钢纤维高性能混凝土劈裂强度与变形特性分析

苏承东，李 艳，熊祖强

（1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003；2.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454003）

钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料.钢纤维的主要作用是延缓混凝土微裂纹的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展，从而使混凝土的抗拉强度、抗剪强度较普通混凝土有较大提高，同时对混凝土的抗疲劳、抗冲击以及韧性、耐久性也有较大改善，因而钢纤维高性能混凝土被广泛应用于建筑、公路，铁路、机场、水利、矿山和国防等领域.

文献［1－14］对钢纤维混凝土的力学性能进行了试验研究，研究表明，钢纤维混凝土的力学性能与材料组分性质、配合比、施工工艺等因素有关.上述研究只涉及钢纤维混凝土的单轴压缩、弯曲、轴向拉伸性能等方面，而有关钢纤维掺量对混凝土劈裂强度和变形特征影响的研究则不够充分.鉴于此，本文主要对钢纤维掺量（φ，体积分数）分别为0%，1%，2%，4%的混凝土进行了劈裂试验，分析钢纤维混凝土在劈裂试验过程中的强度和变形特性，讨论钢纤维掺量对其力学性能的影响.

1 试验

1.1 原材料

水泥为焦作千业水泥有限责任公司生产的P·O 52.5硅酸盐水泥；河南南阳天然河砂，细度模数为2.6，过筛后最大粒径为1.18mm；外加剂为FDN高效减水剂；江苏博特新材料有限公司生产的钢纤维，其直径为0.20mm，长度为13mm，弹性模量为205GPa，抗拉强度为2 500MPa，延伸率小于4.0%.

1.2 配合比

为提高钢纤维混凝土强度并使钢纤维分散均匀，在满足强度和韧性要求的前提下，采用低水胶比.本试验的水胶比（质量比）为0.23，砂胶比（质量比）为0.6.钢纤维掺量分别为0%，1%，2%，4%，依次编为A，B，C，D 组.

1.3 试样制作

为保证钢纤维在混凝土中均匀分散，参照CECS13∶89《钢纤维混凝土试验方法》，按配合比称量后，将钢纤维、水泥和河砂干料用搅拌机搅拌均匀，然后加入外加剂水溶液继续搅拌3min，将混合料倒入200mm×200mm×120mm 的木模内，置于振动台上浇筑成型，24h后拆模，标准养护28d后，采用钻、锯、磨工序加工成直径为49.9mm，厚度约为30mm，端面平行度为±0.02mm 的试样.

2 试验方法

试验在RMT－150B型岩石力学系统上进行，该试验系统具有岩石和混凝土单轴抗压、三轴抗压、间接抗拉、直接抗拉和压剪等功能.载荷、变形自动采集，实时显示.试验采用钢丝劈裂法（见图1），钢丝垫条直径为2 mm，100 kN 力传感器测量载荷，5mm 传感器测量加载方向的压缩变形量（x），2.5mm传感器测量垂直加载方向的拉伸变形量（－x）.采用载荷控制加载，加载速率为0.5kN／s.

3 试验结果及分析

图1 钢纤维高性能混凝土劈裂加载示意图Fig.1 Splitting loading sketch map of steel fiber reinforced high performance concrete

图2为钢纤维高性能混凝土劈裂全程载荷－变形曲线，其中：OA 为压密阶段，AB 为弹性阶段，BC为屈服阶段，CD 为破坏阶段；p1，x1，－x1，W1依次为试样屈服时载荷（对应中心点屈服抗拉强度R1）、加载方向的压缩变形量、垂直加载方向的拉伸变形量和屈服前的韧度；p2，x2，－x2和W2则依次为试样峰值时载荷（对应中心点峰值抗拉强度R2）、加载方向的压缩变形量、垂直加载方向的拉伸变形量和峰值前的韧度；需要说明的是：加载方向的压缩变形量包含混凝土压缩变形和钢丝垫条变形2部分，垂直加载方向的拉伸变形量是2 个横向变形的平均值，混凝土劈裂韧度则由加载载荷－变形曲线与横坐标围成的面积确定，其量纲与功相同.

图2 钢纤维高性能混凝土劈裂全程载荷－变形曲线Fig.2 Load－deformation curve of steel fiber reinforced high performance concrete under splitting loading

3.1 变形特征

图3 为4 组钢纤维高性能混凝土劈裂全程载荷－变形的对比曲线.从图3可以看出，混凝土劈裂载荷－变形曲线特征与纤维掺量有关.图3（a），（b）显示，当钢纤维掺量为0%，1%时，载荷－变形曲线处在压密阶段，主要是钢丝垫条与混凝土表面接触处的局部变形，钢丝垫条的接触面积随着载荷增加而增大，曲线上凹.在峰值载荷前，载荷－变形曲线呈线性变化.一旦达到峰值载荷，载荷急速下降.当钢纤维掺量为0%时，5 个试样峰值后的载荷瞬时下降为0；当钢纤维掺量为1%时，除试样B1的载荷瞬时下降为0外，其他4个试样仍有少许钢纤维继续承载拉应力，表明钢纤维掺量低于1%时，混凝土仍表现出明显的脆性特征.

图3 钢纤维高性能混凝土劈裂全程载荷－变形对比曲线Fig.3 Comparison on load－deformation curves of steel fiber reinforced high performance concrete under splitting process

从图3（c），（d）可以看出，随着钢纤维掺量的增加，混凝土劈裂过程的载荷－变形曲线出现明显差别.当钢纤维掺量大于2%时，曲线的压密阶段明显，在载荷达到混凝土基体屈服前，基本呈线性变化.当载荷增加到混凝土基体的屈服抗拉强度时，载荷－变形曲线偏离线性关系，逐渐下凹，进入屈服阶段，混凝土内部的低强度材料屈服破坏，出现微裂纹，钢纤维承受更大的应力，一旦载荷达到其极限，则载荷随变形增加逐渐降低.

在图3（c）中，除试样C3的载荷瞬时下降较快外，其他4个试样中的钢纤维仍能承载较大拉应力，峰值后载荷下降速度较慢.与钢纤维掺量为0%，1%的混凝土相比，钢纤维掺量为2%，4%的混凝土在峰值前表现出明显的屈服特征，且峰值后载荷下降速度较慢，韧性明显增强，具有一定延性特征.对总体变形而言，加载方向的压缩变形量大于垂直加载方向的拉伸变形量.

图4为混凝土屈服、峰值时平均压缩（拉伸）变形量与钢纤维掺量的关系.从图4可以看出：钢纤维混凝土劈裂屈服时，平均拉伸变形量与钢纤维掺量关系不大，4种掺量混凝土屈服时的拉伸变形量分别为0.117，0.114，0.118，0.115 mm，平均值约为0.12mm，而屈服时压缩变形量则较为复杂，这和钢丝垫条与混凝土接触状态有关.钢纤维掺量低于1%时，混凝土屈服、峰值时的压缩（拉伸）变形量完全相同，表明钢纤维混凝土的变形参数与基体的力学性能大致相同.当钢纤维掺量为2%时，混凝土的压缩变形量从0.416mm 增加到0.603mm，增幅为45.0%，拉伸变形量从0.118mm 增加到0.208mm，增幅为76.0%；当钢纤维掺量为4%时，混凝土的压缩变形量从0.451 mm 增加到0.780 mm，增幅为72.9%，拉伸变形量从0.115mm 增加到0.226mm，增幅为96.5%.研究结果表明，钢纤维高性能混凝土劈裂屈服时平均拉伸变形量与钢纤维掺量关系不大，而峰值时的压缩（拉伸）变形量则随着钢纤维掺量的提高而增大，当钢纤维掺量为2%，4%时，峰值时压缩变形量增幅分别为45.0%，72.9%，拉伸变形量增幅分别为76.0%，96.5%.

3.2 强度特征

试样的屈服抗拉强度R1 和峰值抗拉强度R2可用式（1）进行计算.

式中：D，L 分别为试样直径和厚度.

图4 混凝土屈服、峰值时压缩（拉伸）变形量与钢纤维掺量的关系Fig.4 Relationship between compressive（tensile）deformation of concrete on yielding and peak stress and steel fiber content

图5 混凝土屈服、峰值时抗拉强度与钢纤维掺量的关系Fig.5 Relationship between yielding and peak tensile strength of concrete and steel fiber content

图5为混凝土屈服、峰值抗拉强度与钢纤维掺量的关系.从图5可以看出：同组混凝土的试验结果尽管具有离散性，但其平均值与钢纤维掺量之间仍存在一定规律.与混凝土基体峰值抗拉强度5.78MPa相比：当钢纤维掺量为1%时，其平均峰值抗拉强度为6.92MPa，增幅为19.7%；当钢纤维掺量为2%时，其屈服与峰值抗拉强度相差1.12MPa，屈服平均抗拉强度为7.81MPa，增幅为35.1%，峰值平均抗拉强度为8.93MPa，增幅为54.5%；当钢纤维掺量为4%时，其屈服平均抗拉强度为7.74MPa，增幅为33.9%，而峰值平均抗拉强度为10.52MPa，增幅为82.0%.研究结果表明，随着钢纤维掺量的增加，阻裂性能增强，混凝土的屈服、峰值抗拉强度明显提高，当钢纤维掺量为2%～4%时，其屈服抗拉强度增幅为33.9%～35.1%，峰值抗拉强度增幅为54.5%～82.0%，钢纤维掺量对混凝土峰值抗拉强度的贡献明显大于屈服抗拉强度.

3.3 韧度特征

混凝土劈裂韧度由全程载荷－变形曲线与横坐标围成的面积确定（见图2），其屈服和峰值前的韧度W1，W2分别按下式计算：

图6为混凝土屈服、峰值前韧度与钢纤维掺量的关系.从图6可以看出，尽管混凝土的韧度试验结果具有离散性，但其平均值仍能表征钢纤维高性能混凝土的韧度.当钢纤维掺量为0%，1%时，混凝土屈服前和峰值前的韧度完全相同，分别为2.63，2.96J；当钢纤维掺量大于2%时，其屈服和峰值前的韧度存在较大差异.当钢纤维掺量为2%，4%时，其屈服前韧度分别为2.90，3.24J，峰值前韧度分别为6.20，10.33J，增幅分别为113.4%，219.1%.研究结果表明，随着钢纤维掺量的增加，混凝土的屈服、峰值前韧度提高，当钢纤维掺量为1%～4%时，其屈服前韧度增幅为12.5%～22.8%，峰值前韧度增幅为12.5%～292.8%.

3.4 破坏特征

图7为4种钢纤维高性能混凝土试样劈裂破坏照片.从图7可以看出，钢纤维掺量为0%时，5个试样破裂成两半，破裂面较光滑；钢纤维掺量为1%时，其破裂特征与钢纤维掺量为0%的试样基本相同，但混凝土内部多数钢纤维未全部拉断或拔出，裂纹宽度约为0.5～1.5mm.当钢纤维掺量为2%时，除C1，C3试样的破裂面贯通外，其余试样均未形成贯通裂纹，C2，C3，C5 试样在起裂加载基线一端出现2条裂纹，裂纹之间仍有钢纤维未断开或拔出，裂纹宽度小于1.0mm；当钢纤维掺量为4%时，5个试样均没有形成贯通裂纹，除D5 试样的裂纹延伸方向偏离加载方向外，其余试样裂纹延伸方向均与加载方向相同，裂纹宽度小于0.5mm.研究表明，随着钢纤维掺量的增加，混凝土形成贯通裂纹的难度增大，基体开裂后，钢纤维继续承受拉应力，其韧性随着钢纤维掺量的增加而增强.

图6 混凝土屈服、峰值前韧度与钢纤维掺量的关系Fig.6 Relationship between toughness before yielding and peak stress of concrete and steel fiber content

4 结论

（1）钢纤维高性能混凝土劈裂屈服时的平均拉伸变形量与钢纤维掺量关系不大，4 种钢纤维掺量混凝土屈服时的拉伸变形量约为0.12mm，峰值时压缩（拉伸）变形量随着钢纤维掺量的增加而增大，当钢纤维掺量为2%，4%时，峰值时压缩变形量增幅分别为45.0%，72.9%，拉伸变形量增幅分别为76.0%，96.5%.

（2）随着钢纤维掺量的增加，阻裂性能增强，混凝土的屈服、峰值抗拉强度明显提高，当钢纤维掺量为2%～4%时，其屈服抗拉强度增幅为33.9%～35.1%，峰值抗拉强度增幅为54.5%～82.0%，钢纤维掺量对混凝土峰值抗拉强度的贡献明显大于屈服抗拉强度.

（3）随着钢纤维掺量的增加，混凝土的屈服、峰值前韧度提高，当钢纤维掺量为1%～4%时，其屈服前韧度增幅为12.5%～22.8%，峰值前韧度增幅为12.5%～292.8%.

（4）当钢纤维掺量大于2%时，混凝土试样不易形成贯通裂纹，基体开裂后，钢纤维继续承受拉应力，其韧性随着钢纤维掺量的增加而增强.

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