FAAFRC单轴受压力学性能研究

汪 洁，黄志强，姜诏宇

(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院，辽宁 沈阳 110870)

0 前 言

纤维混凝土是一种包含基体相(混凝土)和增强相(纤维)的多相复合材料，通过对纤维种类、纤维体积率、纤维长径比、纤维形状的控制，可以改善普通混凝土抗拉强度较低、抗裂性能较差、耐久性较差、抗高温性能较弱等缺点。国内外许多学者对纤维混凝土进行了研究，闫长旺等[1]研究发现在混凝土中掺入适量的PVA纤维可以改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。陈升平等[2]认为：掺入钢纤维可以提升混凝土的抗压强度，但在高强混凝土中提升幅度弱于低强混凝土。沈才华等[3]研究发现，峰值强度随PVA纤维掺量的增加呈先增加后降低的趋势。钟光淳等[4]研究发现钢纤维和PVA纤维对混凝土都有增韧效果。张玉杰等[5]研究发现钢纤维对混凝土轴心受压强度有一定提升，但提升幅度较小。可以看出，纤维掺入混凝土后，不仅可以提升其韧性，其抗压强度还可得到一定提升，但部分研究[6-7]表明，纤维掺入混凝土后，其抗压强度随纤维掺量的增加而下降。综上所述，可见纤维对混凝土并非都是正向效应，纤维对混凝土的效应随纤维种类的不同可能产生不同效果。

本文通过几组不同纤维组合条件的铁基非晶合金纤维混凝土(Fe-based amorphous alloy fiber reinforced concrete,FAAFRC)的单轴受压试验，分析纤维掺量、纤维长度对混凝土轴心抗压强度和抗压韧性的影响。

1 试验概况

1.1 试验原材料与配合比

水泥：采用本溪山水工源水泥生产的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；水：采用沈阳市铁西区居民自来水；细骨料：采用细度模数为2.6，粒径为0～4.75 mm的晒干筛后的优质河砂；粗骨料：采用粒径为5～20 mm的连续级配碎石；粉煤灰：采用辽宁建科粉煤灰应用技术研究所生产的粉煤灰；纤维：采用佛山市中研非晶科技股份有限公司生产的铁基非晶合金纤维。

采用上述材料，设计基准混凝土，其配合比见表1。

表1 基准混凝土试验配合比 单位：kg/m3

在基准混凝土基础上，设计6组不同纤维条件的试件，见表2。

表2 试件设计

1.2 试件制作与养护

根据《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13:2009)规范,混凝土受压试件选用100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试件。试件制作时，为确保纤维混凝土各组分搅拌均匀，先对水泥、碎石、砂、粉煤灰、纤维等进行干拌，待干拌2 min后再倒入水和减水剂的混合溶液，搅拌2 min后出锅装模，在振动台上进行振捣，并在标准养护条件下养护28 d。

1.3 加载装置与加载制度

试验机选用带有四个高强钢柱的YAW-J500F微机控制电液伺服压剪试验机，以保证试验过程中具有足够的刚度可以测得荷载-位移全曲线。加载时先进行预加载，预加载速率为0.5 kN/s，待50 kN后由荷载控制转为位移控制，加载速率为0.1 mm/min，直至由于试件变形过大而不能继续进行试验时停止试验。

2 试验结果及分析

2.1 破坏形态

掺入纤维的混凝土试件在峰值荷载后，应力下降速率较素混凝土试件平缓，试件侧表面出现明显的宏观大裂缝并伴随有较多微小裂缝产生，随加载的持续，有混凝土碎块脱落并伴有爆鸣声，并有纤维被拔出，为延性破坏，试验结束后，纤维混凝土未发生崩坏，表现出较好的完整性。图1为受压破坏试件。

图1 受压破坏试件

2.2 荷载-位移曲线

掺入铁基非晶合金纤维对混凝土基体的峰值应变和峰值应力为正向效应，但随纤维体积掺量的增加，峰值位移随之增加，峰值荷载呈先增大后减小的趋势，这是由于纤维体积掺量增加时，混凝土基体与纤维界面薄弱部增多，当纤维对混凝土的增强作用不足以抵消纤维带来的负面效应时，混凝土强度将表现为随纤维体积掺量的继续增加而下降。

纤维长度为17 mm时，相较13 mm和15 mm，混凝土应力-应变曲线下降段更为平缓，曲线与坐标轴所围面积最大，试件破坏时可以吸收更多的能量，这是由于纤维较长时，与混凝土基体接触面积较大，可以得到较好的粘结力，破坏拔出时需要吸收更多能量，混凝土韧性提升较大。图2为荷载-位移曲线。

(a)纤维掺量影响

(b)纤维长度影响

2.3 轴心抗压强度

轴心抗压强度计算式如下：

(1)

式中,fcu,0为轴心抗压强度;Fmax为峰值荷载;A为截面面积。

计算结果见表3。由图2和表3可知，铁基非晶合金纤维混凝土轴心抗压强度随纤维体积率的先增加后减小，纤维长度对轴心抗压强度影响较小，这是由于铁基非晶合金纤维是一种高断裂韧性、低弹性模量且表面光滑的材料，掺入混凝土基体后，主要承担基体内部裂缝两端的拉应力，在纤维掺量增加时，基体内部单位体积存在的纤维增多，反而会致使初始微裂缝和孔隙的产生，导致混凝土强度较低。

表3 铁基非晶合金纤维混凝土轴心抗压强度 单位：MPa

2.4 抗压韧性

抗压韧性以应力-应变曲线上升段某点、峰值应力点、下降段的某点作为特殊点，进行范围选取，具体为：选取荷载-位移曲线上升段峰值荷载50%所在点，记为点A，峰值荷载点，记为点B，下降段峰值应力50%所在点，记为点C。韧性指数即为曲线AB和坐标横轴所围面积与曲线BC和坐标横轴所围面积，如图3所示。计算式如下：

(2)

式中，S1,0.5为荷载-位移曲线中曲线AB和坐标横轴所围面积；S2,0.5为应力-应变曲线中曲线BC和坐标横轴所围面积。

图3 韧性指数法示意图

韧性指数计算结果见表4。由表4可知，铁基非晶合金纤维混凝土的抗压韧性随纤维掺量和纤维长度的增加而增加，但纤维长度较大时，对抗压韧性的提升幅度较小。

表4 FAAFRC抗压韧性指数

图4为铁基非晶合金纤维混凝土抗压韧性。

(a)纤维掺量对抗压韧性影响

(b)纤维长度对抗压韧性影响

3 结 论

1)铁基非晶合金纤维混凝土相较素混凝土下降段较平缓，试件表现出较好的完整性，为塑性破坏。

2)轴心抗压强度随纤维体积掺量的增加先增后减，在0.2%取得最大值，纤维长度对抗压强度影响较小。

3)铁基非晶合金纤维混凝土的抗压韧性随纤维掺量和纤维长度的增加而增加，但纤维长度较大时，对抗压韧性的提升幅度较小

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