钢纤维混凝土弯曲韧性测试方法与评价标准

1、第8卷第6期2005年12月建筑材料学报JOURNALOFBUILDINGMATERIALSVol.8,No.6Dec.,2005文章编号:1007-9629(2005)06-0660-05钢纤维混凝土弯曲韧性测试方法与评价标准丁一宁,董香军,王岳华(大连理工大学结构工程研究所,辽宁大连116024)摘要:验结果,纤维混凝土技术规程的修订奠定了基础.关键词:钢纤维;纤维混凝土/中图分类号:TU528.572EvaluatingStandardsofFlexuralforSteelFiberReinforcedConcreteDINGYi2ning,DONGXiang2jun,WANGYue2h

2、ua(InstituteofStructureEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)Abstract:Fibersareaddedtoconcrete/shotcretetoenhancetheductility,energyabsorptionabili2tyandcrackresistance,andpreventcrackdevelopment.Inordertoestimatethetoughnessoffi2berreinforcedconcrete(FRC)andestablishChineseGui

3、delineofFRC,manyexperimentsofflex2uraltoughnessforSFRCbeamsweredoneaccordingtodifferentnationalguidelines.Basedontestresults,thecomparisonoftheforeignflexuraltoughnesstestmethodswerecarriedout.ItprovidesbasisfortheestablishmentofguidelineofFRCinourcountry.Keywords:steelfiber;fiberreinforcedconcrete/

4、shotcrete;flexuraltoughness;guideline混凝土是一种脆性材料,随着强度提高,其脆性也显著增大.为克服这一缺点,常在混凝土中掺入钢纤维.钢纤维能够阻止混凝土内部裂纹的产生和发展,并有效提高混凝土的韧性和延性,从而使得混凝土的破坏变为有征兆的延性破坏.随着钢纤维掺量的增加,混凝土的韧性明显提高,这是目前研究的一致结论.随着纤维混凝土大量的工程应用和更多纤维品种的开发,不但需要定性地研究纤维对混凝土韧性的改善情况,而且需要从量上提高计算结果的可比性.弯曲韧性是衡量钢纤维混凝土韧性的重要指标,欧美等发达国家在各自的规范或标准中都规定了测量钢纤维混凝土弯曲韧性的试验标准

5、与计算方法.这些标准都需要通过计算梁荷载-挠度曲线下的面积来评价钢纤维混凝土的韧性.本文在试验研究的基础上分析对比了各发达国家有关钢纤维混凝土弯曲韧性的标准,为我国纤维混凝土有关技术规程的制定奠定了基础.1试验概况本试验所用的材料为:普通硅酸盐水泥,河砂,碎石,砂率为50%;端部带弯钩的冷拉钢丝型钢收稿日期:2004-11-10;修订日期:2005-04-06基金项目:国家自然科学基金资助项目(50278013)作者简介:丁一宁(1962-),男,江苏南京人,大连理工大学教授.第6期丁一宁等:钢纤维混凝土弯曲韧性测试方法与评价标准661纤维,抗拉强度为1000N/mm2,掺量分别为20,30,

6、40kg/m3.混凝土基体强度按C40设计.为增强评价与对比的合理性,试验设计和加载方法严格按各自标准进行.按纤维掺量和执行标准,试验分为9组,合计27根梁.加载设备为美国产MTS810系统.在弯曲韧性试验之前,首先进行3种纤维掺量下纤维混凝土100mm×100mm×100mm立方试件的28d抗压强度试验,试验测得当纤维掺量分别为20,30,40kg/m3时,混凝土的28d抗压强度分别为43,41,46MPa.2各国标准评估与试验结果分析2.1以美国材料协会标准(ASTMC101898)ASTMC1试验为位移控制,控制速率为0.050.1mm/min至少应超过相对于韧性指标

7、I20挠度的,1/3.ASTMC提出了第1,3:第1条裂缝IR.用.韧性指标I根据梁第1条裂缝出现时.ASTMC所定义的韧性指标有3个:I5,I10和I20,其计算方法为,5.5处曲线所包围的面积与处曲线所包围的面积之比,即图1中3.0和10.5I5=SOACD/SOAB,I10=SOAEF/SOAB,I20=SOAGH/SOAB.对残余强度指标R,ASTMC引进了2个系数:R5,10和R10,20.其中R5,10=20(I10-I5);R10,20=10(I20-I10).对理想弹塑性材料来说,R=100,低于该值则说明材料具有相对较低的塑性性能;素混凝土的R值趋近于0.按照ASTM标准,试

8、验测得当钢纤维掺量不同时纤维混凝土试件(分别以SFRC20,SFRC30,SFRC40表示)的荷载-挠度曲线,如图2所示.根据图2对ASTM标准进行应用上的分析,可以得出如下结论:1.第1条裂缝及相应挠度的确定2,3:第1条裂缝出现时梁的跨中挠度值很小(通常为0.040.1mm),而这一很小的值对韧性指标I和残余强度指标R的准确求解及计算误差都有很大影响.实际上准确确定第1条裂缝存在较大困难,因为梁受荷时是先产生微裂缝,然后再发展成宏观上的可视裂缝.因此,初裂挠度的确定有着较大的人为随意性.图1韧性指标计算示意图Fig.1Definitionoftoughnessindexesintermso

9、fmultipleoffirst2crackdeflectionandelastic2plasticmaterialsbehavior图2按ASTMC101898测得的纤维混凝土荷载-挠度曲线Fig.2Load2deflectioncurvesofSFRCaccordingtoASTMC101898图3为图2中纤维掺量为40kg/m3的纤维混凝土试件SFRC40的荷载-挠度曲线放大图.根据ASTM对梁第1条裂缝的判断标准,图3曲线的A,B,C3点都可被视为第1条裂缝出现时的相应点;按公式计算可得A,B,C3点的I及R值,如表1所示.由表1可看出,A,C2点的挠度差仅为0.045mm,但残余强度

10、指标R10,20的相对误差却高达57%.662建筑材料学报第8卷2.该标准只适用于测试钢纤维掺量较高的混凝土梁(钢纤维掺量>20kg/m3)2,3,较高的含纤率可以保证梁在开裂后具有较稳定的荷载-挠度曲线,从而不对I及R的计算产生影响;如图2中钢纤维掺量为20kg/m3的试件梁荷载-挠度曲线,其第1条裂缝出现时=0.1086mm,计算得3.0=0.3258mm,此值位于曲线的不稳定区域,因此无法对该试件的I5进行评价.3.韧性指标I、残余强度指标R与梁的截面形状、尺寸及跨度等因素有关.若试件几何尺寸不同,图3根据ASTM定义所确定的第条裂缝对应点3Different则I随跨度及梁高的增大

11、而减小;表,I和残余强度指标R的计算值跨度不变时,I随梁宽度的增大而增大alculationofIandRinpointofA,BandC荐的试件尺寸为100350,I5I10I20R5,10R10,20Point/mm为300A0.0275.0010.8923.86117.8129.72.2(DBV1998)为基础的DBV4中用等效抗弯强度和变形能的概念来表述纤维混凝土的韧性及其能量吸收能力,并用Dn和feq,n取代了ASTMC中的R和I.试件梁尺寸为150mm×150mm×700mm,跨度L=600mm,试B0.0410.0724.664.109.828.3020.72

12、16.50103.282.9109.082.6C验由位移控制,位移控制速率为0.2mm/min,测量的跨中最大挠度值为3.5mm;两点加载,作用点距支座距离为200mm.按照DBV,有2个重要的评价混凝土韧性的参数:纤维混凝土梁所吸收的能量Dn图4纤维混凝土梁能量吸收计算示意图和纤维混凝土梁的等效抗弯强度feq,n.Fig.4CalculationofenergyabsorptionforSFRC纤维混凝土梁所吸收的能量(kNmm)为Dn=)dF(02(1)抗弯强度(MPa)为f=MW/W=FuL/bh(2)以下是DBV中各参数的定义(见图4):Fu为梁跨中挠度在0.1mm范围内的最大承载力(

13、N);cmm),相当于0为与Fu相应的变形(mm);Dn为混凝土梁开裂前的能量吸收值(kN0+0.3mm处的能量值;Df1为当跨中挠度为1(1=0+0.65mm)时纤维对混凝土梁所贡献的能量吸收值,fcD1=D1-Dn(kNmm);Df2为当跨中挠度为2(2=0+3.15mm)时纤维对混凝土梁所贡献的能量吸收值,Df2=D2-Dcn(kNmm);Dn为纤维混凝土梁的能量吸收值(kNmm),Dn=Dcn+Dfn,n=1,2;feq,1为当跨中挠度为1时的等效抗弯强度(MPa);feq,2为当跨中挠度为2时的等效抗弯强度(MPa);L,b,H分别为梁跨度、梁截面宽度和高度(mm).相应于1处的等效

14、荷载Feq,1与等效抗弯强度feq,1按下式计算Feq,1=D1/0.5,feq,1=Feq,1L/bhFeq,2=D2/3.0,feq,2=Feq,2L/bhff2(3)(4)相应于2处的等效荷载Feq,2与等效抗弯强度feq,2按下式计算2参照德国标准,试验测得当钢纤维掺量不同时纤维混凝土梁的荷载-挠度曲线如图5所示;利用式(1)(4)计算相关参数的结果列于表2.由图5和表2可以看出:随着挠度的增大,钢纤维混第6期丁一宁等:钢纤维混凝土弯曲韧性测试方法与评价标准663f凝土梁挠度为2时所吸收的能量D2明显高于挠度为f1时所吸收的能量D1.在ASTM中,随着梁挠度的增加,韧性指标和剩余强度指

15、标也都在增大;但依照DBV,当纤维掺量在一定范围内时,feq,2<feq,1,这说明随着梁挠度的增加,荷载-挠度曲线的走向是逐渐下降的.因此,与ASTM相比,DBV的韧性评价体系更为优越且简便.图5参照DBV1998标准所得钢纤维混凝土与ASTM相比,DBV有以下主要特点:(1)有着较梁荷载-挠度曲线为实用的计算体系,引用了与经典强度理论相似的计算Fig.52accordingDBV方法来计算等效抗弯强度feq.它不但给出了纤维混凝土静力计算的基础,、算方法.(2)通过确定0.1mm条裂缝时所产生的误差.(3)DBV3)的混凝土进行韧性评价.2钢纤维混凝土的韧性评价结果Table2Res

16、ultsoftoughnessevaluationofSFRCaccordingtoDBVSampleSFRC20SFRC30SFRC40FufDcnD1Df1feq,1D2Df2feq,2/kN17.3014.3417.59/MPa5.194.305.28/(kNmm)3.422.863.45/(kNmm)11.8612.8413.46/(kNmm)8.449.9810.01/MPa5.065.996.01/(kNmm)34.7248.3562.48/(kNmm)31.3045.4959.03/MPa3.134.555.902.3以欧洲喷射混凝土标准(EFNARC)为基础的试验结果分析该标准

17、5参照挪威混凝土标准(NBP.7),并作了一定修改,发行于1996年,其试验规则、试件尺寸等都与NBP相似.EFNARC规定梁的尺寸为125mm×75mm×600mm,跨度为450mm;采用位移控制,控制速率为(0.25±0.05)mm/min;两点加载,加载点距离支座150mm;当挠度大于0.5mm时,加载速率提高到1mm/min;试验要求加载到跨中最大挠度为4mm.EFNARC的优点是:(1)类似于DBV,引进了跨中挠度在0.1mm之内最大荷载的概念,从而避免了对第1条裂缝的判断;(2)可对钢纤维掺量较低的混凝土进行韧性评价.但是,EFNARC也存在一些应用上

18、的缺陷:(1)EFNARC中钢纤维混凝土梁开裂后剩余应力的计算是以开裂后的荷载和开裂前梁的全截面按强度理论进行计算的,但实际上,梁开裂后即开始进入弹塑性阶段.因此,以弹性理论为基础的强度计算此时已不再适用.依照EFNARC对韧性的评价方法,对所试验的钢纤维掺量为20kg/m3的纤维混凝土梁进行剩余应力计算,其钢纤维掺量为20kg/m3的纤维混凝土梁结果如图6所示.(2)EFNARC采用了弯曲韧性等级范图6的韧性等级围与剩余应力等级的概念,将剩余应力划分为5个等级Fig.6FlexuraltoughnessgradesofSFRCwithgrade0grade4(见图6).但是该剩余应力等级并不

19、能准确描述纤维混凝土梁在开裂后的韧性变化趋势;对开裂后荷载下降比较平缓的混凝土梁而言,其剩余应力-挠度曲线可能跨越2个不同的等级区间.图6所示的剩余应力-挠度曲线就同时穿越了2个等级区间,但对如何评价这种情况,该标准并未作fibercontentof20kg/m3664建筑材料学报第8卷具体说明.2.4其他国家的相关标准2.4.1欧洲材料与结构联合会标准(RILEM)该标准6通过试件梁荷载-挠度曲线与坐标轴所包围的面积来评价钢纤维混凝土开口梁的弯曲韧性.在韧性计算上,RILEM与DBV有许多相似之处.RILEM标准不但可以确定荷载与挠度之间的关系,而且可以确定裂缝口扩展宽度(CMOD)与挠度及

20、荷载之间的关系;通过预留开口,可准确判定裂缝出现的位置,减小随机因素对开裂位置的影响;同时,预留开口对断裂能的研究也非常有利.2.4.2挪威喷射混凝土标准(NBP)NBP7是EFNARC的前身,针对ASTMC1018于1993年制定的喷射混凝土标准NBP.7方法类似于EFNARC.NBP1的韧性,并用其取代了R和I2.4.3281.其试验方法与DBV相似,即通.JSCE也无需确定初裂点的挠度,且非稳定段对韧性系数的影响较小,当钢纤维掺量较低时,荷截-挠度曲线失稳区的面积对整个曲线的影响不大.3结论通过以上对各标准的系统评估与试验分析,可以看出每个国家的标准和规范都有其各自的优缺点.若能结合各标

21、准的优点,克服缺点,则将对我国的工程应用及相应的规程制订具有重要的实际意义.根据国情,在目前基本按照ASTM的基础上,还可参照德国纤维混凝土标准来评价纤维混凝土的韧性,这样较为科学合理,而且我国的实验室装备水平也可以满足相应的要求.参考文献:1DesignationC1018-98,StandardTestMethodforFlexuralToughnessandFirst2CrackStrengthofFiber2ReinforcedCon2crete(UsingBeamwithThird2PointLoading)S.2MORGANDR,CHENL,BEAUPRD.ToughnessoffiberreinforcedshotcreteA.ProceedingsoftheEngineeringFoundationConference,ShotcreteforUndergroundSup