混凝土中異形鋼纖維粘結(jié)滑移試驗研究

混凝土中異形鋼纖維粘結(jié)滑移試驗研究

0鋼纖維與抗體的粘結(jié)滑移性能鋼纖維對混凝土的額外耐候性由鋼纖維通過從基質(zhì)中提取的大量能量而實現(xiàn)。因此，不僅要保證鋼纖維與水體之間的足夠結(jié)合強度，才能堵塞裂縫的延伸和傳輸負(fù)荷，還要保證鋼纖維有足夠的張力。為了吸收更多的能量，達(dá)到混凝土脆弱體的抗凍性，必須充分發(fā)揮鋼纖維對水體的抗侵蝕性，以滿足各種結(jié)構(gòu)能耗的要求。這對研究鋼纖維與水體的結(jié)合滑移性能具有重要意義。1試驗總結(jié)1.1混凝土應(yīng)用性能原材料:采用比利時產(chǎn)貝卡爾特雙彎鉤鋼纖維和宜興產(chǎn)剪切平直鋼纖維,其幾何參數(shù)如表1;天津水泥廠生產(chǎn)的42.5號普通硅酸鹽水泥;選用最大粒徑Gmax=20mm的石灰?guī)r碎石粗骨料;天津產(chǎn)中砂(河砂)為細(xì)骨料.1.2混凝土的配合比設(shè)計混凝土設(shè)計強度為C25,試驗中參照文獻設(shè)計混凝土配合比,水泥∶水∶砂∶碎石為1∶0.49∶2.39∶2.49.1.3試件的制作過程鋼纖維與混凝土粘結(jié)試驗的試件形狀如圖1所示,采用100mm×100mm×100mm的立方體試件,試件分兩次澆注,中部設(shè)有隔層,鋼纖維埋角(鋼纖維與拔出荷載之間夾角)分別為0°、30°、45°和60°,埋入根數(shù)為4根,埋入長度為鋼纖維本身長度的一半.試件共16組,每組3塊.試件具體的制作過程見文獻.1.4纖維混凝土力學(xué)性能試驗圖2所示為試件加載裝置圖.鋼纖維與混凝土基體的粘結(jié)試驗及數(shù)據(jù)處理參照《鋼纖維混凝土試驗方法》(CECS13:89).試驗在50kN的電子萬能試驗機上進行,試驗時應(yīng)對試件連續(xù)、均勻加荷,加荷速度控制在0.4mm/min,試驗在鋼維完全拔出時結(jié)束.試驗機由電腦自動控制,自動記錄荷載—位移曲線.2界面粘結(jié)強度界面粘結(jié)強度定義為鋼纖維與基體界面之間沿纖維徑向的單位面積的粘結(jié)力,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:式中:ffu為鋼纖維與混凝土的界面粘結(jié)強度(MPa);Ffu為鋼纖維拔出時的最大荷載,即峰值荷載(N);n為鋼纖維的埋入數(shù)量;uf為鋼纖維橫截面周長(mm);lfe為鋼纖維的埋入長度(mm).混凝土的實測立方體抗壓強度值為28.59MPa.鋼纖維與混凝土粘結(jié)強度的試驗結(jié)果如表2所示.2.1鋼纖維端部彎鉤—鋼纖維拔出荷載—位移曲線以埋角為0°時的拔出荷載—位移曲線為例說明鋼纖維從混凝土基體中拔出時的拔出過程.圖3、圖4分別是埋角為0°時J型、B型鋼纖維拔出荷載—位移曲線,由圖可以看出鋼纖維的拔出過程分為3個階段:第1階段:彈性粘結(jié)階段,對應(yīng)拔出荷載—位移曲線的OA段.該階段的拔出阻力由界面粘著力提供.A點對應(yīng)的荷載稱為初裂荷載.第2階段:部分脫粘階段,對應(yīng)拔出荷載—位移曲線的ABC段.此階段從拉拔端到埋入端逐漸產(chǎn)生粘著失效破壞,位移明顯增大.曲線上B點對應(yīng)的荷載最大,為拔出荷載最大值,在過峰值點后,荷載下降,曲線下降至C點,C點為完全脫粘點.對于J型鋼纖維該階段拔出阻力由界面粘著力和摩擦力共同提供,在過峰值點后,荷載急劇下降,由圖3可見,初裂荷載和峰值荷載相差不大.對于B型鋼纖維,與J型鋼纖維不同,此階段的拔出阻力除了界面粘著力和界面摩擦力提供以外,鋼纖維的端部彎鉤變形也提供了部分拔出阻力,在鋼纖維拔出過程中,端部彎鉤逐漸被調(diào)直,使拔出荷載增大,在達(dá)到拔出荷載最大值B點以后,曲線開始下降,但曲線較剪切平直鋼纖維平緩,這說明部分拉直的鋼纖維與基體的摩擦力較大.第3階段:完全脫粘并處于動態(tài)拔出階段,對應(yīng)拔出荷載—位移曲線的CD段.對于J型鋼纖維此階段的拔出阻力由界面摩擦力提供,該階段曲線特征為隨位移的增大拔出荷載下降.此階段B型鋼纖維拔出曲線與J型鋼纖維比較起來,曲線更為平緩,位移增長很快.試驗中發(fā)現(xiàn)拔出的鋼纖維端部彎鉤幾乎全被調(diào)直,說明在此階段的拔出阻力由彎鉤的進一步調(diào)直變形提供的拔出阻力和界面摩擦力提供的拔出阻力共同組成.可見B型鋼纖維的端部彎鉤的變形阻拔作用,貫穿于部分脫粘和完全脫粘兩個階段,對彈性粘結(jié)階段的拔出阻力幾乎沒有影響.由以上分析可知:對于同一基體而言鋼纖維的形狀對彈性階段以及鋼纖維混凝土的初裂荷載幾乎沒有影響,只是影響初裂以后荷載發(fā)展趨向.這反映在宏觀力學(xué)試驗中,對混凝土的增韌、增強程度差別很大.2.2埋角的影響J、B型鋼纖維以不同的埋角拔出時的峰值荷載如圖5所示.由表2的試驗結(jié)果以及圖5可以看出:對于兩種鋼纖維,峰值荷載隨著埋角的增大而減小,埋角為0°時峰值荷載最大,這是由于鋼纖維傾斜埋入基體中時,鋼纖維埋入基體處存在附加剪應(yīng)力,引起鋼纖維內(nèi)部晶體間的滑移,使鋼纖維的屈服強度和極限強度降低,導(dǎo)致峰值荷載值減小;與埋角為0°時的峰值荷載相比,埋角為30°、45°時峰值荷載下降不大,埋角為60°時峰值荷載下降最大.2.3埋角對b型鋼纖維峰值位移的影響J、B型鋼纖維以不同的埋角拔出時的峰值位移如圖6所示.由表2的試驗結(jié)果以及圖6可以看出:對于J型鋼纖維,峰值位移隨埋角的增大變化不大.對于B型鋼纖維從基體中拔出時,峰值位移隨埋角的增大而顯著增大,埋角為30°、45°以及60°時峰值位移分別為埋角為0°時峰值位移的1.57倍、3.16倍和4.34倍.當(dāng)埋角相同時,B型鋼纖維的峰值位移大于J型鋼纖維.其根本原因在于在拔出過程中,B型鋼纖維除了克服界面粘著力產(chǎn)生滑移外,端部彎鉤調(diào)直也產(chǎn)生位移,且隨著埋角的增大,端部彎鉤調(diào)直產(chǎn)生的位移增大.2.4表面粘合劑的強度2.4.1《法國法》“2.鋼纖維埋角分別為0°、30°、45°、60°時,B型鋼纖維與混凝土的界面粘結(jié)強度分別為J型鋼纖維的2.18倍、2.03倍、2.00倍、4.17倍;可見,對于同一混凝土基體而言,B型鋼纖維比J型鋼纖維具有高得多的界面粘結(jié)強度,即鋼纖維的形狀是影響鋼纖維與混凝土界面粘結(jié)強度的重要因素.B型鋼纖維優(yōu)良的粘結(jié)性能取決于其獨特的外形,在拔出過程中,其端彎鉤與基體混凝土的強錨固作用和彎鉤在拔出過程中的調(diào)直作用大大增加了鋼纖維的拔出力,從而提高了界面粘結(jié)強度.因此,改變鋼纖維形狀能有效地提高鋼纖維與混凝土基體的界面粘結(jié)強度.2.4.2界面粘結(jié)強度表3為界面粘結(jié)強度隨鋼纖維埋角增大的下降率(相對埋角為0°時的界面粘結(jié)強度).試驗結(jié)果表明,埋角對鋼纖維混凝土的界面粘結(jié)強度有很大影響.由表3以及表5的試驗結(jié)果可以看出:隨埋角的增大,界面粘結(jié)強度減小,界面粘結(jié)強度下降率增大;B型鋼纖維與混凝土的界面粘結(jié)強度下降率大于J型鋼纖維,說明B型鋼纖維較J型鋼纖維對角度更敏感;鋼纖維與荷載同向時即埋角為0°時,界面粘結(jié)強度最大.因此,鋼纖維與荷載同向是最優(yōu)拔出角度,對混凝土增強效果最好,所以可以發(fā)展定向型鋼纖維混凝土,使鋼纖維根據(jù)受力需要按荷載方向定向排列在混凝土中,以便更大程度地發(fā)揮鋼纖維混凝土材料的優(yōu)勢,避免材料的浪費.3埋角的影響1)對于同一基體而言鋼纖維的形狀對彈性粘結(jié)階段幾乎沒有影響,不同形狀的鋼纖維在彈性粘結(jié)階段以后的拔出荷載—位移曲線相差很大.2)鋼纖維拔出時的峰值荷載隨埋角的增大而減小;B型鋼纖維的峰值位移隨埋角的增大而增大.3)對于