鋼纖維混凝土的彎曲韌性試驗研究

王 宇

(山西路橋集團試驗檢測中心有限公司 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部的宏觀裂縫產生與擴展,使結構承載能力提高，增加韌性，為此，以山西某在建高速公路試驗室為試驗點，展開鋼纖維摻量對混凝土性能影響的研究。

1 研究內容

以鋼纖維體積率為變量，設置三個鋼纖維混凝土對比組(1.5%、2%、2.5%)以及一個普通混凝土組進行彎曲韌性試驗，根據(jù)《纖維混凝土試驗方法標準》[1](CECS 13:2009)為試驗與計算標準對鋼纖維混凝土梁的彎曲韌性進行研究。本試驗研究內容如下：

(1)通過三點彎曲靜載試驗，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)計算等效彎曲強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 試驗過程

2.1 試驗材料

(1) 鋼纖維

試驗采用直徑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，其粒徑大小不應大于鋼纖維長度的一半。因為本試驗中采用的短直型纖維基本都不超過20mm，所以試驗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)細骨料

在制備混凝土時，細骨料主要用來填充碎石由于表面不平整所造成的間隙,使混凝土結構趨于緊密,并將粗骨料粘結成一個整體。本試驗采用天然中粗河砂，細度模數(shù)為2.56。

(5)減水劑

本試驗采用聚羧酸減水劑，其減水率為18%～25%。

2.2 配合比設計要點

本試驗所用的鋼纖維混凝土的設計強度等級為C40，通過規(guī)定的鋼纖維混凝土的試驗準則與強度指標等相關要求，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《鋼纖維混凝土結構設計與施工規(guī)程》[2](CECS 38：92)中，對于制備鋼纖維混凝土時選擇不同配合比的用水量有明確規(guī)定：在由經驗選定一個單位體積用水量的基礎上，鋼纖維體積率每增減5%，單位體積用水量便對應地增減8kg。

(3)砂率的確定

本次試驗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算，計算公式如下：

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)試驗目標，本研究設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%)作為試驗變量，在《纖維混凝土試驗方法標準》[1](CECS 13:2009)中要求，在彎曲韌性試驗中，鋼纖維試件長度未超過40mm的，一律使用100mm×100mm×400mm截面的混凝土梁進行試驗。制備步驟如下：

(1)稱重。

(2)攪拌：先把水泥、碎石、砂放入強臥式攪拌機內攪拌100s，接著倒入鋼纖維繼續(xù)工作100s，待攪拌機內砂塵散去，將混合后的減水劑和水均勻加入攪拌機，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，對試件標記編號NC、SFRC-15、SFRC-20、SFRC-25，移至標養(yǎng)室養(yǎng)護28d。

2.4 彎曲韌性試驗

2.4.1試驗設備

基于工地試驗室現(xiàn)有試驗設備，本試驗采用型號為WES-300B型電液伺服萬能試驗機，加載支座間距離L=500mm。采用三點彎曲加載，設定加載速度為0.03，卸載速度為0.15，將試件跨中部分對準加載輥軸，試驗加載裝置如圖3。

圖3 試驗加載裝置

2.4.2試驗過程

鋼纖維混凝土梁的彎曲韌性試驗步驟如下：

(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處標記，在梁跨中部位，距上端5mm處用鉛筆標記，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)對混凝土試件進行預加載，啟動試驗機與采集儀，下降加載輥軸，當輥軸與混凝土上表面接觸后，繼續(xù)緩慢下移至動態(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)已設定好的引伸計加載速度控制試驗機的加載增長速度。當荷載達到極限時，由加載轉為緩慢卸載，直到鋼纖維混凝土梁跨中撓度到達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態(tài)采集儀上獲取試驗結果。

(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，并以該裂縫為擴展點，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，裂縫擴展不明顯，隨著鋼纖維體積率的增加，裂縫寬度以及擴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的特征點A、B將整條曲線分為OA、AB、BC三個階段，各個階段的曲線變化體現(xiàn)了鋼纖維混凝土試件內部裂縫的發(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部還未出現(xiàn)宏觀裂縫，混凝土基體將外部荷載傳遞到內部相互粘結的鋼纖維上，鋼纖維尚未發(fā)揮作用。當接近A點時，混凝開始出現(xiàn)裂縫，同時鋼纖維開始突顯阻裂效應，當荷載值超過A點時，荷載-撓度曲線由直線變?yōu)榍€，失去線性特質。

(2)AB段：荷載-撓度曲線失去線性關系。當荷載大小超過A點后，混凝土基體內微裂縫不斷擴展延伸并逐漸形成肉眼可見的裂縫，基體內部的鋼纖維不斷被拔出，荷載繼續(xù)增加，曲線斜率變小。當鋼纖維與混凝土達到最大界面粘結應力時，達到了峰值荷載點，即B點。

(3)BC段：荷載到達峰值后，裂縫進入迅速擴展階段。對于相同形狀參數(shù)的普通混凝土，一旦產生宏觀裂縫，便迅速延伸到混凝土頂端，荷載-撓度曲線在到達峰值后便迅速下降。而對鋼纖維混凝土而言，在產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韌性的影響。

5 鋼纖維混凝土彎曲韌性試驗結果分析

采用CECS 13：2009標準，對試驗獲得的荷載-撓度曲線進行分析，計算等效彎曲強度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

由試驗結果獲得的數(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整體共同承受荷載，在到達初裂荷載之前，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，試件全部到達峰值荷載，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，荷載開始逐漸變小直至到達低谷，這一階段為裂縫的快速擴展期，裂縫朝四周不斷延伸產生微小裂縫，普通混凝土基本失去承載能力，這時鋼纖維與混凝土之間的粘結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，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

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

表2 鋼纖維混凝土的彎曲韌性

由表2計算可知，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，當鋼纖維體積率為2.1%時，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，當鋼纖維體積率為2.1%時，可以完全發(fā)揮鋼纖維在開裂時對能量的吸收能力，對混凝土彎曲韌性的提升率達到最大。

圖7 鋼纖維體積率與單位體積率能量吸收示意圖

6 結語

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

(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，普通混凝土在到達峰值荷載后很快失去承載能力，裂縫還沒有擴展，鋼纖維混凝土在到達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展。

(3)彎曲韌性試驗參數(shù)計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，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。