5%～2.0%時(shí)，M-SF、H-SF與C-SF可使HLAC的劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高155.0%、88.4%和42.2%，鋼纖維對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果可以達(dá)到抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果的4倍左右.文獻(xiàn)[10]指出，劈拉試驗(yàn)過程中鋼纖維主要通過水泥膠體傳遞應(yīng)力，界面的黏結(jié)強(qiáng)度決定鋼纖維傳遞應(yīng)力的水平，M-SF在試件劈裂面上分布較密，其與水泥可以形成較強(qiáng)的化學(xué)膠結(jié)作用，對(duì)HLAC抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果最好.因此在保障鋼纖維抗拉強(qiáng)度的情況下，應(yīng)優(yōu)選長徑比較大的M-SF對(duì)HLAC進(jìn)行抗拉增強(qiáng).在一定范圍內(nèi)隨著φSF的增加，鋼纖維數(shù)量增多，對(duì)裂縫源的控制作用加強(qiáng)，劈裂抗拉強(qiáng)度隨之增加.φM-SF、φH-SF為0.5%和1.0%時(shí)，SFHLAC的劈裂抗拉強(qiáng)度增長最明顯，而φH-SF、φC-SF為2.0%時(shí)，SFHLAC的劈裂抗拉強(qiáng)度基本不再增長甚至降低，主要原因在于當(dāng)φSF增加到一定程度時(shí)，較大尺寸鋼纖維周圍水泥膠體的裹漿厚度減小，不足以提供所需的傳力能力，使增強(qiáng)效果不理想.

圖2 SFHLAC的劈裂抗拉強(qiáng)度和拉壓比Fig.2 Splitting tensile strength and ratio of tensile to compressive strength of SFHLACs

拉壓比是反映鋼纖維對(duì)混凝土脆性改善作用的一個(gè)指標(biāo)[6]，本文設(shè)計(jì)的HLAC的拉壓比為1/16.4，φSF在0.5%～2.0%范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)的SFHLAC的拉壓比分別為1/11.7～1/9.0、1/13.0～1/10.5和1/13.6～1/11.8.由此可見，鋼纖維可以在不同程度上改善HLAC的脆性，M-SF對(duì)HLAC的脆性改善尤為明顯，M-SFHLAC的拉壓比與普通混凝土的拉壓比(1/12.0～1/8.0)較為接近.

2.3 抗折強(qiáng)度

初裂抗折強(qiáng)度(fcf,ini)和阻裂系數(shù)(極限抗折強(qiáng)度fcf,lim和初裂抗折強(qiáng)度的比值，fcf,lim/fcf,ini)分別反映了材料抵御初期裂縫荷載及阻止裂紋開展的能力[11].圖3(a)為SFHLAC試件的極限抗折強(qiáng)度和折壓比(fcf,lim/fcu)，圖3(b)為SFHLAC試件初裂抗折強(qiáng)度和阻裂系數(shù)，圖4為SFHLAC試件彎折試驗(yàn)后的斷面圖.

由圖3可見：基準(zhǔn)試件P的極限抗折強(qiáng)度為5.07MPa，遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)[6]中相近等級(jí)普通混凝土(7.71MPa)；SFHLAC的初裂和極限抗折強(qiáng)度均隨φSF增大而提高；與基準(zhǔn)試件P相比，試件M-SF2.0和H-SF2.0的初裂抗折強(qiáng)度分別提高了24.5%和20.1%，極限抗折強(qiáng)度分別提高了62.1%、55.6%.觀察試件M-SF1.5和H-SF1.5的開裂破壞過程可知，試件初始裂縫細(xì)小，裂縫開展緩慢，鋼纖維抵御初始開裂的能力較強(qiáng).盡管H-SF與水泥的黏結(jié)面積小于M-SF，但H-SF的端鉤在一定程度上提高了鋼纖維的錨固性能，結(jié)合圖4(b)可知：H-SF對(duì)HLAC試件開裂后的阻裂效應(yīng)略優(yōu)于M-SF，因此認(rèn)為M-SF和H-SF對(duì)HLAC試件抗折強(qiáng)度增強(qiáng)效果相當(dāng).由圖4(a)、(b)可見，M-SF1.5和H-SF1.5試件斷裂面上的M-SF和H-SF產(chǎn)生了明顯塑性變形，這說明鋼纖維起到了增強(qiáng)作用.

由圖3還可見：C-SF對(duì)HLAC極限抗折強(qiáng)度的提高作用較小，φC-SF為0.5%～2.0%時(shí)，SFHLAC試件極限抗折強(qiáng)度并未隨φC-SF增大而上升，試件C-SF2.0的抗折強(qiáng)度與基準(zhǔn)試件P基本相同；試件C-SF1.5的初裂和極限抗折強(qiáng)度分別較基準(zhǔn)試件P提高了1.7%和10.7%.由圖4(c)可見，試件破壞斷面上大部分C-SF未起到阻裂作用，C-SF未被拉直就被拔出，斷面上僅可見少量鋼纖維被拉斷，C-SF的阻裂和增強(qiáng)效應(yīng)都較差.文獻(xiàn)[6]研究發(fā)現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)為2.0%的30.5mm H-SF(長徑比30.5)和32.4mm C-SF(長徑比57.4)可使普通混凝土抗折強(qiáng)度分別提高47.1%和7.0%，這與本文試驗(yàn)結(jié)果基本吻合.對(duì)比文獻(xiàn)[6]的研究結(jié)論發(fā)現(xiàn)：鋼纖維對(duì)提高HLAC抗折強(qiáng)度貢獻(xiàn)的拉應(yīng)力主要通過與水泥膠體的黏結(jié)傳遞；在水泥膠體強(qiáng)度相同的情況下，盡管SFHLAC會(huì)因?yàn)楣橇蠑嗔讯鴮?dǎo)致其整體強(qiáng)度低于普通鋼纖維混凝土，但鋼纖維對(duì)不同骨料混凝土抗折強(qiáng)度增強(qiáng)率的貢獻(xiàn)相差不大.

圖3 SFHLA的抗折強(qiáng)度指標(biāo)Fig.3 Index of flexural strength of SFHLACs

圖4 SFHLAC試件彎折試驗(yàn)后的斷面圖Fig.4 Flexural cross-sectional view of SFHLACs

由圖3(a)還可見：3種類型鋼纖維對(duì)HLAC試件折壓比的影響規(guī)律差異較大；φSF為0.5%～2.0%時(shí)，不同SFHLAC試件的折壓比分別為0.101～0.111、0.098～0.126和0.097～0.100，H-SF對(duì)HLAC折壓比的改性效果較好，而C-SF的摻入不利于HLAC折壓比的提高.基準(zhǔn)試件P的折壓比為0.093，由于基材強(qiáng)度等級(jí)較高，導(dǎo)致本文與文獻(xiàn)[12]給出的輕骨料混凝土折壓比擬合結(jié)果(0.12)存在較大差異.

2.4 抗剪強(qiáng)度

SFHLAC的抗剪強(qiáng)度(fs)和剪壓比(fs/fcu)見圖5.由圖5可見：基準(zhǔn)試件P的剪壓比為1/11.30，這是因?yàn)榛鶞?zhǔn)試件P中基本沒有骨料的咬合作用，剪切面上骨料直接被剪斷.對(duì)比文獻(xiàn)[7-13]中普通輕骨料混凝土和高強(qiáng)混凝土的剪壓比分別為1/7.03和1/9.03，說明基準(zhǔn)試件P的剪脆性較明顯.

圖5 SFHLAC的抗剪強(qiáng)度和剪壓比Fig.5 Shear strength and ratio of shear-compression of SFHLACs

由圖5還可見：鋼纖維對(duì)HLAC的剪切韌性改善較為明顯，這是因?yàn)镾FHLAC試件裂縫帶上的鋼纖維具有很好的“橋聯(lián)作用”，試件在破壞過程中具有較好的完整性；與基準(zhǔn)試件P相比，M-SF1.5、H-SF1.5和C-SF1.5試件的抗剪強(qiáng)度分別提高157.1%、80.4%和47.0%，其剪壓比分別為1/5.83、1/7.45和1/8.20，說明鋼纖維對(duì)HLAC剪切性能的改善效果與剪斷面上鋼纖維的數(shù)量有關(guān)，數(shù)量越多，HLAC裂縫源的控制能力越強(qiáng)；M-SF對(duì)HLAC的抗剪強(qiáng)度提高最為明顯，可達(dá)226.7%.因此，M-SF對(duì)HLAC可以起到很好的抗剪切增強(qiáng)效應(yīng)，在一些輕骨料混凝土框架節(jié)點(diǎn)、剪力墻等高剪力部位摻入一定量(考慮拌和料的工作性能，建議φM-SF為0.5%～1.5%)的M-SF，既對(duì)輕骨料混凝土的施工性影響不大，又會(huì)大幅度提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗剪切性能，從而提高結(jié)構(gòu)的耗能能力和安全儲(chǔ)備.

2.5 荷載-位移曲線

SFHLAC的彎曲試驗(yàn)荷載-位移(σ-ε)曲線見圖6.由圖6可見：不同鋼纖維類型和體積分?jǐn)?shù)使SFHLAC試件荷載-位移曲線形狀有較大差別，增韌效果差異較大；H-SF0.5和C-SF0.5試件在達(dá)到極限強(qiáng)度后繼續(xù)加載，其荷載-位移曲線出現(xiàn)陡然下降，而M-SF0.5試件在達(dá)到極限強(qiáng)度后繼續(xù)加載，其荷載-位移曲線較順滑，表現(xiàn)出較好的增韌效應(yīng)；隨著φSF的增大，SFHLAC試件的荷載-位移曲線上移，曲線形狀也更趨飽滿，表現(xiàn)出更好的材料韌性和延性；當(dāng)φSF為0.5%～2.0%時(shí)，SFHLAC試件荷載- 位移曲線峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移分別為0.119～0.274、0.052～0.130和0.050～0.065mm，M-SFHLAC試件的延性明顯優(yōu)于其他兩者；M-SFHLAC試件的荷載-位移曲線存在明顯的屈服段，達(dá)峰值荷載后曲線基本呈線性下降；H-SFHLAC試件的荷載- 位移曲線達(dá)峰值荷載后快速下降，H-SF在變形達(dá)到一定程度后其錨固作用明顯變差；C-SFHLAC試件的荷載-位移曲線幾乎沒有屈服段，峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)荷載較低、位移較小，達(dá)峰值點(diǎn)后曲線陡降，試件耗能能力較差.

圖6 SFHLAC的彎曲試驗(yàn)荷載-位移曲線Fig.6 σ -ε curves of bending test for SFHLACs

2.6 韌度因子和承載力變化系數(shù)

SFHLAC的韌度因子見圖7.由圖7可見：φSF為0.5%～2.0%時(shí)，SFHLAC試件的韌度因子隨φSF的增大而降幅增長；不同鋼纖維類型的SFHLAC對(duì)由φSF變化引起的韌性增長幅度相差不大；M-SF對(duì)M-SF0.5試件韌度的增長貢獻(xiàn)明顯強(qiáng)于其他2種鋼纖維，其韌度因子為后兩者的3倍左右；當(dāng)φSF為1.0%～2.0%時(shí)，M-SFHLAC的韌度也較H-SFHLAC和C-SFHLAC提高了約1.5～2.1倍，說明M-SF對(duì)HLAC的增韌效應(yīng)較好.

圖7 SFHLAC的韌度因子Fig.7 Toughness factor of SFHLACs

SFHLAC的彎曲承載力變化系數(shù)見圖8.由圖8可知：隨著φSF的增大，SFHLAC試件的彎曲承載力變化系數(shù)增大，試件韌性提高；鋼纖維類型對(duì)SFHLAC試件的固有彈塑性屬性影響較大；M-SFHLAC的承載力變化系數(shù)ζm,n基本大于1，具有較好的變形持荷和耗能能力；在小變形(3.0δ、5.5δ)下，H-SFHLAC的承載力變化系數(shù)ζm,5和ζm,10大于1，大變形(15δ)下對(duì)應(yīng)的ζm,30數(shù)值降低較多，大變形下的韌性較差；C-SFHLAC的承載力變化系數(shù)ζm,n在各φSF下均小于1，鋼纖維與水泥基體協(xié)同性較差.推薦φM-SF為0.5%～1.0%，φH-SF為1.0%～1.5%.

圖8 SFHLAC的彎曲承載力變化系數(shù)Fig.8 Variation coefficent of flexural resistance of SFHLACs

3 結(jié)論

(1)除體積分?jǐn)?shù)為2.0%的波紋型鋼纖維(C-SF)增強(qiáng)高強(qiáng)輕骨料混凝土(HLAC)外，鋼纖維增強(qiáng)高強(qiáng)輕骨料混凝土(SFHLAC)的力學(xué)強(qiáng)度和韌性指標(biāo)均隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而增大.相同體積分?jǐn)?shù)的微細(xì)型鋼纖維(M-SF)、端勾型鋼纖維(H-SF)、C-SF對(duì)HLAC的抗剪、劈裂抗拉、抗折和抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果依次遞減.

(2)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.5%～2.0%時(shí)，M-SF對(duì)HLAC的增強(qiáng)增韌效果最好；H-SF對(duì)HLAC抗折強(qiáng)度與M-SF具有相近的提高效果，但對(duì)HLAC的其他力學(xué)強(qiáng)度和韌性的提高效果不如M-SF；C-SF對(duì)HLAC的增強(qiáng)增韌效果均較差，尤其對(duì)其抗壓和抗折強(qiáng)度基本沒有影響.

(3)綜合考慮拌和物的工作性能、SFHLAC的力學(xué)和韌性特性，M-SF的建議體積分?jǐn)?shù)為0.5%～1.0%，H-SF的建議體積分?jǐn)?shù)為1.0%～1.5%；C-SF的建議體積分?jǐn)?shù)為1.0%～1.5%，增韌時(shí)不推薦摻加C-SF.