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钢纤维碱激发混凝土材料及构件性能研究张辉

发表时间：2021/5/24 来源：《基层建设》2021年第2期作者：张辉

[导读] 摘要：随着经济和科技水平的快速发展，混凝土材料作为工程应用中的主要材料之一，因其材料性能的不足，如抗拉强度低、脆性大、易开裂、延展性差，以及对冲击、开裂、疲劳的抵抗能力差等缺点，在一定程度上制约着各类工程的建设。

        天津市双发建筑工程有限公司天津市 300000
        摘要：随着经济和科技水平的快速发展，混凝土材料作为工程应用中的主要材料之一，因其材料性能的不足，如抗拉强度低、脆性大、易开裂、延展性差，以及对冲击、开裂、疲劳的抵抗能力差等缺点，在一定程度上制约着各类工程的建设。某些传统混凝土结构，如道路路面、桥梁、大坝等，除了需要承受静荷载之外，还需承受一定的冲击荷载。以军事防护为主的工程领域更是需要着重考虑混凝土材料的抗冲击、抗爆炸等极端荷载的性能。
        关键词：钢纤维；碱激发混凝土；材料性能
        引言
        碱激发混凝土是一种性能与水泥混凝土相似的新型环保建筑结构材料，加入钢纤维可以延缓混凝土开裂，改善混凝土构件的韧性与延性。通过钢纤维碱激发混凝土轴压强度、劈裂抗拉强度和三点弯曲断裂的材料性能试验；研究了钢纤维对荷载-跨中挠度曲线、延性、破坏形态和跨中截面应变的变化规律。钢纤维混凝土由于其优异的性能逐渐被广泛地应用于混凝土结构中，由其组成的结构构件承担着结构绝大多数的荷载，当材料力学性能发生改变时，结构的抗震性能及服役性能也将发生相应改变。为获得钢纤维混凝土的力学性能参数及影响因素，本文设计了钢纤维混凝土力学性能测试试验，对钢纤维混凝土抗压性能、抗劈拉强度进行了测试，并分析研究了钢纤维掺量对混凝土抗压性能的影响。
        1试验概况与方法
        1.1纤维混凝土的抗冲击试验研究
        材料动力学试验的类型有低应变率、中应变率、高应变率、超高应变率和材料高压物理状态方程试验：低应变率试验的设备有普通材料万能试验机；中应变率试验的设备有高速材料试验机、落锤式材料试验机、气动式和机械式的凸轮式材料试验机；高应变率试验的设备有膨胀环、Hopkinson装置；超高应变率试验的设备有微型Hopkinson试验装置、一维应变试验装置和压剪试验装置。纤维混凝土的抗冲击试验主要集中在落锤试验和SHPB杆试验，研究人员多从试件的剥落程度、能量吸收、试验破坏后的残余性能和冲击韧性等方对各类纤维混凝土的抗冲击性能进行分析，研究纤维的最佳掺量和最佳长度，或者探究各类纤维的加入对混凝土材料抗冲击性能和吸能性产生影响的机理，以及混杂纤维混凝土内纤维的混杂效应。
        1.2材性试验方法
        轴心抗压强度试验和弹性模量采用尺寸为100mm×100mm×300mm的棱柱体试块进行测定，劈拉强度试验采用尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体试块测定；三点弯曲断裂试验采用尺寸为100mm×100mm×400mm的棱柱体进行，在试件侧面跨中有宽度为2mm，深度为20mm的预置裂缝，以测试裂缝开口位移（CMOD），两支座间的距离为300mm，试验加载速度为0.2mm/min，采集荷载和试件挠度，同时采用夹式引伸计测量裂缝开口位移。
        1.3加载装置及测量内容
        试验梁上的荷载通过分配梁施加，梁上的2个加载点距离支座的位置均为1200mm，梁上的纯弯段长度为800mm。跨中分配梁上的加载装置为1500kN的液压千斤顶，千斤顶上布置力传感器，通过分配梁对试验梁加载；在跨中及支座截面布置位移计测试梁的挠度。在试验梁的跨中纵向钢筋表面贴应变片，测量试验梁纯弯段的纵向钢筋应变。本试验采用力控制加载。试验测试荷载值、挠度和钢筋应变通过应变采集仪实时采集，在加载过程中通过裂缝宽度测量仪观测梁纵向受拉钢筋高度位置处混凝土外表面的裂缝宽度，记录每级荷载下裂缝的形成与发展。
        2材性试验结果及分析
        2.1截面应变分析
        负应变表示顶部混凝土表面的压应变，而正应变表示钢筋的拉伸应变。可以看出：在混凝土开裂前，压缩和拉伸应变都保持在较小的值，因为碱激发混凝土梁处于弹性阶段，在此阶段钢筋和钢纤维碱激发混凝土变形协调。

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钢纤维对跨中截面应变没有明显影响；在混凝土梁开裂后，开裂截面处发生应力重分布，原来由钢筋和受拉区混凝土共同承担的拉力转移给钢筋和横跨裂缝的钢纤维，钢筋应变迅速增大，但在相同荷载等级下，由于横跨裂缝钢纤维的桥联作用，钢纤维混凝土梁中纵筋应变要小于无纤维混凝土梁中纵筋应变，且钢纤维掺量越多，效果越明显。与无纤维碱激发混凝土梁相比，掺入0.5%的钢纤维可以使纵筋拉应变降低13.8%-16.3%，掺入1.0%的钢纤维可以使纵筋拉应变降低22.6%-24.4%；可见掺入钢纤维可以明显降低纵筋的应变，提高碱激发混凝土梁的受弯性能。无纤维碱激发混凝土梁的峰值压应变接近混凝土轴心受压的竖向应变，而含钢纤维的碱激发混凝土梁的峰值压应变则小于相应钢纤维掺量的碱激发混凝土轴心受压的竖向应变。表明钢筋钢纤维碱激发混凝土梁抵抗变形的能力好于无纤维钢筋碱激发混凝土梁。
        2.2弯曲刚度
        弯矩−曲率关系曲线也可以反映梁受弯破坏的过程，曲线的斜率则表示梁的截面弯曲刚度。钢筋混凝土受弯构件正常使用时正截面承受的弯矩大致是其受弯承载力的50%-70%。C30，C50和C70强度的AAC梁与PCC梁相比，未开裂时的弯曲刚度分别降低了4%，2%和9%，正常使用状态的弯曲刚度平均值分别提高了5%，3%和−22%。混凝土强度为C30和C50时，弯曲刚度基本吻合，混凝土强度达到C70时，AAC梁较PCC梁相应的各阶段的刚度均有较大的降低。随着混凝土强度的提高，PCC梁与AAC梁未开裂时的弯曲刚度均呈增大趋势，而正常使用阶段的弯曲刚度平均值先减小后增大。试验表明，AAC梁与PCC梁的弯曲刚度特征相吻合。
        2.3数值模拟
        对纤维混凝土动力学性能的研究主要集中在试验研究，在此基础上，一些研究人员根据SHPB、落锤冲击等试验结果和经验，提出纤维混凝土的本构模型，以材料动态试验数据为基础，提出了一个新的SFＲC材料的含损伤粘塑性本构模型，并通过积分出来的本构曲线对试验曲线进行逐次最小二乘法逼近，优选出了模型中的材料本构参数，之后的其他纤维混凝土动态试验的数据处理和材料本构模型分析可以借鉴作者的方法。随着数值计算领域的快速发展，越来越多的科研工作者在试验研究的基础上，采用数值模拟来进行辅助研究，将试验结果跟数值模拟的结果进行比较。有限元模拟作为数值模拟中的重要部分，在材料、构件和结构的冲击、爆炸和地震等各种工况下都有广泛应用。对于纤维混凝土的抗爆和抗冲击来说，有限元模拟的难点之一在于材料属性的设置和损伤模型的选取，精准模拟纤维混凝土的动态性能离不开对纤维混凝土动态本构关系的研究，因此对纤维混凝土的试验研究和理论研究是纤维混凝土有限元模拟的基础。
        结语
        在发展应用复合材料过程中，各种纤维混凝土、纺织物增强混凝土、纤维增强复合材料等新型材料和传统材料的优化将会是未来土木构件的发展方向，同时利用新材料在原有结构上的升级改造也将是一大趋势。无纤维碱激发混凝土梁的峰值压应变接近混凝土轴心受压的竖向应变，而含钢纤维的碱激发混凝土梁的峰值压应变则小于相应钢纤维掺量的碱激发混凝土轴心受压的竖向应变。表明钢筋钢纤维碱激发混凝土梁抵抗变形的能力好于无纤维钢筋碱激发混凝土梁。1）把钢纤维加入到碱激发混凝土中，可以发挥钢纤维对混凝土的阻裂、增强和增韧作用，可以有效改善碱激发混凝土的脆性。钢纤维对碱激发混凝土抗压强度和弹性模量影响不大，但对抗变形性能、抗拉强度和断裂能有较大的提升作用。2）钢纤维的掺入提高了碱激发混凝土梁的抗弯承载力和位移延性，可提高抗弯承载力6.7%-18.2%，位移延性提高了35.8%-45.6%。纤维掺量相同时，在配筋率较低的试验梁中，钢纤维的作用更加明显。3）开展了不同钢纤维掺量条件下混凝土试件的抗压强度、劈拉强度等力学性能试验，得到了钢纤维掺量对混凝土力学性能的影响规律，并对相同钢纤维掺量、不同强度等级混凝土基体的钢纤维混凝土进行了抗压强度、劈拉强度等力学性能参数的测试。4）碱激发混凝土梁的破坏模式和裂缝开展方式与普通硅酸盐水泥混凝土梁完全一致，然而普通硅酸盐水泥混凝土与钢筋的黏结性能更好。（5）根据试验值与规范预测值相比较，发现用于钢纤维水泥混凝土梁的设计计算式同样可以用于钢纤维碱激发混凝土梁，但设计计算式偏于保守安全，且低估了低掺量钢纤维碱激发混凝土对钢筋钢纤维碱激发混凝土梁抗弯承载力的贡献。
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