鋼纖維混凝土軸拉應(yīng)力-應(yīng)變特性的試驗研究
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在混凝土基體未開裂前，纖維與混凝土共同處于彈性狀態(tài)，對材料的變形性能影響很小，但在基體開裂后處于裂紋面的纖維便發(fā)揮出其橋聯(lián)阻裂性能，使材料具有較高的裂后強度、抗拉韌性等。傳統(tǒng)的混凝土拉伸試驗方法有3種：劈拉試驗，軸拉試驗和彎拉試驗(抗折試驗).劈拉試驗因其操作簡便，數(shù)據(jù)穩(wěn)定的特性，而成為工程人員最易接受的一種方法，但由于復雜的加載條件[2]，破壞斷面上材料處于復雜的應(yīng)力狀態(tài)(包括拉、壓、剪等作用)，不利于對其力學行為進行分析。彎拉試驗雖然操作同樣簡單方便，但只適用于以抗折強度為依據(jù)的混凝土結(jié)構(gòu)，同樣無法用來測量鋼纖維混凝土的應(yīng)力～應(yīng)變?nèi)€。軸拉試驗作為最基本的試驗方法，其核心是對棱柱體試件進行均勻的軸向拉伸，在整個加載過程中，由于試件斷面應(yīng)力應(yīng)變分布相對均勻，所測得應(yīng)力、應(yīng)變值對應(yīng)關(guān)系明確，故能夠直接、準確地測量材料的本構(gòu)行為。另一方面，由于試件破壞形式簡單，破壞準則易于掌握，便于進行鋼纖維混凝土機理分析。但該試驗的缺點是對試驗設(shè)備要求較高，操作復雜。對于鋼纖維混凝土(SFRC)來說，目前還沒有統(tǒng)一的軸拉試驗標準可循，國外學者在這方面涉及較早[3～6]，其采用的加載方式主要有兩種：一是采用楔形夾具通過摩擦作用于試件兩端加載；另一種是采用環(huán)氧樹脂粘結(jié)試件端面加載，其試驗對象包括素混凝土以及低、中、高各種纖維體積含率的纖維增強砂漿或混凝土材料。進入90年代后期，國內(nèi)有相關(guān)的文獻報道[7～9]。其中，文獻[7]采用大頭試件對高摻量(體積含率6%～12%)的纖維砂漿進行了軸向拉伸全過程試驗。而文獻[8，9]則從另一個角度出發(fā)，設(shè)計出了環(huán)狀試件加內(nèi)水壓加載的形式來模擬軸拉試驗，并得到了材料的拉伸全曲線。但是，以此方法能否替代軸拉試驗還需要進一步的論證。
綜合上述分析，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。
1 試驗內(nèi)容
試驗用水為生活用自來水。水泥為525號普通硅酸鹽水泥。細砂為河砂，篩除粒徑大于5mm的顆粒，粗骨料采用最大粒徑為20mm的碎石。鋼纖維共采用4種形式，見表1.軸拉試件尺寸為100mm×100mm×300mm，每組澆注試塊4個，共4組(包括4種纖維).混凝土配合比為：水∶水泥∶砂∶石=0.42∶1∶1.5∶2.0.試件養(yǎng)護28d后取出，采用切割機把兩端面切平，試件長度為24cm左右。試驗在清華大學高壩大型結(jié)構(gòu)國家實驗室INSTRON 8506伺服疲勞試驗機上進行，試驗裝置如圖1.試件端面采用環(huán)氧樹脂與拉頭膠結(jié)，并分別采用4個引伸計測量試件的拉伸變形，引伸計均連接在試件的上下拉頭上，以確保其破壞面在引伸計測量范圍內(nèi)。4個引伸計中示值最大的通道作為試驗機的控制信號[6]。應(yīng)變初始加載速率為8με/min，在軟化段后期，應(yīng)變到達1000με時，加載速率提高至50με/min.從試驗結(jié)果來看，提高加載速率前后，相應(yīng)載荷略有提高，但對整段曲線的發(fā)展趨勢影響很小。
2 試驗結(jié)果
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。
通過比較試驗結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：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0.5mm區(qū)間(相應(yīng)的應(yīng)變約2000με)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。
3 鋼纖維作用機理分析
試驗過程中，在基體開裂后，試件的拉伸變形主要來自初始裂縫的不斷張開，在斷裂面處SFRC通過纖維繼續(xù)把載荷傳遞給未開裂的部分，這樣，材料的力學性能就完全取決于纖維與基體界面的結(jié)合強度。隨裂縫不斷張開，纖維橋聯(lián)纖維也不斷被拔出，基體在阻礙纖維拔出的過程中，主要靠纖維-基體界面間的粘結(jié)力(包括粘著與剪摩約束兩種作用)及纖維的異形造成的機械抗力。HAREX纖維由于是銑削工藝制作的，表面粗糙，而武東纖維的波紋狀體形也相當于增大了纖維拔出過程中的摩擦，故在這兩種纖維拔出過程中，摩擦力(包括動摩擦與彈性剪摩約束兩種作用)起主要阻抗作用；而DRAMIX和浙蕭纖維兩種弓形纖維，由于其存在的彎鉤段，在纖維拔出過程中又額外提供了機械抗力。
取單根直線型短纖維(HAREX及武東)分析，假設(shè)斷裂面垂直于拉應(yīng)力方向，纖維沿拉應(yīng)力方向分布，其拔出過程主要包括兩步：首先，隨裂縫不斷地張開，纖維-基體界面首先從基體斷裂面處產(chǎn)生破壞，隨后沿纖維表面向基體內(nèi)部擴展，此時基體通過粘結(jié)破壞段的動摩擦作用與未破壞段的彈性剪摩作用來對纖維的拔出實施阻力。當界面破壞至纖維端點后，纖維與混凝土之間的粘結(jié)已完全失效，纖維進入動態(tài)拔出過程，此時纖維只受到基體給予的動摩擦作用，故在我們觀察到的SFRC試驗全曲線后期，載荷與裂縫張開度之間有很好的線性關(guān)系.而對于弓形纖維(DRAMIX及浙蕭)，當纖維-基體界面粘結(jié)破壞至纖維端點時，由于纖維末端存在異形彎鉤，纖維在繼續(xù)拔出過程中，要克服該彎鉤段拔出所需的機械抗力，而且該作用力是在拔出后期起主要作用的，所以該類SFRC在破壞后期能夠表現(xiàn)出較大的韌性。
從試驗結(jié)果來看，試件斷裂面形狀極不規(guī)則，分布有幾十根沿各種方向分布的纖維。纖維-基體界面上除了上述3種作用(動摩、剪摩、機械抗力)外，由于纖維與裂縫面不正交造成的纖維自身彎曲變形，同樣增加了基體對纖維的機械阻拔作用[10]。然而從另一個角度上說，纖維對斷裂區(qū)域混凝土的局部作用也因此大大增強了，再加上纖維的交錯分布，使斷裂面附近區(qū)域混凝土材料受力極不均衡，由此而形成的應(yīng)力集中不斷造成骨料和砂漿碎片的剝落損傷現(xiàn)象(對于增韌型纖維尤甚)，第二峰值的出現(xiàn)過程很有可能與大顆粒骨料的剝落有關(guān)。這雖然形成了一定的能量消耗，但同時也造成了斷裂區(qū)域處應(yīng)力、應(yīng)變的釋放，減弱了纖維的增韌效果。一般情況下，該區(qū)域的厚度與所摻纖維長度的半長以及所用骨料的最大粒徑有關(guān)。詳細、定量的機理分析，是作者研究工作的后續(xù)。
4 結(jié)論
(1)在分析鋼纖維混凝土受拉全過程力學行為時，采用軸拉試驗最為適宜；(2)按照纖維作用機理的不同，可以把SFRC劃分為增強和增韌兩大類；(3)通過增大纖維與基體的摩擦作用，可以提高纖維混凝土初裂時的承載力；而通過彎鉤等異型纖維，可以提高纖維混凝土的后繼承載力，有利于SFRC韌性的提高；(4)不同于單根纖維的拔出試驗，在SFRC的拉伸試驗中，混凝土基體產(chǎn)生大量的砂漿及骨料剝落現(xiàn)象，造成一定的載荷釋放，減弱了纖維的增強增韌效果。
（中國混凝土與水泥制品網(wǎng) 轉(zhuǎn)載請注明出處）
綜合上述分析，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。
1 試驗內(nèi)容
試驗用水為生活用自來水。水泥為525號普通硅酸鹽水泥。細砂為河砂，篩除粒徑大于5mm的顆粒，粗骨料采用最大粒徑為20mm的碎石。鋼纖維共采用4種形式，見表1.軸拉試件尺寸為100mm×100mm×300mm，每組澆注試塊4個，共4組(包括4種纖維).混凝土配合比為：水∶水泥∶砂∶石=0.42∶1∶1.5∶2.0.試件養(yǎng)護28d后取出，采用切割機把兩端面切平，試件長度為24cm左右。試驗在清華大學高壩大型結(jié)構(gòu)國家實驗室INSTRON 8506伺服疲勞試驗機上進行，試驗裝置如圖1.試件端面采用環(huán)氧樹脂與拉頭膠結(jié)，并分別采用4個引伸計測量試件的拉伸變形，引伸計均連接在試件的上下拉頭上，以確保其破壞面在引伸計測量范圍內(nèi)。4個引伸計中示值最大的通道作為試驗機的控制信號[6]。應(yīng)變初始加載速率為8με/min，在軟化段后期，應(yīng)變到達1000με時，加載速率提高至50με/min.從試驗結(jié)果來看，提高加載速率前后，相應(yīng)載荷略有提高，但對整段曲線的發(fā)展趨勢影響很小。
2 試驗結(jié)果
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。
通過比較試驗結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：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0.5mm區(qū)間(相應(yīng)的應(yīng)變約2000με)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。
3 鋼纖維作用機理分析
試驗過程中，在基體開裂后，試件的拉伸變形主要來自初始裂縫的不斷張開，在斷裂面處SFRC通過纖維繼續(xù)把載荷傳遞給未開裂的部分，這樣，材料的力學性能就完全取決于纖維與基體界面的結(jié)合強度。隨裂縫不斷張開，纖維橋聯(lián)纖維也不斷被拔出，基體在阻礙纖維拔出的過程中，主要靠纖維-基體界面間的粘結(jié)力(包括粘著與剪摩約束兩種作用)及纖維的異形造成的機械抗力。HAREX纖維由于是銑削工藝制作的，表面粗糙，而武東纖維的波紋狀體形也相當于增大了纖維拔出過程中的摩擦，故在這兩種纖維拔出過程中，摩擦力(包括動摩擦與彈性剪摩約束兩種作用)起主要阻抗作用；而DRAMIX和浙蕭纖維兩種弓形纖維，由于其存在的彎鉤段，在纖維拔出過程中又額外提供了機械抗力。
取單根直線型短纖維(HAREX及武東)分析，假設(shè)斷裂面垂直于拉應(yīng)力方向，纖維沿拉應(yīng)力方向分布，其拔出過程主要包括兩步：首先，隨裂縫不斷地張開，纖維-基體界面首先從基體斷裂面處產(chǎn)生破壞，隨后沿纖維表面向基體內(nèi)部擴展，此時基體通過粘結(jié)破壞段的動摩擦作用與未破壞段的彈性剪摩作用來對纖維的拔出實施阻力。當界面破壞至纖維端點后，纖維與混凝土之間的粘結(jié)已完全失效，纖維進入動態(tài)拔出過程，此時纖維只受到基體給予的動摩擦作用，故在我們觀察到的SFRC試驗全曲線后期，載荷與裂縫張開度之間有很好的線性關(guān)系.而對于弓形纖維(DRAMIX及浙蕭)，當纖維-基體界面粘結(jié)破壞至纖維端點時，由于纖維末端存在異形彎鉤，纖維在繼續(xù)拔出過程中，要克服該彎鉤段拔出所需的機械抗力，而且該作用力是在拔出后期起主要作用的，所以該類SFRC在破壞后期能夠表現(xiàn)出較大的韌性。
從試驗結(jié)果來看，試件斷裂面形狀極不規(guī)則，分布有幾十根沿各種方向分布的纖維。纖維-基體界面上除了上述3種作用(動摩、剪摩、機械抗力)外，由于纖維與裂縫面不正交造成的纖維自身彎曲變形，同樣增加了基體對纖維的機械阻拔作用[10]。然而從另一個角度上說，纖維對斷裂區(qū)域混凝土的局部作用也因此大大增強了，再加上纖維的交錯分布，使斷裂面附近區(qū)域混凝土材料受力極不均衡，由此而形成的應(yīng)力集中不斷造成骨料和砂漿碎片的剝落損傷現(xiàn)象(對于增韌型纖維尤甚)，第二峰值的出現(xiàn)過程很有可能與大顆粒骨料的剝落有關(guān)。這雖然形成了一定的能量消耗，但同時也造成了斷裂區(qū)域處應(yīng)力、應(yīng)變的釋放，減弱了纖維的增韌效果。一般情況下，該區(qū)域的厚度與所摻纖維長度的半長以及所用骨料的最大粒徑有關(guān)。詳細、定量的機理分析，是作者研究工作的后續(xù)。
4 結(jié)論
(1)在分析鋼纖維混凝土受拉全過程力學行為時，采用軸拉試驗最為適宜；(2)按照纖維作用機理的不同，可以把SFRC劃分為增強和增韌兩大類；(3)通過增大纖維與基體的摩擦作用，可以提高纖維混凝土初裂時的承載力；而通過彎鉤等異型纖維，可以提高纖維混凝土的后繼承載力，有利于SFRC韌性的提高；(4)不同于單根纖維的拔出試驗，在SFRC的拉伸試驗中，混凝土基體產(chǎn)生大量的砂漿及骨料剝落現(xiàn)象，造成一定的載荷釋放，減弱了纖維的增強增韌效果。
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