鋼纖維混凝土受拉性能實驗研究

1受拉過程機理作為一種傳統的混凝土材料，steel-filter，非剛性混凝土材料具有高度的抗裂縫和裂縫滯后、大的伸長率和抗疲勞，以及良好的抗彎、抗穿刺、耐腐蝕、抗磨損和抗勞勞等特點，引起了國內外許多科學家的關注。他的實驗研究和應用研究令人興奮。SFRC的受拉全過程,即應力-應變全過程,是材料內部微觀機理的宏觀表現,是研究和分析鋼纖維混凝土強度理論的一個重要組成部分。此外,鋼纖維混凝土受拉性能也是評價鋼纖維增強效果和進行鋼纖維混凝土質量控制的重要依據。近年來,國內外有許多學者對SFRC的受拉全過程進行實驗研究,但均采用改進裝置后的軸心受拉實驗,實驗設備要求高、實驗誤差大、成功率低。本文所采用的SFRC環狀受拉試件,在內油壓作用下,使試件截面產生環向拉應力,進行研究SFRC的受拉性能的實驗方法,是一個比較成功的研究途徑,克服了其它實驗方法的不足,能成功地測出SFRC環狀受拉應力-應變全過程曲線。同時,環狀試件在內壓力作用下的實驗方案,也是研究SFRC在管狀結構中應用的一種有效的模型實驗方法。2鋼纖維混凝土抗拉實驗困難確定混凝土、鋼纖維混凝土抗拉性能的方法,國內外采用的方法主要兩種。一是利用梁彎曲實驗,從測定的彎曲曲線描述混凝土、鋼纖維混凝土拉應力-應變關系;另一種方法是直接張拉實驗。鋼纖維混凝土直接抗拉強度通常與混凝土在同一數量級。不過,其韌度可比非增強混凝土的韌度高一到兩個數量級,這主要是纖維從裂縫兩側拔出所產生的很大的摩擦能量和纖維撓曲能量及發生多縫開裂時裂縫處的變形,許多實驗也證明這點。由此可見,鋼纖維混凝土與非增強混凝土抗拉實驗的難度相當。國內外至今還沒有統一的混凝土和鋼纖維混凝土軸拉試件形式和軸拉實驗方法,致使實測的結果甚為分散。混凝土和鋼纖維混凝土軸拉實驗的困難有:(1)由于試件的組成和內部微裂縫分布的不均勻性,試件的物理對中困難,隨著加載過程中裂縫的發生和試件的物理中心不斷變化,完全的物理對中甚至是不可能的。(2)由于應力集中等原因,軸拉試件的斷裂位置常常落在應變測點范圍之外,實驗的成功率很低。(3)普通實驗機的剛度不足,試件卸載時實驗機變形能的釋放,可使混凝土或鋼纖維混凝土突然破壞,難以測出應力-應變全曲線的下降段。(4)實驗過程中變形量測的困難。為此,許多研究者對實驗裝置進行了許多探索,以求測出其應力-應變全曲線。但無論裝置怎樣改進,要完全做到軸向拉伸是比較困難的。梁彎曲實驗法分四點彎曲梁和三點彎曲梁法,和單軸拉伸實驗相比,對實驗機的剛度要求不高,且實驗方法較簡單,如果量測的受拉和受壓區應變可以作為施加彎矩的函數,或測定了壓應變,假定材料受壓區為線彈性,用彎曲曲線描述混凝土、鋼纖維混凝土受拉應力-應變關系,這一點是不難做的。此外,還利用劈裂實驗來確定混凝土、鋼纖維混凝土的抗拉性能。但梁彎曲實驗法和劈裂法所確定的SFRC的指標不能直接反映SFRC的受拉性能,其受拉全過程曲線意義不明確。3纖維混凝土充放電性能本文采用鋼纖維混凝土環狀試件,在內油壓作用下,使斷面產生環向拉應力。通過在三次工藝實驗的基礎上,設計了一套加載和量測裝置,成功地測出了鋼纖維混凝土受拉應力-應變全過程曲線。該實驗方法,克服了對實驗裝置的過高要求,簡單方便。此外,鋼纖維混凝土環狀試件受內壓力作用的受拉性能還是研究鋼纖維混凝土在許多工程應用的基礎。為了保證實驗的順利進行,作者先后進行了三次工藝實驗,即:①帶鋼襯鋼纖維混凝土環狀受拉實驗,利用靜態應變儀量測;②不帶鋼襯的鋼纖維混凝土環狀受拉實驗,利用靜態應變儀量測;③不帶鋼襯的鋼纖維混凝土環狀受拉實驗,利用動態應變儀和示波儀量測。研究表明,工藝實驗③獲得成功。對于混凝土的環狀受拉實驗研究,過去的研究者均采用內、外鋼襯來提高試件的整體剛度。其基本原理作了兩條假定:(1)鋼襯與混凝土之間無粘結,以求混凝土的平均應力;(2)混凝土的內外應變近似與內外鋼襯應變相等(因鋼襯厚度只有試件厚度的1/50)。作者認為對這兩條假定,可以探討。如果認為混凝土內外應變與內外鋼襯近似相同,應假定鋼襯與混凝土之間有粘結;那么,求混凝土平均應力時應考慮混凝土與鋼襯之間的粘接摩擦力。反之,如果認為鋼襯與混凝土之間無摩擦力存在(如涂機油或MnSi2),以求混凝土的平均應力,那么,由于混凝土與鋼襯無粘結,應變就不可能近似相等。作者認為,假定混凝土與鋼襯之間的粘結,應變近似相等,求混凝土平均應力時忽略摩擦力的影響,也許可以解釋實驗現象。但采用內外鋼襯加強試件剛度的思想是很可取的。由于鋼纖維混凝土具有較高的抗拉強度和延性,為此,作者第一次工藝實驗時,只保留了內鋼襯,取消了外鋼襯,利用靜態應變儀進行量測,結果表明,可達到實驗目的。文獻的作者認為,在普通萬能實驗機上不附加任何剛性元件,通過實驗機及時并適量卸載,控制試件的變形速度,完成了鋼纖維混凝土軸拉應力-應變全曲線的量測。考慮到本實驗方法加載的特殊性,在實驗過程中不存在變形能猛烈釋放的問題,故在第二次工藝實驗時,取消了內鋼襯,也采用靜態應變儀量測,在實驗過程中發現,盡管試件破壞有個過程,但還是比較難以控制。第三次工藝實驗時,設計了一套實驗裝置,鋼纖維混凝土在臨近峰值直到破壞,是靜態應變儀較難量測的連續過程,本實驗裝置,把這過程當作準動態看待,利用動態應變儀及示波儀進行連續加載、連續量測,結果表明,實驗裝置是可行的。4實驗設備的設計實驗裝置設計,包括:加載裝置的設計和量測裝置的設計。4.1改進內鋼襯裝置在壓力管道模型實驗研究中,加載裝置過去均采用由加載內環和模型鋼襯組成加壓內腔,以密封環密封壓力油,通過螺栓和蓋板來平衡密封環傳來的軸向力,同時通過液態密封膠,增強密封作用。但是,密封要求很難達到,往往產生漏油現象,給實驗帶來許多不便,特別是本文實驗方法取消了內鋼襯,如還采用這套裝置,試件的變形和開裂,均會出現漏油,實驗就無法進行,為此,對原實驗加載裝置進行改進。加載裝置由加載內環和試件內壁組成加壓內腔,在內腔內裝壓力油袋,通過螺栓和蓋板封住壓力油袋。壓力油袋可使用特制耐高壓的乳膠帶通過502膠粘結而成,在密封袋上安裝油嘴即可,加載裝置見圖1所示。由于壓力油不與加壓內腔接觸,干凈衛生,而且壓力袋加壓可達6MPa以上而不破,能滿足實驗要求。這種裝置僅僅施加純內油壓力,受力明確,這樣能使平面管模型軸向長度設計成較小尺寸,既減輕模型重量,又保證測試精度要求。這套加載裝置具有這樣的特點:制作簡單,組裝方便,加載準確,簡化了模型制作,提高了測試精度,除了作本文實驗研究目的外,還可供研究管狀結構在均勻內壓力(水壓力或油壓力)作用下性能的實驗研究。4.2動態應變儀測試量測裝置的設計,必須考慮實驗目的的實現,為了研究鋼纖維混凝土環狀試件在內油壓作用下的性能,要求能測出開裂和破壞荷載及受力全過程,盡管鋼纖維混凝土的抗拉強度比普通混凝土高,變形能力較好,而且在實驗中,加載裝置變形能的釋放不存在猛裂的情況,但是,工藝實驗證明,還是比較難測出其應力-應變全過程。為此,利用動態應變儀和示波顯示儀進行量測。量測的基本原理是:利用分油器,從加載油箱中分出支路分別進入加載裝置和油壓千斤頂,在千斤頂上裝傳感器,引入動態應變儀,試件中的應變片通過引線也引入動態應變儀,分別給出油壓和試件變形的信號。加載之前,分別為油壓和應變進行標定,這樣就可以測出受力全過程。5實驗步驟5.1試驗結果的測量、分級和試件的加工實驗前的準備工作是很繁雜的,但對實驗的順利進行起著重要的作用,甚至影響到實驗的成功與否。實驗前,除了應對整個實驗有通盤的考慮外,還應做一些必不可少的具體的準備工作,主要有:選擇應變片、混凝土表面處理、貼片、絕緣度檢測、接線、加荷裝置及量測裝置的安裝等。(1)選擇應變片:每一組應變片的阻值差不超過0.5Ω,否則,應變儀調不平,對某些點無法量測。(2)試件表面處理:為了保證所貼應變片的平整度、絕緣度,確保試驗精度,應在需貼片的混凝土表面涂一層薄環氧樹脂,固化后再用細砂紙打磨平整,并用無水乙醇擦干凈。由于環氧樹脂的彈性模量、強度與混凝土的不同,為盡量減少所測的應變與混凝土表面的實際應變的誤差,使誤差控制在混凝土實驗容許的范圍內,所涂環氧樹脂層應盡量薄。表面處理后用兆歐表量測絕緣度,達到200兆歐以上,即可貼片。(3)貼片:為了捕捉裂縫,沿環狀均貼片,并采用5×80mm的紙基應變片。應變片貼得好壞,對實驗結果影響較大,用502膠粘貼時,應保證應變片與試件粘結牢固、位置準確、不打皺、無氣泡。(4)絕緣度的量測:用兆歐表檢查應變片與試件的絕緣度,若達不到200兆歐以上需用紅外線燈烘烤,直至滿足。絕緣度達到要求即焊接線,然后及時封上環氧樹脂保證層。(5)應變片編號、接線:對試件的每個應變片應編號分清,然后接線,與相應的應變儀通道相接,應變片的布置如圖2所示。(6)加載裝置、量測裝置的安裝。5.2加載和測量步驟(1)標準物質分別對示波儀、X-Y記錄儀的應變ε、加載壓力p進行標定。(2)加載內容檢查加載裝置及量測儀器是否工作正常(加0.1MPa→卸荷→再加0.1MPa→卸荷),如出現異常情況,應查明原因,及時處理。(3)正式加載開裂荷載前,可采用間隔加載、記錄,在臨近開裂荷載時,采取連續加載、連續記錄,以測出試件受力的全過程。6實驗原理和結果6.1試驗曲線及基本假定利用本文所提出的方法用于量測SFRC全過程曲線,在國內外尚屬首例。試件開裂位置與試驗結果曲線密切相關。當貼片位置與開裂位置相重合時,隨著內壓力p的增加,裂縫不斷開展,開裂截面受力面積逐步減小,即量測的截面平均應力逐步減小,從而可以得到反映試件真實本構關系的曲線,這正是我們試驗目的所要求的;當貼片位置與開裂位置不重合時,貼片截面附近出現裂縫,裂縫兩邊的SFRC發生回縮現象,從而引起貼片面應力下降,此時截面的應力并不反映SFRC截面內力的真實情況,因此,試驗曲線分析時應以開裂截面所測的數據為依據。由于模型和加載的軸對稱性,使得第一條裂縫出現在較薄弱部位,而后迅即在其對稱面附近出現另一條裂縫。由于本文提出的環狀試件,可沿環向連續布置應變片,故類似于同一直徑方向上的兩個開裂面的應變均可真實反映實際情況,這也是環狀試件其中一個顯著優點之一:開裂面易捕捉及量測,一次實驗可起到多次實驗的效果。SFRC環狀受拉實驗所采用的試件內徑d為400mm,外徑為500mm(δa=δb=50mm),試件高為100mm。試件采用標準制作方法制作,在20℃±3℃的溫度和相對濕度在90%以上的潮濕空氣中養護,在28天齡期后進行實驗。在整批試件的實驗過程中,內油壓力p通過氣液穩壓器采用等內油壓差控制加載,按每秒0.2～0.3MPa控制。SFRC全過程曲線分析模型如圖3所示。由以上分析可知,本實驗研究可作下列基本假定:(1)鋼纖維混凝土環狀試件的內、外緣應變由實測得到,假定應變沿徑向為直線分布,并取徑向應變的平均值作為SFRC的平均應變;(2)鋼纖維混凝土沿徑向截面的應力作類似軸心受拉處理,取平均應力計算。SFRC的平均應變εˉεˉ、平均應力σˉσˉ為:εˉ=14∑i=14εi(1)σˉ=pd/(δa+δb)(2)εˉ=14∑i=14εi(1)σˉ=pd/(δa+δb)(2)式中,ε1、ε3——同一直徑方向上的兩開裂面SFRC內緣應變;ε2、ε4——同一直徑方向上的兩開裂面SFRC外緣應變;d——SFRC試件的內徑,mm;(δa、δb)——同一直徑方向上的SFRC壁厚,mm;p——加載內油壓,MPa。6.2受拉過程機理分析對鋼纖維混凝土受拉全過程的量測也同普通混凝土的量測一樣,存在許多困難,本文通過實驗裝置的合理設計,采用在內油壓作用下,使SFRC試件環向受拉的實驗方法,并在SFRC應力臨近峰值時,作為準動態看待,同時打開回油閥,慢慢進行連續卸載、加載,利用動態應變儀和示波儀進行連續量測,成功地測出SFRC環向受拉全過程。在實驗過程中,有限次數的加卸載和變形速度在一定范圍內的改變,不會影響實測的應力-應變曲線的特性,其包絡線和單調加載作用下的全過程曲線是一致的,圖4即為某一實測的SFRC環向受拉σ-ε全曲線。SFRC環狀受拉全過程,可用上升段和下降段兩曲線來描述,經歷了線彈性、彈塑性和軟化等不同階段。其全過程受力機理分析如下:由于鋼纖維混凝土內部存在著微裂縫,在荷載較小時,微裂縫處于相對獨立發展階段,隨著荷載的進一步增大,微裂縫沿集料周圍交界面脫離成裂縫,其宏觀表現為應力與應變成比例地增長。由于骨料的邊壁作用,鋼纖維平行集料邊壁分布,對裂縫沿集料界面的發展所起作用很小,但當裂縫分叉并開始沿水泥石內部伸展時,將受到鋼纖維的阻止。鋼纖維混凝土的比例極限及其對應的應變值均略高于相應的普通混凝土,但比例極限與峰值應力之比變化很小。超過彈性階段,隨著荷載的增加,微裂縫在水泥石內部不斷地擴展和蔓延,并將因不同裂縫的相互連通與貫穿,導致宏觀裂縫的發生,此時,試件的宏觀剛度將降低,變形速率將開始加快,表現出鋼纖維混凝土的彈塑性性質。超過彈塑性階段,鋼纖維混凝土的應力達到其峰值,意味著鋼纖維承拉和限制裂縫發展的作用得到最充分的發揮,裂縫活動的主要表現為裂縫之間相互連通后,形成材料破壞的主臨界裂縫,試件逐漸開裂。這樣,試