鋼纖維對(duì)C60高性能混凝土彎曲韌性的影響

崔 鞏，劉建忠，周華新，呂 進(jìn)，李長(zhǎng)風(fēng)

(江蘇省建筑科學(xué)研究院高性能土木工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210008)

韌性是材料延性和強(qiáng)度的綜合，是材料在破壞過(guò)程中的能量消耗值.鋼纖維混凝土的韌性指的是混凝土基體開(kāi)裂后繼續(xù)維持一定抗力的變形能力，是評(píng)價(jià)鋼纖維混凝土的一個(gè)重要指標(biāo)［1－2］.普通混凝土在一定的荷載作用下便會(huì)開(kāi)裂并發(fā)生脆性破壞.將鋼纖維加入高強(qiáng)混凝土是提高和改善其韌性的有效方法之一.目前用于評(píng)價(jià)混凝土彎曲韌性的試驗(yàn)方法較多，但還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法［3］.

1 現(xiàn)有的彎曲韌性指數(shù)評(píng)價(jià)方法綜述與選取

彎曲韌性用來(lái)評(píng)價(jià)鋼纖維混凝土的韌性，但目前還沒(méi)有統(tǒng)一評(píng)價(jià)鋼纖維混凝土彎曲韌性的標(biāo)準(zhǔn)和方法.各主要國(guó)家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)與一些學(xué)者相繼提出了自己的標(biāo)準(zhǔn)和方法，具有代表性的有美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)(ACI)544委員會(huì)提出的彎曲韌性指數(shù)、美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)的ASTM C1018韌性指數(shù)法、日本土木工程協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)JSCE G552、RILEM TC 162—TDF、中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(CECS 13∶2009)、中國(guó)行業(yè)規(guī)程 JGJ/T 221—2010 等［4－9］.這些方法大致可以分為能量法、能量比值法、特征點(diǎn)法、強(qiáng)度法.

日本的 JSCE G552、RILEM TC 162—TDF、我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中CECS 13∶2009的彎曲韌性試驗(yàn)(切口梁法)以及規(guī)程JGJ/T 221—2010的附錄B《纖維混凝土抗彎韌性(等效抗彎強(qiáng)度)試驗(yàn)方法》中定義的彎曲韌性系數(shù)，實(shí)質(zhì)上是給定撓度時(shí)的折算等效抗彎強(qiáng)度.其優(yōu)點(diǎn)是，可以直接與抗彎強(qiáng)度相比來(lái)評(píng)價(jià)材料的增韌效果，與初裂強(qiáng)度無(wú)關(guān)，應(yīng)用方便，適合評(píng)價(jià)不同種類鋼纖維及摻量對(duì)增韌效果的影響.

按規(guī)程JGJ/T 221—2010規(guī)定的纖維混凝土彎曲韌性方法，采用100 mm×100 mm×400 mm小梁，按規(guī)定進(jìn)行切口，采用600 kN壓力試驗(yàn)機(jī)，用荷載傳感器測(cè)定作用在小梁上的荷載，用位移傳感器測(cè)定小梁的撓度，裝置如圖1所示.

圖1 彎曲韌性試驗(yàn)裝置圖

2 原材料與配合比

2.1 原材料

水泥采用江南小野田水泥有限公司生產(chǎn)的P·Ⅱ52.5普通硅酸鹽水泥;粉煤灰采用南京熱電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰;礦粉采用江南粉磨公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦粉;細(xì)骨料采用Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6;粗骨料采用5～20 mm連續(xù)級(jí)配玄武巖碎石;減水劑采用江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的PCAR聚羧酸減水劑;鋼纖維采用江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的潤(rùn)強(qiáng)絲R系列鋼纖維.鋼纖維特征參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 鋼纖維特征參數(shù)表

2.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)以端鉤型鋼纖維為主導(dǎo)纖維，采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，基準(zhǔn)混凝土配合比見(jiàn)表2.

表2 基準(zhǔn)混凝土配合比 kg/m3

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 彎曲韌性與鋼纖維體積率的關(guān)系

圖2為不同體積分?jǐn)?shù)端鉤型鋼纖維混凝土的荷載–撓度曲線.按照規(guī)程JGJ/T 221—2010附錄B中試驗(yàn)方法求得的纖維混凝土28 d的等效抗彎強(qiáng)度f(wàn)eq見(jiàn)表3，表中值為3個(gè)試件的平均值.

圖2 鋼纖維高強(qiáng)混凝土荷載－撓度曲線

表3 不同摻量端勾型鋼纖維混凝土彎曲韌性試驗(yàn)結(jié)果

從圖2及表3中可以看出，鋼纖維高強(qiáng)混凝土試件的荷載峰值，即混凝土抗彎強(qiáng)度隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而提高，混凝土抗彎強(qiáng)度與比例極限f用于表征混凝土強(qiáng)度，纖維體積分?jǐn)?shù)最高為1.25%時(shí)，混凝土抗彎強(qiáng)度相對(duì)于基準(zhǔn)混凝土提高了104%，比例極限f提高了160%.這主要是由于荷載較小時(shí)，基體通過(guò)界面黏結(jié)力將荷載傳至纖維，鋼纖維與混凝土基體作為一個(gè)整體共同承擔(dān)荷載，二者變形協(xié)調(diào)處于彈性階段，此時(shí)荷載－撓度曲線呈直線;載荷繼續(xù)增大，拉區(qū)變形達(dá)到鋼纖維混凝土初裂應(yīng)變時(shí)，混凝土基體出現(xiàn)裂縫，跨越裂縫的纖維通過(guò)界面?zhèn)鬟f應(yīng)力，使試件界面受力保持平衡，而不像普通混凝土那樣，一旦裂縫擴(kuò)展便很快導(dǎo)致試件斷裂.此外，荷載－撓度曲線也隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而愈加飽滿，達(dá)到峰值荷載的變形能力也不斷增加，呈現(xiàn)出更大的韌性.相對(duì)于低摻量鋼纖維混凝土，摻入1.25%體積分?jǐn)?shù)的鋼纖維，等效抗彎強(qiáng)度f(wàn)eq，1與 feq，2分別提高了 385% 與 294% .以上結(jié)果可以說(shuō)明，鋼纖維的摻入提高了混凝土的抗彎強(qiáng)度及抗彎韌性，尤其對(duì)鋼纖維的彎曲韌性的提高更為顯著.

3.2 彎曲韌性與鋼纖維種類的關(guān)系

表4與圖3給出了鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1.00%時(shí)4種不同類型鋼纖維(剪切型、端鉤型、啞鈴型、微細(xì)型)混凝土的彎曲荷載 －撓度曲線與計(jì)算結(jié)果.

表4 不同類型鋼纖維混凝土彎曲韌性試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同類型鋼纖維高強(qiáng)混凝土荷載－撓度曲線

從圖3和表4可以看出，摻入鋼纖維后混凝土彎曲性能參數(shù)均有很大提高.在強(qiáng)度指標(biāo)方面，微細(xì)型鋼纖維混凝土提高幅度最大，其抗彎強(qiáng)度與比例極限f分別提高了68%及150%，剪切型鋼纖維的提高幅度最小.同體積分?jǐn)?shù)為1.00%時(shí)，抗彎強(qiáng)度與比例極限f提高幅度大小依次為:微細(xì)型＞端鉤型＞啞鈴型＞剪切型.在韌性指標(biāo)方面，等效抗彎強(qiáng)度 feq，1與 feq，2表現(xiàn)出不同的趨勢(shì)，提高幅度從大到小依次為:端鉤型＞微細(xì)型＞啞鈴型＞剪切型.這主要是由于，同等體積分?jǐn)?shù)下微細(xì)型鋼纖維根數(shù)最多，均勻分布在混凝土中，根據(jù)復(fù)合材料理論，提高混凝土強(qiáng)度更為明顯.另外，端鉤型鋼纖維由于纖維兩端帶有彎鉤，與基體有更好的黏結(jié)錨固作用，在纖維拔出的過(guò)程中除了克服界面黏結(jié)強(qiáng)度與摩擦力之外，還要克服鋼纖維與混凝土的機(jī)械錨固作用，從而與長(zhǎng)徑比相近的其他鋼纖維對(duì)比，增韌效果更加突出.因此，鋼纖維與混凝土基體間的黏結(jié)錨固作用是影響高強(qiáng)混凝土彎曲韌性的重要因素，可以通過(guò)適當(dāng)改變鋼纖維表面形狀、長(zhǎng)徑比等改善鋼纖維高強(qiáng)混凝土彎曲韌性.

4 結(jié)語(yǔ)

1)簡(jiǎn)要綜述了國(guó)內(nèi)外幾種常用的鋼纖維混凝土彎曲韌性指數(shù)的計(jì)算方法，分析出強(qiáng)度法更適合于評(píng)價(jià)鋼纖維混凝土彎曲韌性，因此選取了《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 221—2010)中附錄B中等效抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法對(duì)鋼纖維混凝土彎曲韌性進(jìn)行計(jì)算.

2)鋼纖維高強(qiáng)混凝土試件的峰值荷載隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而提高，荷載－撓度曲線隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而愈加豐滿，呈現(xiàn)出更大的韌性.

3)鋼纖維類型對(duì)高強(qiáng)鋼纖維混凝土彎曲韌性有較大影響，其中微細(xì)型鋼纖維提高混凝土強(qiáng)度指標(biāo)幅度較大;端鉤型鋼纖維與基體有更好的黏結(jié)錨固作用，提高混凝土韌性指標(biāo)較大.

［1］黃承逵.纖維混凝土結(jié)構(gòu)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］梁志標(biāo).界面和粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)混凝土性能的重要意義［C］//第七屆水泥與混凝土國(guó)際會(huì)議論文集.濟(jì)南:中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)，2010.

［3］ Amir A Mirsayah，Nemkumar Banthia.Flexural strength of steel fiber-reinforced concrete［J］.ACI Materials Journal，2002，99(5):473 －479.

［4］ ACI Committee 544.ACI 544 2R—89 Measurement of Properties of Fiber Reinforced Concrete［S］.American:A-merican Concrete Institute，2002.

［5］ American Society for Testing and Materials.ASTM C1018—97 Standard Test Method for Flexural Toughness and First-Crack Strength of Fiber-Reinforced Concrete(Using Beam with Third-Point Loading)［S］.West Conshohocken:ASTM Inter，1997.

［6］日本土木學(xué)會(huì).JSCE G552—1999鋼繊維補(bǔ)強(qiáng)コンクリートの強(qiáng)度およびタフネス試験用供試體の作り方法［S］.東京:日本土木學(xué)會(huì)，2002.

［7］ RILEM.RILEM TC162—TDF Test and Design Methods for Steel Fiber Reinforced Concrete［S］.Paris:RILEM Publications SARL，2003.

［8］中國(guó)建設(shè)工程協(xié)會(huì).CECS 13∶2009纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

［9］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ/T 221—2010纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.