低掺量钢纤维混凝土抗折性能试验研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇低掺量钢纤维混凝土抗折性能试验研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：本为对4个基体强度（C20、C30、C40和C50）、4种钢纤维类型和4个纤维产量（0.2%、0.4%、0.5%和0.7%）的钢纤维混凝土进行了双面剪切试验，研究了纤维掺量、纤维类型和基体强度对钢纤维混凝土抗剪强度的影响。试验结果表明：随着纤维掺量的提高，钢纤维混凝土的抗剪强度逐渐增大；纤维类型是影响强度的主要因素之一；随着基体强度的提高，抗剪强度逐渐增大，钢纤维对抗剪强度的增强效果逐渐降低。并对抗剪强度影响系数进行了修订。

关键词：抗剪强度；纤维产量；钢纤维类型；基体强度；抗剪强度影响系数

Abstract：Shear strength of steel fiber reinforced concrete(SFRC) at low content was investigated and the effects of fiber content, steel fiber type and matrix strength were discussed in the paper based on the dual shear test. It is found that the shear strength of SFRC increases with the increase of fiber content and the fiber type is a main factor influencing the shear strength. It is also found that with the increase of matrix strength, the shear strength of SFRC increases but the strength ratio drops. Based on the results of the experiment, the shear strength influence coefficient is modified.

Keywords：the shear strength, fiber content, steel fiber type, matrix strength, the shear strength influence coefficient

中图分类号：C33文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

引言

混凝土作为目前应用最广的一种建筑材料，除了其优点之外，还存在着自重大、抗拉强度低、易开裂、性质较脆等固有缺陷，并在一定条件下约束限制了混凝土的进一步应用和发展。钢纤维混凝土（SFRC）是以混凝土为基体，以随即乱向分布于混凝土基体中的钢纤维作为增强材料组成的复合材料[1,2]。钢纤维可以阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展，对于混凝土的变形能力、韧性，抗拉强度以及由主拉应力控制的抗剪等强度有明显的提高和改善作用。在土木工程结构中使用钢纤维混凝土进行关键部位局部增强可以在一定程度上提高结构的抗剪强度和变形能力，减少为提结构高抗剪强度而增加的箍筋数量，降低工程造价并方便施工[3]。

近年来，随着钢纤维混凝土的广泛使用，国内外已做了大量有关钢纤维混凝土抗剪性能的试验和理论研究，并取得了一定的成果，但有关低掺量钢纤维混凝土抗剪性能的研究并不多，为此本文对低掺量刚混凝土的抗剪性能进行了重点的研究和分析。

试验概述

原材料

水泥：本试验中采用水泥为河南荥阳生产的长城牌P.O 32.5和P.O 42.5通硅酸盐水泥。其中，强度等级为C20的混凝土采用P.O 32.5普通硅酸盐水泥，C30、C40和C50的混凝土采用P.O 42.5通硅酸盐水泥

粗骨料：本次试验粗骨料为碎石，粒径为5㎜～20㎜，级配曲线如图1所示。

细骨料：本次试验细骨料为优质河砂，中砂，细度模数为3.,1，粒径0.15㎜～5㎜之间，级配曲线如图2所示。

钢纤维：本次试验使用的4中钢纤维均为上海贝卡尔特生产的钢丝切断弯钩型钢纤维，钢纤维编号依次为A、B、C和D，特征参数如表1所示。

表1钢纤维特征参数

配合比

基本配合比如表2所示

表2基本配合比

实验分组与符号说明

本文主要研究的是钢纤维混凝土的基体强度、钢纤维类型（纤维长度、长径比）和纤维掺量对钢纤维混凝土抗剪强度的影响。

（1）基体强度：取4个水平，分别为C20、C30、C40、C50。其中C30作为基本组，在其它单因素影响试验中被采用。

（2）钢纤维掺量：考虑5个水平的体积掺量，分别为：0、0.2%、0.4%、0.5%、0.7%，其中掺量为0的一组作为对比组，0.4%作为基本组，在其它单因素影响试验中采用。

（3）钢纤维种类：取4个水平，A、B、C和D。A与D纤维长度不同，长径比接近；B、C与D纤维长度接近，长径比有加大差异

分组编号有三部分组成，第一个字母表示钢纤维类型，后面两位数字表示钢纤维体积掺量，最后两位数字表示钢纤维混凝土基体强度。如D04-30，“D”表示混凝土中掺加的钢纤维的种类为D，后面的“04”表示混凝土中钢纤维的体积掺量为0.4%，最后两位数字“30”表示钢纤维混凝土的基体强度为C30

抗剪强度试验

本次试验采用双面直接剪切法测定钢纤维混凝土的抗剪强度，按照《纤维混凝土试验方法标准》（CECS13-2009）的规定，试验装置如图2所示。

试验前，先在试件侧面的预定破坏面做好标记，然后安放试件，试件浇筑时的侧面为上下受力面，加荷速度为0.06～0.10MPa，记录试验结果精确至0.01MPa。检查试件破坏面，如不在预定位置，则试验结果无效。

抗剪强度按照公式下面计算：

（1）

式中：—抗剪强度（MPa）；

—最大荷载值（N）；

b、h—b和h分别为试件的高度和宽度，其中b=h=100㎜，抗剪强度试验试件尺寸为100×100×400㎜。

试验结果及分析

试验结果

抗剪强度试验结果如表3所示

表3低掺量钢纤维混凝土抗剪强度试验结果

钢纤维混凝土抗剪强度影响因素

影响钢纤维混凝土抗剪强度的因素有很多，最主要的是钢纤维的掺量、钢纤维类型和基体强度。

钢纤维掺量

本文主要研究了钢丝切断带弯钩型钢纤维掺量对钢纤维混凝土抗剪强度的影响。试验采用钢纤维的体积率为0～0.7%，图5(a)为基体强度为C30时，低掺量钢纤维混凝土的抗剪强度。可以看出，随着钢纤维掺量的提高，低掺量钢纤维混凝土的抗剪强度也逐渐增大。普通C30混凝土的抗剪强度为6.26MPa，D07-30的抗剪强度为10.13MPa，相对于普通混凝土D07-30的抗剪强度提高了 62%。钢纤维掺量≤0.7%时，钢纤维混凝土抗剪强度比变化范围为1.36～1.62，D02-30最小为1.36，其抗剪强度提高了36%。混凝土中掺加钢纤维可以显著提高其抗剪强度，并且随着钢纤维掺量的提高其抗剪强度逐渐增大，纤维掺量是影响钢纤维混凝土抗剪强度的主要因素之一。

钢纤维类型

除纤维掺量外，钢纤维类型也是影响低掺量钢纤维混凝土抗剪强度的主要因素[4]，图5(b)为纤维掺量为0.4%时4种类型钢纤维混凝土的抗剪强度。可以看出， A04-30和D04-30的抗剪强度最大，分别为9.01MPa和9.35MPa，相比普通C30混凝土，其抗剪强度分别提高了45%和49%；B04-30的抗剪强度最低为8.33MPa，相比普通混凝土抗剪强度提高了33%。混凝土中不论掺加哪种类型的钢纤维，其抗剪强度都显著提高。由于钢纤维混凝土抗剪破坏形态的特殊性，钢纤维的微销栓作用对抗剪强度的提高具有非常积极的意义，端部弯钢纤维便是非常有利的一种，除此之外，适当的纤维长度和长径比对钢纤维混凝土的抗剪强度也有很大的影响。

基体强度

钢纤维与混凝土基体之间的粘结强度是影响钢纤维混凝土抗剪强度的主要因素之一。钢纤维与混凝土基体强度之间的粘结强度除了受钢纤维外形影响之外，水灰比是最主要的影响因素。一般而言，水灰比减小，混凝土基体强度增大，钢纤维与混凝土之间的粘结强度也增大，图5(c)和5(d)所示分别为钢纤维D掺量为0.4%时，不同基体强度下钢纤维混凝土的抗剪强度和强度比。以看出，随着基体强度的提高，低掺量钢纤维混凝土的抗剪强度与普通混凝变化趋势一样，逐渐增大，但是不同的基体强度，钢纤维混凝土抗剪强度的提高幅度并不一样。从C20到C50，钢纤维混凝土的抗剪强度比分别为1.78、1.49、1.33和1.31，随着基体强度的提高，强度比逐渐降低，钢纤维对抗剪强度的增强效果逐渐减弱。

低掺量钢纤维混凝土抗剪强度的计算

钢纤维混凝土的抗剪强度是一个复杂的问题，双面剪切得到的抗剪强度只是一个近似值，其见其面上应力分布并不均匀。钢纤维混凝土抗剪增强机理研究十分困难，目前没有一个公认的完全合理的计算公式。但是从以上分析可知，钢纤维混凝土的抗剪强度主要受混凝土的基体强度、钢纤维掺量和钢纤维类型的影响，文献[1,2]建议采用影响系数法来表征钢纤维对混凝土抗剪强度的影响，计算公式如式2所示：

（2）

式中：—低掺量钢纤维混凝土抗剪强度；

—普通混凝土抗剪强度；

—钢纤维混凝土抗剪强度影响系数，一般有试验确定。

—钢纤维含量特征值，有式求得，其中为钢纤维体积掺量，长径比。

文献[2]中，曾根据以往的研究和试验结果给出了抗剪强度影响系数为0.55，文献[3]详细的给出了不同类型钢纤维混凝土的抗剪强度影响系数的值，其中切断弯钩型0.7，铣销弯钩型为1.64，剪切弯钩型为0.84，剪切长直型为0.97。对试验结果进行回归分析，得出本次试验切断弯钩型钢纤维混凝土抗剪强度影响系数为1.94对试验结果与计算抗剪强度进行比较，如表4所示。

表4低掺量钢纤维混凝土抗剪强度试验值与计算值

除了D02-30和C04-30两组的抗剪强度计算值和试验值相对误差超过10%以外，其余各组相对误差都比较小。试验结果与计算结果符合程度较好。

破坏形态

在抗剪试验中，普通混凝一般达到极限荷载才开裂，并沿着破坏面迅速断裂，试件失去承载能力，表现出典型的脆性破坏。钢纤维混凝土在没有达到极限荷载之前首先在剪切面中部出现裂缝，随着荷载的不断增大，裂缝向加载位置延伸，最大荷载时，裂缝贯通，剪切面错位，试件破坏。与普通混凝土不同，钢纤维混凝土基体错动后由于钢纤维的拉结作用，试件还具有一定的承载能力，随着钢纤维的不断拔出，后天再逐渐下降，表现为塑性破坏。如图6和图7分别为普通混凝土抗剪破坏形态和低掺量钢纤维混凝土抗剪破坏形态。

结论

本文几轮主要如下：

（1）钢纤维掺量在0.7%以下时仍能够显著的改善混凝土的抗剪性能，提高混凝土的抗剪强度，改善破坏形态。

（2）纤维掺量是影响钢纤维混凝土抗剪强度的主要因素之一，随着纤维掺量的提高，钢纤维混凝土的抗剪强度逐渐增大。

（3）钢纤维的外形是影响粘结强度的主要因素之一。此外，适当的纤维长度和长径比也有助于提高钢纤维混凝土的抗剪强度。

（4）随着基体强度的提高，钢纤维混凝土的抗剪强度逐渐提高，钢纤维对抗剪强度的增强效果却逐渐降低。

（5）在试验的基础上，本文修正了钢纤维掺量≤0.7%时切断弯钩型钢纤维混凝土抗剪强度影响系数，结算结果与试验结果符合较好。

参考文献

[1]高丹盈，赵军，朱海堂．钢纤维混凝土设计与应用[M]，北京：中国建筑工业出版社，2002

[2] 高丹盈，刘建秀．钢纤维混凝土基本理论[M]．北京：科学技术文献出版社，1994

[3] 杨萌，黄承逵，刘毅．钢纤维刚强混凝土抗剪性能试验研究[J]．大连:大连理工学报，2005,11，第45卷第6期

[4] 张云升，孙伟，秦鸿根等．基体强度等级和钢纤维外形对混凝土抗剪强度的影响[G]．上海:第十届全国钢纤维混凝土学术会议论文集，2004