鋼纖維混凝土破壞應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€試驗(yàn)研究

鋼纖維混凝土破壞應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€試驗(yàn)研究

由于混凝土軸的抗拉試驗(yàn)復(fù)雜且困難，因此在實(shí)踐中經(jīng)常使用斷裂抗拉試驗(yàn)代替軸的抗拉試驗(yàn)，并通過變換來獲得軸的抗拉抗拉?，F(xiàn)行鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法仍沿用了劈裂抗拉試驗(yàn)方法確定鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度,但未明確如何換算為鋼纖維混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度。此外,由于普通試驗(yàn)機(jī)的剛度不足,試件難以對(duì)中,容易產(chǎn)生應(yīng)力集中和偏心受拉破壞現(xiàn)象,采用直接受拉試驗(yàn)確定混凝土的抗拉強(qiáng)度,并獲得鋼纖維混凝土軸心受拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的成功率低。為此,本文設(shè)計(jì)了一種新型的鋼纖維混凝土軸心受拉試件,采用平行于受拉試件的輔助剛性架的加載裝置,在普通試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行軸心抗拉強(qiáng)度試驗(yàn),并獲得鋼纖維混凝土軸心受拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。在此基礎(chǔ)上,分析了軸心抗拉強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度的關(guān)系,提出了軸心抗拉強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度的換算關(guān)系式;分析了鋼纖維體積率和基體混凝土強(qiáng)度對(duì)混凝土軸心受拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的影響規(guī)律,提出了鋼纖維混凝土軸心受拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的解析表達(dá)式。1試驗(yàn)總結(jié)1.1混凝土配合比設(shè)計(jì)鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、軸心抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)及立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)均澆筑12組試件。劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)和立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),采用邊長為150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件,每組澆筑試件3個(gè)。軸心抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用簡單易行的端部埋設(shè)鋼筋的方法,精確加工試模,保證試件幾何對(duì)中,每組澆筑試件4個(gè)。設(shè)計(jì)的試件形狀和尺寸如圖1所示,試件在端部加大,中間受拉區(qū)截面尺寸為100mm×100mm。為防止變截面應(yīng)力集中,減小缺陷的影響,中間受拉區(qū)向端部緩慢過渡,連接段為圓弧形。試件用鋼模在振動(dòng)臺(tái)上澆筑成型,1d后拆模,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后試驗(yàn)。鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)見表1。試驗(yàn)原材料:42.5普通硅酸鹽水泥;砂子細(xì)度模數(shù)為2.92;石子粒徑為5～20mm;外加劑為復(fù)合型奈磺酸系列高效減水劑;鋼纖維采用浙江嘉興七星鋼纖維廠生產(chǎn)的ZH06-32型(兩端大頭型鋼纖維)和ZH09-25型(通長球痕型鋼纖維),參數(shù)見表2。鋼纖維體積率為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%。1.2加載裝置的設(shè)計(jì)軸心受拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€試驗(yàn)的關(guān)鍵在于下降段的測試,要求試驗(yàn)體系有足夠大的剛度。根據(jù)本試驗(yàn)使用的試驗(yàn)機(jī)的噸位(1000kN)和凈空條件,設(shè)計(jì)加載裝置如圖2所示。輔助剛性架增加設(shè)備的剛度,試件與傳感器并聯(lián),試件與試驗(yàn)機(jī)之間用4個(gè)球鉸連接,能更好地調(diào)節(jié)試件的受力狀況。1.3試件的拉拔試驗(yàn)劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。采用直徑為150mm的鋼制弧形墊條,墊條與試件之間應(yīng)墊以三層膠合板。軸心抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)利用一臺(tái)液壓萬用試驗(yàn)機(jī)作主要設(shè)備,附加一個(gè)由橫梁和拉桿組成的剛性框架。將試件兩端的鋼筋分別與2個(gè)球鉸連接好,然后上好拉桿的螺母,調(diào)試各儀器,使其處于正常工作狀態(tài)。加載對(duì)中通過控制拉桿上的螺母和球鉸的自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)時(shí),調(diào)整試件位置使其基本幾何對(duì)中,并施加1kN的拉力,通過傳感器和應(yīng)變計(jì)的讀數(shù)使試件4個(gè)面上的應(yīng)變相差不大而達(dá)到物理對(duì)中,如果傳感器的力相差超過0.1kN,應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變相差超過10με,調(diào)節(jié)2根杠桿的螺母和與試驗(yàn)機(jī)連接的拉桿,直到滿足軸心受拉要求,然后分級(jí)加載,直至試件斷裂。試件承受的拉力N等于試驗(yàn)機(jī)的荷載讀數(shù)N1減去傳感器的讀數(shù)N2(轉(zhuǎn)化為力),即N=N1-N2。試件的應(yīng)變?nèi)上鄬?duì)側(cè)面的應(yīng)變計(jì)讀數(shù)的平均值。2試驗(yàn)結(jié)果的分析2.1體鋼混凝土的自適應(yīng)增強(qiáng)作用機(jī)理鋼纖維混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度與基體混凝土的抗拉強(qiáng)度及纖維含量特征值有關(guān)。將表3中鋼纖維混凝土軸心抗拉強(qiáng)度fft與鋼纖維含量特征值λf的關(guān)系繪制成圖3,可見在本試驗(yàn)范圍內(nèi),鋼纖維混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度與鋼纖維含量特征值呈現(xiàn)良好的線性增長關(guān)系;兩端大頭型鋼纖維(ZH06型)對(duì)基體混凝土軸心抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)作用高于通長球痕型鋼纖維(ZH09型),說明兩端大頭增強(qiáng)了鋼纖維與混凝土之間的錨固性能。因本試驗(yàn)通長球痕型鋼纖維(ZH09型)的纖維體積率變化范圍較小,暫不考慮鋼纖維類型的影響,通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析,得到鋼纖維混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為:相關(guān)系數(shù)為0.961。式中,fft為鋼纖維混凝土軸心抗拉強(qiáng)度(N/mm2);ft為基體混凝土軸心抗拉強(qiáng)度(N/mm2);λf為綱纖維含量特征值。2.2炮纖維混凝土的具體參數(shù)將表3中鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度ffts與鋼纖維含量特征值λf的關(guān)系繪制成圖4可見,在本試驗(yàn)范圍內(nèi),鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與鋼纖維含量特征值呈現(xiàn)較好的線性增長關(guān)系;纖維表面形狀變化沒有表現(xiàn)出對(duì)鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度具有明顯的影響。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析,得到鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為:相關(guān)系數(shù)為0.887。式中,ffts為鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度(N/mm2);fts為基體混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度(N/mm2);λf為鋼纖維含量特征值。2.3邊壁效應(yīng)的檢驗(yàn)比較式(1)和式(2)可以看出,鋼纖維含量特征值變化對(duì)鋼纖維混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果不盡相同,對(duì)軸心抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)作用小于對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)作用。分析原因可能是在軸心受拉時(shí),鋼纖維僅承受拉伸作用;而劈裂受拉時(shí),靠近加荷墊塊附近劈裂面上的鋼纖維承受壓剪作用而對(duì)該區(qū)域施加了約束,出現(xiàn)鋼纖維混凝土劈裂抗拉試驗(yàn)的邊壁效應(yīng),隨著鋼纖維含量特征值增大,這種約束作用也增大,使得劈裂抗拉強(qiáng)度偏離軸心抗拉強(qiáng)度越大。在鋼纖維含量特征值0<λf≤1.2范圍內(nèi),利用式(1)和式(2)計(jì)算鋼纖維混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的fft/ffts,并采用數(shù)值擬合分析(圖5),同時(shí)引入普通混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為軸心抗拉強(qiáng)度的系數(shù)0.9,即ft/fts=0.9,得到將鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為軸心抗拉強(qiáng)度的關(guān)系表達(dá)式為:式中,fft為鋼纖維混凝土軸心抗拉強(qiáng)度(N/mm2);ffts為鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度(N/mm2);λf為鋼纖維含量特征值。式(3)的試驗(yàn)驗(yàn)證繪于圖6。由此可見,鋼纖維混凝土軸心抗拉強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系不能像普通混凝土那樣用單一系數(shù)轉(zhuǎn)換,而是受鋼纖維含量特征值的影響。隨著鋼纖維含量特征值的增大,鋼纖維混凝土軸心抗拉強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度的比值減小。2.4試驗(yàn)構(gòu)件開裂后應(yīng)力應(yīng)變特性分析纖維摻量對(duì)混凝土軸心受拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的形狀有影響。圖7選取了6條典型的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€,其具有以下特點(diǎn):(1)素混凝土試件開裂后,應(yīng)力即降為0,表現(xiàn)出脆性特征,曲線的下降段難以得到;(2)鋼纖維的體積率為0.5%時(shí),應(yīng)力到達(dá)最大值以后,突然裂開,但應(yīng)力值沒有降到0,下降段較陡,而后纖維逐漸被拔出;(3)隨著鋼纖維體積率繼續(xù)增加,應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的下降段逐漸平緩,試件開裂后仍能承受較大的拉力。2.5峰點(diǎn)強(qiáng)度及應(yīng)變相對(duì)值鋼纖維混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€方程的描述有多種形式,本文采用在峰值點(diǎn)連續(xù)的兩個(gè)方程分別描述曲線的上升段和下降段,全曲線方程用應(yīng)力與應(yīng)變相對(duì)值表示,取坐標(biāo)為:x=ε/εft,y=σ/fft,式中,fft、εft為峰點(diǎn)強(qiáng)度及其對(duì)應(yīng)的峰點(diǎn)應(yīng)變。(1)鋼纖維混凝土原配模型上升段曲線開始時(shí)接近直線,隨荷載增大逐漸顯示非線性,且滿足下列邊界條件:式中,Eft,Ep分別為鋼纖維混凝土的原點(diǎn)的切線彈性模量和峰值點(diǎn)的割線模量?？紤]到與普通混凝土單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€上升段(y=1.2x-0.2x6)的協(xié)調(diào)問題,本文采用6次多項(xiàng)式y(tǒng)=ax+bx6。由條件(1)、(2)得:a=1.2,b=-0.2,且滿足條件(3),所以上升段的方程為:(2)混凝土下降段平衡問題下降段方程滿足邊界條件:式中,εftd、fftd分別為鋼纖維混凝土的剩余應(yīng)變和剩余應(yīng)力。同時(shí)考慮到與普通混凝土單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€下降段的協(xié)調(diào)問題,本文取鋼纖維混凝土下降段曲線方程為:式中,αt=0.312ft*2;ft*為混凝土的單軸抗拉強(qiáng)度A為待定參數(shù),由試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到A=1.83。本文建議的鋼纖維混凝土軸心受拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€解析表達(dá)式與試驗(yàn)結(jié)果符合較好,見圖8所示。圖中粗實(shí)線表示由全曲線數(shù)學(xué)模型繪出的理論曲線,細(xì)線表示試驗(yàn)得到的鋼纖維混凝土軸心受拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。3研究的實(shí)踐意義(1)本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種新型的軸心受拉試件形狀,試驗(yàn)裝置中采用4個(gè)球鉸連接試件和試驗(yàn)機(jī),有效地減少了試件的應(yīng)力集中和偏心破壞的發(fā)生。應(yīng)用輔助剛性架得到了鋼纖維混凝土軸心受拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€,分析了纖維摻量和基體混凝土強(qiáng)度(CF40～CF70)對(duì)全曲線的影響規(guī)律。(2)試驗(yàn)表明,兩端大頭型鋼纖維與基體混凝土的黏結(jié)錨固性能較好,有利于提高基體的軸心抗拉強(qiáng)度。隨著鋼纖維含量特征值的增大,鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度換算為軸心抗拉強(qiáng)度的系數(shù)逐漸減小;鋼纖維混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均呈線性增大規(guī)律,但鋼纖維對(duì)軸心抗拉強(qiáng)度的影響系數(shù)小于鋼纖維對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響系數(shù)。隨著纖維摻量的增加,鋼纖維混凝土的軸心受拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的下降段逐漸平緩,試件開裂后仍能承受較大的拉力。(3)根據(jù)本文試驗(yàn)數(shù)據(jù),給出了鋼纖維混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及其換算關(guān)系計(jì)算式。建議的鋼纖維混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的表達(dá)式與現(xiàn)行規(guī)范中普通混凝土的表