不同掺量钢纤维混凝土低温动力学性能研究

摘要：采用SHPB试验装置结合低温恒温循环系统，研究钢纤维混凝土的低温动力学性能。制作了不同掺量的钢纤维混凝土试件，分别在常温和低温环境中对试件进行冲击性能试验，绘制各应变率下的应力应变曲线。结果表明：钢纤维的掺入对混凝土的低温动力学性能有显著改善，当钢纤维掺量由0%增至1%时，动强度提高约20%。钢纤维掺量达到2%时，改善幅度下降，动强度变化不明显，钢纤维的最佳掺量为1.5%。

关键词：钢纤维；SHPB；低温；应变

中图分类号：TU502 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）23-0010-03

目前钢纤维混凝土材料已广泛应用于各类建筑工程和防护工程。在我国北方高寒地区，分布着许多机场工程、飞机洞库，这些结构中的钢纤维混凝土材料，除了要承受设计静荷载、爆炸冲击动荷载外，往往还要承受由于温度急剧变化带来的温度附加荷载，这些温度附加荷载在设计时并没有考虑。但是，钢纤维混凝土材料构件在温度荷载和冲击动荷载作用下，结构抗力和强度会明显降低，材料出现损伤，甚至破坏，影响使用寿命，给高寒地区防护工程带来严重的不利影响。目前，有关温度对混凝土及纤维混凝土材料力学性能影响规律方面的研究文献资料较少，特别是在低温和动载共同作用下混凝土及纤维混凝土材料的力学性能及其损伤机理研究更少。因此，开展低温下素混凝土和钢纤维混凝土的动力学性能以及损伤研究，对军事工程中混凝土和钢纤维混凝土结构的设计以及使用寿命的估计极为重要，具有重要的学术和工程应用价值。

山根昭、门佛尔等学者认为混凝土抗压强度在低温下有提高，且温度越低，强度的提高越大，静弹性模量也是随温度下降而提高，但其增长率比抗压强度小；抗拉强度在低温状态下也有提高。目前，国内大多数混凝土材料SHPB试验是在室温情况下进行的，低温下的钢纤维混凝动态力学性能研究和本构模型研究相对较少。本次试验主要模拟寒区钢纤维混凝土结构在低温环境下的动力学性能变化，测试不同掺量的钢纤维试件在-40℃情况下的动力学性能变化。传统的混凝土材料SHPB试验研究大多使用电阻应变片进行测量，实践中发现当透射波较小时，在透射杆上贴半导体应变片所测试验结果更为精确，且有利于后续的数据处理。因此本试验中透射杆应变片为半导体应变片。另外为了使试件在试验过程中始终处于稳定的低温状态，在试验装置中增加了低温恒温装置系统以保持试件的温度。

1 试验材料及试件制作

1.1 试验原材料

1.1.1 试验用钢纤维选用山东路邦金属纤维科技有限公司生产的铣削型钢纤维，纤维直径D=0.2mm，长度L=10～15mm。

1.1.2 水泥采用徐州中联水泥厂生产的标号为32.5的复合硅酸盐水泥。

1.1.3 细骨料为洗净河沙，细度模数2.6。

1.1.4 粗骨料为洗净连续粒级碎石，最大粒径12mm。

1.1.5 减水剂使用山东同盛建材有限公司生产的聚羧酸高效减水剂。

1.2 试件制作

1.2.1 素混凝土试件制作。本试验素混凝土设计强度为C30。根据《水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG-E30-2005）中混凝土配比要求和方法，经试配后确定本试验所用混凝土配合比如表1所示。

1.2.2 钢纤维混凝土试件制作。本试验钢纤维混凝土配比是在素混凝土基体强度上进行设计。参照有关资料规范：每增加0.5%钢纤维，1m3混凝土增加水8kg，砂率增加3%，其他材料在水灰比不变的条件下做相应的变化。试验结合以上方法对钢纤维混凝土的配比进行调整，共设计了3种含量钢纤维混凝土试件。配比如表2所示。

试件制作主要依据《钢纤维混凝土试验方法》，制作时，混凝土先用搅拌机预拌除纤维外的其他材料，然后逐渐投入钢纤维，当全部投完后再搅拌1分钟，将拌和物倒入Φ74mm×34mm的标准圆柱形试模，并在振动台上振实后放入标准养护箱内养护28d。试件养护完成后经磨平机磨平，以保证两端面不平行度和不垂直度均小于0.02mm。

2 试验装置及试验方案

本试验使用空军勤务学院材料动力学实验室直径为74mm的SHPB实验系统。进行低温试验时采用自制低温恒温循环系统，主要分为低温恒温液浴循环装置和低温保温装置两部分。

本试验将四种不同含量的钢纤维混凝土试件（体积比分别为0%、1%、1.5%、2.0%）放入低温交变试验箱，降温至-40℃并保持24h后，取出试件进行低温动力学试验研究。试验方案设计如表3所示。

3 试验结果及数据分析

本试验在低温状态（-40℃），对素混凝土以及3种不同掺量的钢纤维混凝土在3个应变率等级下，各进行3组SHPB冲击试验。试验数据如表4所示。

在表4数据可以看到，低温环境下，钢纤维掺量从0%提高到1%时，峰值应力没有明显变化，且当气压为0.6MPa，应变率提高至80s-1时，钢纤维混凝土较素混凝的动强度反而略有下降，这可能是由于，低掺量的钢纤维取代水泥基材后，增加了混凝土的空隙率，试件整体性能受到损失，钢纤维的增强效果尚不足以弥补这一损失，试件的动强度下降。

当钢纤维体积率增长至1.5%时，试件峰值应力在不同应变率下分别增至78.43MPa、85.91MPa、87.36MPa，相对素混凝土动强度提高了19.52%、18.96%、17.04%。可见，在（0～1.5%）范围内，钢纤维掺量与动强度提高呈正相关，动强度随纤维掺量的提高而上升，且上升幅度明显。因此，为提高混凝土的动强度而掺入适量的钢纤维十分必要、有效。

图1 -40℃钢纤维混凝土动应力-动应变曲线

钢纤维体积率为2.0%的试件相对钢纤维体积率为1.5%的试件动强度增加很少，出现上述情况是因为当钢纤维含量增大到一定程度后，在混凝土搅拌工程中，钢纤维容易结团。而钢纤维长度增大，这种现象更加明显，会造成混凝土基体的孔隙率增多，导致钢纤维与混凝土基体之间的界面粘结力下降。如果继续提高钢纤维的掺量可能会导致试件的动强度下降。因此，钢纤维混凝土的增强作用，除了取决于钢纤维体积率外，还取决于钢纤维成型工艺、基体间的界面粘结系数等因素。片面地加大钢纤维掺量，不能充分发挥钢纤维的增强效果。根据上述结论，结合经济效益因素，在工程中可以选择1.5%作为钢纤维混凝土的最佳掺量。

通过试验和数据处理，得到其应力-应变曲线如图1所示。由图1可以看出，在-40℃的环境下钢纤维混凝土材料是应变率敏感材料，对于各掺量的钢纤维试件来说，其动弹性模量和峰值应力均随应变率的增大而呈增大趋势。平均应变率的变化主要由气压变化引起。以钢纤维含量1%为例，气压由0.3提高到0.4，平均应变率提高31%，而此时峰值应力随之提高4MPa。而气压提高0.6后，平均应变率提高20.3%，增幅减缓，但峰值应力仍提高了7MPa，这说明低温环境中，应力应变两者关系不是线性的，在接近应力峰值区域，应变率提高，应力变化加速。

4 结语

（1）钢纤维的加入对混凝土的动态力学性能有较大的提升。钢纤维掺量增加，混凝土的峰值应力和动弹模量也随之提高。钢纤维掺量在0%～1%区间时，混凝土应力峰值增长幅度明显，动强度提高了约20%。

（2）当钢纤维的掺量增长至1.5%时，峰值应力提高20%，动强度显著改善；继续提高钢纤维的掺量至2.0%时，混凝土的动强度虽然有所增强，但比较1.5%掺量时，增强效果不明显。在工程中可以选择1.5%作为钢纤维混凝土的最佳掺量。

参考文献

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作者简介：高原（1989—），男，空军勤务学院学员二队硕士研究生，研究方向：作战工程保障；张伟（1969—），男，空军勤务学院机场工程与保障系教授，博士，研究方向：作战工程保障。