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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1、鋼纖維混凝土軸拉應(yīng)力-應(yīng)變特性的試驗研究　　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(fù)雜的加載條件[2]，破壞斷面上材料處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)(包括拉、壓、剪等作用)，不利于對其力學(xué)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

2、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(fù)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(xué)者在這方面涉及較早[3～6]，其采用的加載方式主

3、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?！　【C合上述分析，對纖維混凝土增強機

4、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2

5、0mm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=∶1∶∶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(xué)高壩大型結(jié)構(gòu)國家實驗室INSTRON8506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

6、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?！　?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

7、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?！　⊥ㄟ^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區(qū)間(相應(yīng)的應(yīng)變約XXμε)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

8、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?！　?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