【正文】 混凝土應(yīng)力實驗 一、實驗介紹 直徑很小的鋼纖維用于混凝土結(jié)構(gòu)可以大大的提高混凝土的抗拉承載能力。在一般情況下混凝土中摻鋼纖維的體積比例在 ％～ ％之間。在很小比例下，鋼筋混凝土的張拉響應(yīng)可假設(shè)為不硬化的類型，它有加大單個裂縫擴展性質(zhì)很像無鋼筋的素混凝土，鋼纖維對混凝土開裂之后性能的改善作用更加明顯，可以通過控制裂縫的開展從而較大幅度地提高混凝土的韌性。然而它對其它性質(zhì)的改進很小，因此在正常實驗方法下如此低得的纖維含量很難難得到鋼纖維混凝土軸拉應(yīng)力 —— 應(yīng)變曲線的平穩(wěn)段。為了找到一個合適易行的方法來研究 SFRC軸拉性能人們做了很多工作并且有報告稱可通過添加剛性組件方法來獲得軸拉全曲線。 在這篇文章中 ,我們將用不同類型的纖維來做鋼筋混凝土的單軸拉伸試驗。鋼筋混凝土的抗拉特型首鋼纖維的強度和含量影響。另外，在強力作用下，鋼筋混凝土的應(yīng)力 —— 應(yīng)變曲線受多種因素的影響。對纖維混凝土增強機理進行研究，要獲得鋼纖維混凝土的受拉全過程曲線，采用軸拉方法最為適宜，但是要在試驗方法上作一定改進，并且試驗機要有足夠的剛度，來保證試驗過程的穩(wěn)定。眾所周知，在工程實踐過程中，由于施工技術(shù)及經(jīng)濟條件的限制， SFRC中纖維體積摻率一 般不超過 2%，而大部分工程實例中，纖維摻量都在 1%左右。為此，本文設(shè)計了軸拉 SFRC 材料試驗，纖維摻量取 1%，并采用不同種類的纖維增強形式，進行對比分析。 二、實驗內(nèi)容 試驗在 60噸萬能試驗機上進行。在試驗裝置中添加了四個高強鋼桿以增大試件的卸載剛度，并通過在試件兩端添加球鉸來消除試件的初始偏心率。 通過調(diào)節(jié)連接試件和橫梁的四個高強螺栓來保證試件的軸心受拉。試件相對兩側(cè)面之間的拉應(yīng)變值之差不得大于其平均值的 15％。當鋼纖維摻量很低（為零或 ％時），在荷載峰值采用低周反復(fù)加載曲線的外包絡(luò)線來獲得軸拉應(yīng)力 — — 應(yīng)變?nèi)€ .。 材料 由四種不同類型的鋼纖維用于該試驗，這些纖維中三種是帶鉤的（和）一種是光滑的。 試驗中所采用的三種混凝土配合比用于研究，見于表一。在基體強度等級為 C60和 C80 鋼纖維混凝土中分別加入了大連建科院生產(chǎn)的 DK 一 5 型減水劑和瑞士 Sika 公司生產(chǎn)的液體減水劑。這些被用來研究鋼纖維混凝土的 C30,C60,C80 混凝土被制成的試件，在標準情況下養(yǎng)護 28天。三種試件的平均強度見于表一。水泥采用大連小野田水泥廠生產(chǎn)的 級和 級普通硅酸鹽水泥。細骨料采用細度模數(shù) 2． 6的河砂。粗骨料采用 5～ 20 石灰?guī)r碎石。 表一 、試件 用建筑結(jié)構(gòu)膠將軸拉試件粘貼于兩端的鋼墊板上。 22 組共 110 個試件的具 體參數(shù)。 、補充 經(jīng)過 28天，普通混凝土和鋼纖維混凝土分別被用來做抗拉強度試驗。張拉應(yīng)力 —— 應(yīng)變曲線由此獲得。對于高強度鋼纖維混凝土諸如抗拉能力等拉伸特性也由此得到。增強類鋼纖維混凝土比增韌類鋼纖維混凝土的強度平均提高 13%；而由基本開裂至裂縫寬度為 區(qū)間 (相應(yīng)的應(yīng)變約2020με )的斷裂能積分則顯示：增韌類鋼纖維混凝土比增強類鋼纖維混凝土的斷裂能平均提高 20%.由表 3 還可以看出，大部分 SFRC 第一峰值對應(yīng)的極限拉應(yīng)變值與素混凝土相當，在 100με左右，這說明低含率纖維的摻入對提高混凝土的極限 拉應(yīng)變作用不很明顯。而增韌類 SFRC 第二峰值對應(yīng)的 水泥強度 (ISO) 水泥 Kg/m3 沙 的比率 u/c 沙 屈服強度 Kg/m3 堿水劑 Kg/m3 壓縮強度 Mpa C30 450 667 1185 — C60 500 612 1223 DK5 C80 600 535 1191 Sika 應(yīng)變則大大提高，可達 1000με，由此可知第二峰值的出現(xiàn)大大提高了材料的韌性。 DRAMIX 型纖維因為長度是其它三種纖維長度的 2 倍，其斷裂韌性更好，在試驗曲線中可以看出在應(yīng)變達到后，其荷載強度仍然保持較高水平，直到 10000με應(yīng)變時荷載仍可保持其峰值水平的 50%左右。 三、試驗結(jié)果和分析 劈拉強度和軸拉極限強度 不同試件的劈拉強度和軸拉極限強度查表，在混凝土中增加鋼纖維的量可以提高它的劈拉強度和軸拉極限強度，兩種不同參數(shù)的鋼纖維鋼筋混凝土和普通混凝土 （它們的混合比例相同）的比率也可查表。 基體強度及纖維類型對軸拉強度的影響 從上我們可以看出鋼纖維對初裂強度的增強作用受基體強度變化的影響很小。也就是說在摻人同種鋼纖維時，隨著基體強度的增加，鋼纖維混凝土與同配比素混凝土的初裂強度的比值基本恒定 然而，不同情況下的極限抗拉強度是不一樣的，當基體強度增加時，對于不同類型的鋼纖維，極限抗拉強度的分配量是不同的。另外它的增加量比劈拉恰強度大 F1 型鋼纖維作為基體的極限抗拉強度很高，這是因為這類型的鋼纖維的強度很高（大于 1100MPa）試驗過程中沒有纖維拔 斷的現(xiàn)象出現(xiàn)而且當基體強度較高時 (C80)，鋼纖維的端部彎鉤被完全拉直。由于黏結(jié)強度的提高，基體強度越高，該纖維對高強混凝土軸拉極限強度的增強效果越好。 F2 和F3 型鋼纖維的強度較高，二者均有端部彎鉤，并且表面較為粗糙，當基體強度較高時 (C80)，出現(xiàn)纖維拔斷現(xiàn)象，該現(xiàn)象的出現(xiàn)對這兩種鋼纖維的增強效果產(chǎn)生了消極影響，因此為了最大限度的發(fā)揮這兩種鋼纖維的增強作用，應(yīng)將其應(yīng)用于中高強度混凝土中。 F4 型纖維為長直型，其與基體問的粘結(jié)力較小，因此它的增強效果耍弱于其他二種。因為其與基體問的粘結(jié)力較小因此在試驗過程中 沒有纖維拔斷現(xiàn)象出現(xiàn)。并且隨著基體強度升高，由于黏結(jié)力的增大，該纖維增強效率有持續(xù)提高。 鋼纖維摻量對軸拉強度的影響 試驗中重點針對 F3型鋼纖維研究了纖維摻量的變化對鋼纖維高強混凝土軸拉初裂強度和極限強度的影響。試驗中鋼纖維體積摻率變化范圍為 ?？梢婋S著纖維摻量增大，軸拉初裂強度和極限強度均有提高。兩圖中曲線的上升趨勢很相似。也就是說纖維摻量在整個拉伸過程中對鋼纖維混凝土內(nèi)拉應(yīng)力的影響是積極的和穩(wěn)定的。 纖維序號 F1 F2 F3 F4 鋼纖維鋼筋混凝土軸拉極限強度可以用下式來計算： （ 1） 式中： fft 為鋼纖維鋼纖維軸拉極限強度軸拉極限強度； ft 為同配比素混凝土軸拉極限強度； 纖維類型系數(shù)有表四給出 為鋼纖維體積摻率， l/d 為鋼纖維長徑比。 軸拉變形性能和韌性 初裂拉應(yīng)變和峰值荷載拉應(yīng)變 對試件四周四個夾式位移計測得的應(yīng)變值進行平均獲得試件的拉應(yīng)變值。 若試驗中試件相對側(cè)面的拉應(yīng)變差大于平均值的 15％，該試件作廢。 高強 SFRC 的初裂拉應(yīng)變和峰值拉應(yīng)變要遠大于同配比素混凝土 (見表5)，隨著基體強度或者纖維摻量增大，這個差值有所增長，鋼纖維對峰值應(yīng)變的提高作用要比初裂應(yīng)變更加明顯。 拉伸功和軸拉韌性指數(shù) 拉伸功為位移 00． 5 mm軸拉荷載位移全曲線下面積 (圖 5中陰影面積 )。另外，引入軸拉韌性指數(shù)。其定義為： (2) 式中 : fft 為鋼纖維混凝土軸拉極限強度； A 為軸拉試件的破壞橫截面面積。 兩參數(shù)均用來評價鋼纖維高強混凝土在軸拉 過程中的韌性。軸拉韌性指數(shù)為無量綱系數(shù)，與軸拉功相比，在評價軸拉韌性時可在一定程度上消除軸拉極限強度的差別所帶來的影響。 從上我們可以發(fā)現(xiàn)，基體強度和纖維含量兩種參數(shù)的有規(guī)律的改變很相似，因此我們分析的重點應(yīng)放在韌性指數(shù)上。 摻有四種鋼纖維及素混凝土試件基體強度與軸拉韌性指數(shù)的關(guān)系成比例，其中纖維混凝土試件中鋼纖維體積摻率均為 1． 0％?？梢姼邚?SFRC 的軸拉韌性要遠遠優(yōu)于同配比素混凝土。 鋼纖維的抗拉強度的影響是顯著的，隨著基體強度升高，混凝土脆性明顯增加，素混凝土軸拉韌性明顯下降。在摻有 F1 和 F2 型鋼纖維 的試件中也出現(xiàn)了韌性下降現(xiàn)象。 F1 型纖維從基體中拔出其實是一個纖維端鉤被拉直，纖維端部周圍混凝土被擠碎的過程。當纖維端鉤最終被拉直時，軸拉荷載很快下降。混凝土的強度越高，基體硬度和脆性越大，上述過程歷時也更短。因此當基體強度較高時，軸拉應(yīng)力 —— 應(yīng)變曲線下降得更快，軸拉韌性指數(shù)也有所下降。 在四種類型纖維種 F1型纖維的增韌效果最好， F2 型纖維長徑比最小，基體強度較高時出現(xiàn)了纖維拔斷現(xiàn)象，因此當基體強度增加時韌性指數(shù)不斷下降。 F3和 F4 型鋼纖維韌性指數(shù)均隨基體強度升高而增大。這兩種纖維均為剪切型，表面較粗糙。 在鋼纖維和基體之間黏結(jié)力的各組分中，摩擦力起主導(dǎo)作用。摩擦力隨基體強度的升高而增大，且該黏結(jié)類型的拔出破壞是一個持續(xù)過程，因此基體強度升高對摻有這兩種鋼纖維的混凝土韌性起積極作用。這兩種纖維的不同之處是 F3型的兩端有彎鉤。由于端鉤的存在使得在基體強度不太高時 (C30 和 C60)， F3 型鋼纖維的增韌作用優(yōu)于 F4 型。當基體強度很高時 (C80)，由于纖維拔斷現(xiàn)象影響了 F3 型的增韌效果， F4型鋼纖維的增韌效果叉反過來超過了 F3型鋼纖維。 鋼纖維鋼筋混凝土單軸拉伸應(yīng)力 —— 應(yīng)變曲線 典型的鋼纖維高強混凝土軸拉應(yīng)力一 應(yīng)變?nèi)€ (為了便于比較，每組試件選出條典型曲線作為代表 )，表述了軸拉曲線隨基體強度的變化規(guī)律；表述了軸拉曲線隨鋼纖維 (F3 型 )摻量的變化規(guī)律。曲線由彈性階段、彈塑性階段和下降段 (軟化段 )組成。下降段存在拐點。 從上中可以看到，基體強度越高，軸拉應(yīng)力一應(yīng)變?nèi)€下降得越快。另外，鋼纖維摻量的提高可以大大地改善曲線的豐滿程度。鋼纖維類型對軸拉應(yīng)力一應(yīng)變?nèi)€的形狀也有一定的影響。 Fl 型纖維的曲線是幾種鋼纖維中最豐滿的，并且在拉應(yīng)變?yōu)榇蠹s 10000個微應(yīng)變時出現(xiàn)了第二峰值。該現(xiàn)象體現(xiàn)了 Fl型纖維良好的增韌效果。 當基體強度較高時，由于纖維拔斷的出現(xiàn)使得 F2 和 F3 型鋼纖維試件的軸拉曲線下降端呈階梯狀。 F4 型纖維的曲線較為平滑，形狀與素混凝土曲線相似，但是更為飽滿。這是因為長直形鋼纖維的拔出過程是相對連續(xù)和柔和的 . 四、研究分析 由 4種鋼纖維混凝土的典型拉伸應(yīng)力 應(yīng)變曲線可以看出：在軸拉條件下， 1%摻量的鋼纖維遠遠沒有達到使混凝土材料實現(xiàn)應(yīng)變強化的地步，大部分試驗曲線都在達到峰值后，出現(xiàn)荷載驟降段。但是，隨著變形的增加，有兩條曲線有明顯的第二峰值出現(xiàn)，而另外兩條則沒有，正是根據(jù)這種現(xiàn)象，可以將其分為增強和增韌兩大類鋼纖 維混凝土，有第二峰值的為增韌類，無第二峰值的為增強類。 曾經(jīng)有許多鋼纖維混凝土軸拉應(yīng)力一應(yīng)變?nèi)€模型提出大多數(shù)為分段函數(shù)，以應(yīng)力峰值點為分界點。本文中，全曲線的上升段和下降段采用不同的函數(shù)表達式。 在公式（ 3）中 上升段的公式 上升段的數(shù)學(xué)模型為：