超短钢纤维混凝土动态三点弯曲性能研究

刘永胜

(华东交通大学 土木建筑学院，江西 南昌 330013)

超短钢纤维混凝土动态三点弯曲性能研究

刘永胜

(华东交通大学 土木建筑学院，江西 南昌 330013)

利用导轨式落锤试验机开展了不同含量超短钢纤维混凝土试件的动态三点弯曲试验，对获得的加速度与时间关系曲线和各试件的荷载—位移曲线进行分析，并对试件的断裂能进行了计算。试验结果表明：当纤维含量较低时，超短钢纤维能够提高混凝土的动态三点弯曲承载能力，断裂能随纤维掺量提高而明显提高;当纤维含量过高时，随纤维含量的提高，试件的动态三点弯曲承载能力下降，断裂能随纤维掺量的提高而降低;最佳纤维掺量为3.0%。依据试验结果提出了纤维掺量为0～3.0%时超短钢纤维混凝土动态三点弯曲断裂能的计算公式和相关参数。

钢纤维混凝土 三点弯曲 动态 断裂能

冲击荷载是防护工程、机场跑道、高速铁路轨道等工程结构承受的主要荷载，材料的抗冲击韧性是影响上述结构稳定性和耐久性的重要因素。在混凝土基体中掺入超细超短钢纤维能够提高混凝土材料的强度，改变破坏形态，提高抗冲击韧性［1］。断裂能是描述材料断裂韧性的重要参数之一，其测试方法有直接拉伸法、楔劈拉伸法、三点弯曲梁法和紧凑拉伸法。对混凝土材料而言，三点弯曲梁法是常用的测试断裂能的方法［2-7］。

本文利用导轨式落锤试验机对不同含量超短钢纤维混凝土开展了冲击三点弯曲试验，得到材料的动态三点弯曲荷载—位移曲线，并结合超短钢纤维混凝土动态三点弯曲的破坏特点，分析材料的断裂能。

1 材料和试件

试件制作材料包括:长6 mm、长径比为40的表面镀铜超细超短高强钢纤维;P．O42.5级水泥;600目普通硅微粉，粉煤灰;粒径为5～10 mm碎石;细度模数为2.9的粗砂;高效减水剂;普通自来水。

试件为截面160 mm×40 mm的长方体。尺寸较小，断裂面在试验后易于测量到，由于预制切口可能导致试件的纤维分布不均匀，所以试件未预制切口。试件设计素混凝土的水灰比为0.28，设计强度为45 MPa。试件材料用量及分组情况如表1所示。

表1 试件材料用量

2 试验装置及测试系统

导轨式落锤试验机锤头的最大落高为1.8 m，质量调节范围为2.58～11.80 kg。为了方便安装加速度传感器，采用了楔形中空锤头，楔形角约为34°。通过锤头中的加速度传感器测得锤头的加速度信号，然后经放大存放到波形存储器中，并与计算机连接成数据测试和记录系统。试件对称地放置在圆柱形支撑上，并用橡皮筋将试件固定，既使锤头下落时刚好冲击在试件的中点，又要防止试件受到冲击后弹离支座。试件安装和加载如图1所示。

图1 试件安装和加载示意

落锤被提升到预定的高度后，自由释放，落锤沿导轨自由下落，冲击试件。假定锤头为刚体，忽略锤头对试件的二次冲击以及外界干扰的影响，则冲击速度V(t)和冲击点的位移S(t)分别为［8］

式中，V0是锤头冲击试件的初速度，a(t)是加速度。根据锤头上的加速度，可以算出试件所受的荷载F(t)为

式中，M为锤头和配重的总质量。

由式(1)～式(3)，可得到试件动态三点弯曲的荷载—变形曲线及应变能、断裂韧度等参数。

3 试验结果及分析

3.1 加速度与时间的关系曲线

由于试验环境中其它信号的干扰，试验测得的加速度信号较分散，必须对所得信号进行高频滤波处理。处理后的加速度与时间关系曲线如图2所示。由图2可知，加速度曲线有两个峰值。这是由于混凝土试件为脆性材料，在锤头冲击试件初期，试件表面的材料脱落，锤头受到的约束反力下降，加速度下降，出现第一个峰值;当试件临近破坏时，试件承载能力下降，锤头的加速度下降，加速度出现第二次峰值。

3.2 荷载—位移关系曲线

图2 加速度与时间关系曲线

把测得的加速度信号采用式(2)和式(3)处理后，可得到荷载—位移关系曲线，如图3所示。可知:当钢纤维含量较低时，随着纤维掺量的增加，试件的承载能力和变形能力显著提高;当纤维含量较高时，随着纤维掺量的增加，试件的承载能力和变形能力反而降低。这种规律与纤维混凝土的抗压性能相同，即纤维对混凝土的增强增韧效果并非纤维掺量越高效果越佳，而是存在一个最佳纤维掺量。本试验说明掺量SF=3%时最佳。

图3 超短钢纤维混凝土荷载—位移曲线

另外，为了研究纤维类型对试件动态弯曲的影响，本文还开展了普通短切钢纤维混凝土的动态三点弯曲梁试验，得到两种不同类型纤维混凝土的荷载—位移曲线，如图4所示。

由图4可知，超短钢纤维混凝土与普通钢纤维混凝土的动态三点弯曲荷载—位移曲线基本一致，但超短钢纤维混凝土的承载能力比普通钢纤维混凝土稍高一些。

图4 不同纤维类型混凝土的荷载—位移曲线

3.3 动态断裂能分析

断裂能是指形成单位断裂面所需要消耗的能量，以GF表示。纤维混凝土的断裂能通常采用带切口的三点弯曲试验来测试其断裂能［9］，忽略试件加载变形过程的能量损耗，其计算公式为

式中:W0是外荷载对试件做功，通常采用荷载—位移曲线下包围的面积计算;Wg是指试件自重在试件变形过程中做的功;A为试件断口的面积。在本试验中，假设试件跨中位移为1 mm时试件已经断裂。断裂能计算结果见表2。

表2 外荷载及试件自重做功

由表2知，与外荷载功相比，试件自重做功非常小。因此在计算材料断裂能时，忽略试件自身重力功。断裂能的变化规律与试件的动态三点弯曲承载力相似，当SF＜3.0% 时，钢纤维混凝土的动态断裂能随着纤维含量的增加而提高;当SF＞3.0% 时，钢纤维混凝土的动态断裂能随着纤维含量的增加而降低。这主要是由于在低掺量时，随着纤维掺量的提高，由于纤维的桥联效果，增加了试件破坏所需的能量;而当纤维含量超过某一极限值时，纤维与混凝土基体的粘结强度下降，因而所需的断裂能下降。对于钢纤维含量0～3.0%时的动态断裂能GfF可由下式计算

式中，aF为钢纤维对钢纤维混凝土动态断裂能的增益系数，λF为钢纤维含量特征参数(钢纤维的体积率SF与长径比的乘积)，G0F为钢纤维体积率为0的动态断裂能。钢纤维含量 SF=1.5% 时，λF=0.6，aF=0.2;钢纤维含量 SF=3.0% 时，λF=1.2，aF=8.4。

4 结论

本文采用导轨式落锤试验机开展了超短钢纤维混凝土的动态三点弯曲梁试验，得到如下结论:

1)当纤维含量较低时，超短钢纤维能够提高混凝土的动态三点弯曲的承载能力;当纤维含量过高时，随纤维含量的提高，试件的动态三点弯曲承载能力下降。通过试验证明，最佳纤维掺量为3.0%。

2)采用荷载—位移曲线的软化段能很好地计算试件的断裂能。在纤维掺量＜3.0%时，断裂能随纤维掺量提高而明显提高;当纤维掺量＞3.0%时，断裂能随纤维掺量的提高而降低。

3)针对超短钢纤维混凝土冲击三点弯曲的变形破坏特点，结合试验结果提出了纤维掺量0～3.0%时超短钢纤维混凝土动态三点弯曲断裂能的计算公式和相应参数。

［1］谷先广，李永池，胡秀章，等．超短钢纤维混凝土冲击压缩特性研究［J］．防护工程，2007，29(1):11-14．

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［6］高丹盈，张廷毅．三点弯曲下的钢纤维高强混凝土断裂能［J］．水利学报，2007，38(9):1115-1119．

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TU528．572

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．50

1003-1995(2013)04-0163-03

2012-06-20;

2013-01-18

国家自然科学基金项目(71074076);住房与城乡建设部项目(2010-K4-4)

刘永胜(1974— )，男，江西余干人，副教授，博士。

(责任审编 李付军)