鋼纖維混凝土軸拉應(yīng)力-應(yīng)變特性的試驗(yàn)研究

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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(qiáng)度、抗拉韌性等。傳統(tǒng)的混凝土拉伸試驗(yàn)方法有3種：劈拉試驗(yàn)，軸拉試驗(yàn)和彎拉試驗(yàn)(抗折試驗(yàn)).劈拉試驗(yàn)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(jìn)行分析。彎拉試驗(yàn)雖然操作同樣簡單方便，但只適用于以抗折強(qiáng)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(yàn)作為最基本的試驗(yàn)方法，其核心是對棱柱體試件進(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)則易于掌握，便于進(jìn)行鋼纖維混凝土機(jī)理分析。但該試驗(yàn)的缺點(diǎn)是對試驗(yàn)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)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(qiáng)砂漿或混凝土材料。進(jìn)入90年代后期，國內(nèi)有相關(guān)的文獻(xiàn)報道[7～9]。其中，文獻(xiàn)[7]采用大頭試件對高摻量(體積含率6%～12%)的纖維砂漿進(jìn)行了軸向拉伸全過程試驗(yàn)。而文獻(xiàn)[8，9]則從另一個角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出了環(huán)狀試件加內(nèi)水壓加載的形式來模擬軸拉試驗(yàn)，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(yàn)還需要進(jìn)一步的論證。

    綜合上述分析，對纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)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(yàn)方法上作一定改進(jìn)，并且試驗(yàn)機(jī)要有足夠的剛度，來保證試驗(yàn)過程的穩(wěn)定。眾所周知，在工程實(shí)踐過程中，由于施工技術(shù)及經(jīng)濟(jì)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(shí)例中，纖維摻量都在1%左右。為此，本文設(shè)計(jì)了軸拉SFRC材料試驗(yàn)，纖維摻量取1%，并采用不同種類的纖維增強(qiáng)形式，進(jìn)行對比分析。

    1 試驗(yàn)內(nèi)容

    試驗(yàn)用水為生活用自來水。水泥為525號普通硅酸鹽水泥。細(xì)砂為河砂，篩除粒徑大于5mm的顆粒，粗骨料采用最大粒徑為20mm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=0.42∶1∶1.5∶2.0.試件養(yǎng)護(hù)28d后取出，采用切割機(jī)把兩端面切平，試件長度為24cm左右。試驗(yàn)在清華大學(xué)高壩大型結(jié)構(gòu)國家實(shí)驗(yàn)室INSTRON 8506伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)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(jì)測量試件的拉伸變形，引伸計(jì)均連接在試件的上下拉頭上，以確保其破壞面在引伸計(jì)測量范圍內(nèi)。4個引伸計(jì)中示值最大的通道作為試驗(yàn)機(jī)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(dá)1000με時，加載速率提高至50με/min.從試驗(yàn)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。

    2 試驗(yàn)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(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到使混凝土材料實(shí)現(xiàn)應(yīng)變強(qiáng)化的地步，大部分試驗(yàn)曲線都在達(dá)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(qiáng)和增韌兩大類鋼纖維混凝土，有第二峰值的為增韌類，無第二峰值的為增強(qiáng)類。

    通過比較試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：增強(qiáng)類鋼纖維混凝土比增韌類鋼纖維混凝土的強(qiáng)度平均提高13%；而由基本開裂至裂縫寬度為0.5mm區(qū)間(相應(yīng)的應(yīng)變約2000με)的斷裂能積分則顯示：增韌類鋼纖維混凝土比增強(qiáng)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(dāng)，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(dá)1000με，由此可知第二峰值的出現(xiàn)大大提高了材料的韌性。DRAMIX型纖維因?yàn)殚L度是其它三種纖維長度的2倍，其斷裂韌性更好，在試驗(yàn)曲線中可以看出在應(yīng)變達(dá)到后，其荷載強(qiáng)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。

    3 鋼纖維作用機(jī)理分析

    試驗(yàn)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，材料的力學(xué)性能就完全取決于纖維與基體界面的結(jié)合強(qiáng)度。隨裂縫不斷張開，纖維橋聯(lián)纖維也不斷被拔出，基體在阻礙纖維拔出的過程中，主要靠纖維-基體界面間的粘結(jié)力(包括粘著與剪摩約束兩種作用)及纖維的異形造成的機(jī)械抗力。HAREX纖維由于是銑削工藝制作的，表面粗糙，而武東纖維的波紋狀體形也相當(dāng)于增大了纖維拔出過程中的摩擦，故在這兩種纖維拔出過程中，摩擦力(包括動摩擦與彈性剪摩約束兩種作用)起主要阻抗作用；而DRAMIX和浙蕭纖維兩種弓形纖維，由于其存在的彎鉤段，在纖維拔出過程中又額外提供了機(jī)械抗力。

    取單根直線型短纖維(HAREX及武東)分析，假設(shè)斷裂面垂直于拉應(yīng)力方向，纖維沿拉應(yīng)力方向分布，其拔出過程主要包括兩步：首先，隨裂縫不斷地張開，纖維-基體界面首先從基體斷裂面處產(chǎn)生破壞，隨后沿纖維表面向基體內(nèi)部擴(kuò)展，此時基體通過粘結(jié)破壞段的動摩擦作用與未破壞段的彈性剪摩作用來對纖維的拔出實(shí)施阻力。當(dāng)界面破壞至纖維端點(diǎn)后，纖維與混凝土之間的粘結(jié)已完全失效，纖維進(jìn)入動態(tài)拔出過程，此時纖維只受到基體給予的動摩擦作用，故在我們觀察到的SFRC試驗(yàn)全曲線后期，載荷與裂縫張開度之間有很好的線性關(guān)系.而對于弓形纖維(DRAMIX及浙蕭)，當(dāng)纖維-基體界面粘結(jié)破壞至纖維端點(diǎn)時，由于纖維末端存在異形彎鉤，纖維在繼續(xù)拔出過程中，要克服該彎鉤段拔出所需的機(jī)械抗力，而且該作用力是在拔出后期起主要作用的，所以該類SFRC在破壞后期能夠表現(xiàn)出較大的韌性。