【正文】 混凝土應(yīng)力實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)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(gè)裂縫擴(kuò)展性質(zhì)很像無鋼筋的素混凝土，鋼纖維對(duì)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(duì)其它性質(zhì)的改進(jìn)很小，因此在正常實(shí)驗(yàn)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(gè)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(bào)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(yàn)。鋼筋混凝土的抗拉特型首鋼纖維的強(qiáng)度和含量影響。另外，在強(qiáng)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(duì)纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)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(yàn)方法上作一定改進(jìn)，并且試驗(yàn)機(jī)要有足夠的剛度，來保證試驗(yàn)過程的穩(wěn)定。眾所周知，在工程實(shí)踐過程中，由于施工技術(shù)及經(jīng)濟(jì)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(shí)例中，纖維摻量都在 1%左右。為此，本文設(shè)計(jì)了軸拉 SFRC 材料試驗(yàn)，纖維摻量取 1%，并采用不同種類的纖維增強(qiáng)形式，進(jìn)行對(duì)比分析。 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 試驗(yàn)在 60噸萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。在試驗(yàn)裝置中添加了四個(gè)高強(qiáng)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(gè)高強(qiáng)螺栓來保證試件的軸心受拉。試件相對(duì)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(dāng)鋼纖維摻量很低（為零或 ％時(shí)），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(yàn)，這些纖維中三種是帶鉤的（和）一種是光滑的。 試驗(yàn)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(qiáng)度等級(jí)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(biāo)準(zhǔn)情況下養(yǎng)護(hù) 28天。三種試件的平均強(qiáng)度見于表一。水泥采用大連小野田水泥廠生產(chǎn)的 級(jí)和 級(jí)普通硅酸鹽水泥。細(xì)骨料采用細(xì)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(gè)試件的具 體參數(shù)。 、補(bǔ)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(qiáng)度試驗(yàn)。張拉應(yīng)力 —— 應(yīng)變曲線由此獲得。對(duì)于高強(qiáng)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(qiáng)類鋼纖維混凝土比增韌類鋼纖維混凝土的強(qiáng)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(qiáng)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(duì)應(yīng)的極限拉應(yīng)變值與素混凝土相當(dāng)，在 100με左右，這說明低含率纖維的摻入對(duì)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(duì)應(yīng)的 水泥強(qiáng)度 (ISO) 水泥 Kg/m3 沙 的比率 u/c 沙 屈服強(qiáng)度 Kg/m3 堿水劑 Kg/m3 壓縮強(qiáng)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(dá) 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?yàn)殚L度是其它三種纖維長度的 2 倍，其斷裂韌性更好，在試驗(yàn)曲線中可以看出在應(yīng)變達(dá)到后，其荷載強(qiáng)度仍然保持較高水平，直到 10000με應(yīng)變時(shí)荷載仍可保持其峰值水平的 50%左右。 三、試驗(yàn)結(jié)果和分析 劈拉強(qiáng)度和軸拉極限強(qiáng)度 不同試件的劈拉強(qiáng)度和軸拉極限強(qiáng)度查表，在混凝土中增加鋼纖維的量可以提高它的劈拉強(qiáng)度和軸拉極限強(qiáng)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(qiáng)度及纖維類型對(duì)軸拉強(qiáng)度的影響 從上我們可以看出鋼纖維對(duì)初裂強(qiáng)度的增強(qiáng)作用受基體強(qiáng)度變化的影響很小。也就是說在摻人同種鋼纖維時(shí)，隨著基體強(qiáng)度的增加，鋼纖維混凝土與同配比素混凝土的初裂強(qiáng)度的比值基本恒定 然而，不同情況下的極限抗拉強(qiáng)度是不一樣的，當(dāng)基體強(qiáng)度增加時(shí)，對(duì)于不同類型的鋼纖維，極限抗拉強(qiáng)度的分配量是不同的。另外它的增加量比劈拉恰強(qiáng)度大 F1 型鋼纖維作為基體的極限抗拉強(qiáng)度很高，這是因?yàn)檫@類型的鋼纖維的強(qiáng)度很高（大于 1100MPa）試驗(yàn)過程中沒有纖維拔 斷的現(xiàn)象出現(xiàn)而且當(dāng)基體強(qiáng)度較高時(shí) (C80)，鋼纖維的端部彎鉤被完全拉直。由于黏結(jié)強(qiáng)度的提高，基體強(qiáng)度越高，該纖維對(duì)高強(qiáng)混凝土軸拉極限強(qiáng)度的增強(qiáng)效果越好。 F2 和F3 型鋼纖維的強(qiáng)度較高，二者均有端部彎鉤，并且表面較為粗糙，當(dāng)基體強(qiáng)度較高時(shí) (C80)，出現(xiàn)纖維拔斷現(xiàn)象，該現(xiàn)象的出現(xiàn)對(duì)這兩種鋼纖維的增強(qiáng)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(qiáng)作用，應(yīng)將其應(yīng)用于中高強(qiáng)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(qiáng)效果耍弱于其他二種。因?yàn)槠渑c基體問的粘結(jié)力較小因此在試驗(yàn)過程中 沒有纖維拔斷現(xiàn)象出現(xiàn)。并且隨著基體強(qiáng)度升高，由于黏結(jié)力的增大，該纖維增強(qiáng)效率有持續(xù)提高。 鋼纖維摻量對(duì)軸拉強(qiáng)度的影響 試驗(yàn)中重點(diǎn)針對(duì) F3型鋼纖維研究了纖維摻量的變化對(duì)鋼纖維高強(qiáng)混凝土軸拉初裂強(qiáng)度和極限強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)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(qiáng)度和極限強(qiáng)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(gè)拉伸過程中對(duì)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(hào) F1 F2 F3 F4 鋼纖維鋼筋混凝土軸拉極限強(qiáng)度可以用下式來計(jì)算： （ 1） 式中： fft 為鋼纖維鋼纖維軸拉極限強(qiáng)度軸拉極限強(qiáng)度； ft 為同配比素混凝土軸拉極限強(qiáng)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(duì)試件四周四個(gè)夾式位移計(jì)測得的應(yīng)變值進(jìn)行平均獲得試件的拉應(yīng)變值。 若試驗(yàn)中試件相對(duì)側(cè)面的拉應(yīng)變差大于平均值的 15％，該試件作廢。 高強(qiáng) SFRC 的初裂拉應(yīng)變和峰值拉應(yīng)變要遠(yuǎn)大于同配比素混凝土 (見表5)，隨著基體強(qiáng)度或者纖維摻量增大，這個(gè)差值有所增長，鋼纖維對(duì)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(qiáng)度； A 為軸拉試件的破壞橫截面面積。 兩參數(shù)均用來評(píng)價(jià)鋼纖維高強(qiáng)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(píng)價(jià)軸拉韌性時(shí)可在一定程度上消除軸拉極限強(qiáng)度的差別所帶來的影響。 從上我們可以發(fā)現(xiàn)，基體強(qiáng)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(diǎn)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(qiáng)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?qiáng) SFRC 的軸拉韌性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于同配比素混凝土。 鋼纖維的抗拉強(qiáng)度的影響是顯著的，隨著基體強(qiáng)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(shí)是一個(gè)纖維端鉤被拉直，纖維端部周圍混凝土被擠碎的過程。當(dāng)纖維端鉤最終被拉直時(shí)，軸拉荷載很快下降。混凝土的強(qiáng)度越高，基體硬度和脆性越大，上述過程歷時(shí)也更短。因此當(dāng)基體強(qiáng)度較高時(shí)，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(qiáng)度較高時(shí)出現(xiàn)了纖維拔斷現(xiàn)象，因此當(dāng)基體強(qiáng)度增加時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度的升高而增大，且該黏結(jié)類型的拔出破壞是一個(gè)持續(xù)過程，因此基體強(qiáng)度升高對(duì)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(qiáng)度不太高時(shí) (C30 和 C60)， F3 型鋼纖維的增韌作用優(yōu)于 F4 型。當(dāng)基體強(qiáng)度很高時(shí) (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(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)。 從上中可以看到，基體強(qiáng)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(duì)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(gè)微應(yīng)變時(shí)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(dāng)基體強(qiáng)度較高時(shí)，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?yàn)殚L直形鋼纖維的拔出過程是相對(duì)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(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到使混凝土材料實(shí)現(xiàn)應(yīng)變強(qiáng)化的地步，大部分試驗(yàn)曲線都在達(dá)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(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)為分界點(diǎn)。本文中，全曲線的上升段和下降段采用不同的函數(shù)表達(dá)式。 在公式（ 3）中 上升段的公式 上升段的數(shù)學(xué)模型為：