纤维混凝土抗拉强度实验设计 1. 实验概况
本实验的主要研究内容为使用A、B两种钢纤维的钢纤维混凝土的抗拉强度及其单轴单调抗拉时的本构关系。研究钢纤维种类，钢纤维掺量，水灰比，掺合料种类及掺量对钢纤维混凝土抗拉强度及本构关系的影响。本实验所有水泥均选用42.5级普通硅酸盐水泥[1]，并依照减水剂厂家提供的资料使用减水剂。所有试块使用同一批次的连续级配的砂和碎石。
钢纤维混凝土一般用于高层建筑梁柱节点等重要区域，所用的混凝土强度等级一般较高。加之钢纤维的加入使得混凝土的和易性急剧变差，必然需要加入较多的掺和料。因此本实验设计了粉煤灰和硅粉对纤维混凝土性能影响的相关实验。
2. 考虑因素
2.1. 纤维种类
本实验选用A、B两种钢纤维。
2.2. 水灰比
本实验采用0.5、0.45、0.4、0.35、0.3共五种水灰比[2-3]。
2.3. 钢纤维体积掺量
本实验采用钢纤维从0到2%，以5%递增。共计五种纤维体积掺量[2-3]。
2.4. 掺合料类型
本实验采用粉煤灰和硅粉两种掺合料。分别采用等量取代水泥和150%超量取代两种配制方式。粉煤灰取10%和20%两种取代量。硅粉取5%和10%两种取代量。[4]
3. 试验方法
采用IBM SPSS 19.0.0 进行正交试验设计[5]。具体实验设计参数见表1.
表1 实验因素和水平
纤维类 型 1 A 2 B 3 4 5
水灰比
0.50 0.45 0.40 0.35 0.30
纤维掺量 0.00% 0.50% 1.00% 1.50% 2.00% 粉煤灰掺量 0 10%等量 10%超量 20%等量 20%超量 硅粉掺量 0 5%等量 5%超量 10%等量 10%超量
SPSS 输出的正交试验表的截图及图表见图1 及表2.
图1 正交试验设计结果
表2 正交试验设计
实验组 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
纤维类型 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 2 2 2 1 1 1 2 1 1 1 2 2 2
水灰比 2 5 4 2 5 3 1 2 1 1 1 2 5 4 1 3 4 3 5 2 4 3 3
钢纤维体积掺量 5 2 5 4 5 5 4 3 2 1 5 1 3 4 3 4 3 3 1 2 2 2 1
硅粉掺量 1 1 2 3 5 4 5 5 4 1 3 4 4 4 2 1 1 3 3 2 3 5 2 粉煤灰掺量 2 5 1 1 3 4 4 5 2 1 5 3 1 5 3 3 4 2 4 4 3 1 5
24 25
1 2 4 5 1 4 5 2 2 2
4. 测试方法
本实验的研究目的主要在于获取钢纤维混凝土的全抗拉曲线并获得其与立方体抗压强度之间的关系。为获取钢纤维混凝土的抗拉本构关系，需进行刚性轴拉试验[6]。轴心抗拉强度试验采用简单易行的端部埋设钢筋的方法, 精确加工试模, 保证试件几何对中, 每组浇筑试件3个。设计的试件形状和尺寸如图2所示, 试件在端部加大, 中间受拉区截面尺寸为100 mm×100mm。为防止变截面应力集中, 减小缺陷的影响, 中间受拉区向端部缓慢过渡, 连接段为圆弧形。试件用钢模在振动台上浇筑成型, 1d后拆模, 标准养护28 d后试验。
图 2试件尺寸
为了获取混凝土抗拉全过程曲线，需要采用刚性实验装置，其原理如图3所示。
每组实验在浇筑时均需同时浇筑3个150mm*150mm*150mm的标准抗压试块。并与抗拉试块同条件养护。同龄期进行实验。
5. 测试内容
测试各组试件受拉的应力-应变曲线及对应的立方体抗拉试块的抗压强度。
6. 数据处理
6.1. 上升段
对于普通混凝土的受拉应力-变形曲线上升段，过镇海等建议采用如下公式[7]：
y=1.2x−0.2𝑥6
其中1.2位割线弹性模量与切线弹性模量之比。考虑到纤维混凝土材料的特殊性，宜对其切线模量与割线模量之比重新计算。上述比值可以由实验结果直接读出，记为a,则上述公式可以化成：
y=ax−b𝑥𝑐
经恒等变形，可以化为如下的线性形式：
y−ax=ln(b)+cln(x)
在已知a的前提下，对上述等式进行最小二乘拟合，可以求出参数b、c。
6.2. 下降段
对于普通混凝土的受拉应力-变形曲线下降段，过镇海等建议采用如下公式[7]：
𝑥
y=
𝛼𝑡(𝑥−1)𝑑+𝑥经恒等变形，可以化为如下的线性形式：
𝑥
−𝑥=ln(𝛼𝑡)+𝑑𝑙𝑛(𝑥−1) 𝑦
根据实验结果，对上述等式进行最小二乘拟合，求出参数𝛼𝑡、d。即可得到纤维混凝土的下降段本构关系。
参考文献
[1] 张廷毅,汪自力,朱海堂,等. 多因素影响下铣削型钢纤维混凝土劈裂抗拉强度[J]. 建筑材料学报, 2014, 卷缺失(3): 383-388.
[2] 吴晓龙. 钢纤维混合骨料混凝土抗折性能试验研究[D]. [出版地不详]: 北方工业大学, 2015.
[3] 李晓虎. 钢纤维缓和骨料混凝土抗拉性能试验研究[D]. [出版地不详]: 北方工业大学, 2012.
[4] 管勤,曹进,储可华. 矿物掺合料对塑钢纤维增强水泥混凝土力学性能的影响[J]. 青海交通科技, 2015, 卷缺失(4): 32-34.
[5] 刘瑞江,张业旺,闻崇炜,等. 正交试验设计和分析方法研究[J]. 实验技术与管理, 2010, 卷缺失(9): 52-55.
[6] 韩嵘,赵顺波,曲福来. 钢纤维混凝土抗拉性能试验研究[J]. 土木工程学报, 2006, 卷缺失(11): 63-67.
[7] 过镇海,张秀琴. 砼受拉应力-变形全曲线的试验研究[J]. 建筑结构学报, 1988, 卷缺失(4): 45-53.
