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1 6 4 四川建筑科学研究 S i c hu a n Bui l d i n g Sc i e n c e 第 3 6卷第 5期 2 0 1 0年 1 0月 钢纤维混凝土冲击压缩韧性 杨晓平 ， 邵式亮 ( 空军工程大学工程学院， 陕西 西安7 1 0 0 3 8 ) 摘 要 ： 利用 q 1 0 0 m i i l S H P B装置分别对 6 0 MP a强度等级 的素混凝土及钢纤维掺量分别为 O ， 0 2 ， 0 4 和 0 6 的混凝 土进行冲击压缩试验， 控制在 1 Ws 2 0 s ， 3 0 s 4 0 s 和7 5 s 一 9 0 s的应变率范围内。以峰值应变和残余强度法， 作为韧度 评价指标。峰值应变基本随钢纤维含量增加而增加， 但随应变率的上升， 钢纤维含量对峰值应变的影响减弱。对于 C 6 0系 列， 准静态下， 最大增强 2 7 ( C 6 0 ) ， 8 3 s 时， 最大增强 7 ( C 6 0 ) ； 应变率 8 6 s 左右时， 峰值应变基本与钢纤维含量无 关。同样， 残余强度对应的应变值明显随纤维含量增加而增加， 反映出钢纤维的增韧效果。 关键词 ： 钢纤维 ； 混凝土 ； S H P B试验 ； 韧性指标 中图分类号： T u 3 7 7 9 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 51 6 4 0 3 I mp a c t c o mp r e s s i v e d u c t i l i t y o f s t e e l fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e YANG Xi a o p i n g， S HA0 S h i l i a n g ( E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ， A i r F o r c e E n g i n e e ri n g U n i v e r s i t y ， X i a n 7 1 0 0 3 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e i mp a c t c o mp r e s s i o n t e s t s o f s t r e s s s t r a i n c u r v e s o f s t e e l fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( S F R C) wi t h t h r e e d i ff e r e n t s t r a i n r a t e r a n g e s g o t b y 1 0 0 mm S H P B s e t u p a r e i n t r o d u c e d The a r e a o f s t r a i n s t r e s s c u r v e i s r e g a r d e d a s ( 0 ， 0 2 ， 0 4 ， 0 6 ) r e i n f o r c e d t e n a c i t y i n d e x ， a n d t h e t e n a c i t y i n c r e ase c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e f o u r k i n d s c o n t ain s o f s t e e l fi b e r c o n c r e t e we re a n a l y z e d a n d c o m p a r e d The r e s u l t s h o w s t h a t w i t h i n B F R C wit h f o u r di ff e r e n t f i b e r r a ti o s ， t h e b i g g e s t t e n a c i t y i n c r e ase b y 2 7 ( C 6 0 )i n c o mp a ri n g w i th t h a t o f the p l a i n c o n c r e t e ， v a l u e ， t h e b i g g e s t t e n a c i t y i n c r e a s e b y 7 ( C 6 0 v 2 ) e s p e c i a l l y a t 8 3 s s t r a i n r a t e r a n g e s The t e s t s r e v e a l s t h a t t h e t e n a c i t y a n d t h e c o n t a i n s o f s t e e l fi b e r r a t i o s are n o t s t r a i n r a t e d e p e d e n t ， a t 8 6 s s t r a i n r a t e r a n g e s Ke y wor d s： s t e e l fib e r ； c o nc r e t e； S HPB e x p e rime nt ； t e n a c i t y i n de x 0 前言 1 韧性评价方法 混凝土的最大缺陷是抗拉强度低 ， 易开裂 ， 破坏 呈脆性 ， 从而严重影响工程的可靠性 和耐久性。为 此， 人们进行了长期的研究 ， 提出了降低脆性的多种 方法， 其中， 纤维增强混凝土是解决混凝土脆性的有 效方法之一。钢纤维增强混凝土 ( S F R C ) 是 由细骨 料、 粗骨料、 乱向分布的钢纤维和水泥浆所组成， 目 前已经成为一种重要的工程建筑材料 ， 广泛应用于 房屋、 桥梁、 管道和核反应堆防护建筑 中。在混凝土 凝固过程中， 钢纤维可以有效减少裂纹数量， 并细化 裂纹。在载荷作用过程 中， 钢纤维具有桥联阻裂作 用， 推迟并抑制裂纹 的起裂和扩展。因此 ， 同普通素 混 凝土相 比 ， S F R C具 有优异 的静力 和动力特性 。 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 2 - 2 7 作者简介 ： 杨晓平 ( 1 9 8 1 一) ， 男， 内蒙古人 ， 硕士研究生 ， 主要从事 防 护专 业领域的研究。 E m a i l ： p i n g y a n g 9 2 3 c h i n a r e n c o m 韧性即为材料在一定荷载下所具有的变形能 力 ， 是材料延性和强度的综合 J 。一般从宏观角度 讲， 韧性可定义为材料或结构从加载到失效为止吸 收能量 的能力。韧性不仅与材料强度有关 ， 而且还 取决于材料破坏时的变形量。从土木工程应用的角 度评价钢纤维混凝土的韧性和确定韧性指标时， 应 考虑的主要因素包括 ： ( 1 ) 有明确的物理意义； ( 2 ) 适用面广 ， 便于工程应用 ， 如对板壳结构及 大体积混凝土均适用 ； ( 3 ) 能反映纤维掺量、 品种 、 强度及形状等的影 响 ； ( 4 ) 不受试件尺寸的影响； ( 5 ) 便于测试 ， 数据再现性强 。 如何科学地评价纤维增强混凝土的韧性 ， 各国 规范采用的方法不尽相 同。近 1 0几年来 ， A C T 5 4 4 委员会 、 J C I S F R C委员会、 A S T M等组织相继提出不 2 0 1 0 N o 5 杨晓平 ， 等： 钢纤维混凝土冲击压缩韧性 1 6 5 同的纤维韧性评价指标 ， 其 中最为广泛接受 的是建 立于 J o h n s t o n工 作基础上的 A S T M C 1 0 8标准 。我 国制定的 钢纤维混凝 土实验方法标 准 所使 用钢 纤维混凝土韧性评测方法 ， 也是建立在 A S T M C 1 0 8 标准的理论基础之上。我国学者赵景海基于各种标 准选用参数的差异， 将现有 的钢纤维混凝土韧性评 价标准分为以下 4类 J ： 1 1 能量 法 章 文 纲 法 、 J C I S F R C 委 员 会 弯 曲 韧 度 法 ( J S C E S F 4 ) 。 1 2强度 法 国际材料和结构协会( R I L E M) 标准 、 欧盟标 准 E F N A R C 、 法 国标准 P 1 8 - _ 4 0 9 、 挪威混凝土协会残 余强度法( N B P N O 7 ) 。 1 3能量 比值 法 西班牙标准、 A C I 5 4 4委员会 的弯 曲韧度指数 法 。 1 4特征点法 比利时标准 N B N I 3 1 5 _2 3 8 、 德 国标准 D B V、 荷 兰标准 C U R 3 5 、 美 国材料 与协会 A S T MC 1 0 1 8韧 度 指数法 。 针对钢纤维混凝土 的冲击压缩应力应变曲线 特性 ， 本文以强度法作为韧度评价指标 。 2 S HP B试验及结果 2 1 S H P B装 置原 理 冲击压缩试验采用空军工程大学 工程学院五系 防护工程实验室 l o 0 mm分离式霍 普金森压杆装 置。系统主要包括主体设备 、 气 源和量测设备 3大 部分 ， 尺寸及试验装置原理如图 1 所示 。 l I |4 5 0 0 I 、| 2 5 0 0 t 1 6 0 0 | l 、 LI 、 I、 I f f f A f A l l 、 l、 H l 、 l I l瞬时渡形存储 卜 - 叫数据处理系统I 击杆( 子弹) 图 1 o 1 0 0 m l T l S HP B装置 原理 Fi g 1 S c h e me o f q 1 0 0 i n i n S HPB 2 。 2 试验内容及结果 利用 1 0 O m m S H P B装置分别对 6 0 MP a强度 等 级 的 素 混 凝 土 及 钢 纤 维 掺 量 分 别 为 0 ( C 6 0 V o ) ， 0 2 ( C 6 0 ) ， 0 4 ( C 6 0 v 4 )和 0 6 ( C 6 0 v 6 ) 的混凝土进行冲击压缩试验， 控制在 1 0 s 2 0 s ， 3 0 s 4 0 s和 7 5 s9 0 s的应变率 范 围 内。每次试 验得到 的应 力一应 变 曲线 较光滑无振 荡 ， 且重合性很好。试验 结果 表明， 1 0 o m mS H P B 装置及上面提出的技术方案是可行 的。3个应变率 范围下 的应力一应 变曲线如图 2所示 ， 图中的峰值 点表明 ， 试样材料已进入损伤破坏阶段 ， 图中的动态 曲线是 6条试验 曲线的平均。 图2 峰值应变与素混凝土比值 Fi g 2 Co mpa r i s o n o f t he l a r ge s t s t r a i n be t we e n s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n d p l a i n c o n c r e t e 3钢纤维对混凝土的增 韧效应 分析单 向压缩状态下钢纤维对混凝土的增韧效 应。图 3分别关于不 同应 变率下 ， C 6 0系列混凝 土 钢纤维增强混凝土与素混凝土峰值应变的比值随钢 纤维含量的变化规律 。从图中可 以发现 ， 混凝 土的 峰值应变与钢纤维体积含量问有如下关系： 峰值应变基本随钢纤维含量增加而增加 ， 但 随 应变率的上升 ， 钢纤维含量对峰值应变的影响减弱。 对于 C 6 0系列 ， 准静态下 ， 最大增强 2 7 ( C 6 0 ) ， 8 3 s 时， 最大增强 7 ( C 6 0 ) ； 应变率 8 6 s左右 时 ， 峰值应变基本与钢纤维含量无关。 冲击压缩最高应 变率下 的应力一应变曲线 ( 图 3 ) ， 反 映出钢纤维含 量对 混凝 土上升段 的影 响较 小 ， 对下降段有一定的影响， 随钢纤维含量增加 。 下 降段趋缓。同样， 残余强度对应的应 变值 明显随纤 维含量增加而增加 ， 反 映出钢纤维的增韧效果。考 察 8 0 s 应变率下相 同强度等级混凝土试样 的韧 度 随钢纤维含量的变化规律 ， 如 图 4中细线所示。从 曲线趋势看 ， 韧度明显随钢纤维含量增加而增加， 在 加载段 ， 钢纤维 的这种增 韧效果不 明显 ， 而在卸载 段 ， 尤其在反弯点之后 ， 应 变越大 ， 钢纤维 的增 韧效 果越明显。注意到韧度在加载初始段迅速增加 ， 在 1 6 6 四川建筑科学研究 第 3 6卷 卸载段增加幅度逐步减小 ， 对于素混凝土， 在卸载末 期 ， 韧度趋 向于常数。由于高应变率下应力一应变 曲线初始阶段呈现上凸曲线 ， 初始段韧度随应变增 加较缓 ， 对于相同强度等级的混凝土系韧度初始上 升段相差不大， 在卸载末期 ， 随应变增大 ， 影响减弱。 ( a ) 第1 个应变率下应力一应变曲线 E ( b ) 第2 个应变率下应力一应变曲线 S f c ) 第3 个应变率下应力一应变曲线 图 3 3个应变率下应力一应变 曲线 Fi g 3 St r e s s - s t r a i n c u rv e s at t h e No 3 s t r a i n r a t e 由于 在应力一 应变 初始 阶段 ， 裂 纹 处 于稳 定 扩 展状态 ， 钢纤维对裂纹的抑制作用较弱 ， 因此 ， 不能 体现明显的增韧效果 。当裂纹失稳扩展 时， 试样膨 胀 ， 并出现纵裂纹及斜裂纹 ， 横跨裂纹的钢纤维有效 地阻止 了裂纹的扩展， 开始表现出增韧效应。反映 在应力一应变曲线上 ， 峰值应力附近的圆弧顶随钢 纤维含量增加而增大 。在卸载破坏阶段 ， 试样体 积持续增大 ， 素混凝土被压碎 ， 而钢纤维混凝土， 载 荷主要由钢纤维 与基体间的摩擦力承担， 破坏形式 主要是钢纤维的拔出， 因此 ， 钢纤维的增韧效应显著 体 现 。 图4 C 6 0系列韧度变化规律 ( 8 0 s ) F i g 4 I mp a c t d u c t i l i t y f o r C 6 0( 8 0 s ) 4 结 语 ( 1 ) 随着纤维掺量的增 加， 钢纤维混凝土 的韧 性指标 明显增大。总体看来 ， 在应变范围较小时 ， 钢 纤维混凝土的韧性指标 大于素混凝土 ； 而应变范围 较大时， 其提高幅度不如素混凝土。 ( 2 ) 在卸载段 ， 应变越大 ， 钢纤维的增韧效果越 明显。注意到韧度在加载初始段迅速增加 ， 在卸载 段增加幅度逐步减小， 对于素混凝 土， 在卸载末期 ， 韧度趋向于常数 。 参 考 文献 ： 1 廉杰 ， 杨新勇 ， 杨萌 ， 等 短切玄武岩纤维增强混凝土力学 性能的试验研究 J 工业建筑， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 6 ) ： 8 - 1 0 2 赵景海 ， 程龙保 钢纤维混凝土设计与施工 M 哈尔滨： 黑龙 江科学技术 出版社 ， 1 9 9 8 3 赵景海 ， 徐鹏 ， 樊承谋 钢纤 维混凝土 韧性 及压缩韧性 指标 的研究 J 建筑结构学报 ， 1 9 9 1 ( 8 ) ： 4 4 - 5 O 4 巫叙涛 钢纤维高强混 凝土动态 力学性质研 究 D 合肥 ： 中 国科 技 大 学 2 0 0 6