錢子晗，徐 諾，劉安南，張 祥，張虹宇

(江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著我國城市化進(jìn)程的發(fā)展，土木、交通、水利等領(lǐng)域中的各類工程結(jié)構(gòu)越來越高強(qiáng)度化、耐久化以及低碳化；而混凝土作為應(yīng)用廣泛、用量最大的材料，其性能要求一直是關(guān)注的熱點(diǎn)問題[1-2]。世界各國使用的混凝土強(qiáng)度在逐步提高，我國C50～C60的混凝土用量也在持續(xù)增大，進(jìn)一步推廣C80及以上高強(qiáng)混凝土材料的應(yīng)用符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，有廣闊的應(yīng)用前景[3-5]。本文以C80高強(qiáng)混凝土為對(duì)象，借助抗壓、抗折以及抗沖擊試驗(yàn)來研究高強(qiáng)混凝土的韌性性能，重點(diǎn)探討了鋼纖維摻量對(duì)高強(qiáng)混凝土的靜力和沖擊韌性的影響，并給出了優(yōu)化的設(shè)計(jì)建議。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 原材料

水泥采用P.Ⅰ42.5硅酸鹽水泥；粗骨料采用5 mm～20 mm連續(xù)級(jí)配碎石，含泥量為0.2%；細(xì)骨料采用普通河砂，其細(xì)度模數(shù)為2.8，含泥量為0.5%；礦物摻合料采用河南恒源新材料有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦粉和96硅灰；減水劑采用聚羧酸系減水劑，減水率大于14%；鋼纖維選用端鉤鋼纖維(長度30 mm，直徑0.5 mm)，其抗拉強(qiáng)度為1 100 MPa。

1.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)及試件制備

按C80等級(jí)混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，水膠比(質(zhì)量比)選定為0.25，減水劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的2%；按鋼纖維摻量(膠凝材料質(zhì)量百分比)0，1%和2%設(shè)計(jì)了三種配合比。

鑒于實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，本次試?yàn)分別測試試件的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及抗沖擊韌性等力學(xué)性能，具體試件尺寸、測試齡期及數(shù)量見表1。試件澆筑完成后，室內(nèi)放置24 h后脫模；隨后定期澆水并用濕毯保持濕度，養(yǎng)護(hù)至28 d。

1.3 力學(xué)性能測試方法

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度按GB/T 50081—2019普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)方法進(jìn)行測定，此處不再贅述。這里主要介紹抗折強(qiáng)度試驗(yàn)和抗沖擊試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)試件及設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3.1 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

參照GB/T 50081—2019普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)開展不同齡期混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。對(duì)于本文采用的C80高強(qiáng)混凝土，試驗(yàn)加載速率采用0.10 MPa/s；當(dāng)試件接近破壞時(shí)，停止調(diào)整試驗(yàn)機(jī)油門，直至試件破壞，并記錄破壞荷載F及試件下邊緣斷裂位置。

1.3.2 抗沖擊試驗(yàn)

參照CECS 13:2009纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)開展混凝土圓柱體(圓餅)抗沖擊試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖1。圖1中，鋼球質(zhì)量4.5 kg，沖擊高度1 m，為保證鋼球落點(diǎn)不偏離試件中心，將鋼球提升至預(yù)定高度后使其恰好固定于預(yù)先設(shè)定的凹槽內(nèi)，凹槽中心與試件中心連線垂直于試件表面。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

經(jīng)測定，三類高強(qiáng)混凝土在7 d,14 d和28 d齡期時(shí)的立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)測值fcu(三個(gè)試件的平均值)中可以看出，對(duì)于三類高強(qiáng)混凝土，其抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期增大而逐漸提高，且三者的變化趨勢相當(dāng)。在同一齡期下，混凝土抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維含量的增大而增大，與未摻鋼纖維的HSC-SF0試件相比，摻加1%和2%鋼纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度分別提高約14%和23%。由此可見，摻入鋼纖維在提高高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度方面仍表現(xiàn)出優(yōu)越性。

可以認(rèn)為，在高強(qiáng)混凝土中加入鋼纖維，由于鋼纖維從基體中拉斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力，一定程度上可以提高混凝土承受荷載的能力。此外，隨著受壓荷載的增加，混凝土中會(huì)產(chǎn)生一定的裂縫，鋼纖維的加入能夠阻礙裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，從而提高混凝土的整體性和延展性。

2.2 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)于棱柱體試件，其抗折強(qiáng)度可按式(1)計(jì)算。經(jīng)測定，三類高強(qiáng)混凝土28 d養(yǎng)護(hù)后的抗折強(qiáng)度實(shí)測值(三個(gè)試件的平均值)見表2。

(1)

其中，ff為混凝土抗折強(qiáng)度,MPa；F為試件被破壞荷載,N；L為支座間跨度，此處為300 mm；b為試件截面寬度，b=100 mm；h為試件截面高度，h=100 mm。

表2 高強(qiáng)混凝土試件抗折強(qiáng)度實(shí)測結(jié)果

由表2可知，混凝土抗折強(qiáng)度同樣隨鋼纖維含量的增大而增大，與未摻鋼纖維的HSC-SF0試件相比，摻加1%和2%鋼纖維的混凝土抗折強(qiáng)度分別提高13.3%和21.3%。相關(guān)文獻(xiàn)同樣采用鋼纖維(含量為0%,0.5%和1%)配置了C80級(jí)的高強(qiáng)混凝土，試驗(yàn)得到了鋼纖維含量0.5%和1%的混凝土抗折強(qiáng)度比值分別為1.04和1.20，其提高效果與本文相當(dāng)。由此可見，鋼纖維摻量(2%以內(nèi))的增大能有效提高高強(qiáng)混凝土的抗折強(qiáng)度，對(duì)改善高強(qiáng)混凝土的延性有一定作用。

對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)為C80的高強(qiáng)混凝土，其高強(qiáng)度很可能引起混凝土的韌性不足。這里采用折壓比(見式(2))作為混凝土靜力韌性指標(biāo)，分析鋼纖維的加入對(duì)高強(qiáng)混凝土韌性的影響，相關(guān)結(jié)果見表2。折壓比是衡量混凝土韌性的指標(biāo)之一，折壓比越大，混凝土韌性越好。由表2結(jié)果可知，隨著鋼纖維含量的增大，混凝土折壓比呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，但增長幅度不大。但對(duì)比來看，鋼纖維的加入對(duì)混凝土靜力韌性有一定改善作用。

k=ff/fcu

(2)

其中，k為混凝土折壓比。

2.3 抗沖擊試驗(yàn)

部分圓餅試件的沖擊破壞形態(tài)中，在沖擊試驗(yàn)過程中，未摻加鋼纖維的HSC-SF0高強(qiáng)混凝土試件表面一旦出現(xiàn)損傷裂縫，下次沖擊時(shí)裂縫便快速發(fā)展，很快出現(xiàn)破壞，呈現(xiàn)典型的脆性破壞特征；而摻加鋼纖維的HSC-SF1和HSC-SF2高強(qiáng)混凝土試件的初裂沖擊次數(shù)明顯增加，試件表面的裂縫發(fā)展也較為緩慢，在此過程中可以發(fā)現(xiàn)裂縫間的纖維有拉結(jié)的現(xiàn)象，破壞過程較為緩慢，屬于延性破壞。

此時(shí)，對(duì)應(yīng)的抗初裂沖擊耗能W1(J)、抗破壞沖擊耗能W2(J)可統(tǒng)一按式(3)計(jì)算。

W=Nmgh

(3)

其中，N為沖擊次數(shù)，分別取N1和N2；m為沖擊錘的質(zhì)量，此處取4.5 kg；g為重力加速度，取9.81 m/s2；h為沖擊錘下落高度，此處取1 m。

由數(shù)據(jù)的結(jié)果可知，對(duì)于未摻鋼纖維的試件，其初裂和破壞沖擊次數(shù)相差不大，且沖擊次數(shù)較小，能吸收消耗的沖擊能量也較小。而摻入鋼纖維后，混凝土的沖擊次數(shù)有明顯增大，鋼纖維混凝土對(duì)于沖擊能量的吸收能力也顯著提高。當(dāng)鋼纖維含量從0%增大到2%時(shí)，試件的初裂和破壞沖擊次數(shù)呈現(xiàn)先提高后下降的趨勢；在鋼纖維含量為1%時(shí)，試件初裂與破壞沖擊次數(shù)達(dá)到峰值。其主要原因在于，在試件承受荷載后，鋼纖維與混凝土的界面首先出現(xiàn)裂縫；而隨著裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，鋼纖維開始承受荷載，與界面相交的鋼纖維起到了很好的增韌效果，促進(jìn)了初裂和破壞沖擊次數(shù)的增大。參照文獻(xiàn)，本文采用延比性β、韌性系數(shù)C來評(píng)判鋼纖維混凝土的沖擊韌性，兩者的計(jì)算公式見式(4)，式(5)；相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果見表3。

β=(N2-N1)/N1

(4)

C=W2,i/W2,0

(5)

其中，N1,N2分別為初裂、破壞沖擊次數(shù)；W2,i為試件的抗破壞沖擊耗能；W2,0為未摻鋼纖維試件的抗破壞沖擊耗能。

表3 高強(qiáng)混凝土沖擊韌性分析

由表3結(jié)果可得，未摻鋼纖維混凝土受到?jīng)_擊荷載時(shí)，延比性β非常小(接近于0)，符合試件的脆性破壞特性；當(dāng)鋼纖維含量為1%時(shí)，試件的韌性系數(shù)C和延比性β均達(dá)到最大值，這是因?yàn)樵诹芽p擴(kuò)展階段，鋼纖維的橋接作用消耗了大量的沖擊功，增韌效果明顯；當(dāng)鋼纖維含量增至2%時(shí)，試件的韌性系數(shù)C和延比性β均出現(xiàn)了下降，但仍高于未摻鋼纖維混凝土試件；其原因是鋼纖維摻入量增加，使得鋼纖維表面增加，而混凝土內(nèi)的水泥漿不足以完全包裹鋼纖維，導(dǎo)致界面處的黏結(jié)力降低，混凝土內(nèi)出現(xiàn)較多薄弱區(qū)，在沖擊荷載作用下，界面的薄弱區(qū)產(chǎn)生集中應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力大于黏結(jié)力時(shí)，鋼纖維脫粘被拔出，降低了鋼纖維對(duì)韌性的增加效果，減少了對(duì)沖擊能量的吸收。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比分析了鋼纖維含量對(duì)混凝土韌性系數(shù)影響，可以看出，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土沖擊韌性系數(shù)均呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，當(dāng)鋼纖維摻量為1%時(shí)，韌性系數(shù)均達(dá)到最大值。故可以認(rèn)為，對(duì)于C80級(jí)高強(qiáng)混凝土，為了取得較好的抗沖擊性能和沖擊韌性，建議將鋼纖維摻量取為1%左右。

3 結(jié)論

1)對(duì)于C80級(jí)高強(qiáng)混凝土，鋼纖維的加入(摻量2%以內(nèi))能有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。2)高強(qiáng)混凝土的抗折強(qiáng)度也隨著鋼纖維含量的增大而逐漸提高，但由于抗壓強(qiáng)度的提高，試件折壓比隨鋼纖維含量增大的提高幅度不大。3)隨著混凝土強(qiáng)度的提高，混凝土脆性問題突出，而鋼纖維與高強(qiáng)混凝土的復(fù)合效應(yīng)，能有效改善混凝土的增強(qiáng)、增韌和阻裂效應(yīng)，從而有效改善混凝土的脆性問題，提高高強(qiáng)混凝土的韌性。對(duì)于C80級(jí)高強(qiáng)混凝土，當(dāng)鋼纖維摻量取為1%左右時(shí)，取得的增韌效果最好。