混杂钢纤维高强混凝土断裂特性研究

高淑玲， 徐世烺， 袁 全， 陈 培

（1.河北工业大学土木工程学院，天津 300401；2.河北省土木工程技术研究中心，天津 300401；3.浙江大学建筑工程学院，浙江杭州 310058）

0 引 言

高强混凝土属于脆性材料，高强后其固有的脆性问题更为突出，一经开裂承载力迅速下降，因此高强混凝土的脆性性能在一定程度上影响了其推广应用，而且还有可能引发灾难性工程事故.为了改善高强混凝土的力学性能及其断裂特性，通常在其基体中加入一定数量乱向分布的钢纤维，裂纹在扩展过程中遇到钢纤维时，由于钢纤维在拔出过程中可以传递相当大的应力，在裂纹尖端形成一个纤维跨接区，极大地提高了钢纤维高强混凝土的断裂能、断裂韧度.钢纤维在高强混凝土基体开裂后的桥联作用，使高强钢纤维混凝土在破坏之前有较大的缓慢裂缝扩展区，并在裂缝扩展区存在纤维跨接区，从而阻碍混凝土内部裂纹的扩展，显著提高混凝土的韧性和延性，有效避免了无征兆脆性破坏的发生［1］.近几年混杂钢纤维对混凝土或砂浆所起的作用越来越受到人们的重视［2、3］，人们结合其各自的优点，以较低的造价使材料发挥最好的性能，但对于长短钢纤维混杂掺入高强混凝土后断裂韧性的研究较少.本文配制50～90 MPa高强混凝土，把不同尺寸、形状的异形钢纤维混合使用，利用楔入劈拉试验研究长、短钢纤维对起裂断裂韧度、失稳断裂韧度和断裂能的影响及其复合作用机理.

1 试验概况

1.1 试件设计

图1 楔入劈拉试件形状、尺寸（a0＝65 mm）Fig.1 Shape and size of wedge splitting specimen（a0＝65 mm）

裂缝高比0.51，浇注5个试件，试件形状及尺寸见图1.应变片标距均为10 mm，图2中测点1＃～5＃采用全桥连接成对布置，缝端应变片1＃测得的起裂荷载即为整个试件的起裂荷载P＊ini.

图2 试件测点布置（A＝20 mm，B＝40 mm）Fig.2 Measuring point distribution of specimen（A＝20 mm，B＝40 mm）

1.2 原材料和配合比

采用52.5R普通硅酸盐水泥；大连产中砂，细度模数约2.7；石灰石矿生产的碎石，最大粒径10 mm；Ⅰ级粉煤灰；Sika－Ⅱ高效减水剂；自来水.采用上海贝卡尔特有限公司产佳密克丝钢纤维，长纤维类型为RC－65／35－BN，直径0.65 mm，长度35 mm，长径比64，抗拉强度1 145～1 545 MPa.短纤维采用高强度OL6／.25系列钢纤维，表面镀铜，中等直径0.25 mm，长度6 mm，长径比24，抗拉强度≥2 000 MPa，纤维形状见图3.高强混凝土及混杂钢纤维高强混凝土配合比见表1.

图3 试验过程中使用的纤维几何形状Fig.3 Fiber geometry shape used in the test

表1 高强混凝土及混杂钢纤维高强混凝土配合比及28 d立方体抗压强度Tab.1 Mix proportions and 28 d cube compressive strength of high strength concrete and hybrid－steel fiber reinforced high－strength concrete

1.3 试件制作

采用强制式搅拌机搅拌，先将水泥、石子和砂干拌2 min，然后加入水与减水剂湿拌2 min，随后掺入钢纤维搅拌均匀为止.试件采用木模浇注成型，用2 mm厚钢板预制裂缝，钢板两侧涂有润滑油（隔离剂），将料装入木模后，在振动台上振动30 s，待混凝土初凝3 h后，松动钢板.试件浇注24 h后拆模，放入水箱中，在常温下养护28 d.

1.4 加载和测量系统

试验在1 000 k N微机控制液压伺服试验机上进行.加载采用等速位移控制，高强混凝土为0.01 mm／min，混杂钢纤维高强混凝土为2 mm／min.采用BLR－1／5000拉压式荷载传感器，测量范围为0～50 k N；裂缝张开位移采用YYJ系列电子引伸计，最大变形量为4 mm；荷载、裂缝张开位移和应变片电压值经YE3817动态应变放大器放大，采用自行编制的程序用计算机对数据进行实时采集，计算机数据采集系统自始至终记录全过程的试验数据.图4为加载装置图.

图4 楔入劈拉加载装置图Fig.4 Sketch of wedge splitting loading device

2 荷载－裂缝口张开位移（简称PCMOD）曲线

图5（a）、（c）分别为单独掺加长纤维和长、短纤维共同掺加时P－CMOD曲线，结果表明长、短纤维混杂掺加的系列（HSCF2）下降段平缓，曲线形状更饱满，峰值荷载略有增加.

相同CMOD对应的荷载，掺加短纤维后比不掺要高很多，这说明复合掺加短纤维开裂后，由于短纤维的桥接作用，承受的荷载增大，大约是峰值荷载的80%左右，后峰值强度也提高，断裂能自然提高，荷载为零时CMOD的值增大很多，也预示着构件可以承受更大的裂缝张开，拔出纤维所需要耗散的能量较大.大部分曲线没有明显的后峰值现象，下降段中有段曲线接近水平.

图5 P－CMOD曲线Fig.5 P－CMOD curves

3 双K断裂参数计算

3.1 起裂断裂韧度实测值

紧凑拉伸试件的加载方向与试件自重方向垂直，自重对裂缝扩展不起作用，但其现场制作没有楔入劈拉试件容易，而且楔入劈拉法通过选取合适的楔形角，可使竖向荷载低于水平荷载，这样人为地提高了试验机的刚度，降低了对试验机本身刚度的要求.与紧凑拉伸试验相比，楔入劈拉试验辅助加载装置造价较低，但其所采用的试件尺寸一般是非标准紧凑拉伸试件的尺寸，因此一般采用根据普通混凝土拟合出来的经验公式计算断裂韧度；而本文采用的试件形状和尺寸与紧凑拉伸试件形式类似，采用ASTM E399—72给出的标准紧凑拉伸试件的应力强度因子表达式计算断裂韧度，利用电测法可精确测得试件的起裂荷载，利用下列公式可准确计算得到试件的起裂断裂韧度：

标准紧凑拉伸试件尺寸满足下列要求：l／h＝1.2，f／l＝0.27，h0＝1.25h.文献［4］根据尺寸l／h＝1.0，f／l＝0.25，h0＝1.20h的非标准紧凑拉伸试件提出下列计算公式：

8)选择求解器，开启计算程序。计算完成后界面会显示Job finished。此时可看到目录中含有自主格式的结果文件。

式中：KⅠc为试件的断裂韧度（MPam1／2）；a为实测预制裂缝深度（m）；h、t分别为实测试件高度、厚度（m）；F为水平荷载（k N）；P为竖向极限荷载（k N）；mg为楔形加载架的重力（k N），本试验mg＝0.227 5 k N；θ为楔形加载架的楔面与纵轴的夹角（15°）.计算结果见表2.

表2 高强混凝土及混杂钢纤维高强混凝土断裂参数比较Tab.2 Fracture parameters comparisons for high strength concrete and hybrid－steel fiber reinforced high－strength concrete

3.2 失稳断裂韧度KunΙc计算值

根据线性叠加假定计算失稳临界状态裂缝长度，将（Pmax＋mg）／2tanθ、CMODc、相对缝长αc＝ac／h代入式（3）［5、6］，用Matlab解关于ac的方程，其值见表2.

式中：E为材料的弹性模量，参考文献［7］掺加钢纤维后弹性模量基本跟基体的相同，可通过式（5）计算［8］：

把最大荷载Pmax与ac代入式（1）、（2）即可求得（1）和（2），计算结果见表2.

3.3 断裂能Gf计算

高强混凝土及混杂钢纤维高强混凝土仍属于半脆性材料，断裂能可根据发生单缝破坏的软化材料的计算公式进行计算［9］：

式中：Gf为试件断裂能（N·m－1）；W为P－CMOD全曲线与横坐标包围的面积（N·m），用Origin求得；CMOD0为峰值荷载对应裂缝口张开位移（m）；A为韧带面积（m2），A＝t（h－a），a为预制裂缝深度（m）；断裂能的计算结果见表2.

由表2可知：

采用式（1）进行比较发现，HSC1－65失稳断裂韧度由原来的2.989 MPam1／2提高到3.193 MPam1／2（HSCF1－65系列），增加6.83%；HSC2－65断裂韧度由原来的3.114 MPam1／2提高到4.049 MPam1／2（HSCF2－2－65系列），增加30.02%；HSC3－65断裂韧度由原来的3.093 MPam1／2提高到4.122 MPam1／2（HSCF3－65系列），增加33.27%.

（2）在掺加1%RC－65／35－BN长纤维的基础上再掺加0.5%的OL6／.25短纤维后，HSCF1－65系列断裂能由1 296.630 N／m提高到1 537.160 N／m（HSCF2－65系列），增加18.59%；可知掺加短纤维后，断裂能有一定程度的提高.

随着混凝土强度和混杂钢纤维混凝土强度的增加，断裂能增加不是很明显，有的甚至降低.

采用式（1）进行比较发现，HSCF1－65系列失稳断裂韧度由3.193 MPam1／2提高到4.208 MPam1／2（HSCF2－65系列），增加31.79%.

用标准紧凑拉伸式（1）计算的断裂韧度是用经验式（2）得出的0.85～0.87倍.由于本文楔入劈拉试件形状非立方体，建议计算时采用式（1）.

作者认为若想利用式（1）计算高强混凝土的断裂能，需要得到比较平滑的下降段曲线，由于大部分实验室的试验机刚度不够，测得的高强混凝土的下降段不是很理想，掺加纤维裂缝开裂之后钢纤维的桥接作用使得下降段很容易得到，因此其断裂能计算比较精确，建议混杂钢纤维高强混凝土采用断裂能作为断裂参数，高强混凝土用断裂韧度作为断裂参数.

由表2知，高强混凝土的起裂荷载是峰值荷载的70%左右；而掺加钢纤维后，起裂荷载增大，甚至达到峰值荷载的90%还要多，说明混杂钢纤维可阻止结构过早开裂.

将长、短纤维混杂使用，可充分利用不同几何尺寸纤维的混杂效应，几何尺寸较小的短纤维在混凝土中乱向分布，在裂缝开裂前桥接混凝土内部分布的微裂缝，可以阻碍混凝土内部微裂缝的扩展，控制这些微裂缝扩展成宏观裂缝，阻滞宏观裂缝的发生和发展［10］，见图6，因此可以增加起裂断裂韧度；而几何尺寸较大的长纤维的作用主要发生在裂缝开裂后，能阻止宏观裂缝的扩展，因此可以增加失稳断裂韧度，见图6.

图6 长、短纤维共同作用时裂缝开裂状态Fig.6 Combined action of macrofiber and chopped fiber on crack opening

4 结 论

（1）长纤维可使失稳断裂韧度增加，抑制宏观裂缝开展；短纤维可以抑制微裂缝开展，并能使起裂断裂韧度增加.长、短纤维混杂掺加后，得到的P－CMOD曲线的下降段平缓，曲线饱满，断裂能增加.因此长、短钢纤维混杂掺加既可以延迟裂缝的起裂，还可以使得开裂后的裂缝发展缓慢，耗散的总能量大大增加.

（2）掺加钢纤维后，混凝土的失稳断裂韧度提高幅度远远不及断裂能提高的幅度大，这是由于纤维的桥接作用发生在试件开裂以后，因此反映为下降段消耗的能量大大增加，而开裂前乃至峰值荷载前，钢纤维起到的阻裂作用非常小.

（3）掺加钢纤维后，钢纤维在裂缝开裂之后的桥接作用使得下降段很容易得到，因此其断裂能计算比较精确，建议钢纤维混凝土或者混杂钢纤维混凝土采用断裂能作为断裂参数对结构的断裂性能进行评价.

（4）高强混凝土脆性较大，一般的试验机刚度不够，很难得到P－CMOD曲线的下降段，因此建议高强混凝土不采用断裂能作为评价指标，而采用失稳断裂韧度作为断裂参数评价结构的断裂性能.

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