钢纤维混凝土受压韧性评价

倪亮 陈升平

摘要：对钢纤维混凝土进行了单轴压缩实验，结合已有钢纤维混凝土受压韧性的理论方法与试验数据，分别研究了钢纤维类型、掺入率、混凝土强度等参数对混凝土韧性指数的影响规律。

Abstract： Uniaxial compression experiments were carried out on steel fiber concrete. Combining with the existing theoretical methods and experimental data of compressive toughness of steel fiber concrete， the influence rules of steel fiber type， admixture rate， concrete strength and other parameters on concrete toughness index were studied.

关键词：韧性指数;钢纤维;混凝土

Key words： toughness index;steel fiber;concrete

中图分类号：U454，TU528.572                        文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）22-0157-02

0  引言

在近半个世纪以来，国际范围内因混凝土发生脆性破坏，以致结构失效的现象数不胜数，为使混凝土有更高的适用性，有许多学者对纤维混凝土进行了研究，例如Ning [1]研究了不同尺度的聚丙烯纤维和混合纤维对混凝土压缩变形的影响，他认为掺混纤维可以提高混凝土的抗压韧性。Wu[2]的试验结果表明，掺入1～3%的直钢纤维，可使混凝土抗压强度增加8～32%，但掺入率达到3%时，对混凝土韧性的提升却不再明显。可见对于钢纤维混凝土受压韧性方面的相关研究较有限。

1  试验材料与设计

选用华兴水泥（P.O42.5），碎石（5～20mm），中粗河沙（细度模数2.5～3.0）、钢纤维、水及适量减水剂等作为试验原材料。其中，钢纤维参数如表1。

本试验共制作了18组Φ150×300钢纤维混凝土圆柱体试件，每组试件3个，以混凝土强度等级（C30、C40、C50）、钢纤维掺入率（1.0%、1.3%、1.6%）及类型（多锚固点型、剪切型）三个因素作为试验变量进行了单轴压缩试验。

2  试验方法

在电液伺服万能压力试验机上对圆柱体试件进行压缩测试，试件两端中部对称贴2个电阻应变片，并固定两个标距100mm的位移传感器测量轴向位移，将试验所得的数据使用应变采集仪DH3816及对应计算机软件进行采集，试验加载布置如图1所示。

具体流程为：

①将圆柱体试件从标准蒸汽养护室养护28天后取出，检查外观是否有破损。②使用直尺测量，并用记号笔标记出位移传感器支架的固定位置，然后将位移传感器固定在圆柱体试件正对中心线的两侧。③位移传感器连接应变仪后，根据计算机显示的数值，确定位移传感器能完好使用后，进行“归0”设置。④试件受压面为直径150mm的圆，每次试验前需在试件的上下端表面用打磨机打磨平整，然后用湿纸巾擦干，下端用细砂找平，并用水平尺多次测试水平，以保证试件上下表面与上下压板保持水平。⑤需进行一次预加载，采用应力控制方式，荷载至50kN后，采用速率0.003m/s的位移控制持续加载，及时记录试验所需的相关数据。⑥根据实测的数据使用Origin软件绘制应力-应变曲线，通过计算得出各试验组的韧性指数。

3  试验结果与分析

在混凝土中掺入钢纤维能够显著提高试件的变形性能，限制裂缝的发展，从而提高结构韧性。本文主要采用依据文献[1]中对韧性指数的定义，本文中韧性指数定义为当轴向应力减小到50%时，应力-应变曲线下降段与下轴线围成面积同上升段与轴线围成面积的比值，以前的研究人员也曾采用过类似的定义[3]-[4]。

所得出的主要试验结果如表2。

3.1 钢纤维类型对混凝土韧性指数的影响

将两种钢纤维混凝土所有试验组的韧性指数进行平均后对比，可以得出钢纤维类型对混凝土韧性的影响，如图2。混凝土强度为CF30和CF40时，掺入率为1～1.6%的多锚固点型钢纤维使混凝土平均韧性指数分别达到了2.92和2.8，从数值上看，均高于剪切型钢纤维混凝土的平均韧性指数，因此多锚固点型钢纤维对混凝土韧性增强优于剪切型钢纤维。但在CF50这种较高强度时，多锚固点型钢纤维的平均韧性指数却不如剪切型。说明两种钢纤维对混凝土韧性增强效果在不同强度等级上有差异，在较低强度下，多锚固点型钢纤维的增韧效果较剪切型的要好，然而混凝土在较高强度时，剪切型钢纤维能带给混凝土更显著的增韧效果。

3.2 钢纤维掺入率对混凝土韧性指数的影响

CF30及CF40强度下，两种钢纤维混凝土的韧性指数在钢纤维掺入率为1.6%时，各组试件的韧性指数均达到最高。因此，钢纤维掺入率达到1.6%时，对混凝土韧性指数的影响最大，如图3（a）～（b）。CF50强度下，剪切型钢纤维的掺入率为1.3%时，其韧性指数高于其他掺入率的混凝土，因此对混凝土韧性影响最佳;同理，多锚固点型钢纤维掺入率为1.6%时，对混凝土韧性影响最佳，如图3（c）。

3.3 混凝土强度对混凝土韧性指数的影响

图4表示为不同强度混凝土在各钢纤维掺入率下的平均值，当强度等级从CF30上升至CF40，韧性指数降低了6.11%，强度从CF40上升至CF50时，韧性指数却从2.61变为2.18，降幅达到16.48%。整体而言，在较低强度下钢纤维对于混凝土有着显著的增韧效果，混凝土强度在CF50时，结构脆性变大，韧性指数与C30及C40强度混凝土相比有较明显的减少。钢纤维对低强度混凝土的增韧效果较其他强度而言更好，韧性指数在CF30强度时最大。

在CF30及CF40强度下，掺入率1.6%的多锚固点型钢纤维混凝土增韧最好，在CF50强度下，掺入率为1.3%的剪切型钢纤维混凝土增韧性最好。

4  结论

①钢纤维对C30强度混凝土的增韧效应显著高于C40及C50强度混凝土。②混凝土强度为C30和C40，钢纤维掺入率为1～1.6%，韧性指数随着钢纤维的掺入率增加而增加。③多锚固点型钢纤维混凝土的韧性指数在CF30及CF40强度下，高于剪切型钢纤维混凝土，但CF50强度下，剪切型钢纤维对多锚固点型钢纤维的韧性影响更显著，其最佳的掺入率为1.3%。

参考文献：

[1]Ning HuiLiang.Experimental Study of Compression for Multi-scale Polypropylene Fiber Concrete.[C]. International Conference on Civil Engineering， Architecture and Building Materials （CEABM 2012）.

[2]Zemei Wu， Caijun Shi， Kamal Henri Khayat. Investigation of mechanical properties and shrinkage of ultra-high performance concrete： Influence of steel fiber content and shape，composites[J].Part B： Engineering，Volume 174， 2019，107021， ISSN 1359-8368.

[3]M.A. Mansur， M.S. Chin， T.H. Wee.Stress-strain relationship of high-strength fiber concrete in compression [J]. Mater. Civ. Eng. ASCE， 1999， 11 （1）： 21-29.

[4]J.J. Zhou， J.L. Pan， C.K.Y. Leung. Mechanical behavior of fiber-reinforced engineered cementitious composites in uniaxial compression[J]. Mater. Civ. Eng.， 2014， 27（1）.

作者簡介：倪亮（1995-），男，湖北武汉人，硕士研究生。