钢纤维混凝土破坏应力-应变全曲线试验研究

钢纤维混凝土破坏应力-应变全曲线试验研究

由于混凝土轴的抗拉试验复杂且困难，因此在实践中经常使用断裂抗拉试验代替轴的抗拉试验，并通过变换来获得轴的抗拉抗拉。现行钢纤维混凝土试验方法仍沿用了劈裂抗拉试验方法确定钢纤维混凝土的抗拉强度,但未明确如何换算为钢纤维混凝土的轴心抗拉强度。此外,由于普通试验机的刚度不足,试件难以对中,容易产生应力集中和偏心受拉破坏现象,采用直接受拉试验确定混凝土的抗拉强度,并获得钢纤维混凝土轴心受拉应力-应变全曲线的成功率低。为此,本文设计了一种新型的钢纤维混凝土轴心受拉试件,采用平行于受拉试件的辅助刚性架的加载装置,在普通试验机上进行轴心抗拉强度试验,并获得钢纤维混凝土轴心受拉应力-应变全曲线。在此基础上,分析了轴心抗拉强度与劈裂抗拉强度的关系,提出了轴心抗拉强度与劈裂抗拉强度的换算关系式;分析了钢纤维体积率和基体混凝土强度对混凝土轴心受拉应力-应变全曲线的影响规律,提出了钢纤维混凝土轴心受拉应力-应变全曲线的解析表达式。1试验总结1.1混凝土配合比设计钢纤维混凝土劈裂抗拉强度试验、轴心抗拉强度试验及立方体抗压强度试验均浇筑12组试件。劈裂抗拉强度试验和立方体抗压强度试验,采用边长为150mm的标准立方体试件,每组浇筑试件3个。轴心抗拉强度试验采用简单易行的端部埋设钢筋的方法,精确加工试模,保证试件几何对中,每组浇筑试件4个。设计的试件形状和尺寸如图1所示,试件在端部加大,中间受拉区截面尺寸为100mm×100mm。为防止变截面应力集中,减小缺陷的影响,中间受拉区向端部缓慢过渡,连接段为圆弧形。试件用钢模在振动台上浇筑成型,1d后拆模,标准养护28d后试验。钢纤维混凝土配合比设计见表1。试验原材料:42.5普通硅酸盐水泥;砂子细度模数为2.92;石子粒径为5～20mm;外加剂为复合型奈磺酸系列高效减水剂;钢纤维采用浙江嘉兴七星钢纤维厂生产的ZH06-32型(两端大头型钢纤维)和ZH09-25型(通长球痕型钢纤维),参数见表2。钢纤维体积率为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%。1.2加载装置的设计轴心受拉应力-应变全曲线试验的关键在于下降段的测试,要求试验体系有足够大的刚度。根据本试验使用的试验机的吨位(1000kN)和净空条件,设计加载装置如图2所示。辅助刚性架增加设备的刚度,试件与传感器并联,试件与试验机之间用4个球铰连接,能更好地调节试件的受力状况。1.3试件的拉拔试验劈裂抗拉强度试验在万能材料试验机上进行。采用直径为150mm的钢制弧形垫条,垫条与试件之间应垫以三层胶合板。轴心抗拉强度试验利用一台液压万用试验机作主要设备,附加一个由横梁和拉杆组成的刚性框架。将试件两端的钢筋分别与2个球铰连接好,然后上好拉杆的螺母,调试各仪器,使其处于正常工作状态。加载对中通过控制拉杆上的螺母和球铰的自动调节实现。试验时,调整试件位置使其基本几何对中,并施加1kN的拉力,通过传感器和应变计的读数使试件4个面上的应变相差不大而达到物理对中,如果传感器的力相差超过0.1kN,应变计的应变相差超过10με,调节2根杠杆的螺母和与试验机连接的拉杆,直到满足轴心受拉要求,然后分级加载,直至试件断裂。试件承受的拉力N等于试验机的荷载读数N1减去传感器的读数N2(转化为力),即N=N1-N2。试件的应变取两相对侧面的应变计读数的平均值。2试验结果的分析2.1体钢混凝土的自适应增强作用机理钢纤维混凝土的轴心抗拉强度与基体混凝土的抗拉强度及纤维含量特征值有关。将表3中钢纤维混凝土轴心抗拉强度fft与钢纤维含量特征值λf的关系绘制成图3,可见在本试验范围内,钢纤维混凝土的轴心抗拉强度与钢纤维含量特征值呈现良好的线性增长关系;两端大头型钢纤维(ZH06型)对基体混凝土轴心抗拉强度的增强作用高于通长球痕型钢纤维(ZH09型),说明两端大头增强了钢纤维与混凝土之间的锚固性能。因本试验通长球痕型钢纤维(ZH09型)的纤维体积率变化范围较小,暂不考虑钢纤维类型的影响,通过试验数据回归分析,得到钢纤维混凝土的轴心抗拉强度计算公式为:相关系数为0.961。式中,fft为钢纤维混凝土轴心抗拉强度(N/mm2);ft为基体混凝土轴心抗拉强度(N/mm2);λf为纲纤维含量特征值。2.2炮纤维混凝土的具体参数将表3中钢纤维混凝土劈裂抗拉强度ffts与钢纤维含量特征值λf的关系绘制成图4可见,在本试验范围内,钢纤维混凝土的劈裂抗拉强度与钢纤维含量特征值呈现较好的线性增长关系;纤维表面形状变化没有表现出对钢纤维混凝土劈裂抗拉强度具有明显的影响。通过试验数据回归分析,得到钢纤维混凝土的劈裂抗拉强度计算公式为:相关系数为0.887。式中,ffts为钢纤维混凝土劈裂抗拉强度(N/mm2);fts为基体混凝土劈裂抗拉强度(N/mm2);λf为钢纤维含量特征值。2.3边壁效应的检验比较式(1)和式(2)可以看出,钢纤维含量特征值变化对钢纤维混凝土的轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度的增强效果不尽相同,对轴心抗拉强度的增强作用小于对劈裂抗拉强度的增强作用。分析原因可能是在轴心受拉时,钢纤维仅承受拉伸作用;而劈裂受拉时,靠近加荷垫块附近劈裂面上的钢纤维承受压剪作用而对该区域施加了约束,出现钢纤维混凝土劈裂抗拉试验的边壁效应,随着钢纤维含量特征值增大,这种约束作用也增大,使得劈裂抗拉强度偏离轴心抗拉强度越大。在钢纤维含量特征值0<λf≤1.2范围内,利用式(1)和式(2)计算钢纤维混凝土的轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度的fft/ffts,并采用数值拟合分析(图5),同时引入普通混凝土的劈裂抗拉强度转换为轴心抗拉强度的系数0.9,即ft/fts=0.9,得到将钢纤维混凝土的劈裂抗拉强度转换为轴心抗拉强度的关系表达式为:式中,fft为钢纤维混凝土轴心抗拉强度(N/mm2);ffts为钢纤维混凝土劈裂抗拉强度(N/mm2);λf为钢纤维含量特征值。式(3)的试验验证绘于图6。由此可见,钢纤维混凝土轴心抗拉强度与劈裂抗拉强度之间的关系不能像普通混凝土那样用单一系数转换,而是受钢纤维含量特征值的影响。随着钢纤维含量特征值的增大,钢纤维混凝土轴心抗拉强度与劈裂抗拉强度的比值减小。2.4试验构件开裂后应力应变特性分析纤维掺量对混凝土轴心受拉应力-应变全曲线的形状有影响。图7选取了6条典型的应力-应变全曲线,其具有以下特点:(1)素混凝土试件开裂后,应力即降为0,表现出脆性特征,曲线的下降段难以得到;(2)钢纤维的体积率为0.5%时,应力到达最大值以后,突然裂开,但应力值没有降到0,下降段较陡,而后纤维逐渐被拔出;(3)随着钢纤维体积率继续增加,应力-应变全曲线的下降段逐渐平缓,试件开裂后仍能承受较大的拉力。2.5峰点强度及应变相对值钢纤维混凝土受拉应力-应变全曲线方程的描述有多种形式,本文采用在峰值点连续的两个方程分别描述曲线的上升段和下降段,全曲线方程用应力与应变相对值表示,取坐标为:x=ε/εft,y=σ/fft,式中,fft、εft为峰点强度及其对应的峰点应变。(1)钢纤维混凝土原配模型上升段曲线开始时接近直线,随荷载增大逐渐显示非线性,且满足下列边界条件:式中,Eft,Ep分别为钢纤维混凝土的原点的切线弹性模量和峰值点的割线模量。考虑到与普通混凝土单轴受拉应力-应变全曲线上升段(y=1.2x-0.2x6)的协调问题,本文采用6次多项式y=ax+bx6。由条件(1)、(2)得:a=1.2,b=-0.2,且满足条件(3),所以上升段的方程为:(2)混凝土下降段平衡问题下降段方程满足边界条件:式中,εftd、fftd分别为钢纤维混凝土的剩余应变和剩余应力。同时考虑到与普通混凝土单轴受拉应力-应变全曲线下降段的协调问题,本文取钢纤维混凝土下降段曲线方程为:式中,αt=0.312ft*2;ft*为混凝土的单轴抗拉强度A为待定参数,由试验数据计算得到A=1.83。本文建议的钢纤维混凝土轴心受拉应力-应变全曲线解析表达式与试验结果符合较好,见图8所示。图中粗实线表示由全曲线数学模型绘出的理论曲线,细线表示试验得到的钢纤维混凝土轴心受拉应力-应变全曲线。3研究的实践意义(1)本试验设计了一种新型的轴心受拉试件形状,试验装置中采用4个球铰连接试件和试验机,有效地减少了试件的应力集中和偏心破坏的发生。应用辅助刚性架得到了钢纤维混凝土轴心受拉应力-应变全曲线,分析了纤维掺量和基体混凝土强度(CF40～CF70)对全曲线的影响规律。(2)试验表明,两端大头型钢纤维与基体混凝土的黏结锚固性能较好,有利于提高基体的轴心抗拉强度。随着钢纤维含量特征值的增大,钢纤维混凝土劈裂抗拉强度换算为轴心抗拉强度的系数逐渐减小;钢纤维混凝土的轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度均呈线性增大规律,但钢纤维对轴心抗拉强度的影响系数小于钢纤维对劈裂抗拉强度的影响系数。随着纤维掺量的增加,钢纤维混凝土的轴心受拉应力-应变全曲线的下降段逐渐平缓,试件开裂后仍能承受较大的拉力。(3)根据本文试验数据,给出了钢纤维混凝土的轴心抗拉强度、劈裂抗拉强度及其换算关系计算式。建议的钢纤维混凝土应力-应变全曲线的表达式与现行规范中普通混凝土的表