王 宇

(山西路橋集團(tuán)試驗(yàn)檢測中心有限公司 太原市 030000)

0 引言

由于普通混凝土抗彎、抗剪能力較差，將一定數(shù)量的鋼纖維均勻混入混凝土基體中可使其抗彎性能大大提升，這種混凝土被稱為鋼纖維混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete，簡稱SFRC)。摻入鋼纖維能大大降低混凝土基體內(nèi)部的宏觀裂縫產(chǎn)生與擴(kuò)展,使結(jié)構(gòu)承載能力提高，增加韌性，為此，以山西某在建高速公路試驗(yàn)室為試驗(yàn)點(diǎn)，展開鋼纖維摻量對混凝土性能影響的研究。

1 研究內(nèi)容

以鋼纖維體積率為變量，設(shè)置三個(gè)鋼纖維混凝土對比組(1.5%、2%、2.5%)以及一個(gè)普通混凝土組進(jìn)行彎曲韌性試驗(yàn)，根據(jù)《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[1](CECS 13:2009)為試驗(yàn)與計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)對鋼纖維混凝土梁的彎曲韌性進(jìn)行研究。本試驗(yàn)研究內(nèi)容如下：

(1)通過三點(diǎn)彎曲靜載試驗(yàn)，觀察四組試件的破壞形態(tài)差別。

(2)繪制四組試件的荷載-撓度曲線并加以分析。

(3)計(jì)算等效彎曲強(qiáng)度和彎曲韌度比以及各階段鋼纖維混凝土吸能能力。

(4)鋼纖維的最優(yōu)體積率。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)材料

(1) 鋼纖維

試驗(yàn)采用直徑0.3mm、長度9mm的短直型鋼纖維，如圖1所示。

圖1 鋼纖維

(2)水泥

本試驗(yàn)采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。

(3)粗骨料

在鋼纖維混凝土中一般選用不平整的、形狀較規(guī)則的碎石為粗骨料，其粒徑大小不應(yīng)大于鋼纖維長度的一半。因?yàn)楸驹囼?yàn)中采用的短直型纖維基本都不超過20mm，所以試驗(yàn)中選用最大粒徑不超過10mm的碎石。篩分曲線如圖2所示。

圖2 粗骨料的級配曲線

(4)細(xì)骨料

在制備混凝土?xí)r，細(xì)骨料主要用來填充碎石由于表面不平整所造成的間隙,使混凝土結(jié)構(gòu)趨于緊密,并將粗骨料粘結(jié)成一個(gè)整體。本試驗(yàn)采用天然中粗河砂，細(xì)度模數(shù)為2.56。

(5)減水劑

本試驗(yàn)采用聚羧酸減水劑，其減水率為18%～25%。

2.2 配合比設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本試驗(yàn)所用的鋼纖維混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C40，通過規(guī)定的鋼纖維混凝土的試驗(yàn)準(zhǔn)則與強(qiáng)度指標(biāo)等相關(guān)要求，確定試件各成分配合比。

(1)混凝土基體的水灰比的確定

鋼纖維混凝土中所使用的水灰比大小可以使用式(1)所示的計(jì)算方法確定：

(1)

(2)單位體積用水量的確定

在《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》[2](CECS 38：92)中，對于制備鋼纖維混凝土?xí)r選擇不同配合比的用水量有明確規(guī)定：在由經(jīng)驗(yàn)選定一個(gè)單位體積用水量的基礎(chǔ)上，鋼纖維體積率每增減5%，單位體積用水量便對應(yīng)地增減8kg。

(3)砂率的確定

本次試驗(yàn)使用通用的選用表來確定砂率值。

(4)總骨料用量的確定

砂、碎石的用量即總體骨料的用量，一般使用假定密度法計(jì)算，計(jì)算公式如下：

SP%=S0/(S0+G0)×100%

(2)

C0+W0+S0+G0=2450

(3)

式中：Sp為砂率；S0為單位體積用砂量(kg/m3)；G0為單位體積碎石用量(kg/m3)；C0為單位體積水泥用量(kg/m3)；W0為單位體積用水量(kg/m3)。

本試驗(yàn)中所制備的鋼纖維混凝土各成分配合比如表1。

表1 C40混凝土配合比

2.3 試件制備

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，本研究設(shè)置一組普通混凝土梁作為比較組，選定三種鋼纖維體積摻量(1.5%，2%，2.5%)作為試驗(yàn)變量，在《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[1](CECS 13:2009)中要求，在彎曲韌性試驗(yàn)中，鋼纖維試件長度未超過40mm的，一律使用100mm×100mm×400mm截面的混凝土梁進(jìn)行試驗(yàn)。制備步驟如下：

(1)稱重。

(2)攪拌：先把水泥、碎石、砂放入強(qiáng)臥式攪拌機(jī)內(nèi)攪拌100s，接著倒入鋼纖維繼續(xù)工作100s，待攪拌機(jī)內(nèi)砂塵散去，將混合后的減水劑和水均勻加入攪拌機(jī)，繼續(xù)工作120s左右取出混凝土拌和料，測定混凝土的坍落度。

(3)成型試件。

(4)24h后拆模，對試件標(biāo)記編號NC、SFRC-15、SFRC-20、SFRC-25，移至標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)28d。

2.4 彎曲韌性試驗(yàn)

2.4.1試驗(yàn)設(shè)備

基于工地試驗(yàn)室現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備，本試驗(yàn)采用型號為WES-300B型電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，加載支座間距離L=500mm。采用三點(diǎn)彎曲加載，設(shè)定加載速度為0.03，卸載速度為0.15，將試件跨中部分對準(zhǔn)加載輥軸，試驗(yàn)加載裝置如圖3。

圖3 試驗(yàn)加載裝置

2.4.2試驗(yàn)過程

鋼纖維混凝土梁的彎曲韌性試驗(yàn)步驟如下：

(1)使用混凝土磨砂輪將試件受載表面磨平，并用紅筆距離混凝土梁兩端端部25mm處標(biāo)記，在梁跨中部位，距上端5mm處用鉛筆標(biāo)記，便于傳感器的固定。

(2)先將夾具固定試件，將傳感器與夾式引伸計(jì)固定在夾具上并與混凝土梁跨中位置貼片相接觸，將其接入動(dòng)態(tài)采集儀中，待安裝基本完成后，完全固定試件。

(3)對混凝土試件進(jìn)行預(yù)加載，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)與采集儀，下降加載輥軸，當(dāng)輥軸與混凝土上表面接觸后，繼續(xù)緩慢下移至動(dòng)態(tài)采集儀上出現(xiàn)100～200N的荷載值，說明輥軸與鋼纖維混凝土表面接觸良好。

(4) 正式加載，根據(jù)已設(shè)定好的引伸計(jì)加載速度控制試驗(yàn)機(jī)的加載增長速度。當(dāng)荷載達(dá)到極限時(shí)，由加載轉(zhuǎn)為緩慢卸載，直到鋼纖維混凝土梁跨中撓度到達(dá)3.74mm或試件失去承載能力后停止加載，通過與傳感器相連接的動(dòng)態(tài)采集儀上獲取試驗(yàn)結(jié)果。

(5)將傳感器從試件上卸下后，搬移試件至平整地面，裂縫面朝上放置，拆卸夾具，清掃儀器，取另一試件梁重復(fù)上述步驟。

3 鋼纖維混凝土的破壞形態(tài)

受彎后的鋼纖維混凝土試件破壞形態(tài)大致相同，均為跨中部分出現(xiàn)一條主要裂縫，并以該裂縫為擴(kuò)展點(diǎn)，出現(xiàn)許多微小裂縫。普通混凝土由于在開裂不久后就失去了承載能力，裂縫擴(kuò)展不明顯，隨著鋼纖維體積率的增加，裂縫寬度以及擴(kuò)展長度均有一定程度的提高，如圖4所示。

圖4 鋼纖維混凝土的破壞形態(tài)

4 鋼纖維混凝土的荷載-撓度曲線

典型的荷載-撓度曲線如圖5所示。

圖5 典型荷載-撓度曲線

荷載-撓度曲線上存在兩個(gè)的特征點(diǎn)A、B將整條曲線分為OA、AB、BC三個(gè)階段，各個(gè)階段的曲線變化體現(xiàn)了鋼纖維混凝土試件內(nèi)部裂縫的發(fā)展與承載能力的變化。

(1)OA段：這一段荷載增長較快，撓度基本沒有發(fā)生變化。在這一階段，鋼纖維混凝土梁試件內(nèi)部還未出現(xiàn)宏觀裂縫，混凝土基體將外部荷載傳遞到內(nèi)部相互粘結(jié)的鋼纖維上，鋼纖維尚未發(fā)揮作用。當(dāng)接近A點(diǎn)時(shí)，混凝開始出現(xiàn)裂縫，同時(shí)鋼纖維開始突顯阻裂效應(yīng)，當(dāng)荷載值超過A點(diǎn)時(shí)，荷載-撓度曲線由直線變?yōu)榍€，失去線性特質(zhì)。

(2)AB段：荷載-撓度曲線失去線性關(guān)系。當(dāng)荷載大小超過A點(diǎn)后，混凝土基體內(nèi)微裂縫不斷擴(kuò)展延伸并逐漸形成肉眼可見的裂縫，基體內(nèi)部的鋼纖維不斷被拔出，荷載繼續(xù)增加，曲線斜率變小。當(dāng)鋼纖維與混凝土達(dá)到最大界面粘結(jié)應(yīng)力時(shí)，達(dá)到了峰值荷載點(diǎn)，即B點(diǎn)。

(3)BC段：荷載到達(dá)峰值后，裂縫進(jìn)入迅速擴(kuò)展階段。對于相同形狀參數(shù)的普通混凝土，一旦產(chǎn)生宏觀裂縫，便迅速延伸到混凝土頂端，荷載-撓度曲線在到達(dá)峰值后便迅速下降。而對鋼纖維混凝土而言，在產(chǎn)生宏觀裂縫后仍能繼續(xù)承受荷載，表現(xiàn)出了良好的韌性與變形能力，這種韌性在鋼纖維體積率較大時(shí)表現(xiàn)得愈發(fā)明顯，荷載-撓度曲線的下降部分也較為飽滿，展現(xiàn)了鋼纖維體積率對鋼纖維混凝土增強(qiáng)韌性的影響。

5 鋼纖維混凝土彎曲韌性試驗(yàn)結(jié)果分析

采用CECS 13：2009標(biāo)準(zhǔn)，對試驗(yàn)獲得的荷載-撓度曲線進(jìn)行分析，計(jì)算等效彎曲強(qiáng)度fe、彎曲韌性比Re以及能量吸收值。

5.1 鋼纖維體積率對彎曲韌性的影響

由試驗(yàn)結(jié)果獲得的數(shù)據(jù)所繪制的荷載-撓度曲線如圖6。

圖6 不同試件的荷載-撓度曲線

由圖6可知：

(1)在跨中撓度到達(dá)0.5mm之前4組試件的曲線增長趨勢基本相同，說明在裂縫還未形成前，由鋼纖維與混凝土為一個(gè)整體共同承受荷載，在到達(dá)初裂荷載之前，鋼纖維體積率對混凝土無明顯影響。

(2)在跨中撓度處于0.5～0.7mm這一階段時(shí)，試件全部到達(dá)峰值荷載，且鋼纖維混凝土試件均有明顯提升，較試件NC，試件SFRC-15、SFRC-20、SFRC-25的峰值載荷分別提高了13.53%、23.12%、41.02%，說明鋼纖維體積率一定程度上可以提高混凝土的承載能力。

(3)在跨中撓度處于0.7～1mm這一階段時(shí)，荷載開始逐漸變小直至到達(dá)低谷，這一階段為裂縫的快速擴(kuò)展期，裂縫朝四周不斷延伸產(chǎn)生微小裂縫，普通混凝土基本失去承載能力，這時(shí)鋼纖維與混凝土之間的粘結(jié)作用逐漸減小直至失去效果，鋼纖維開始發(fā)揮其對裂縫的阻裂作用。

(4)在跨中撓度處于1～4mm這一階段時(shí)，鋼纖維體積率越大，荷載-撓度曲線越飽滿，試件仍存在一定的受彎能力，且下降速度緩慢，普通混凝土早已失去承載能力，SRFC-20與SRFC-25相對于SRFC-15的最終荷載分別提高了10.2%、90.5%。由此看出，摻入鋼纖維后，混凝土的彎曲韌性得到較大提升，且SFRC-25的彎曲韌性提升是最大的，所以2.5%體積率可以作為進(jìn)一步最佳鋼纖維體積率的參考量。

5.2 鋼纖維混凝土試件韌性評價(jià)

將各組的相關(guān)數(shù)據(jù)分別帶入公式計(jì)算得出等效彎曲強(qiáng)度、初裂荷載強(qiáng)度、彎曲韌性比以及各類能量吸收值。計(jì)算結(jié)果如表 2所示。

表2 鋼纖維混凝土的彎曲韌性

由表2計(jì)算可知，鋼纖維體積率對fe、Re以及各段曲線的能量吸收大小均有影響，都會隨著鋼纖維體積率的增加而獲得一定程度的提高。其中，以SFRC-15為參考值，等效彎曲強(qiáng)度fe：SFRC-20增加了54.2%，SFRC-25增加了76.33%；彎曲韌性比Re：SFRC-20增加了54.55%，SFRC-25增加了72.72%；鋼纖維能量吸收值D1f：SFRC-20增加了50.62%，SFRC-25增加了79.08%；鋼纖維能量吸收D2f:SFRC-20增加了57.49%，SFRC-25增加了84.89%。初裂荷載強(qiáng)度fcr的大小并沒有明顯變化，說明鋼纖維對線彈性階段的混凝土的力學(xué)性能幾乎沒有影響。

由表 2中數(shù)據(jù)，將鋼纖維體積率和單位體積率吸收的能量大小制成曲線圖7，當(dāng)鋼纖維體積率為2.1%時(shí)，其單位體積率的能量吸收為5584N·mm，相對SFRC-15提高了19.06%，相對SFRC-20提高了0.79%，相對SFRC-25提高了7.32%。由此可知，當(dāng)鋼纖維體積率為2.1%時(shí)，可以完全發(fā)揮鋼纖維在開裂時(shí)對能量的吸收能力，對混凝土彎曲韌性的提升率達(dá)到最大。

圖7 鋼纖維體積率與單位體積率能量吸收示意圖

6 結(jié)語

基于工地試驗(yàn)室現(xiàn)有條件，通過對NC、SFRC-15、SFRC-20以及SFRC-25的彎曲韌性試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

(1)鋼纖維對未開裂的混凝土性能基本沒有提升，主要提升了初裂荷載后梁的性能，且鋼纖維體積率的增加提升了混凝土梁的承載能力，且為非線性增加，說明了一定范圍內(nèi)的鋼纖維體積率可以使混凝土的韌性增加，并非無限值。

(2)鋼纖維混凝土的破壞形態(tài)發(fā)生了很大變化，普通混凝土在到達(dá)峰值荷載后很快失去承載能力，裂縫還沒有擴(kuò)展，鋼纖維混凝土在到達(dá)峰值荷載后還有一定的承載能力，裂縫會沿著跨中主要裂縫擴(kuò)展。

(3)彎曲韌性試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算表明鋼纖維混凝土較普通混凝土具有良好的彎曲韌性，且伴隨鋼纖維體積率的增加，各項(xiàng)指數(shù)均有一定程度的增長，鋼纖維吸能能力也有穩(wěn)定提升。

(4)通過計(jì)算鋼纖維單位體積率的吸能能力，得到在鋼纖維體積率為2.1%時(shí)，鋼纖維吸收能量的效率最高，所以2.1%鋼纖維體積率為最優(yōu)體積率。