混凝土应力实验

一、实验介绍

直径很小的钢纤维用于混凝土结构可以大大的提高混凝土的抗拉承载能力。在一般情况下混凝土中掺钢纤维的体积比例在0.2%～2.0%之间。在很小比例下，钢筋混凝土的张拉响应可假设为不硬化的类型，它有加大单个裂缝扩展性质很像无钢筋的素混凝土，钢纤维对混凝土开裂之后性能的改善作用更加明显，可以通过控制裂缝的开展从而较大幅度地提高混凝土的韧性。然而它对其它性质的改进很小，因此在正常实验方法下如此低得的纤维含量很难难得到钢纤维混凝土轴拉应力——应变曲线的平稳段。为了找到一个合适易行的方法来研究SFRC轴拉性能人们做了很多工作并且有报告称可通过添加刚性组件方法来获得轴拉全曲线。

在这篇文章中，我们将用不同类型的纤维来做钢筋混凝土的单轴拉伸试验。钢筋混凝土的抗拉特型首钢纤维的强度和含量影响。另外，在强力作用下，钢筋混凝土的应力——应变曲线受多种因素的影响。对纤维混凝土增强机理进行研究，要获得钢纤维混凝土的受拉全过程曲线，采用轴拉方法最为适宜，但是要在试验方法上作一定改进，并且试验机要有足够的刚度，来保证试验过程的稳定。众所周知，在工程实践过程中，由于施工技术及经济条件的限制，SFRC中纤维体积掺率一般不超过2%，而大部分工程实例中，纤维掺量都在1%左右。为此，本文设计了轴拉SFRC材料试验，纤维掺量取1%，并采用不同种类的纤维增强形式，进行对比分析。

二、实验内容

试验在60吨万能试验机上进行。在试验装置中添加了四个高强钢杆以增大试件的卸载刚度，并通过在试件两端添加球铰来消除试件的初始偏心率。

通过调节连接试件和横梁的四个高强螺栓来保证试件的轴心受拉。试件相对两侧面之间的拉应变值之差不得大于其平均值的15%。当钢纤维掺量很低（为零或0.5%时），在荷载峰值采用低周反复加载曲线的外包络线来获得轴拉应力——应变全曲线.。

2.1、材料

由四种不同类型的钢纤维用于该试验，这些纤维中三种是带钩的（和）一种是光滑的。

试验中所采用的三种混凝土配合比用于研究，见于表一。在基体强度等级为C60和C80钢纤维混凝土中分别加入了大连建科院生产的DK一5型减水剂和瑞士Sika公司生产的液体减水剂。这些被用来研究钢纤维混凝土的C30，C60，C80混凝土被制成的试件，在标准情况下养护28天。三种试件的平均强度见于表一。水泥采用大连小野田水泥厂生产的32.5级和52.5级普通硅酸盐水泥。细骨料采用细度模数2.6的河砂。粗骨料采用5～20石灰岩碎石。

2.2、试件

用建筑结构胶将轴拉试件粘贴于两端的钢垫板上。22组共110个试件的具体参数。

2.3、补充

经过28天，普通混凝土和钢纤维混凝土分别被用来做抗拉强度试验。张拉应力——应变曲线由此获得。对于高强度钢纤维混凝土诸如抗拉能力等拉伸特性也由此得到。增强类钢纤维混凝土比增韧类钢纤维混凝土的强度平均提高13%；而由基本开裂至裂缝宽度为0.5mm区间（相应的应变约2000με）的断裂能积分则显示：增韧类钢纤维混凝土比增强类钢纤维混凝土的断裂能平均提高20%.由表3还可以看出，大部分SFRC第一峰值对应的极限拉应变值与素混凝土相当，在100με左右，这说明低含率纤维的掺入对提高混凝土的极限拉应变作用不很明显。而增韧类SFRC第二峰值对应的应变则大大提高，可达1000με，由此可知第二峰值的出现大大提高了材料的韧性。DRAMIX型纤维因为长度是其它三种纤维长度的2倍，其断裂韧性更好，在试验曲线中可以看出在应变达到后，其荷载强度仍然保持较高水平，直到10000με应变时荷载仍可保持其峰值水平的50%左右。

三、试验结果和分析

3.1、劈拉强度和轴拉极限强度

不同试件的劈拉强度和轴拉极限强度查表，在混凝土中增加钢纤维的量可以提高它的劈拉强度和轴拉极限强度，两种不同参数的钢纤维钢筋混凝土和普通混凝土（它们的混合比例相同）的比率也可查表。

3.1.1、基体强度及纤维类型对轴拉强度的影响

从上我们可以看出钢纤维对初裂强度的增强作用受基体强度变化的影响很小。也就是说在掺人同种钢纤维时，随着基体强度的增加，钢纤维混凝土与同配比素混凝土的初裂强度的比值基本恒定

然而，不同情况下的极限抗拉强度是不一样的，当基体强度增加时，对于不同类型的钢纤维，极限抗拉强度的分配量是不同的。另外它的增加量比劈拉恰强度大。

F1型钢纤维作为基体的极限抗拉强度很高，这是因为这类型的钢纤维的强度很高（大于1100MPa）试验过程中没有纤维拔断的现象出现而且当基体强度较高时（C80），钢纤维的端部弯钩被完全拉直。由于黏结强度的提高，基体强度越高，该纤维对高强混凝土轴拉极限强度的增强效果越好。F2和F3型钢纤维的强度较高，二者均有端部弯钩，并且表面较为粗糙，当基体强度较高时（C80），出现纤维拔断现象，该现象的出现对这两种钢纤维的增强效果产生了消极影响，因此为了最大限度的发挥这两种钢纤维的增强作用，应将其应用于中高强度混凝土中。

F4型纤维为长直型，其与基体问的粘结力较小，因此它的增强效果耍弱于其他二种。因为其与基体问的粘结力较小因此在试验过程中没有纤维拔断现象出现。并且随着基体强度升高，由于黏结力的增大，该纤维增强效率有持续提高。

3.1.2、钢纤维掺量对轴拉强度的影响

试验中重点针对F3型钢纤维研究了纤维掺量的变化对钢纤维高强混凝土轴拉初裂强度和极限强度的影响。试验中钢纤维体积掺率变化范围为0.5-1.5。可见随着纤维掺量增大，轴拉初裂强度和极限强度均有提高。两图中曲线的上升趋势很相似。也就是说纤维掺量在整个拉伸过程中对钢纤维混凝土内拉应力的影响是积极的和稳定的。

3.2、轴拉变形性能和韧性

3.2.1、初裂拉应变和峰值荷载拉应变

对试件四周四个夹式位移计测得的应变值进行平均获得试件的拉应变值。若试验中试件相对侧面的拉应变差大于平均值的15%，该试件作废。

高强SFRC的初裂拉应变和峰值拉应变要远大于同配比素混凝土（见表5），随着基体强度或者纤维掺量增大，这个差值有所增长，钢纤维对峰值应变的提高作用要比初裂应变更加明显。

3.2.2、拉伸功和轴拉韧性指数

从上我们可以发现，基体强度和纤维含量两种参数的有规律的改变很相似，因此我们分析的重点应放在韧性指数上。

掺有四种钢纤维及素混凝土试件基体强度与轴拉韧性指数的关系成比例，其中纤维混凝土试件中钢纤维体积掺率均为1.0%。可见高强SFRC的轴拉韧性要远远优于同配比素混凝土。

钢纤维的抗拉强度的影响是显著的，随着基体强度升高，混凝土脆性明显增加，素混凝土轴拉韧性明显下降。在掺有F1和F2型钢纤维的试件中也出现了韧性下降现象。F1型纤维从基体中拔出其实是一个纤维端钩被拉直，纤维端部周围混凝土被挤碎的过程。当纤维端钩最终被拉直时，轴拉荷载很快下降。混凝土的强度越高，基体硬度和脆性越大，上述过程历时也更短。因此当基体强度较高时，轴拉应力——应变曲线下降得更快，轴拉韧性指数也有所下降。

在四种类型纤维种F1型纤维的增韧效果最好，F2型纤维长径比最小，基体强度较高时出现了纤维拔断现象，因此当基体强度增加时韧性指数不断下降。

F3和F4型钢纤维韧性指数均随基体强度升高而增大。这两种纤维均为剪切型，表面较粗糙。在钢纤维和基体之间黏结力的各组分中，摩擦力起主导作用。摩擦力随基体强度的升高而增大，且该黏结类型的拔出破坏是一个持续过程，因此基体强度升高对掺有这两种钢纤维的混凝土韧性起积极作用。这两种纤维的不同之处是F3型的两端有弯钩。由于端钩的存在使得在基体强度不太高时（C30和C60），F3型钢纤维的增韧作用优于F4型。当基体强度很高时（C80），由于纤维拔断现象影响了F3型的增韧效果，F4型钢纤维的增韧效果叉反过来超过了F3型钢纤维。

3.3、钢纤维钢筋混凝土单轴拉伸应力——应变曲线

典型的钢纤维高强混凝土轴拉应力一应变全曲线（为了便于比较，每组试件选出条典型曲线作为代表），表述了轴拉曲线随基体强度的变化规律；表述了轴拉曲线随钢纤维（F3型）掺量的变化规律。曲线由弹性阶段、弹塑性阶段和下降段（软化段）组成。下降段存在拐点。

从上中可以看到，基体强度越高，轴拉应力一应变全曲线下降得越快。另外，钢纤维掺量的提高可以大大地改善曲线的丰满程度。钢纤维类型对轴拉应力一应变全曲线的形状也有一定的影响。Fl型纤维的曲线是几种钢纤维中最丰满的，并且在拉应变为大约10000个微应变时出现了第二峰值。该现象体现了Fl型纤维良好的增韧效果。当基体强度较高时，由于纤维拔断的出现使得F2和F3型钢纤维试件的轴拉曲线下降端呈阶梯状。F4型纤维的曲线较为平滑，形状与素混凝土曲线相似，但是更为饱满。这是因为长直形钢纤维的拔出过程是相对连续和柔和的.

四、研究分析

由4种钢纤维混凝土的典型拉伸应力-应变曲线可以看出：在轴拉条件下，1%掺量的钢纤维远远没有达到使混凝土材料实现应变强化的地步，大部分试验曲线都在达到峰值后，出现荷载骤降段。但是，随着变形的增加，有两条曲线有明显的第二峰值出现，而另外两条则没有，正是根据这种现象，可以将其分为增强和增韧两大类钢纤维混凝土，有第二峰值的为增韧类，无第二峰值的为增强类。

曾经有许多钢纤维混凝土轴拉应力一应变全曲线模型提出大多数为分段函数，以应力峰值点为分界点。本文中，全曲线的上升段和下降段采用不同的函数表达式。

4.1上升段的公式

五、理论曲线与试验结果的比较

钢纤维高强混凝土轴拉应力一应变理论曲线和试验曲线的比较如图l2所示（以试件F3—6010为例）。可见，理论结果与试验结果符合较好。

六、实验结论

（1）试验结果表明：钢纤维高强混凝土劈拉强度略高于轴拉强度，两者有较好的相关性，钢纤维高强混凝土轴拉强度可取为劈拉强度的0.9倍。

（2）在掺入同种同量钢纤维时，随着基体强度的增加，钢纤维高强混凝土与同配比素混凝土的初裂强度的比值基本不变；轴拉极限强度的比值有所变化，且该变化对不同的纤维类型有所不同，钢纤维与基体黏结性能好，且破坏时不被拉断，则增强效果好。

（3）提高钢纤维掺量对钢纤维高强混凝土的抗拉强度特性的改善作用比对普通强度混凝土的改善作用明显。

（4）钢纤维高强混凝土的初裂应变和峰值应变要比素混凝土的增幅随基体强度和纤维掺量的升高而增大。

（5）引入了轴拉韧性指数来评价钢纤维高强混凝土的韧性，钢纤维混凝土的轴拉韧性要大大优于同配比的索混凝土，并且受基体强度和钢纤维特性和掺量的影响。

（6）基体强度越高，钢纤维高强混凝土的轴拉应力应变曲线在峰值过后下降得越快；纤维掺量的提高可以大大改善曲线的丰满程度，钢纤维类型对曲线形状也有一定的影响。通过对实验曲线的分析与回归，给出了考虑上述影响因素的钢纤维高强混凝土轴拉应力应变全曲线表达式。

（7）综合而言，四种钢纤维中，F3型钢纤维的增强效果最好，而Fl型钢纤维的增韧效果最好。

参考文献

[1] Yoshie R；Mochida A；Tominaga Y Concrete stress test 2009