钢纤维混凝土受拉性能实验研究

钢纤维混凝土受拉性能实验研究

1受拉过程机理作为一种传统的混凝土材料，steel-filter，非刚性混凝土材料具有高度的抗裂缝和裂缝滞后、大的伸长率和抗疲劳，以及良好的抗弯、抗穿刺、耐腐蚀、抗磨损和抗劳劳等特点，引起了国内外许多科学家的关注。他的实验研究和应用研究令人兴奋。SFRC的受拉全过程,即应力-应变全过程,是材料内部微观机理的宏观表现,是研究和分析钢纤维混凝土强度理论的一个重要组成部分。此外,钢纤维混凝土受拉性能也是评价钢纤维增强效果和进行钢纤维混凝土质量控制的重要依据。近年来,国内外有许多学者对SFRC的受拉全过程进行实验研究,但均采用改进装置后的轴心受拉实验,实验设备要求高、实验误差大、成功率低。本文所采用的SFRC环状受拉试件,在内油压作用下,使试件截面产生环向拉应力,进行研究SFRC的受拉性能的实验方法,是一个比较成功的研究途径,克服了其它实验方法的不足,能成功地测出SFRC环状受拉应力-应变全过程曲线。同时,环状试件在内压力作用下的实验方案,也是研究SFRC在管状结构中应用的一种有效的模型实验方法。2钢纤维混凝土抗拉实验困难确定混凝土、钢纤维混凝土抗拉性能的方法,国内外采用的方法主要两种。一是利用梁弯曲实验,从测定的弯曲曲线描述混凝土、钢纤维混凝土拉应力-应变关系;另一种方法是直接张拉实验。钢纤维混凝土直接抗拉强度通常与混凝土在同一数量级。不过,其韧度可比非增强混凝土的韧度高一到两个数量级,这主要是纤维从裂缝两侧拔出所产生的很大的摩擦能量和纤维挠曲能量及发生多缝开裂时裂缝处的变形,许多实验也证明这点。由此可见,钢纤维混凝土与非增强混凝土抗拉实验的难度相当。国内外至今还没有统一的混凝土和钢纤维混凝土轴拉试件形式和轴拉实验方法,致使实测的结果甚为分散。混凝土和钢纤维混凝土轴拉实验的困难有:(1)由于试件的组成和内部微裂缝分布的不均匀性,试件的物理对中困难,随着加载过程中裂缝的发生和试件的物理中心不断变化,完全的物理对中甚至是不可能的。(2)由于应力集中等原因,轴拉试件的断裂位置常常落在应变测点范围之外,实验的成功率很低。(3)普通实验机的刚度不足,试件卸载时实验机变形能的释放,可使混凝土或钢纤维混凝土突然破坏,难以测出应力-应变全曲线的下降段。(4)实验过程中变形量测的困难。为此,许多研究者对实验装置进行了许多探索,以求测出其应力-应变全曲线。但无论装置怎样改进,要完全做到轴向拉伸是比较困难的。梁弯曲实验法分四点弯曲梁和三点弯曲梁法,和单轴拉伸实验相比,对实验机的刚度要求不高,且实验方法较简单,如果量测的受拉和受压区应变可以作为施加弯矩的函数,或测定了压应变,假定材料受压区为线弹性,用弯曲曲线描述混凝土、钢纤维混凝土受拉应力-应变关系,这一点是不难做的。此外,还利用劈裂实验来确定混凝土、钢纤维混凝土的抗拉性能。但梁弯曲实验法和劈裂法所确定的SFRC的指标不能直接反映SFRC的受拉性能,其受拉全过程曲线意义不明确。3纤维混凝土充放电性能本文采用钢纤维混凝土环状试件,在内油压作用下,使断面产生环向拉应力。通过在三次工艺实验的基础上,设计了一套加载和量测装置,成功地测出了钢纤维混凝土受拉应力-应变全过程曲线。该实验方法,克服了对实验装置的过高要求,简单方便。此外,钢纤维混凝土环状试件受内压力作用的受拉性能还是研究钢纤维混凝土在许多工程应用的基础。为了保证实验的顺利进行,作者先后进行了三次工艺实验,即:①带钢衬钢纤维混凝土环状受拉实验,利用静态应变仪量测;②不带钢衬的钢纤维混凝土环状受拉实验,利用静态应变仪量测;③不带钢衬的钢纤维混凝土环状受拉实验,利用动态应变仪和示波仪量测。研究表明,工艺实验③获得成功。对于混凝土的环状受拉实验研究,过去的研究者均采用内、外钢衬来提高试件的整体刚度。其基本原理作了两条假定:(1)钢衬与混凝土之间无粘结,以求混凝土的平均应力;(2)混凝土的内外应变近似与内外钢衬应变相等(因钢衬厚度只有试件厚度的1/50)。作者认为对这两条假定,可以探讨。如果认为混凝土内外应变与内外钢衬近似相同,应假定钢衬与混凝土之间有粘结;那么,求混凝土平均应力时应考虑混凝土与钢衬之间的粘接摩擦力。反之,如果认为钢衬与混凝土之间无摩擦力存在(如涂机油或MnSi2),以求混凝土的平均应力,那么,由于混凝土与钢衬无粘结,应变就不可能近似相等。作者认为,假定混凝土与钢衬之间的粘结,应变近似相等,求混凝土平均应力时忽略摩擦力的影响,也许可以解释实验现象。但采用内外钢衬加强试件刚度的思想是很可取的。由于钢纤维混凝土具有较高的抗拉强度和延性,为此,作者第一次工艺实验时,只保留了内钢衬,取消了外钢衬,利用静态应变仪进行量测,结果表明,可达到实验目的。文献的作者认为,在普通万能实验机上不附加任何刚性元件,通过实验机及时并适量卸载,控制试件的变形速度,完成了钢纤维混凝土轴拉应力-应变全曲线的量测。考虑到本实验方法加载的特殊性,在实验过程中不存在变形能猛烈释放的问题,故在第二次工艺实验时,取消了内钢衬,也采用静态应变仪量测,在实验过程中发现,尽管试件破坏有个过程,但还是比较难以控制。第三次工艺实验时,设计了一套实验装置,钢纤维混凝土在临近峰值直到破坏,是静态应变仪较难量测的连续过程,本实验装置,把这过程当作准动态看待,利用动态应变仪及示波仪进行连续加载、连续量测,结果表明,实验装置是可行的。4实验设备的设计实验装置设计,包括:加载装置的设计和量测装置的设计。4.1改进内钢衬装置在压力管道模型实验研究中,加载装置过去均采用由加载内环和模型钢衬组成加压内腔,以密封环密封压力油,通过螺栓和盖板来平衡密封环传来的轴向力,同时通过液态密封胶,增强密封作用。但是,密封要求很难达到,往往产生漏油现象,给实验带来许多不便,特别是本文实验方法取消了内钢衬,如还采用这套装置,试件的变形和开裂,均会出现漏油,实验就无法进行,为此,对原实验加载装置进行改进。加载装置由加载内环和试件内壁组成加压内腔,在内腔内装压力油袋,通过螺栓和盖板封住压力油袋。压力油袋可使用特制耐高压的乳胶带通过502胶粘结而成,在密封袋上安装油嘴即可,加载装置见图1所示。由于压力油不与加压内腔接触,干净卫生,而且压力袋加压可达6MPa以上而不破,能满足实验要求。这种装置仅仅施加纯内油压力,受力明确,这样能使平面管模型轴向长度设计成较小尺寸,既减轻模型重量,又保证测试精度要求。这套加载装置具有这样的特点:制作简单,组装方便,加载准确,简化了模型制作,提高了测试精度,除了作本文实验研究目的外,还可供研究管状结构在均匀内压力(水压力或油压力)作用下性能的实验研究。4.2动态应变仪测试量测装置的设计,必须考虑实验目的的实现,为了研究钢纤维混凝土环状试件在内油压作用下的性能,要求能测出开裂和破坏荷载及受力全过程,尽管钢纤维混凝土的抗拉强度比普通混凝土高,变形能力较好,而且在实验中,加载装置变形能的释放不存在猛裂的情况,但是,工艺实验证明,还是比较难测出其应力-应变全过程。为此,利用动态应变仪和示波显示仪进行量测。量测的基本原理是:利用分油器,从加载油箱中分出支路分别进入加载装置和油压千斤顶,在千斤顶上装传感器,引入动态应变仪,试件中的应变片通过引线也引入动态应变仪,分别给出油压和试件变形的信号。加载之前,分别为油压和应变进行标定,这样就可以测出受力全过程。5实验步骤5.1试验结果的测量、分级和试件的加工实验前的准备工作是很繁杂的,但对实验的顺利进行起着重要的作用,甚至影响到实验的成功与否。实验前,除了应对整个实验有通盘的考虑外,还应做一些必不可少的具体的准备工作,主要有:选择应变片、混凝土表面处理、贴片、绝缘度检测、接线、加荷装置及量测装置的安装等。(1)选择应变片:每一组应变片的阻值差不超过0.5Ω,否则,应变仪调不平,对某些点无法量测。(2)试件表面处理:为了保证所贴应变片的平整度、绝缘度,确保试验精度,应在需贴片的混凝土表面涂一层薄环氧树脂,固化后再用细砂纸打磨平整,并用无水乙醇擦干净。由于环氧树脂的弹性模量、强度与混凝土的不同,为尽量减少所测的应变与混凝土表面的实际应变的误差,使误差控制在混凝土实验容许的范围内,所涂环氧树脂层应尽量薄。表面处理后用兆欧表量测绝缘度,达到200兆欧以上,即可贴片。(3)贴片:为了捕捉裂缝,沿环状均贴片,并采用5×80mm的纸基应变片。应变片贴得好坏,对实验结果影响较大,用502胶粘贴时,应保证应变片与试件粘结牢固、位置准确、不打皱、无气泡。(4)绝缘度的量测:用兆欧表检查应变片与试件的绝缘度,若达不到200兆欧以上需用红外线灯烘烤,直至满足。绝缘度达到要求即焊接线,然后及时封上环氧树脂保证层。(5)应变片编号、接线:对试件的每个应变片应编号分清,然后接线,与相应的应变仪通道相接,应变片的布置如图2所示。(6)加载装置、量测装置的安装。5.2加载和测量步骤(1)标准物质分别对示波仪、X-Y记录仪的应变ε、加载压力p进行标定。(2)加载内容检查加载装置及量测仪器是否工作正常(加0.1MPa→卸荷→再加0.1MPa→卸荷),如出现异常情况,应查明原因,及时处理。(3)正式加载开裂荷载前,可采用间隔加载、记录,在临近开裂荷载时,采取连续加载、连续记录,以测出试件受力的全过程。6实验原理和结果6.1试验曲线及基本假定利用本文所提出的方法用于量测SFRC全过程曲线,在国内外尚属首例。试件开裂位置与试验结果曲线密切相关。当贴片位置与开裂位置相重合时,随着内压力p的增加,裂缝不断开展,开裂截面受力面积逐步减小,即量测的截面平均应力逐步减小,从而可以得到反映试件真实本构关系的曲线,这正是我们试验目的所要求的;当贴片位置与开裂位置不重合时,贴片截面附近出现裂缝,裂缝两边的SFRC发生回缩现象,从而引起贴片面应力下降,此时截面的应力并不反映SFRC截面内力的真实情况,因此,试验曲线分析时应以开裂截面所测的数据为依据。由于模型和加载的轴对称性,使得第一条裂缝出现在较薄弱部位,而后迅即在其对称面附近出现另一条裂缝。由于本文提出的环状试件,可沿环向连续布置应变片,故类似于同一直径方向上的两个开裂面的应变均可真实反映实际情况,这也是环状试件其中一个显著优点之一:开裂面易捕捉及量测,一次实验可起到多次实验的效果。SFRC环状受拉实验所采用的试件内径d为400mm,外径为500mm(δa=δb=50mm),试件高为100mm。试件采用标准制作方法制作,在20℃±3℃的温度和相对湿度在90%以上的潮湿空气中养护,在28天龄期后进行实验。在整批试件的实验过程中,内油压力p通过气液稳压器采用等内油压差控制加载,按每秒0.2～0.3MPa控制。SFRC全过程曲线分析模型如图3所示。由以上分析可知,本实验研究可作下列基本假定:(1)钢纤维混凝土环状试件的内、外缘应变由实测得到,假定应变沿径向为直线分布,并取径向应变的平均值作为SFRC的平均应变;(2)钢纤维混凝土沿径向截面的应力作类似轴心受拉处理,取平均应力计算。SFRC的平均应变ε¯ε¯、平均应力σ¯σ¯为:ε¯=14∑i=14εi(1)σ¯=pd/(δa+δb)(2)ε¯=14∑i=14εi(1)σ¯=pd/(δa+δb)(2)式中,ε1、ε3——同一直径方向上的两开裂面SFRC内缘应变;ε2、ε4——同一直径方向上的两开裂面SFRC外缘应变;d——SFRC试件的内径,mm;(δa、δb)——同一直径方向上的SFRC壁厚,mm;p——加载内油压,MPa。6.2受拉过程机理分析对钢纤维混凝土受拉全过程的量测也同普通混凝土的量测一样,存在许多困难,本文通过实验装置的合理设计,采用在内油压作用下,使SFRC试件环向受拉的实验方法,并在SFRC应力临近峰值时,作为准动态看待,同时打开回油阀,慢慢进行连续卸载、加载,利用动态应变仪和示波仪进行连续量测,成功地测出SFRC环向受拉全过程。在实验过程中,有限次数的加卸载和变形速度在一定范围内的改变,不会影响实测的应力-应变曲线的特性,其包络线和单调加载作用下的全过程曲线是一致的,图4即为某一实测的SFRC环向受拉σ-ε全曲线。SFRC环状受拉全过程,可用上升段和下降段两曲线来描述,经历了线弹性、弹塑性和软化等不同阶段。其全过程受力机理分析如下:由于钢纤维混凝土内部存在着微裂缝,在荷载较小时,微裂缝处于相对独立发展阶段,随着荷载的进一步增大,微裂缝沿集料周围交界面脱离成裂缝,其宏观表现为应力与应变成比例地增长。由于骨料的边壁作用,钢纤维平行集料边壁分布,对裂缝沿集料界面的发展所起作用很小,但当裂缝分叉并开始沿水泥石内部伸展时,将受到钢纤维的阻止。钢纤维混凝土的比例极限及其对应的应变值均略高于相应的普通混凝土,但比例极限与峰值应力之比变化很小。超过弹性阶段,随着荷载的增加,微裂缝在水泥石内部不断地扩展和蔓延,并将因不同裂缝的相互连通与贯穿,导致宏观裂缝的发生,此时,试件的宏观刚度将降低,变形速率将开始加快,表现出钢纤维混凝土的弹塑性性质。超过弹塑性阶段,钢纤维混凝土的应力达到其峰值,意味着钢纤维承拉和限制裂缝发展的作用得到最充分的发挥,裂缝活动的主要表现为裂缝之间相互连通后,形成材料破坏的主临界裂缝,试件逐渐开裂。这样,试