钢纤维对C60高性能混凝土弯曲韧性的影响

崔 巩，刘建忠，周华新，吕 进，李长风

(江苏省建筑科学研究院高性能土木工程国家重点实验室，江苏南京210008)

韧性是材料延性和强度的综合，是材料在破坏过程中的能量消耗值.钢纤维混凝土的韧性指的是混凝土基体开裂后继续维持一定抗力的变形能力，是评价钢纤维混凝土的一个重要指标［1－2］.普通混凝土在一定的荷载作用下便会开裂并发生脆性破坏.将钢纤维加入高强混凝土是提高和改善其韧性的有效方法之一.目前用于评价混凝土弯曲韧性的试验方法较多，但还没有统一的标准和试验方法［3］.

1 现有的弯曲韧性指数评价方法综述与选取

弯曲韧性用来评价钢纤维混凝土的韧性，但目前还没有统一评价钢纤维混凝土弯曲韧性的标准和方法.各主要国家学术机构与一些学者相继提出了自己的标准和方法，具有代表性的有美国混凝土协会(ACI)544委员会提出的弯曲韧性指数、美国材料与试验协会的ASTM C1018韧性指数法、日本土木工程协会标准JSCE G552、RILEM TC 162—TDF、中国工程建设标准协会标准(CECS 13∶2009)、中国行业规程 JGJ/T 221—2010 等［4－9］.这些方法大致可以分为能量法、能量比值法、特征点法、强度法.

日本的 JSCE G552、RILEM TC 162—TDF、我国标准中CECS 13∶2009的弯曲韧性试验(切口梁法)以及规程JGJ/T 221—2010的附录B《纤维混凝土抗弯韧性(等效抗弯强度)试验方法》中定义的弯曲韧性系数，实质上是给定挠度时的折算等效抗弯强度.其优点是，可以直接与抗弯强度相比来评价材料的增韧效果，与初裂强度无关，应用方便，适合评价不同种类钢纤维及掺量对增韧效果的影响.

按规程JGJ/T 221—2010规定的纤维混凝土弯曲韧性方法，采用100 mm×100 mm×400 mm小梁，按规定进行切口，采用600 kN压力试验机，用荷载传感器测定作用在小梁上的荷载，用位移传感器测定小梁的挠度，装置如图1所示.

图1 弯曲韧性试验装置图

2 原材料与配合比

2.1 原材料

水泥采用江南小野田水泥有限公司生产的P·Ⅱ52.5普通硅酸盐水泥;粉煤灰采用南京热电厂Ⅰ级粉煤灰;矿粉采用江南粉磨公司生产的S95级矿粉;细骨料采用Ⅱ区中砂，细度模数为2.6;粗骨料采用5～20 mm连续级配玄武岩碎石;减水剂采用江苏博特新材料有限公司生产的PCAR聚羧酸减水剂;钢纤维采用江苏博特新材料有限公司生产的润强丝R系列钢纤维.钢纤维特征参数见表1.

表1 钢纤维特征参数表

2.2 试验配合比

试验以端钩型钢纤维为主导纤维，采用的混凝土强度等级为C60，基准混凝土配合比见表2.

表2 基准混凝土配合比 kg/m3

3 试验结果与讨论

3.1 弯曲韧性与钢纤维体积率的关系

图2为不同体积分数端钩型钢纤维混凝土的荷载–挠度曲线.按照规程JGJ/T 221—2010附录B中试验方法求得的纤维混凝土28 d的等效抗弯强度feq见表3，表中值为3个试件的平均值.

图2 钢纤维高强混凝土荷载－挠度曲线

表3 不同掺量端勾型钢纤维混凝土弯曲韧性试验结果

从图2及表3中可以看出，钢纤维高强混凝土试件的荷载峰值，即混凝土抗弯强度随纤维体积分数的增大而提高，混凝土抗弯强度与比例极限f用于表征混凝土强度，纤维体积分数最高为1.25%时，混凝土抗弯强度相对于基准混凝土提高了104%，比例极限f提高了160%.这主要是由于荷载较小时，基体通过界面黏结力将荷载传至纤维，钢纤维与混凝土基体作为一个整体共同承担荷载，二者变形协调处于弹性阶段，此时荷载－挠度曲线呈直线;载荷继续增大，拉区变形达到钢纤维混凝土初裂应变时，混凝土基体出现裂缝，跨越裂缝的纤维通过界面传递应力，使试件界面受力保持平衡，而不像普通混凝土那样，一旦裂缝扩展便很快导致试件断裂.此外，荷载－挠度曲线也随着钢纤维体积分数的增大而愈加饱满，达到峰值荷载的变形能力也不断增加，呈现出更大的韧性.相对于低掺量钢纤维混凝土，掺入1.25%体积分数的钢纤维，等效抗弯强度feq，1与 feq，2分别提高了 385% 与 294% .以上结果可以说明，钢纤维的掺入提高了混凝土的抗弯强度及抗弯韧性，尤其对钢纤维的弯曲韧性的提高更为显著.

3.2 弯曲韧性与钢纤维种类的关系

表4与图3给出了钢纤维体积分数为1.00%时4种不同类型钢纤维(剪切型、端钩型、哑铃型、微细型)混凝土的弯曲荷载 －挠度曲线与计算结果.

表4 不同类型钢纤维混凝土弯曲韧性试验结果

图3 不同类型钢纤维高强混凝土荷载－挠度曲线

从图3和表4可以看出，掺入钢纤维后混凝土弯曲性能参数均有很大提高.在强度指标方面，微细型钢纤维混凝土提高幅度最大，其抗弯强度与比例极限f分别提高了68%及150%，剪切型钢纤维的提高幅度最小.同体积分数为1.00%时，抗弯强度与比例极限f提高幅度大小依次为:微细型＞端钩型＞哑铃型＞剪切型.在韧性指标方面，等效抗弯强度 feq，1与 feq，2表现出不同的趋势，提高幅度从大到小依次为:端钩型＞微细型＞哑铃型＞剪切型.这主要是由于，同等体积分数下微细型钢纤维根数最多，均匀分布在混凝土中，根据复合材料理论，提高混凝土强度更为明显.另外，端钩型钢纤维由于纤维两端带有弯钩，与基体有更好的黏结锚固作用，在纤维拔出的过程中除了克服界面黏结强度与摩擦力之外，还要克服钢纤维与混凝土的机械锚固作用，从而与长径比相近的其他钢纤维对比，增韧效果更加突出.因此，钢纤维与混凝土基体间的黏结锚固作用是影响高强混凝土弯曲韧性的重要因素，可以通过适当改变钢纤维表面形状、长径比等改善钢纤维高强混凝土弯曲韧性.

4 结语

1)简要综述了国内外几种常用的钢纤维混凝土弯曲韧性指数的计算方法，分析出强度法更适合于评价钢纤维混凝土弯曲韧性，因此选取了《纤维混凝土应用技术规程》(JGJ/T 221—2010)中附录B中等效抗弯强度试验方法对钢纤维混凝土弯曲韧性进行计算.

2)钢纤维高强混凝土试件的峰值荷载随着纤维体积分数的增大而提高，荷载－挠度曲线随着纤维体积分数的增大而愈加丰满，呈现出更大的韧性.

3)钢纤维类型对高强钢纤维混凝土弯曲韧性有较大影响，其中微细型钢纤维提高混凝土强度指标幅度较大;端钩型钢纤维与基体有更好的黏结锚固作用，提高混凝土韧性指标较大.

［1］黄承逵.纤维混凝土结构［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［2］梁志标.界面和粘结强度对混凝土性能的重要意义［C］//第七届水泥与混凝土国际会议论文集.济南:中国硅酸盐学会，2010.

［3］ Amir A Mirsayah，Nemkumar Banthia.Flexural strength of steel fiber-reinforced concrete［J］.ACI Materials Journal，2002，99(5):473 －479.

［4］ ACI Committee 544.ACI 544 2R—89 Measurement of Properties of Fiber Reinforced Concrete［S］.American:A-merican Concrete Institute，2002.

［5］ American Society for Testing and Materials.ASTM C1018—97 Standard Test Method for Flexural Toughness and First-Crack Strength of Fiber-Reinforced Concrete(Using Beam with Third-Point Loading)［S］.West Conshohocken:ASTM Inter，1997.

［6］日本土木学会.JSCE G552—1999鋼繊維補強コンクリートの強度およびタフネス試験用供試体の作り方法［S］.东京:日本土木学会，2002.

［7］ RILEM.RILEM TC162—TDF Test and Design Methods for Steel Fiber Reinforced Concrete［S］.Paris:RILEM Publications SARL，2003.

［8］中国建设工程协会.CECS 13∶2009纤维混凝土试验方法标准［S］.北京:中国计划出版社，2009.

［9］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ/T 221—2010纤维混凝土应用技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.