钢纤维高强混凝土静、动力性能试验研究

赵瑞斌，徐慎春，刘中宪，李咙昊

（1.天津城建大学土木工程学院，天津 300384；2.天津大学建工学院，天津 300372）

钢纤维高强混凝土静、动力性能试验研究

赵瑞斌1，徐慎春2，刘中宪1，李咙昊1

（1.天津城建大学土木工程学院，天津 300384；2.天津大学建工学院，天津 300372）

通过钢纤维高强混凝土的静力压缩和拉伸试验，研究了静压力作用下，钢纤维掺量对其抗压强度、弹性模量和泊松比的影响；研究了静拉力作用下钢纤维掺量对其抗拉强度影响；通过钢纤维高强混凝土的动态压缩试验，研究了形状效应、应变率效应对其动态抗压强度、极限应变和动力增大系数（DIF）的影响；通过动态劈裂试验研究了应变率效应对其动态抗拉强度、极限应变和动力增大系数（DIF）的影响．研究表明：2.5%的钢纤维能够显著提高混凝土的静力抗压强度、弹性模量，并能显著减小泊松比，对混凝土的抗拉强度也具有显著的增强作用；同时，动压力作用下，钢纤维高强混凝土的动态抗压强度、极限应变和DIF均随试件高径比的增大而提高；动态劈裂作用下，钢纤维高强混凝土动态抗拉强度、极限应变和DIF亦均随高径比的增大而提高．

钢纤维高强混凝土；静力试验；动力试验；动态应变率效应

0 引言

钢纤维高强混凝土是一种极具创新性的新型混凝土[1-2]，具有高强度、高韧性、高和易性以及高耐久性等特性．国内众多学者对其进行了研究，例如，黄政宇等[3]研制了200MPa的钢纤维高强混凝土；宋玉普[4]等进行了184个试件的三轴抗压试验，阐述了钢纤维混凝土在偏平面上破坏面的特性，并给出了钢纤维混凝土三向应力状态下空间破坏堆则的数学表达式．严少华等[5]结合试验给出了钢纤维高强混凝土的单轴压缩下应力-应变全曲线方程；焦楚杰等[6]通过冲击压缩试验，研究了应变率钢纤维高强混凝土力学性能的影响，发现其为率敏感材料．段吉祥等[7]研究了钢纤维混凝土在快速变形下的动力性能、低速冲击荷载作用下的抗冲击及弹体作用下的抗侵彻性能，结果表明钢纤维混凝土的动力性能远优于普通混凝土；张育宁等[8]通过霍普金斯杆（SHPB）试验研究了钢纤维高强混凝土的动力性能，结果表明钢纤维高强混凝土为应变率敏感材料；韩嵘等[9]研究了钢纤维类型、体积率、长径比等参数对钢纤维混凝土批裂抗拉强度、轴心抗拉强度及轴心受拉应力-应变曲线的影响规律，结果表明，随着钢纤维体积率、长径比的增大，钢纤维混凝土劈裂抗拉强度、轴心抗拉强度呈线性增大规律；刘永胜[10]等研究了钢纤维混凝土的力学性能及其本构关系．

本文针对钢纤维高强混凝土静、动力性能进行了试验研究及分析，通过钢纤维高强混凝土的静力压缩和拉伸试验，研究了静压力作用下，钢纤维掺量对其抗压弹性模量和泊松比的影响；通过钢纤维高强混凝土的动态压缩试验，研究了形状效应、应变率效应对其动态抗压强度、极限应变和动力增大系数（DIF）的影响；通过动态劈裂试验研究了应变率效应对其动态抗拉强度、极限应变和动力增大系数（DIF）的影响，以期能够为钢纤维高强混凝土的推广应用提供一定的参考，并为其结构设计提供一定的理论依据．

表1 试件配合比Tab.1Specimen mixture

表2 静力压缩试验结果Tab.2Static compression test results

1 钢纤维高强混凝土静力试验

1.1静力压缩试验

1.1.1 试验设计

试件分为2类，一类为不掺加钢纤维的对照组（DCG），一类为掺加2.5%钢纤维的试验组（TCG）．均为高200 mm，直径100 mm的圆柱体．试件配合比如表1所示[11]．

1.1.2 试验结果及其分析

通过静力压缩试验测定了不同钢纤维掺量的钢纤维高强混凝土的峰值应力、弹性模量、峰值应变和泊松比，具体结果如表2所示．

由表2可以看出：试验组试件的峰值应力、弹性模量和峰值应变均比对照组试件有所提高，而泊松比却有所减小．其中，峰值应力提高了14%，弹性模量提高了6%，峰值应变提高了10.5%．

1.2 静力拉伸试验

1.2.1 试验设计

试件分为2类，一类为不掺加钢纤维的对照组（DTG），一类为掺加2.5%钢纤维的试验组（TTG）．均为高150 mm，直径150 mm的圆柱体，中部均预留深为25 mm，宽为10 mm凹槽．配合比同表1．

1.2.2 试验结果及其分析

通过静力拉伸试验测定了不同钢纤维掺量的钢纤维高强混凝土的峰值应力、峰值应变的影响．具体结果如表3所示．

由表3可以看出：试验组试件的峰值应力、峰值应变均比对照组试件有所提高．其中，峰值应力提高了27.6%，峰值应变提高了20%．

表3 静力拉伸试验结果Tab.3Static tension test results

2 钢纤维高强混凝土动力试验

2.1 动态压缩试验

2.1.1 试验设计

为研究形状效应和应变率效应对钢纤维高强混凝土动态抗压性能的影响，本试验试件按高径比（直径均为70 mm）分为2类，一类高径比为0.5（HHD），一类高径比为1（OHD），钢纤维掺量均为2.5%．对上述试件进行应变率为10 s1，40 s1，80 s1，120 s1的加载．

2.1.2 试验设置

运用霍普金斯杆试验机对试件进行动态压缩试验，试验设置如图1所示．

2.1.3 试验结果及其分析

通过动态压缩试验研究了形状响应和应变率效应对钢纤维高强混凝土的动态抗压强度、极限应变和DIF的影响．具体结果如图2～图4所示．

由图2可以看出：钢纤维高强混凝土的动态抗压强度随高径比及应变率的增大而提高．在相同应变率下，OHD试件动态抗压强度最大比HHD试件提高约13%；在相同高径比下，应变率为120 s1的极限抗压强度提高的幅度最大，提高了约22.5%．

图1 试验机及试验设置Fig.1Test machine and test setup

由图3可以看出：钢纤维高强混凝土的动态极限应变随高径比及应变率的增大而提高．在相同应变率下，OHD试件极限应变比HHD试件最大提高了25%左右；在相同高径比下，应变率为120 s1的极限应变提高的幅度最大，提高了约95%左右．

由图4可以看出：钢纤维高强混凝土的动力增大系数（DIF）随着高径比及应变率的增大而提高．在相同应变率下，OHD试件的DIF比HHD试件最大提高了13%左右；在相同高径比下，应变率为120 s1的DIF提高的幅度最大，提高了约34.3%．

图2 动态抗压强度与应变率关系曲线Fig.2Dynamic compression strength

图3 极限应变与应变率关系曲线Fig.3Ultimate strain

图4 DIF与应变率关系曲线Fig.4DIF with different strain rate

2.2 动态劈裂试验

2.2.1 试验设计

本试验试件采用了统一的高径比（0.5）及钢纤维掺量（2.5%）．通过加载应变率的变化来研究其对钢纤维高强混凝土动态抗拉强度的影响．加载应变率为10 s1，50 s1，100 s1，150 s1，200 s1，250 s1，300 s1，400s1，500 s1．

2.2.2 试验设置

使用霍普金斯杆试验机进行钢纤维高强混凝土的动态劈裂试验．试验设置同图1b）．

2.2.3 试验结果

通过动态劈裂试验研究了应变率效应对钢纤维高强混凝土的动态抗拉强度、极限应变和DIF的影响．具体结果如图5～图7所示．

由图5可以看出：钢纤维高强混凝土的动态抗拉强度随应变率的增大而提高，其中以应变率为400s1时提高最大，提高了46%左右．

由图6可以看出：钢纤维高强混凝土的极限应变随着应变率的增大而提高，其中以应变率为400 s1时提高最大，提高了93.4%左右．

由图7可以看出：钢纤维高强混凝土的DIF随着应变率的增大而提高，其中以应变率为500s1时DIF提高最大，提高了50%左右．

图5 动态抗拉强度与应变率的关系曲线Fig.5Dynamic tension strength

图6 极限应变与应变率的关系曲线Fig.6Ultimate strain

图7 DIF与应变率的关系曲线Fig.7DIF with different strain rate

3 结论与建议

1）2.5 %的钢纤维能够显著提高混凝土的抗压强度、弹性模量，极限应变，并能显著减小泊松比．抗压强度提高了约14%，弹性模量提高了约6%，极限应变提高了约10.5，泊松比减小了约3.7%．

2）2.5 %的钢纤维能够显著提高混凝土的抗拉强度及其极限应变．抗拉强度提高了约为27.6%，极限应变提高了约18%．

3）钢纤维高强混凝土的动态抗压强度、极限应变及DIF均随试件高径比的增大而提高，在相同应变率下，动态抗压强度最大提高了13%左右，极限应变最大提高了25%左右，DIF最大提高了13%左右．

4）钢纤维高强混凝土的动态抗压强度、极限应变及DIF均随应变率的增大而提高，在相同高径比下，动态抗压强度最大提高了22.5%左右，极限应变最大提高了95%左右，DIF提高了34.3%左右．

5）钢纤维高强混凝土的动态抗拉强度、极限应变及DIF均随应变率的增大而提高，其中以应变率为400s1时提高最为明显，动态抗拉强度提高了46%左右，极限应变提高93.4%左右，DIF提高了50%左右．

[1]徐至钧．纤维混凝土技术及应用[M]．北京：中国建筑工业出版社，2003．

[2]全国第五届纤维水泥与钢纤维混凝土学术会议论文集[C]．广东：广东科技出版社，1994．

[3]黄政宇，沈蒲生，蔡松柏．200 MPa超高强钢纤维混凝土试验研究[J]．混凝土，1993（3）：3-7．

[4]宋玉普，赵国藩，彭放，等．三向应力状态下钢纤维混凝土的强度特性及破坏准则[J]．土木工程学报，1994，3（3）：14-23．

[5]严少华，钱七虎，孙伟，等．钢纤维高强混凝土单轴压缩下应力-应变关系[J]．东南大学学报（自然科学版），2001，31（2）：77-80．

[6]焦楚杰，蒋国平，高乐．钢纤维高强混凝土抗冲击性能的数值仿真[J]．江苏大学学报（自然科学版），2012，33（3）：350-353．

[7]段吉祥，陆渝生，丁健，等．关于钢纤维混凝土动力性能的试验研究[J]．混凝土与水泥制品，1999（6）：38-40．

[8]张育宁，方秦，刘小斌，等．高强高掺量钢纤维混凝土动力性能的SHPB试验研究[J]．混凝土，2006（7）：32-35．

[9]韩嵘，赵顺波，曲福来．钢纤维混凝土抗拉性能试验研究[J]．土木工程学报，2006，39（11）：63-67．

[10]刘永胜，王肖钧，金挺，等．钢纤维混凝土力学性能和本构关系研究[J]．中国科学技术大学学报，2007，37（7）：717-723．

[11]徐慎春，吴成清，刘中宪，等．钢纤维及纳米材料对超高性能混凝土早期力学性能的影响[J]．硅酸盐通报，2014，33（3）：542-546．

[责任编辑 杨屹夏红梅]

Experimental research of static-dyanmic performance of steel fiber reinforced high-strength concrete

ZHAO Ruibin1，XU Shenchun2，LIU Zhongxian1，LI Longhao1

(1.School of Civil Engineering,Tianjin Chengjian Universigy,Tianjin 300384,China;2.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300372,China)

This paper investigates the effect of steel fiber ratio on compression strength,elastic modulus and Poisson's ratio through the experiment of compression test and its tensile strength.Meanwhile,the effect of different shape and strainrate on steelfiberreinforcedhigh-strength concrete dynamic compression strength,ultimate strain andDIFisstudied through the experiments of dynamic compression test and dynamic splitting test strength test.It is shown that 2.5%steel fiberscan significantly increase thecompressivestrength,elastic modulus of concrete,and reduce thePoisson'sratio.The tensile strengthofconcreteisalsosignificantlyenhanced by mixing2.5%steelfibers.Additionally,underdynamicpressure, the dynamic compressionstrength,ultimatestrain and DIFofsteel fiber reinforced concrete increase with theimprovement of height-diameterratio.Meanwhile,dynamicsplitting effect,dynamic tensilestrength,ultimate strain and DIFhave the same phenomenon.

steel fiber reinforced high-strength concrete;static test;dynamic test;dynamic strain rate effect

TU528.572

A

1007-2373(2015)05-0111-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.05.023

2014-09-20

国家科技支撑计划项目（2012BAJ07B05）

赵瑞斌（1964-），男（汉族），教授，zhao.rb@263.net．