劉永勝

(華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

超短鋼纖維混凝土動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲性能研究

劉永勝

(華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

利用導(dǎo)軌式落錘試驗(yàn)機(jī)開展了不同含量超短鋼纖維混凝土試件的動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，對(duì)獲得的加速度與時(shí)間關(guān)系曲線和各試件的荷載—位移曲線進(jìn)行分析，并對(duì)試件的斷裂能進(jìn)行了計(jì)算。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)纖維含量較低時(shí)，超短鋼纖維能夠提高混凝土的動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲承載能力，斷裂能隨纖維摻量提高而明顯提高;當(dāng)纖維含量過高時(shí)，隨纖維含量的提高，試件的動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲承載能力下降，斷裂能隨纖維摻量的提高而降低;最佳纖維摻量為3.0%。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了纖維摻量為0～3.0%時(shí)超短鋼纖維混凝土動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲斷裂能的計(jì)算公式和相關(guān)參數(shù)。

鋼纖維混凝土 三點(diǎn)彎曲 動(dòng)態(tài) 斷裂能

沖擊荷載是防護(hù)工程、機(jī)場(chǎng)跑道、高速鐵路軌道等工程結(jié)構(gòu)承受的主要荷載，材料的抗沖擊韌性是影響上述結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性的重要因素。在混凝土基體中摻入超細(xì)超短鋼纖維能夠提高混凝土材料的強(qiáng)度，改變破壞形態(tài)，提高抗沖擊韌性［1］。斷裂能是描述材料斷裂韌性的重要參數(shù)之一，其測(cè)試方法有直接拉伸法、楔劈拉伸法、三點(diǎn)彎曲梁法和緊湊拉伸法。對(duì)混凝土材料而言，三點(diǎn)彎曲梁法是常用的測(cè)試斷裂能的方法［2-7］。

本文利用導(dǎo)軌式落錘試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同含量超短鋼纖維混凝土開展了沖擊三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，得到材料的動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲荷載—位移曲線，并結(jié)合超短鋼纖維混凝土動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲的破壞特點(diǎn)，分析材料的斷裂能。

1 材料和試件

試件制作材料包括:長(zhǎng)6 mm、長(zhǎng)徑比為40的表面鍍銅超細(xì)超短高強(qiáng)鋼纖維;P．O42.5級(jí)水泥;600目普通硅微粉，粉煤灰;粒徑為5～10 mm碎石;細(xì)度模數(shù)為2.9的粗砂;高效減水劑;普通自來(lái)水。

試件為截面160 mm×40 mm的長(zhǎng)方體。尺寸較小，斷裂面在試驗(yàn)后易于測(cè)量到，由于預(yù)制切口可能導(dǎo)致試件的纖維分布不均勻，所以試件未預(yù)制切口。試件設(shè)計(jì)素混凝土的水灰比為0.28，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為45 MPa。試件材料用量及分組情況如表1所示。

表1 試件材料用量

2 試驗(yàn)裝置及測(cè)試系統(tǒng)

導(dǎo)軌式落錘試驗(yàn)機(jī)錘頭的最大落高為1.8 m，質(zhì)量調(diào)節(jié)范圍為2.58～11.80 kg。為了方便安裝加速度傳感器，采用了楔形中空錘頭，楔形角約為34°。通過錘頭中的加速度傳感器測(cè)得錘頭的加速度信號(hào)，然后經(jīng)放大存放到波形存儲(chǔ)器中，并與計(jì)算機(jī)連接成數(shù)據(jù)測(cè)試和記錄系統(tǒng)。試件對(duì)稱地放置在圓柱形支撐上，并用橡皮筋將試件固定，既使錘頭下落時(shí)剛好沖擊在試件的中點(diǎn)，又要防止試件受到?jīng)_擊后彈離支座。試件安裝和加載如圖1所示。

圖1 試件安裝和加載示意

落錘被提升到預(yù)定的高度后，自由釋放，落錘沿導(dǎo)軌自由下落，沖擊試件。假定錘頭為剛體，忽略錘頭對(duì)試件的二次沖擊以及外界干擾的影響，則沖擊速度V(t)和沖擊點(diǎn)的位移S(t)分別為［8］

式中，V0是錘頭沖擊試件的初速度，a(t)是加速度。根據(jù)錘頭上的加速度，可以算出試件所受的荷載F(t)為

式中，M為錘頭和配重的總質(zhì)量。

由式(1)～式(3)，可得到試件動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲的荷載—變形曲線及應(yīng)變能、斷裂韌度等參數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 加速度與時(shí)間的關(guān)系曲線

由于試驗(yàn)環(huán)境中其它信號(hào)的干擾，試驗(yàn)測(cè)得的加速度信號(hào)較分散，必須對(duì)所得信號(hào)進(jìn)行高頻濾波處理。處理后的加速度與時(shí)間關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可知，加速度曲線有兩個(gè)峰值。這是由于混凝土試件為脆性材料，在錘頭沖擊試件初期，試件表面的材料脫落，錘頭受到的約束反力下降，加速度下降，出現(xiàn)第一個(gè)峰值;當(dāng)試件臨近破壞時(shí)，試件承載能力下降，錘頭的加速度下降，加速度出現(xiàn)第二次峰值。

3.2 荷載—位移關(guān)系曲線

圖2 加速度與時(shí)間關(guān)系曲線

把測(cè)得的加速度信號(hào)采用式(2)和式(3)處理后，可得到荷載—位移關(guān)系曲線，如圖3所示?？芍?當(dāng)鋼纖維含量較低時(shí)，隨著纖維摻量的增加，試件的承載能力和變形能力顯著提高;當(dāng)纖維含量較高時(shí)，隨著纖維摻量的增加，試件的承載能力和變形能力反而降低。這種規(guī)律與纖維混凝土的抗壓性能相同，即纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)增韌效果并非纖維摻量越高效果越佳，而是存在一個(gè)最佳纖維摻量。本試驗(yàn)說(shuō)明摻量SF=3%時(shí)最佳。

圖3 超短鋼纖維混凝土荷載—位移曲線

另外，為了研究纖維類型對(duì)試件動(dòng)態(tài)彎曲的影響，本文還開展了普通短切鋼纖維混凝土的動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)，得到兩種不同類型纖維混凝土的荷載—位移曲線，如圖4所示。

由圖4可知，超短鋼纖維混凝土與普通鋼纖維混凝土的動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲荷載—位移曲線基本一致，但超短鋼纖維混凝土的承載能力比普通鋼纖維混凝土稍高一些。

圖4 不同纖維類型混凝土的荷載—位移曲線

3.3 動(dòng)態(tài)斷裂能分析

斷裂能是指形成單位斷裂面所需要消耗的能量，以GF表示。纖維混凝土的斷裂能通常采用帶切口的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)來(lái)測(cè)試其斷裂能［9］，忽略試件加載變形過程的能量損耗，其計(jì)算公式為

式中:W0是外荷載對(duì)試件做功，通常采用荷載—位移曲線下包圍的面積計(jì)算;Wg是指試件自重在試件變形過程中做的功;A為試件斷口的面積。在本試驗(yàn)中，假設(shè)試件跨中位移為1 mm時(shí)試件已經(jīng)斷裂。斷裂能計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 外荷載及試件自重做功

由表2知，與外荷載功相比，試件自重做功非常小。因此在計(jì)算材料斷裂能時(shí)，忽略試件自身重力功。斷裂能的變化規(guī)律與試件的動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲承載力相似，當(dāng)SF＜3.0% 時(shí)，鋼纖維混凝土的動(dòng)態(tài)斷裂能隨著纖維含量的增加而提高;當(dāng)SF＞3.0% 時(shí)，鋼纖維混凝土的動(dòng)態(tài)斷裂能隨著纖維含量的增加而降低。這主要是由于在低摻量時(shí)，隨著纖維摻量的提高，由于纖維的橋聯(lián)效果，增加了試件破壞所需的能量;而當(dāng)纖維含量超過某一極限值時(shí)，纖維與混凝土基體的粘結(jié)強(qiáng)度下降，因而所需的斷裂能下降。對(duì)于鋼纖維含量0～3.0%時(shí)的動(dòng)態(tài)斷裂能GfF可由下式計(jì)算

式中，aF為鋼纖維對(duì)鋼纖維混凝土動(dòng)態(tài)斷裂能的增益系數(shù)，λF為鋼纖維含量特征參數(shù)(鋼纖維的體積率SF與長(zhǎng)徑比的乘積)，G0F為鋼纖維體積率為0的動(dòng)態(tài)斷裂能。鋼纖維含量 SF=1.5% 時(shí)，λF=0.6，aF=0.2;鋼纖維含量 SF=3.0% 時(shí)，λF=1.2，aF=8.4。

4 結(jié)論

本文采用導(dǎo)軌式落錘試驗(yàn)機(jī)開展了超短鋼纖維混凝土的動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn)，得到如下結(jié)論:

1)當(dāng)纖維含量較低時(shí)，超短鋼纖維能夠提高混凝土的動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲的承載能力;當(dāng)纖維含量過高時(shí)，隨纖維含量的提高，試件的動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲承載能力下降。通過試驗(yàn)證明，最佳纖維摻量為3.0%。

2)采用荷載—位移曲線的軟化段能很好地計(jì)算試件的斷裂能。在纖維摻量＜3.0%時(shí)，斷裂能隨纖維摻量提高而明顯提高;當(dāng)纖維摻量＞3.0%時(shí)，斷裂能隨纖維摻量的提高而降低。

3)針對(duì)超短鋼纖維混凝土沖擊三點(diǎn)彎曲的變形破壞特點(diǎn)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果提出了纖維摻量0～3.0%時(shí)超短鋼纖維混凝土動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲斷裂能的計(jì)算公式和相應(yīng)參數(shù)。

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TU528．572

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．50

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2012-06-20;

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國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71074076);住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部項(xiàng)目(2010-K4-4)

劉永勝(1974— )，男，江西余干人，副教授，博士。

(責(zé)任審編 李付軍)