鋼纖維輕骨料混凝土韌性指標(biāo)評(píng)價(jià)方法對(duì)比
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李京軍， 牛建剛， 劉洪振， 朱 聰， 張 縝
（1內(nèi)蒙古科技大學(xué)，包頭014010;2重慶大學(xué)，重慶400045；3蚌埠學(xué)院，蚌埠233030）
[摘要] 通過(guò)四點(diǎn)受彎試驗(yàn)，研究了鋼纖維摻量對(duì)輕骨料混凝土荷載一撓度曲線的影響。借助于ASTM-C 1018法、ASTM-C 1399法、JSCE-SF4法、剩余強(qiáng)度法和PCSm法這五種方法，得出不同方法下的鋼纖維輕骨料混凝土彎曲韌性指標(biāo)。通過(guò)與不同鋼纖維摻量下鋼纖維輕骨料混凝土荷載一撓度曲線的變化規(guī)律相對(duì)比，提出更加適用于衡量鋼纖維輕骨料混凝土韌性的評(píng)價(jià)方法。結(jié)果表明，剩余強(qiáng)度法所求得的鋼纖維輕骨料混凝土韌性指標(biāo)隨鋼纖維摻量變化規(guī)律與荷載一撓度曲線隨鋼纖維摻量變化規(guī)律相一致，可以用來(lái)衡量鋼纖維輕骨料混凝土的韌性。
0 引言
隨著輕骨料混凝土強(qiáng)度的提高，其脆性呈增大趨勢(shì)。研究表明，在輕骨料中摻加纖維能有效改善輕骨料混凝土的脆性，降低脆性系數(shù)。韌性指標(biāo)是衡量纖維混凝土工作性能的重要指標(biāo)，如何正確測(cè)定普通纖維混凝土的彎曲韌性，目前比較流行的評(píng)價(jià)方法主要有美國(guó)ASTM-C l018法、ASTM-C1399法、日本JSCE-SF4[5]法等，但目前對(duì)于纖維輕骨料混凝土彎曲韌性的評(píng)價(jià)指標(biāo)尚未建立合理的評(píng)價(jià)機(jī)制。本文在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，參照國(guó)內(nèi)外關(guān)于普通纖維混凝土韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)的不同評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，試圖將已有評(píng)價(jià)方法引入纖維輕骨料混凝土，以期找到適用于評(píng)價(jià)纖維輕骨料混凝土彎曲韌性指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法。
1 試驗(yàn)概況
1.1試驗(yàn)原材料
水泥：P.0 42. 5R級(jí)普通硅酸鹽水泥。細(xì)骨料：中砂，細(xì)度模數(shù)2.9，顆粒級(jí)配良好，含泥量2.1%，堆積密度1 547 kg/m3。粗骨料：圓球形粉煤灰陶粒，粒徑5~ 20mm，連續(xù)級(jí)配，物理力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。鋼纖維：銑銷波紋形鋼纖維，主要性能見(jiàn)表2。減水劑：萘系高效減水劑，減水率為20%。水：普通自來(lái)水。
1.2試驗(yàn)配合比及分組
鋼纖維輕骨料混凝土試驗(yàn)配合比及分組見(jiàn)表3，每組為3個(gè)試件。
1.3試件尺寸及試驗(yàn)設(shè)備
參照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》( CECS 13:2009)中四點(diǎn)受彎試驗(yàn)方法進(jìn)行鋼纖維輕骨料混凝土彎曲韌性試驗(yàn)。由于本試驗(yàn)所采用的纖維長(zhǎng)度小于40mm，故試件尺寸為lOOmm×lOOmm×400mm。試驗(yàn)中將荷載感應(yīng)器和位移計(jì)接入TDS-530數(shù)據(jù)采集儀，彎曲韌性試驗(yàn)加載裝置如圖1所示。
2 荷載-撓度曲線
將測(cè)得的每組3個(gè)試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)擬合處理后，繪制出不同摻量鋼纖維輕骨料混凝土的荷載一撓度曲線如圖2所示。
從圖2可以看出，沒(méi)有摻加鋼纖維的輕骨料混凝土幾乎無(wú)法測(cè)得荷載一撓度曲線的下降段，混凝土試件一旦開裂就迅速失穩(wěn)破壞，呈現(xiàn)出顯著的脆性破壞特征。摻入適量鋼纖維后，可以測(cè)得比較完整的荷載一撓度曲線，且曲線走勢(shì)基本相同；隨著鋼纖維體積摻量的增加，荷載一撓度曲線逐漸趨于豐滿。鋼纖維摻量從0.5%提高到2.0%，荷載一撓度曲線的下降段逐漸趨于平緩，而能夠繼續(xù)承受較大的荷載，呈現(xiàn)出更大的持荷變形能力，當(dāng)體積摻量達(dá)到
2. 5%時(shí)，荷載一撓度曲線下降段又有變陡的趨勢(shì)。
韌性是衡量混凝土塑性變形性能的重要指標(biāo)，通常用與荷載，撓度曲線下包裹的面積有關(guān)的參數(shù)表示。荷載一撓度曲線下包裹的面積越大，增韌效果越好。利用Origin統(tǒng)計(jì)分析軟件，計(jì)算出圖2中各條曲線與橫坐標(biāo)所圍成圖形的面積，結(jié)果如表4所示。
從表4可知，隨著鋼纖維摻量的增加，曲線與橫坐標(biāo)所圍圖形面積呈先增后減的變化趨勢(shì)，當(dāng)鋼纖維摻量為2.0%時(shí)，面積值最大。從而說(shuō)明，鋼纖維可以顯著改善輕骨料混凝土的韌性，但并不隨纖維摻量增加呈單調(diào)遞增關(guān)系變化，而是存在最佳摻量范圍，當(dāng)鋼纖維摻量超過(guò)最佳摻量范圍時(shí)，鋼纖維摻量的增加反而會(huì)對(duì)輕骨料混凝土韌性會(huì)產(chǎn)生不利影響。這主要是因?yàn)檫^(guò)量鋼纖維摻人輕骨料混凝土中會(huì)在水泥漿體與纖維表面產(chǎn)生大量薄弱層，其次摻入過(guò)量鋼纖維，造成纖維比表面積增加，周圍缺乏足夠的漿體包裹與填充，使得混凝土內(nèi)部的密實(shí)度降低，產(chǎn)生較多的缺陷，上述兩種因素的存在會(huì)對(duì)混凝土韌性產(chǎn)生不利影響。
3 試驗(yàn)現(xiàn)象
圖3，4分別為普通輕骨料混凝土和鋼纖維輕骨料混凝土的彎折破壞形態(tài)。從圖中可以看出，不摻纖維輕骨料混凝土在加載過(guò)程中，試件跨中首先出現(xiàn)一條主裂縫，達(dá)到極限荷載時(shí)，試塊突然斷裂，屬于典型的脆性破壞形態(tài)。而摻人鋼纖維后的鋼纖維輕骨料混凝土，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載值時(shí)，試件沒(méi)有產(chǎn)生突然斷裂，而是出現(xiàn)了較多的細(xì)小裂紋；繼續(xù)施加荷載，細(xì)微裂紋逐漸擴(kuò)展成為較大的裂紋，破壞過(guò)程相對(duì)緩慢，使輕骨料混凝土由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ǖ乃苄缘钠茐男螒B(tài)。
4 韌性指標(biāo)評(píng)價(jià)方法
4.1 ASTM-C 1018法
ASTM-C 1018法是首先在每組荷載一撓度曲線圖中，算出試件達(dá)到初裂撓度δ時(shí)荷載一撓度曲線下的面積A1。然后利用初裂撓度的3，5.5，15.5倍時(shí)的荷載一撓度曲線下的面積與初裂時(shí)的荷載一撓度曲線下的面積A1的比值，分別定義韌度指數(shù)，I5，I10,I30。根據(jù)該方法得出的本次試驗(yàn)各試件組的韌性指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表5。
從表5可以看出，當(dāng)鋼纖維摻量從0.5%增加到1.5%時(shí)，韌度指數(shù)I5，I10，I30均比SFO的有較明顯提高；而當(dāng)鋼纖維摻量為2.0%時(shí)，韌度指數(shù)急劇降低，甚至比SFO的還要低；當(dāng)鋼纖維摻量為2.5%時(shí)，韌度指數(shù)比其他試件又有較大幅度提高。采用ASTM-C 1018法得到的韌性指標(biāo)與表4中荷載一撓度曲線所圍成面積大小隨纖維摻量變化的規(guī)律并不一致。這主要是因?yàn)榇_定初裂點(diǎn)帶有很大的人為因素，難以達(dá)成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。
4.2 JSCE-SF4法
JSCE-SF4法是將試件撓度為L(zhǎng)/150時(shí)荷載一撓度曲線下的面積Tb定義為韌性指標(biāo)( FT)，將加載到撓度為//150時(shí)的平均強(qiáng)度值定義為試件的韌度因子σ：
式中：δk為給定的撓度L/150，mm;L，b，h分別為支座間距、試件截面寬度和試件截面高度，mm。
式(1)為JSCE-SF4法計(jì)算公式，表6為采用該方法計(jì)算所得的本次試驗(yàn)各試件組的韌性指標(biāo)及韌度因子。從表6可以看出，鋼纖維輕骨料混凝土的韌性指標(biāo)FT和韌度因子σ隨著鋼纖維摻量的增加呈單調(diào)遞增趨勢(shì)，與表4中荷載-撓度曲線所圍成面積大小隨纖維摻量變化的趨勢(shì)并不一致。這是因?yàn)镴SCE-SF4法給定的撓度值8k大于正常使用的容許撓度，而且所求得的韌度因子σ為試件撓度達(dá)到δk時(shí)的平均強(qiáng)度值，無(wú)法詳細(xì)反映試件裂前、裂后的力學(xué)行為。因此，JSCE-SF4法不適用于評(píng)價(jià)鋼纖維增強(qiáng)輕骨料混凝土的韌性。
4.3 ASTM-C 1399法
ASTM-C 1399法是首先在每組荷載一撓度曲線圖中找到對(duì)應(yīng)撓度為0.5，0. 75，1.0，1.25 mm的各個(gè)荷載值，然后根據(jù)彈性理論求得試件的平均剩余強(qiáng)度ARS：
式中：P0.5，P0.75，P1.0，P1.25分別為荷載一撓度曲線中撓度值為0.5，0. 75，1.0，1.25 mm處的荷載值。
式(2)為ASTM-C 1399法計(jì)算公式，表7為采用這種方法計(jì)算所得的本次試驗(yàn)各試件組的剩余強(qiáng)度。由表7可知，ASTM-C 1399法計(jì)算結(jié)果隨鋼纖維摻量的變化與JSCE-SF4法計(jì)算結(jié)果隨鋼纖維摻量的變化具有相似的規(guī)律，即均隨鋼纖維摻量的增加呈單調(diào)遞增變化，因此ASTM-C 1399法也不適用于衡量鋼纖維輕骨料混凝土的韌性。這可能是因?yàn)殇摾w維屬于高彈性模量纖維，而ASTM-C 1399法比較適用于評(píng)價(jià)低彈性模量的合成纖維混凝土開裂后的承載能力，對(duì)高彈性模量非合成纖維混凝土的適用性較差。
4.4剩余強(qiáng)度法
推薦的剩余強(qiáng)度法是利用加權(quán)平均的方式，并結(jié)合彈性理論求得混凝土的剩余彎曲強(qiáng)度σr為：
式中：P1，P2，P3，P4，P5分別為荷載一撓度曲線上峰值荷載對(duì)應(yīng)撓度值的1.5倍、2倍、3倍、4倍及5倍處的荷載值；a1，a2，a3，a4，as為加權(quán)系數(shù)，對(duì)應(yīng)取為0. 25 ,0.5 ,0. 75 ,1.0 ,1. 0。
式(3)為剩余強(qiáng)度法的計(jì)算公式，表8為采用這種方法計(jì)算所得的本次試驗(yàn)各試件組的剩余彎曲強(qiáng)度值。由表8可知，隨著輕骨料混凝土中鋼纖維摻量的增加，混凝土的剩余強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢(shì)，當(dāng)纖維摻量為2. 0%時(shí)，剩余彎曲強(qiáng)度達(dá)最大值，與表4中荷載一撓度曲線所圍成面積大小隨纖維摻量變化具有一致的規(guī)律。
4.5 PCS法
PCSm法是首先通過(guò)在荷載．撓度曲線上找到峰值荷載所對(duì)應(yīng)的撓度值，并以峰值荷載為界將荷載一撓度曲線面積分為峰前(Tpre)和峰后（Tpwt,m）兩部分。然后選取峰后區(qū)域的撓度值作為特定的撓度變量來(lái)考慮纖維混凝土在變形過(guò)程中的能量消耗情況，韌性指標(biāo)計(jì)算方法示意圖如圖5所示。
韌性指標(biāo)PCSm的定義為：
式中：Tpwt,m為峰后荷載一撓度曲線下的面積；8為峰值荷載對(duì)應(yīng)的撓度；L取300mm；L/m為梁的撓度，其中m為定值，取150，200，300等。
式(4)為PCSm法的計(jì)算公式，表9為利用這種方法計(jì)算所得的本次試驗(yàn)各試件組的的韌性指標(biāo)。由表9可知，韌性指標(biāo)PCS150，PCS200，PCS300隨纖維摻量增加呈增大趨勢(shì)，與采用ASTM-C 1399法、JSCE-SF4法計(jì)算所得的評(píng)價(jià)指標(biāo)隨纖維摻量增加的變化具有相似的趨勢(shì)，說(shuō)明PCSm法也不適用于評(píng)價(jià)鋼纖維輕骨料混凝土的韌性。這可能是因?yàn)樵摲N方法計(jì)算式中僅利用了峰值荷載后荷載，撓度曲線下的面積及對(duì)應(yīng)的撓度值，而沒(méi)有利用峰值荷載前的信息，考慮信息不完整。
5 結(jié)論
(1)將鋼纖維摻入輕骨料混凝土，可以顯著改善混凝土脆性，增強(qiáng)混凝土韌性，但摻入過(guò)量纖維后會(huì)對(duì)輕骨料混凝土的韌性產(chǎn)生不利效應(yīng)，對(duì)輕骨料混凝土的韌性而言，鋼纖維存在最佳摻量范圍。
(2)按ASTM-C 1018法所得韌性指標(biāo)依賴于初裂撓度，不可避免地帶有人為誤差，所反映的韌性指標(biāo)變化與荷載一撓度曲線變化規(guī)律有一定偏差。
(3) JSCE-SF4法無(wú)法詳細(xì)反映試件開裂前后試件的力學(xué)行為，所得韌性指標(biāo)為試件撓度達(dá)到δk時(shí)的平均強(qiáng)度值，所得結(jié)果也與荷載一撓度曲線變化規(guī)律不相一致。
(4) ASTM-C 1399法較適用于評(píng)價(jià)低彈性模量的合成纖維混凝土開裂后的承載能力，對(duì)高彈性模量非合成纖維混凝土的適用性較差。
(5)剩余強(qiáng)度法能夠較好地反映輕骨料混凝土的韌性隨鋼纖維摻量變化的規(guī)律，
且與不同纖維摻量下的荷載一撓度曲線變化規(guī)律一致，是評(píng)價(jià)鋼纖維輕骨料混凝土韌性的理想方法。
(6) PCSm法對(duì)荷載一撓度曲線峰值荷載前的信息利用不充分，所反映的輕骨料混凝土隨纖維摻量變化規(guī)律與荷載一撓度曲線變化規(guī)律不一致，因此該方法也不適用于評(píng)價(jià)鋼纖維輕骨料混凝土的韌性。
