钢纤维混凝土劈裂断裂电测试验研究

２０１１年第１期（总第２５５期）　Ｎｕｍｂｅｒ　１　ｉｎ　２０ｌ１（ＴｏｍｌＮｏ．２５５）　混　凝　土　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　理论研究　ＴＨＥＯＲＥＴＩＣＡＬ　ＲＥＳＥＡＲＣＨ　

ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００２—３５５０．２０１１．Ｏ１．０１２　

钢纤维混凝土劈裂断裂电测试验研究　

张东焕’，刘顶平’，王利民　（１．山东理工大学交通与车辆工程学院力学部，山东淄博２５５０４９；２．青岛理工大学理学院，山东青岛２６６０３３）　

摘要：　钢纤维混泥土极大改善了普通混凝土材料的力学性能。为探究钢纤维混凝土断裂过程的力学特性和承载力的估算方法，用试验　机对２种不同切口尺寸的钢纤维混凝土试件进行了楔入式劈裂断裂电测跟踪试验，得到了一系列载荷一位移关系曲线，载荷一张开位移关　系曲线，以及断裂损伤区变形随载荷变化曲线。通过试验数据计算了各个试件的黏聚裂纹应力强度因子，结合应力强度因子与双断裂准　则，对各组试件的承载力进行了理论计算，并与试验峰值的平均值作比较，二者符合良好。　关键词：　钢纤维混凝土；劈裂断裂试验；应变规电测；承载力计算　中图分类号：ＴＵ５２８．５７２　文献标志码：Ａ　文章编号：　１００２—３５５０（２０１１）Ｏｌ一００４４—０５　

Ｗｅｄｇｅ－ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　

ＺＨＡＮＧＤｏｎｇ－ｈｕａｎ　，ＬＩＵＤｉｎｇ－ｐｉｎｇ’，ＷＡＮＧＬｉ—ｍｉｎ　’　（１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｉｂｏ　２５５０４９，Ｃｈｉｎａ；　２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，ＱｉｎｇｄａｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６０３３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｗｅｒｅ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ｓｔｅｅｌ　ｆｉｂｅｒ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ（ｓＥＲＥ）．Ｔｏ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｔｈｅ　ｍｅ—　ｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆｆａｃｔｕｒｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍ￣ｈｏｄ　ｏｆＳＦＲＣ，ｗｅｄｇｅ—ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｆ２　ｓｉｚｅｓ　ｏｆＳＦＲＣ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ　ｗｅｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ，ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　ｔｗｏ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ　ｗｅｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｓｔｒａｉｎ　ｇａｕｇｅｓ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ａ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｃｕｒｖｅｓ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｅ　ＣＨＩＶＥＳ　ｏｆｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆｌｏａｄ　ｐｏｉｎｔ　ｗｉｔｈ　ｌｏａｄｉｎｇ，ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｄａｍａｇｅｄ　ｚｏｎｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｌｏａｄｉｎｇ，ａｎｄ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆｃｏ—　ｈｅｓｉｖｅ　ｃｒａｃｋ　ｔｉｐ　ｗｉｔｈ　ｌｏａｄｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｔｌｙ　ｓｉｚｅｄ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ　ｗｅｒｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｗａｓ　０ｂ—　ｔａｉｎｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｏｆｓｔｒｅｓｓ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｏｕｂｌｅ・Ｋ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｖａｌｕｅｓ　ａｌｅ　ａｇｒｅｅｍｅｎｔ　ｗｅｌｌ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｗｅｄｇｅ—ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｓｔｒａｉｎｇａｕｇｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　

０　引言　

钢纤维混凝土（ＳｔｅｅｌＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｅｅｄＣｏｎｃｒｅｔｅ，简称ＳＦＲＣ）　是在普通混凝土基体中掺人适量、不连续且乱向分布的细短钢　纤维而形成一种新型多相混杂材料。这些乱向分布的短纤维主　要作用在于阻碍混凝土内部微裂纹和宏观裂缝的发生与发展，　从而使钢纤维混凝土具有更高的抗裂、韧性和吸收变形能的性　能。钢纤维混凝土的出现弥补了普通混凝土的抗拉强度低和韧　性差的缺点，改善了混凝土材料的力学性能。因此，吸引了许多　国内外学者对该材料结构性能进行研究，包括钢纤维混凝土断　裂参数的尺寸效应、纤维混凝土的力学分析模型、钢纤维混凝　土抗拉强度与裂缝宽度关系、和钢纤维对混凝土裂纹的抑制以　及对其抗渗性能的研究等等　】，也有学者通过单轴疲劳拉伸试　验分析了纤维横跨裂缝的桥联作用阎；文献［７—９】通过纤维混凝　土的劈裂试验研究其力学性能。由于在混凝土中加入了钢纤维，　使得复合后的材料结构破坏和断裂机理非常复杂ｆｌ埘。为更全面了　解钢纤维混凝土断裂过程的力学性能，探讨不同缺口尺寸试样　最大承载力的计算方法，本研究对钢纤维混凝土试件进行劈裂　电测试验，由应变数据计算得到试件预制裂纹前端的张开位移，　

收稿日期：２０１０－０８－０２　基金项目：国家自然科学基金（１０２７２０８６）；山东省自然基金（Ｙ２ｏ０６Ａ２９）　

・４４・　绘制载荷与张开位移的关系曲线，以及损伤端点位置随载荷的变　化关系曲线；通过试验所得数据计算了其黏聚裂纹应力强度因子，　根据软化材料的双Ｋ断裂准则得到该类结构的最大承载力的计　算方法，并对理论计算峰值与试验峰值平均值进行了分析比较。　

１钢纤维混凝土断裂过程试验　

１．１试件的制作　试验所用的水泥为山东省交通厅水泥厂生产的Ｐ・Ｏ　４２．５　级水泥，砂子是山东莱芜河滩砂子，骨料为济南章丘双山青石　子。纤维所用的是上海产的真强牌钢纤维，长度分别为５Ｏ、３Ｏ、　２５　ｎｌｎｌ，两端带有弯钩。纤维混凝土试件的配合比为水泥：水：砂　子：石子＝１：０．３５：１．６７：１．９３，掺人的钢纤维质量占试件总质量的４％。　采用干拌法，即先将砂子和水泥混合搅拌均匀，然后加入纤维　和石子，搅匀后再加水一起搅拌成混凝土。混凝土浇筑进模具后，　放在振动台上振动５～１０　ｍｉｎ。试件成型采用木制模具，内表面　贴塑料纸防水，浇筑后３，－－４　ｈ脱模。脱模后的试件在常温下保持　恒定湿度养护２８　ｄ后进行试验。　１．２试件尺寸及加载装置　试验所用钢纤维混凝土试件按其外观尺寸分为２组，共５个。

　试件几何形状如图１（ａ）所示，图中。表示载荷加载点到裂纹尖　端的距离，ｂ表示载荷加载点到试件韧带底边的距离，ｃ表示载　荷加载点到试件顶部的距离，ｈ、Ｌ分别表示试件的总高度、宽　度，表示厚度。第１组试件的切口为“Ｖ”字形，第二组的切口均为　“ｌ”字形；两组试件的ｔ、Ｌ、ｂ、ｈ和。不同数据见表１。采用微机　控制电子万能试验机（３００ｋＮ，ＣＭＴ５３０５．ＳＡＮＳ）对已制备好的　钢纤维混凝土试件用位移控制方式进行加载试验，加载速度为　０．０５　ｍｍ／ｍｉｎ，其加载装置如图１（ｂ）所示。加载原理为试验机的　压头把力传给与其螺纹连接的楔形板，楔形板下移将力传到滚　轮轴上；再由滚轮轴将力传到与其连为一体的折板上，折板是　卡在试件凹槽上的，于是来自压头的力就施加到试件上。　由图１（ｂ）可知，该试验采用类似紧凑拉伸试件几何形式的　楔人劈拉法加载方式来完成断裂试验。与紧凑拉伸相比，一个　合适楔形角的选取就可以使较小的竖向荷载产生较大的水平　力【剐。受力分析如图１（ｂ）右下方所示，试验机施加的载荷Ｐ与，　将力分解成水平分力　和　铅垂分力构成平衡力系。而且有力　的关系存在：　

＝Ｆｓｉｎｌ５。　

２ｓｉｎｌ５。　

Ｆ￣＝Ｆｃｏｓ１５。。　ｃｏｓ　：１．８７Ｐ　

图１　试件几何形状和加载装置及加载原理图　１＿３劈裂试验的载荷一位移关系曲线　根据以上分析，相应于图１（ａ）中的各个尺寸的数据、由试验　得到的各个试件最大载荷Ｐ和加鞔　最大位移ｆＹ￣Ｊ／ｋ表１中。　

表１　试件的几何尺寸和试验载荷及位移　

试验过程中，通过试验机与电脑自动绘制了所加载荷一加　载点位移关系曲线。将各组试件的典型曲线绘入图２中。由图中　可以看出，载荷一加载点位移关系曲线有下降段，即载荷达到最　大值时试件没有立即断开，表现出与素混凝土不同的断裂特征，　其断裂过程具有更大的断裂延性【Ｉｌ】，具有明显的软化特性；说明　钢纤维对混凝土有增韧和桥连作用，增加了材料控制裂缝张开　与扩展的能力。这种短纤维的作用机理也可以从相关文献的模　型分析中看到；事实上短纤维在裂纹前方几乎不起作用，只是　在裂纹张开时发挥桥连作用【６＇ｌｏ＇　。　加载点位￣ｆｌｍｍ　图２载荷一加载点位移关系曲线　２电测试验　

２．１布片方案与应变规的粘贴　在钢纤维混凝土试件的劈裂试验中，分别选取第１组和第１Ｉ组　试件中各一个进行应变规电测跟踪测试。根据每组已断裂试验后　的试件裂缝情况对要电测的试件规划布片方案。第１组试件均　粘贴型号ＢＸ１２０．５０ＡＡ、规格５０　ｍｉｎｘ３　ｍｌＴＩ、电阻（１２０＋０．２）Ｑ、　灵敏系数（２．１０＋１　的应变规；而第Ⅱ组试件仅在裂纹尖端处粘　贴５０　ｍｍｘ３　ｍｍ的应变规，其余应变规型号为ＢＸ１２０．２０ＡＡ、规　格２０　ｍｍｘ３　Ｉ／Ｌｒｆｌ、电阻（１２０．１±Ｏ．２）Ｑ、灵敏系数（２．０８￣１）％，粘　贴位置如表２数据所示。试件前后两面采取相同的布片方案，　如图３所示。　表２应变规粘贴位置　

（ｂ）Ｉ１　图３应变规粘贴位置照片　因为试件贴片处主要承受拉应力作用，若应变规完全粘贴　在预制裂纹前端的表面上，可能使得应变规随着裂纹扩展而过　早的被拉断，导致无法测出断裂过程区的变形情况，所以本试　

・４５・

　验应变规采用中间悬空贴法，即只在应变规的两端与试件相贴　接。首先用５０２胶将接线端子固定在试件上，然后粘贴应变规，　粘贴时一定要将气泡排出，粘贴完毕后焊接测试线，焊线前后　需要用万能表检查应变规以及导线是否符合绝缘电阻要求［Ｉ３】。　２．２应变规处黏聚裂纹张开位移随载荷关系曲线　通过记录下来的应变值可以换算出被测处的位移，即应变　值乘以应变规的长度为应变规两端相对张开位移【ｌ１］。以应变规　粘贴位置处的张开位移为横坐标，相应载荷为纵坐标，可以描　绘出载荷随裂纹张开位移变化的关系曲线，如图４所示。从该　图中看出试件Ｉ两侧张开位移分布基本相同，而ＩＩ两侧变形差　

・４６・　０　５０　１００　１５０　２００　２５０　３００　３５０　４００　张开位移ＣＯＤ／１０－６ｍ　（ａ）（Ｉ）ｓｔｒａｉｎ　ｇａｕｇｅ　１—１２　

０　５０　ｌ００　ｌ　５０　２００　２５０　３００　３５０　４００　张开位移ＣＯＤ／１０　ｍ　（ｂ）（１）ｓｔｒａｉｎ　ｇａｕｇｅ　Ａ－Ｅ