在混凝土基體未開(kāi)裂前，纖維與混凝土共同處于彈性狀態(tài)，對(duì)材料的變形性能影響很小，但在基體開(kāi)裂后處于裂紋面的纖維便發(fā)揮出其橋聯(lián)阻裂性能，使材料具有較高的裂后強(qiáng)度、抗拉韌性等。傳統(tǒng)的混凝土拉伸試驗(yàn)方法有3種：劈拉試驗(yàn)，軸拉試驗(yàn)和彎拉試驗(yàn)(抗折試驗(yàn)).劈拉試驗(yàn)因其操作簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)穩(wěn)定的特性，而成為工程人員最易接受的一種方法，但由于復(fù)雜的加載條件[2]，破壞斷面上材料處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)(包括拉、壓、剪等作用)，不利于對(duì)其力學(xué)行為進(jìn)行分析。彎拉試驗(yàn)雖然操作同樣簡(jiǎn)單方便，但只適用于以抗折強(qiáng)度為依據(jù)的混凝土結(jié)構(gòu)，同樣無(wú)法用來(lái)測(cè)量鋼纖維混凝土的應(yīng)力～應(yīng)變?nèi)€。軸拉試驗(yàn)作為最基本的試驗(yàn)方法，其核心是對(duì)棱柱體試件進(jìn)行均勻的軸向拉伸，在整個(gè)加載過(guò)程中，由于試件斷面應(yīng)力應(yīng)變分布相對(duì)均勻，所測(cè)得應(yīng)力、應(yīng)變值對(duì)應(yīng)關(guān)系明確，故能夠直接、準(zhǔn)確地測(cè)量材料的本構(gòu)行為。另一方面，由于試件破壞形式簡(jiǎn)單，破壞準(zhǔn)則易于掌握，便于進(jìn)行鋼纖維混凝土機(jī)理分析。但該試驗(yàn)的缺點(diǎn)是對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求較高，操作復(fù)雜。對(duì)于鋼纖維混凝土(SFRC)來(lái)說(shuō)，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的軸拉試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可循，國(guó)外學(xué)者在這方面涉及較早[3～6]，其采用的加載方式主要有兩種：一是采用楔形夾具通過(guò)摩擦作用于試件兩端加載；另一種是采用環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)試件端面加載，其試驗(yàn)對(duì)象包括素混凝土以及低、中、高各種纖維體積含率的纖維增強(qiáng)砂漿或混凝土材料。進(jìn)入90年代后期，國(guó)內(nèi)有相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道[7～9]。其中，文獻(xiàn)[7]采用大頭試件對(duì)高摻量(體積含率6%～12%)的纖維砂漿進(jìn)行了軸向拉伸全過(guò)程試驗(yàn)。而文獻(xiàn)[8，9]則從另一個(gè)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出了環(huán)狀試件加內(nèi)水壓加載的形式來(lái)模擬軸拉試驗(yàn)，并得到了材料的拉伸全曲線。但是，以此方法能否替代軸拉試驗(yàn)還需要進(jìn)一步的論證。
綜合上述分析，對(duì)纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行研究，要獲得鋼纖維混凝土的受拉全過(guò)程曲線，采用軸拉方法最為適宜，但是要在試驗(yàn)方法上作一定改進(jìn)，并且試驗(yàn)機(jī)要有足夠的剛度，來(lái)保證試驗(yàn)過(guò)程的穩(wěn)定。眾所周知，在工程實(shí)踐過(guò)程中，由于施工技術(shù)及經(jīng)濟(jì)條件的限制，SFRC中纖維體積摻率一般不超過(guò)2%，而大部分工程實(shí)例中，纖維摻量都在1%左右。為此，本文設(shè)計(jì)了軸拉SFRC材料試驗(yàn)，纖維摻量取1%，并采用不同種類的纖維增強(qiáng)形式，進(jìn)行對(duì)比分析。
1 試驗(yàn)內(nèi)容
試驗(yàn)用水為生活用自來(lái)水。水泥為525號(hào)普通硅酸鹽水泥。細(xì)砂為河砂，篩除粒徑大于5mm的顆粒，粗骨料采用最大粒徑為20mm的碎石。鋼纖維共采用4種形式，見(jiàn)表1.軸拉試件尺寸為100mm×100mm×300mm，每組澆注試塊4個(gè)，共4組(包括4種纖維).混凝土配合比為：水∶水泥∶砂∶石=0.42∶1∶1.5∶2.0.試件養(yǎng)護(hù)28d后取出，采用切割機(jī)把兩端面切平，試件長(zhǎng)度為24cm左右。試驗(yàn)在清華大學(xué)高壩大型結(jié)構(gòu)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室INSTRON 8506伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖1.試件端面采用環(huán)氧樹(shù)脂與拉頭膠結(jié)，并分別采用4個(gè)引伸計(jì)測(cè)量試件的拉伸變形，引伸計(jì)均連接在試件的上下拉頭上，以確保其破壞面在引伸計(jì)測(cè)量范圍內(nèi)。4個(gè)引伸計(jì)中示值最大的通道作為試驗(yàn)機(jī)的控制信號(hào)[6]。應(yīng)變初始加載速率為8με/min，在軟化段后期，應(yīng)變到達(dá)1000με時(shí)，加載速率提高至50με/min.從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，提高加載速率前后，相應(yīng)載荷略有提高，但對(duì)整段曲線的發(fā)展趨勢(shì)影響很小。
2 試驗(yàn)結(jié)果
4種鋼纖維混凝土的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出：在軸拉條件下，1%摻量的鋼纖維遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到使混凝土材料實(shí)現(xiàn)應(yīng)變強(qiáng)化的地步，大部分試驗(yàn)曲線都在達(dá)到峰值后，出現(xiàn)荷載驟降段。但是，隨著變形的增加，有兩條曲線有明顯的第二峰值出現(xiàn)，而另外兩條則沒(méi)有，正是根據(jù)這種現(xiàn)象，可以將其分為增強(qiáng)和增韌兩大類鋼纖維混凝土，有第二峰值的為增韌類，無(wú)第二峰值的為增強(qiáng)類。
通過(guò)比較試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：增強(qiáng)類鋼纖維混凝土比增韌類鋼纖維混凝土的強(qiáng)度平均提高13%；而由基本開(kāi)裂至裂縫寬度為0.5mm區(qū)間(相應(yīng)的應(yīng)變約2000με)的斷裂能積分則顯示：增韌類鋼纖維混凝土比增強(qiáng)類鋼纖維混凝土的斷裂能平均提高20%.由表3還可以看出，大部分SFRC第一峰值對(duì)應(yīng)的極限拉應(yīng)變值與素混凝土相當(dāng)，在100με左右，這說(shuō)明低含率纖維的摻入對(duì)提高混凝土的極限拉應(yīng)變作用不很明顯。而增韌類SFRC第二峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變則大大提高，可達(dá)1000με，由此可知第二峰值的出現(xiàn)大大提高了材料的韌性。DRAMIX型纖維因?yàn)殚L(zhǎng)度是其它三種纖維長(zhǎng)度的2倍，其斷裂韌性更好，在試驗(yàn)曲線中可以看出在應(yīng)變達(dá)到后，其荷載強(qiáng)度仍然保持較高水平，直到10000με應(yīng)變時(shí)荷載仍可保持其峰值水平的50%左右。
3 鋼纖維作用機(jī)理分析
試驗(yàn)過(guò)程中，在基體開(kāi)裂后，試件的拉伸變形主要來(lái)自初始裂縫的不斷張開(kāi)，在斷裂面處SFRC通過(guò)纖維繼續(xù)把載荷傳遞給未開(kāi)裂的部分，這樣，材料的力學(xué)性能就完全取決于纖維與基體界面的結(jié)合強(qiáng)度。隨裂縫不斷張開(kāi)，纖維橋聯(lián)纖維也不斷被拔出，基體在阻礙纖維拔出的過(guò)程中，主要靠纖維-基體界面間的粘結(jié)力(包括粘著與剪摩約束兩種作用)及纖維的異形造成的機(jī)械抗力。HAREX纖維由于是銑削工藝制作的，表面粗糙，而武東纖維的波紋狀體形也相當(dāng)于增大了纖維拔出過(guò)程中的摩擦，故在這兩種纖維拔出過(guò)程中，摩擦力(包括動(dòng)摩擦與彈性剪摩約束兩種作用)起主要阻抗作用；而DRAMIX和浙蕭纖維兩種弓形纖維，由于其存在的彎鉤段，在纖維拔出過(guò)程中又額外提供了機(jī)械抗力。
取單根直線型短纖維(HAREX及武東)分析，假設(shè)斷裂面垂直于拉應(yīng)力方向，纖維沿拉應(yīng)力方向分布，其拔出過(guò)程主要包括兩步：首先，隨裂縫不斷地張開(kāi)，纖維-基體界面首先從基體斷裂面處產(chǎn)生破壞，隨后沿纖維表面向基體內(nèi)部擴(kuò)展，此時(shí)基體通過(guò)粘結(jié)破壞段的動(dòng)摩擦作用與未破壞段的彈性剪摩作用來(lái)對(duì)纖維的拔出實(shí)施阻力。當(dāng)界面破壞至纖維端點(diǎn)后，纖維與混凝土之間的粘結(jié)已完全失效，纖維進(jìn)入動(dòng)態(tài)拔出過(guò)程，此時(shí)纖維只受到基體給予的動(dòng)摩擦作用，故在我們觀察到的SFRC試驗(yàn)全曲線后期，載荷與裂縫張開(kāi)度之間有很好的線性關(guān)系.而對(duì)于弓形纖維(DRAMIX及浙蕭)，當(dāng)纖維-基體界面粘結(jié)破壞至纖維端點(diǎn)時(shí)，由于纖維末端存在異形彎鉤，纖維在繼續(xù)拔出過(guò)程中，要克服該彎鉤段拔出所需的機(jī)械抗力，而且該作用力是在拔出后期起主要作用的，所以該類SFRC在破壞后期能夠表現(xiàn)出較大的韌性。
從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，試件斷裂面形狀極不規(guī)則，分布有幾十根沿各種方向分布的纖維。纖維-基體界面上除了上述3種作用(動(dòng)摩、剪摩、機(jī)械抗力)外，由于纖維與裂縫面不正交造成的纖維自身彎曲變形，同樣增加了基體對(duì)纖維的機(jī)械阻拔作用[10]。然而從另一個(gè)角度上說(shuō)，纖維對(duì)斷裂區(qū)域混凝土的局部作用也因此大大增強(qiáng)了，再加上纖維的交錯(cuò)分布，使斷裂面附近區(qū)域混凝土材料受力極不均衡，由此而形成的應(yīng)力集中不斷造成骨料和砂漿碎片的剝落損傷現(xiàn)象(對(duì)于增韌型纖維尤甚)，第二峰值的出現(xiàn)過(guò)程很有可能與大顆粒骨料的剝落有關(guān)。這雖然形成了一定的能量消耗，但同時(shí)也造成了斷裂區(qū)域處應(yīng)力、應(yīng)變的釋放，減弱了纖維的增韌效果。一般情況下，該區(qū)域的厚度與所摻纖維長(zhǎng)度的半長(zhǎng)以及所用骨料的最大粒徑有關(guān)。詳細(xì)、定量的機(jī)理分析，是作者研究工作的后續(xù)。
4 結(jié)論
(1)在分析鋼纖維混凝土受拉全過(guò)程力學(xué)行為時(shí)，采用軸拉試驗(yàn)最為適宜；(2)按照纖維作用機(jī)理的不同，可以把SFRC劃分為增強(qiáng)和增韌兩大類；(3)通過(guò)增大纖維與基體的摩擦作用，可以提高纖維混凝土初裂時(shí)的承載力；而通過(guò)彎鉤等異型纖維，可以提高纖維混凝土的后繼承載力，有利于SFRC韌性的提高；(4)不同于單根纖維的拔出試驗(yàn)，在SFRC的拉伸試驗(yàn)中，混凝土基體產(chǎn)生大量的砂漿及骨料剝落現(xiàn)象，造成一定的載荷釋放，減弱了纖維的增強(qiáng)增韌效果。
綜合上述分析，對(duì)纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行研究，要獲得鋼纖維混凝土的受拉全過(guò)程曲線，采用軸拉方法最為適宜，但是要在試驗(yàn)方法上作一定改進(jìn)，并且試驗(yàn)機(jī)要有足夠的剛度，來(lái)保證試驗(yàn)過(guò)程的穩(wěn)定。眾所周知，在工程實(shí)踐過(guò)程中，由于施工技術(shù)及經(jīng)濟(jì)條件的限制，SFRC中纖維體積摻率一般不超過(guò)2%，而大部分工程實(shí)例中，纖維摻量都在1%左右。為此，本文設(shè)計(jì)了軸拉SFRC材料試驗(yàn)，纖維摻量取1%，并采用不同種類的纖維增強(qiáng)形式，進(jìn)行對(duì)比分析。
1 試驗(yàn)內(nèi)容
試驗(yàn)用水為生活用自來(lái)水。水泥為525號(hào)普通硅酸鹽水泥。細(xì)砂為河砂，篩除粒徑大于5mm的顆粒，粗骨料采用最大粒徑為20mm的碎石。鋼纖維共采用4種形式，見(jiàn)表1.軸拉試件尺寸為100mm×100mm×300mm，每組澆注試塊4個(gè)，共4組(包括4種纖維).混凝土配合比為：水∶水泥∶砂∶石=0.42∶1∶1.5∶2.0.試件養(yǎng)護(hù)28d后取出，采用切割機(jī)把兩端面切平，試件長(zhǎng)度為24cm左右。試驗(yàn)在清華大學(xué)高壩大型結(jié)構(gòu)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室INSTRON 8506伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖1.試件端面采用環(huán)氧樹(shù)脂與拉頭膠結(jié)，并分別采用4個(gè)引伸計(jì)測(cè)量試件的拉伸變形，引伸計(jì)均連接在試件的上下拉頭上，以確保其破壞面在引伸計(jì)測(cè)量范圍內(nèi)。4個(gè)引伸計(jì)中示值最大的通道作為試驗(yàn)機(jī)的控制信號(hào)[6]。應(yīng)變初始加載速率為8με/min，在軟化段后期，應(yīng)變到達(dá)1000με時(shí)，加載速率提高至50με/min.從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，提高加載速率前后，相應(yīng)載荷略有提高，但對(duì)整段曲線的發(fā)展趨勢(shì)影響很小。
2 試驗(yàn)結(jié)果
4種鋼纖維混凝土的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出：在軸拉條件下，1%摻量的鋼纖維遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到使混凝土材料實(shí)現(xiàn)應(yīng)變強(qiáng)化的地步，大部分試驗(yàn)曲線都在達(dá)到峰值后，出現(xiàn)荷載驟降段。但是，隨著變形的增加，有兩條曲線有明顯的第二峰值出現(xiàn)，而另外兩條則沒(méi)有，正是根據(jù)這種現(xiàn)象，可以將其分為增強(qiáng)和增韌兩大類鋼纖維混凝土，有第二峰值的為增韌類，無(wú)第二峰值的為增強(qiáng)類。
通過(guò)比較試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：增強(qiáng)類鋼纖維混凝土比增韌類鋼纖維混凝土的強(qiáng)度平均提高13%；而由基本開(kāi)裂至裂縫寬度為0.5mm區(qū)間(相應(yīng)的應(yīng)變約2000με)的斷裂能積分則顯示：增韌類鋼纖維混凝土比增強(qiáng)類鋼纖維混凝土的斷裂能平均提高20%.由表3還可以看出，大部分SFRC第一峰值對(duì)應(yīng)的極限拉應(yīng)變值與素混凝土相當(dāng)，在100με左右，這說(shuō)明低含率纖維的摻入對(duì)提高混凝土的極限拉應(yīng)變作用不很明顯。而增韌類SFRC第二峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變則大大提高，可達(dá)1000με，由此可知第二峰值的出現(xiàn)大大提高了材料的韌性。DRAMIX型纖維因?yàn)殚L(zhǎng)度是其它三種纖維長(zhǎng)度的2倍，其斷裂韌性更好，在試驗(yàn)曲線中可以看出在應(yīng)變達(dá)到后，其荷載強(qiáng)度仍然保持較高水平，直到10000με應(yīng)變時(shí)荷載仍可保持其峰值水平的50%左右。
3 鋼纖維作用機(jī)理分析
試驗(yàn)過(guò)程中，在基體開(kāi)裂后，試件的拉伸變形主要來(lái)自初始裂縫的不斷張開(kāi)，在斷裂面處SFRC通過(guò)纖維繼續(xù)把載荷傳遞給未開(kāi)裂的部分，這樣，材料的力學(xué)性能就完全取決于纖維與基體界面的結(jié)合強(qiáng)度。隨裂縫不斷張開(kāi)，纖維橋聯(lián)纖維也不斷被拔出，基體在阻礙纖維拔出的過(guò)程中，主要靠纖維-基體界面間的粘結(jié)力(包括粘著與剪摩約束兩種作用)及纖維的異形造成的機(jī)械抗力。HAREX纖維由于是銑削工藝制作的，表面粗糙，而武東纖維的波紋狀體形也相當(dāng)于增大了纖維拔出過(guò)程中的摩擦，故在這兩種纖維拔出過(guò)程中，摩擦力(包括動(dòng)摩擦與彈性剪摩約束兩種作用)起主要阻抗作用；而DRAMIX和浙蕭纖維兩種弓形纖維，由于其存在的彎鉤段，在纖維拔出過(guò)程中又額外提供了機(jī)械抗力。
取單根直線型短纖維(HAREX及武東)分析，假設(shè)斷裂面垂直于拉應(yīng)力方向，纖維沿拉應(yīng)力方向分布，其拔出過(guò)程主要包括兩步：首先，隨裂縫不斷地張開(kāi)，纖維-基體界面首先從基體斷裂面處產(chǎn)生破壞，隨后沿纖維表面向基體內(nèi)部擴(kuò)展，此時(shí)基體通過(guò)粘結(jié)破壞段的動(dòng)摩擦作用與未破壞段的彈性剪摩作用來(lái)對(duì)纖維的拔出實(shí)施阻力。當(dāng)界面破壞至纖維端點(diǎn)后，纖維與混凝土之間的粘結(jié)已完全失效，纖維進(jìn)入動(dòng)態(tài)拔出過(guò)程，此時(shí)纖維只受到基體給予的動(dòng)摩擦作用，故在我們觀察到的SFRC試驗(yàn)全曲線后期，載荷與裂縫張開(kāi)度之間有很好的線性關(guān)系.而對(duì)于弓形纖維(DRAMIX及浙蕭)，當(dāng)纖維-基體界面粘結(jié)破壞至纖維端點(diǎn)時(shí)，由于纖維末端存在異形彎鉤，纖維在繼續(xù)拔出過(guò)程中，要克服該彎鉤段拔出所需的機(jī)械抗力，而且該作用力是在拔出后期起主要作用的，所以該類SFRC在破壞后期能夠表現(xiàn)出較大的韌性。
從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，試件斷裂面形狀極不規(guī)則，分布有幾十根沿各種方向分布的纖維。纖維-基體界面上除了上述3種作用(動(dòng)摩、剪摩、機(jī)械抗力)外，由于纖維與裂縫面不正交造成的纖維自身彎曲變形，同樣增加了基體對(duì)纖維的機(jī)械阻拔作用[10]。然而從另一個(gè)角度上說(shuō)，纖維對(duì)斷裂區(qū)域混凝土的局部作用也因此大大增強(qiáng)了，再加上纖維的交錯(cuò)分布，使斷裂面附近區(qū)域混凝土材料受力極不均衡，由此而形成的應(yīng)力集中不斷造成骨料和砂漿碎片的剝落損傷現(xiàn)象(對(duì)于增韌型纖維尤甚)，第二峰值的出現(xiàn)過(guò)程很有可能與大顆粒骨料的剝落有關(guān)。這雖然形成了一定的能量消耗，但同時(shí)也造成了斷裂區(qū)域處應(yīng)力、應(yīng)變的釋放，減弱了纖維的增韌效果。一般情況下，該區(qū)域的厚度與所摻纖維長(zhǎng)度的半長(zhǎng)以及所用骨料的最大粒徑有關(guān)。詳細(xì)、定量的機(jī)理分析，是作者研究工作的后續(xù)。
4 結(jié)論
(1)在分析鋼纖維混凝土受拉全過(guò)程力學(xué)行為時(shí)，采用軸拉試驗(yàn)最為適宜；(2)按照纖維作用機(jī)理的不同，可以把SFRC劃分為增強(qiáng)和增韌兩大類；(3)通過(guò)增大纖維與基體的摩擦作用，可以提高纖維混凝土初裂時(shí)的承載力；而通過(guò)彎鉤等異型纖維，可以提高纖維混凝土的后繼承載力，有利于SFRC韌性的提高；(4)不同于單根纖維的拔出試驗(yàn)，在SFRC的拉伸試驗(yàn)中，混凝土基體產(chǎn)生大量的砂漿及骨料剝落現(xiàn)象，造成一定的載荷釋放，減弱了纖維的增強(qiáng)增韌效果。
