FAAFRC單軸受壓力學(xué)性能研究

汪 潔，黃志強(qiáng)，姜詔宇

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

0 前 言

纖維混凝土是一種包含基體相(混凝土)和增強(qiáng)相(纖維)的多相復(fù)合材料，通過(guò)對(duì)纖維種類、纖維體積率、纖維長(zhǎng)徑比、纖維形狀的控制，可以改善普通混凝土抗拉強(qiáng)度較低、抗裂性能較差、耐久性較差、抗高溫性能較弱等缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)纖維混凝土進(jìn)行了研究，閆長(zhǎng)旺等[1]研究發(fā)現(xiàn)在混凝土中摻入適量的PVA纖維可以改善混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。陳升平等[2]認(rèn)為：摻入鋼纖維可以提升混凝土的抗壓強(qiáng)度，但在高強(qiáng)混凝土中提升幅度弱于低強(qiáng)混凝土。沈才華等[3]研究發(fā)現(xiàn)，峰值強(qiáng)度隨PVA纖維摻量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)。鐘光淳等[4]研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維和PVA纖維對(duì)混凝土都有增韌效果。張玉杰等[5]研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維對(duì)混凝土軸心受壓強(qiáng)度有一定提升，但提升幅度較小?？梢钥闯?，纖維摻入混凝土后，不僅可以提升其韌性，其抗壓強(qiáng)度還可得到一定提升，但部分研究[6-7]表明，纖維摻入混凝土后，其抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的增加而下降。綜上所述，可見(jiàn)纖維對(duì)混凝土并非都是正向效應(yīng)，纖維對(duì)混凝土的效應(yīng)隨纖維種類的不同可能產(chǎn)生不同效果。

本文通過(guò)幾組不同纖維組合條件的鐵基非晶合金纖維混凝土(Fe-based amorphous alloy fiber reinforced concrete,FAAFRC)的單軸受壓試驗(yàn)，分析纖維摻量、纖維長(zhǎng)度對(duì)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度和抗壓韌性的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料與配合比

水泥：采用本溪山水工源水泥生產(chǎn)的P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；水：采用沈陽(yáng)市鐵西區(qū)居民自來(lái)水；細(xì)骨料：采用細(xì)度模數(shù)為2.6，粒徑為0～4.75 mm的曬干篩后的優(yōu)質(zhì)河砂；粗骨料：采用粒徑為5～20 mm的連續(xù)級(jí)配碎石；粉煤灰：采用遼寧建科粉煤灰應(yīng)用技術(shù)研究所生產(chǎn)的粉煤灰；纖維：采用佛山市中研非晶科技股份有限公司生產(chǎn)的鐵基非晶合金纖維。

采用上述材料，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)混凝土，其配合比見(jiàn)表1。

表1 基準(zhǔn)混凝土試驗(yàn)配合比 單位：kg/m3

在基準(zhǔn)混凝土基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)6組不同纖維條件的試件，見(jiàn)表2。

表2 試件設(shè)計(jì)

1.2 試件制作與養(yǎng)護(hù)

根據(jù)《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13:2009)規(guī)范,混凝土受壓試件選用100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件。試件制作時(shí)，為確保纖維混凝土各組分?jǐn)嚢杈鶆?，先?duì)水泥、碎石、砂、粉煤灰、纖維等進(jìn)行干拌，待干拌2 min后再倒入水和減水劑的混合溶液，攪拌2 min后出鍋裝模，在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振搗，并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d。

1.3 加載裝置與加載制度

試驗(yàn)機(jī)選用帶有四個(gè)高強(qiáng)鋼柱的YAW-J500F微機(jī)控制電液伺服壓剪試驗(yàn)機(jī)，以保證試驗(yàn)過(guò)程中具有足夠的剛度可以測(cè)得荷載-位移全曲線。加載時(shí)先進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載速率為0.5 kN/s，待50 kN后由荷載控制轉(zhuǎn)為位移控制，加載速率為0.1 mm/min，直至由于試件變形過(guò)大而不能繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)停止試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)

摻入纖維的混凝土試件在峰值荷載后，應(yīng)力下降速率較素混凝土試件平緩，試件側(cè)表面出現(xiàn)明顯的宏觀大裂縫并伴隨有較多微小裂縫產(chǎn)生，隨加載的持續(xù)，有混凝土碎塊脫落并伴有爆鳴聲，并有纖維被拔出，為延性破壞，試驗(yàn)結(jié)束后，纖維混凝土未發(fā)生崩壞，表現(xiàn)出較好的完整性。圖1為受壓破壞試件。

圖1 受壓破壞試件

2.2 荷載-位移曲線

摻入鐵基非晶合金纖維對(duì)混凝土基體的峰值應(yīng)變和峰值應(yīng)力為正向效應(yīng)，但隨纖維體積摻量的增加，峰值位移隨之增加，峰值荷載呈先增大后減小的趨勢(shì)，這是由于纖維體積摻量增加時(shí)，混凝土基體與纖維界面薄弱部增多，當(dāng)纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用不足以抵消纖維帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)時(shí)，混凝土強(qiáng)度將表現(xiàn)為隨纖維體積摻量的繼續(xù)增加而下降。

纖維長(zhǎng)度為17 mm時(shí)，相較13 mm和15 mm，混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段更為平緩，曲線與坐標(biāo)軸所圍面積最大，試件破壞時(shí)可以吸收更多的能量，這是由于纖維較長(zhǎng)時(shí)，與混凝土基體接觸面積較大，可以得到較好的粘結(jié)力，破壞拔出時(shí)需要吸收更多能量，混凝土韌性提升較大。圖2為荷載-位移曲線。

(a)纖維摻量影響

(b)纖維長(zhǎng)度影響

2.3 軸心抗壓強(qiáng)度

軸心抗壓強(qiáng)度計(jì)算式如下：

(1)

式中,fcu,0為軸心抗壓強(qiáng)度;Fmax為峰值荷載;A為截面面積。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由圖2和表3可知，鐵基非晶合金纖維混凝土軸心抗壓強(qiáng)度隨纖維體積率的先增加后減小，纖維長(zhǎng)度對(duì)軸心抗壓強(qiáng)度影響較小，這是由于鐵基非晶合金纖維是一種高斷裂韌性、低彈性模量且表面光滑的材料，摻入混凝土基體后，主要承擔(dān)基體內(nèi)部裂縫兩端的拉應(yīng)力，在纖維摻量增加時(shí)，基體內(nèi)部單位體積存在的纖維增多，反而會(huì)致使初始微裂縫和孔隙的產(chǎn)生，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度較低。

表3 鐵基非晶合金纖維混凝土軸心抗壓強(qiáng)度 單位：MPa

2.4 抗壓韌性

抗壓韌性以應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段某點(diǎn)、峰值應(yīng)力點(diǎn)、下降段的某點(diǎn)作為特殊點(diǎn)，進(jìn)行范圍選取，具體為：選取荷載-位移曲線上升段峰值荷載50%所在點(diǎn)，記為點(diǎn)A，峰值荷載點(diǎn)，記為點(diǎn)B，下降段峰值應(yīng)力50%所在點(diǎn)，記為點(diǎn)C。韌性指數(shù)即為曲線AB和坐標(biāo)橫軸所圍面積與曲線BC和坐標(biāo)橫軸所圍面積，如圖3所示。計(jì)算式如下：

(2)

式中，S1,0.5為荷載-位移曲線中曲線AB和坐標(biāo)橫軸所圍面積；S2,0.5為應(yīng)力-應(yīng)變曲線中曲線BC和坐標(biāo)橫軸所圍面積。

圖3 韌性指數(shù)法示意圖

韌性指數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，鐵基非晶合金纖維混凝土的抗壓韌性隨纖維摻量和纖維長(zhǎng)度的增加而增加，但纖維長(zhǎng)度較大時(shí)，對(duì)抗壓韌性的提升幅度較小。

表4 FAAFRC抗壓韌性指數(shù)

圖4為鐵基非晶合金纖維混凝土抗壓韌性。

(a)纖維摻量對(duì)抗壓韌性影響

(b)纖維長(zhǎng)度對(duì)抗壓韌性影響

3 結(jié) 論

1)鐵基非晶合金纖維混凝土相較素混凝土下降段較平緩，試件表現(xiàn)出較好的完整性，為塑性破壞。

2)軸心抗壓強(qiáng)度隨纖維體積摻量的增加先增后減，在0.2%取得最大值，纖維長(zhǎng)度對(duì)抗壓強(qiáng)度影響較小。

3)鐵基非晶合金纖維混凝土的抗壓韌性隨纖維摻量和纖維長(zhǎng)度的增加而增加，但纖維長(zhǎng)度較大時(shí)，對(duì)抗壓韌性的提升幅度較小

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