高延性混凝土轴心抗拉试验研究*

韩军 刘平

(扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225009)

摘要：近年来增大混凝土的变形，改善混凝土的脆性，越来越引起国内外学者的重视。本文通过在混凝土中添加纤维，使混凝土在轴心受拉过程中呈现多裂缝开展的破坏形态，以增大混凝土的变形的目的。试验结果表明：纤维体积掺量为2%时的混凝土抗拉强度比普通混凝土提高了173%，极限拉伸应变是普通混凝土的24倍，应力应变全曲线也表现出良好的“应变硬化”现象。

关键词：混凝土；轴心抗拉；高延性

Study on high-ductility concrete by axis tensile experiment

Han Jun Liu Ping

（College of Civil Science and Engineering, Yang Zhou University, 225009, Yangzhou, Jiangsu）

Abstract: In recent years, increasing the deformation of concrete to improve the brittleness of concrete has attracted more and more attention at home and abroad. In this paper, through adding fibers to the concrete, the concrete in the axis of tension cracks carry out the destruction of more cracks forms, so as to increase the deformation of concrete .The experimental results show that: when the fiber volume content is 2%,the concrete tensile strength increases by 173% then the ordinary concrete, the tensile strain of the experimental concrete is 24 times then that of ordinary concrete. The whole stress-strain curves shows good "strain hardening" phenomenon.

Key words: concrete; tensile axis; high ductility

引言

钢筋混凝土结构是土木工程中应用广泛的结构形式，钢筋混凝土由两种力学性能不同的材料——钢筋和混凝土组合成整体，共同发挥作用的一种建筑材料。钢筋混凝土梁作为钢筋混凝土结构的一个重要组成元素，其破坏是始于受拉钢筋屈服，虽然在受拉钢筋应力刚达到屈服强度时混凝土受压区应力峰值及边缘的压应变并未达到其极限值，但是随着荷载继续施加，由于钢筋屈服而产生很大的塑性伸长，随之引起混凝土裂缝急剧开展和压碎，结构破坏^［1］。由此可见如果混凝土有足够的变形，则可以有效延长结构的延性工作段，而结构的延性工作段可以有效的耗散地震能量，因此增加混凝土的延性可以提高结构的抗震性能。

随着人们对混凝土的要求越来越高，应用面越来越广，混凝土作为脆性材料，其抗拉性能低仍是工程中一个难题。虽然研制出来的高性能和超高性能混凝土，能大幅地提升混凝土的抗压强度，但是对其抗拉性能尤其是混凝土的延性却几乎没有什么提高，鉴于这种情况，增大混凝土的变形，改善混凝土的脆性，越来越引起国内外学者的重视。有关大变形混凝土的研究，目前国内外的技术路线主要通过在水泥基混凝土中添加适当的外加填料，以改善混凝土的变形能力，主要外加填料有：橡胶微粒、胶乳（latex）类聚合物和纤维等^[2]。

关于混凝土性能的研究长期以来人们主要侧重于抗压强度的研究，对抗拉性能的研究由于试验方法的限制也仅仅局限于劈拉强度的研究，直到20世纪60年代以前，对混凝土抗拉性能的试验研究只限于抗拉强度值和应力－应变的上升段曲线，因而是不完整的。此后，随着研究的不断深入和试验手段的改进，实现了混凝土受拉应力—应变全曲线的量测，才更全面、深入地揭示了混凝土受拉变形和破坏过程的特点，建立了全曲线方程，为混凝土结构受力全过程的准确分析提供了必要的本构关系^[3]。

与强度相比，混凝土受力破坏过程中的应力—应变全曲线更全面地反映了混凝土的力学性能，是混凝土在各个受力阶段的变形、内部微裂缝的发展、强度极限、最终破坏等一系列变化过程的完整的宏观反映；为研究和分析混凝土结构和构件承载力和变形提供了必要参数；同时也为改善混凝土的性能提供了材性依据。

本文拟在普通混凝土配合比的基础上，取消粗骨料，采用粒径小于5mm的细骨料，并加入不同掺量的聚丙烯纤维以使得混凝土基体多裂缝开展达到增加混凝土延性的效果。文中对纤维体积掺量分别为0%、0.5%、1%、1.5%、2%的混凝土轴心抗拉应力-应变曲线进行比较和分析，研究纤维掺量的不同对混凝土单轴力学性能、延性和破坏形态的影响。

1、试验设计

1.1试验用纤维及配合比

本试验采用深圳市维特耐工程材料有限公司生产的维克（VICK）纤维。VICK纤维以聚丙烯为原料，经特殊的生产工艺及表面处理技术，确保其在混凝土中具有极佳的分散性及与水泥基体的握裹力，且抗老化性好。主要技术指标见表1-1，配合比见表1-2

表1-1   VICK纤维物化特性

项目名称	技术指标	项目名称	技术指标
材料	聚丙烯	纤维类型	束状单丝
比重	0.91	吸水性	无
熔点	160℃~172℃	抗拉强度	＞358MPa
安全性	无毒材料	弹性模量	＞3900 MPa
抗酸碱性	极高	拉伸极限	＞45%
导电性	低	纤度	2.08~15D
导热性	低	规格	19mm、9mm、6mm

表1-2  试验配合比

水泥	水	砂	硅灰	减水剂
1	0.42	1.43	0.05	0.08

1.2  试件制作

目前很多研究者对于能够实现混凝土的轴心抗拉想出了很多办法，而且通过这些试验方法确实也能得到很好的效果，表1-3列举了众多的试验方法：

 

表1-3  轴拉试验方法及试件简图

本文采用表1-3中的第一种方法：试件通过定制加工的套头与试验机夹具相连接的，在套头与连接杆之间设置铰接，尽量减少因偏心而产生的弯矩，降低试验失败概率。图1-1为套头与试验机夹具连接。图1-2为试件实物。

            

图1-1试件与试验机的连接             1-2 试件实物

本文试验按纤维体积掺量0% 0.5% 1% 1.5% 2%各做一组试件，每组有3个试件，共15个试件。

2、试验结果与分析。

如图1~3为体积纤维掺量分别是0%、0.5%、1%、1.5%、2%的混凝土轴心受拉应力-应变全曲线，图1~4为试件破坏形态。

图1-3纤维掺量为0%~2%的混凝土轴心应力-应变曲线

表1-4   轴心抗拉强度及拉伸应变值

              

（0%）    （0.5%）     （1%）     （1.5%）    （2%）

图1-4 纤维掺量为0%~2%的混凝土轴心受拉破坏形态

表1-5   轴心抗拉裂缝描述

在轴心受拉过程中，裂缝往往会在基体中的某一个缺陷处产生，并随着荷载的增加而迅速贯穿整个试件截面。由于受试件的缺陷大小和基体材质等多方面的影响，裂缝的产生位置和扩展速度是随机的。当荷载增大到某个值后，将在试件表面产生第一条宏观裂缝。

对于纤维混凝土来说，在开裂前，荷载由混凝土基体和基体中的纤维共同承担，在初裂后，这些纤维可以将基体所承担的荷载部分地分担出来。纤维通过与基体的粘结面而将荷载传递给基体。如果纤维能承担足够大的荷载，那么就能使基体在初裂后再次产生裂缝，直到试件上布满了很多平行裂缝而破坏。在整个过程中，由于基体内部的纤维和在裂缝产生后在裂缝间起桥接作用的纤维共同作用，其纤维混凝土的极限抗拉强度大大高于没掺纤维的普通混凝土。而这种在初裂缝产生后，其应力依然随着应变的增加而增长的现象称为混凝土的“应变硬化”^[4-7]。

从图1-3中的普通混凝土应力应变全曲线可以看出，当混凝土达到峰值荷载后，承载力急剧下降，曲线下降段非常陡峭，在混凝土初裂后几乎没有任何承载力。从表1-4可以看出掺入了0.5%纤维的混凝土与普通混凝土相比，极限拉应力提高了41%，这与纤维在混凝土开裂过程中所起的作用有很大的关系，纤维在混凝土中的主要作用是在混凝土开裂初期抑制裂缝的产生，同时增加混凝土的密实度，但是由于纤维掺量比较小，纤维在裂缝间的桥接力小于混凝土的开裂荷载，所以其轴心抗拉应力-应变曲线上，其极限拉应力有了较大的提高。

从体积掺量1%时的混凝土应力-应变全程曲可知：在受拉开始阶段，混凝土的应力-应变是成线性关系的，因为这个阶段中，纤维混凝土还处于弹性阶段。而当应力达到3.7MPa时，其应力开始出现第一个陡降，此时在试件根部出现了第一条裂缝，裂缝宽度很小；随着荷载的增加当应力上升到3MPa时再次经历了一次轻微的陡降和上升，然后应力开始稳定，试件上的主裂缝已经形成。在应变由0.003增加到0.0075过程中，试件的主裂缝上方和下方均出现了多条裂缝，而当应变再继续增长时，其应力随着应变的增加而下降，混凝土进入应力软化阶段。从整个过程来分析，纤维在混凝土中的作用也仅仅是维持了一段应力恒定的作用，然后混凝土就进入了应力软化阶段。但是相对于素混凝土，掺入了1%纤维的混凝土的初裂抗拉强度、极限抗拉强度、和极限抗拉应变都有了很大的提高（见表1-4）。这说明掺入1%纤维后，混凝土的韧性得到了很大的提高。

纤维掺量1.5%和2%的混凝土的轴心受拉应力-应变曲线与纤维掺量小于1.5%的混凝土的应力-应变曲线有很大的不同，尤其是纤维掺量为2%的应力-应变曲线有较明显的应变强化段，从破坏过程来看，初始裂缝并不是主裂缝，在主裂缝产生以后，在主裂缝上、下等几个地方先后产生了很多细小的裂缝，形成了多裂缝开裂的现象（见表1-5），可以将掺量为2%的混凝土开裂过程分为以下几个阶段：

（1）弹性阶段

不同纤维体积率的试件在开裂前具有基本相同的应力-应变关系，此时由混凝土和纤维共同承担荷载，此时混凝土中的纤维一方面能增加混凝土的抗拉强度，很好的抑制裂缝的产生，降低应力集中现象。另一方面能起到填充的作用，改善界面作用。

（2）裂缝产生并稳定开展阶段

随着荷载的增加，由于水泥基体的极限拉伸应变很小，纤维和基体变形不同步，基体产生裂缝，并且随着荷载的继续增加裂缝不断扩展蔓延，在其裂缝尖端前缘附近形成微型裂缝区，随着荷载的继续增加微裂缝区中的诸多裂缝继续发展并且相互连通和贯穿形成宏观裂缝，这与纤维混凝土(FRC)有很大的不同，因为纤维混凝土(FRC)在第一个峰值出现后，其应力随着应变的增长而急剧下滑，并很快断裂。在第二阶段上，应力值总体趋势上是随着应变的增长而逐渐增加，并且在曲线上表现出很多的锯齿状起伏，这些都是裂缝产生和扩展的证明。而在试件上显示为在第一条裂缝的上方出现了第二条、第三条……裂缝。在这个阶段上，最主要的特征是在应力保持基本不变的情况下，应变继续增加，有水泥基体将应力传递给纤维，再由纤维将应力返递给未开裂的水泥基体，因纤维与水泥基体相互间的往复传递应力而在水泥基体中形成了大量的细微裂缝，成为多裂缝区。

随着荷载的继续增加，应变继续增大，微裂缝的数量也继续增多，不同裂缝之间相互贯通，形成宏观裂缝，纵跨裂缝的纤维承受较大的拉力，部分纤维逐渐被拔动，试件中的应力和变形分布极不均匀。此时，试件上其他裂缝相继产生，在此过程中，产生了所谓的“应变硬化”现象，即应力随着应变增加而继续增大，而由于其他裂缝的产生抑制了主裂缝的扩展。

（3）应力软化阶段

当应力过了极限拉应变后不久，应力开始下降，而这时主裂缝也继续扩展，并逐渐开始贯穿混凝土。临界破坏面不断发展加宽，纤维逐渐被拉断或拔出，而其他部位一般不再破裂。试件上的荷载主要由纤维承受，随着变形进一步增加，已拔出的纤维数量增多，拉应力逐渐降低。值得注意的是，进入软化段后，变形集中在试件的局部破坏面上，应力-应变曲线的形状主要受纤维掺量的影响，纤维掺量越大，下降段越趋于平缓。

从整个应力-应变全曲线图分析，之所以会出现“应变硬化”现象及主裂缝产生后期其应力随着应变呈阶梯状下降，主要有以下几个方面的原因：

（1）由于在混凝土中掺入了纤维，这种纤维在混凝土的弹性阶段即混凝土开裂前有很大的阻裂效果，能最大程度上限制其初裂缝的产生，因此其初裂点出现时的应力值较普通混凝土的有较大提高。

（2）之所以会出现“应变硬化”现象，主要是在混凝土中掺入了纤维缘故，纤维不但在混凝土开裂初期能起到抑制裂缝产生的作用，更能在其裂缝产生以后，起到抑制裂缝扩展的作用，在裂缝间起到“搭桥”效果。所以，当第一条裂缝产生以后，由于纤维的存在，抑制了其裂缝的再扩展，同时，在开裂面的其他地方，由于混凝土的抗拉强度不高，因而产生了多条裂缝，这样就出现了虽然其应变在不断的增大，但是其应力却保持不变甚至有所提高。

(3)当裂缝到达一定宽度以后，其纤维一部分被拨出，一部分被拉断。因此即出现了第三阶段的应力下降，在这个过程中，主裂缝不断扩展，并逐渐贯穿混凝土。当应力下降到一定的程度时（小于纤维拔出所需的应力），由于内部的纤维的作用，其应力又会随着应变的增加而逐渐变大，等应力到达足以拔出纤维时，应力再次下降，也就形成了所谓的阶梯状下降。

3、结论

轴心抗拉试验结果可以得出：纤维体积掺量对混凝土的混凝土的轴心抗拉强度和拉伸应变值有不同程度的影响，随着纤维体积率的增加，混凝土的轴心抗拉强度和拉伸应变值也随之增加，当纤维体积掺量为2.0%时，混凝土的轴心抗拉强度相比普通混凝土提高了173%，拉伸应变值达到了0.06是普通混凝土的24倍。从试件破坏形态来看，普通混凝土一裂就坏，而掺入纤维后的混凝土随着纤维的体积率的增加，逐渐呈现出延性破坏，当纤维掺量达到2.0%时，在轴心抗拉过程中表现出良好的延性破坏特征，试件表面有数条宏观裂缝，并且在这些宏观裂缝的上下伴随着许多细小的微裂缝，应力应变曲线也表现出良好的“应变硬化”现象。

参考文献：

[1] 蓝宗建等．混凝土结构与砌体结构．上海:东南大学出版社，2003

[2] 周卫明．不同屈服点钢筋混凝土结构耗能铰的试验研究．扬州大学硕士学位论2008.2~3

[3] 宋焱．级配纤维超高性能混凝土抗拉性能研究．湖南大学硕士学位论文2006.60

[4] 单波.活性粉末混凝土基本力学性能的试验与研究:[湖南大学硕士学位论文].湖南:湖南大学土木工程学院,2002,13-14

[5] 高丹盈,黄承逵.钢纤维混凝土抗拉性能的试验研究.郑州工业院学报,1991,12(2):23-28

[6] 韩嵘.钢纤维抗拉性能试验研究:[华北水利水电学院硕士学位论文].福建:华北水利水电学院土木工程学院,2004,29-31

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