钢纤维混凝土轴拉应力-应变特性的试验研究.doc

钢纤维混凝土轴拉应力-应变特性的试验研究在混凝土基体未开裂前，纤维与混凝土共同处于弹性状态，对材料的变形性能影响很小，但在基体开裂后处于裂纹面的纤维便发挥出其桥联阻裂性能，使材料具有较高的裂后强度、抗拉韧性等。传统的混凝土拉伸试验方法有3种：劈拉试验，轴拉试验和弯拉试验(抗折试验).劈拉试验因其操作简便，数据稳定的特性，而成为工程人员最易接受的一种方法，但由于复杂的加载条件[2]，破坏断面上材料处于复杂的应力状态(包括拉、压、剪等作用)，不利于对其力学行为进行分析。弯拉试验虽然操作同样简单方便，但只适用于以抗折强度为依据的混凝土结构，同样无法用来测量钢纤维混凝土的应力～应变全曲线。轴拉试验作为最基本的试验方法，其核心是对棱柱体试件进行均匀的轴向拉伸，在整个加载过程中，由于试件断面应力应变分布相对均匀，所测得应力、应变值对应关系明确，故能够直接、准确地测量材料的本构行为。另一方面，由于试件破坏形式简单，破坏准则易于掌握，便于进行钢纤维混凝土机理分析。但该试验的缺点是对试验设备要求较高，操作复杂。对于钢纤维混凝土(SFRC)来说，目前还没有统一的轴拉试验标准可循，国外学者在这方面涉及较早[3～6]，其采用的加载方式主要有两种：一是采用楔形夹具通过摩擦作用于试件两端加载；另一种是采用环氧树脂粘结试件端面加载，其试验对象包括素混凝土以及低、中、高各种纤维体积含率的纤维增强砂浆或混凝土材料。进入90年代后期，国内有相关的文献报道[7～9]。其中，文献[7]采用大头试件对高掺量(体积含率6%～12%)的纤维砂浆进行了轴向拉伸全过程试验。而文献[8，9]则从另一个角度出发，设计出了环状试件加内水压加载的形式来模拟轴拉试验，并得到了材料的拉伸全曲线。但是，以此方法能否替代轴拉试验还需要进一步的论证。综合上述分析，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。1试验内容试验用水为生活用自来水。水泥为525号普通硅酸盐水泥。细砂为河砂，筛除粒径大于5mm的颗粒，粗骨料采用最大粒径为20mm的碎石。钢纤维共采用4种形式，见表1.轴拉试件尺寸为100mm×100mm×300mm，每组浇注试块4个，共4组(包括4种纤维).混凝土配合比为：水∶水泥∶砂∶石=0.42∶1∶1.5∶2.0.试件养护28d后取出，采用切割机把两端面切平，试件长度为24cm左右。试验在清华大学高坝大型结构国家实验室INSTRON8506伺服疲劳试验机上进行，试验装置如图1.试件端面采用环氧树脂与拉头胶结，并分别采用4个引伸计测量试件的拉伸变形，引伸计均连接在试件的上下拉头上，以确保其破坏面在引伸计测量范围内。4个引伸计中示值最大的通道作为试验机的控制信号[6]。应变初始加载速率为8με/min，在软化段后期，应变到达1000με时，加载速率提高至50με/min.从试验结果来看，提高加载速率前后，相应载荷略有提高，但对整段曲线的发展趋势影响很小。2试验结果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。通过比较试验结果，可以得出以下结论：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。3钢纤维作用机理分析试验过程中，在基体开裂后，试件的拉伸变形主要来自初始裂缝的不断张开，在断裂面处SFRC通过纤维继续把载荷传递给未开裂的部分，这样，材料的