钢纤维高强混凝土单轴压缩下应力_应变关系

第31卷第2期2001年3月　　　　　　

东南大学学报(自然科学版)

JOURNA L OF S OUTHE AST UNIVERSITY (Natural Science Edition )

V ol 131N o 12Mar. 2001

应变关系

严少华1　钱七虎1　孙　伟2　尹放林1

(1解放军理工大学人防工程系, 南京210007) (2东南大学材料科学与工程系, 南京210096)

摘要:在实际工程中推广应用钢纤维高强混凝土, 103型

液压伺服刚性压力试验机, 对钢纤维含量为0范围的4种钢纤维高强混凝土, . 结合试验给出全曲线的方程, . 试验表明, 当钢纤维长度大于, , 是一种优良的新型关键词:; 应变关系; 抗压强度; 弹性模量中图分类号:TU5281572; T B302　　文献标识码:A　　文章编号:1001-0505(2001) 0220077204近20年来, 制造100MPa 甚至更高强度的混凝土已经没有困难. 但混凝土强度增加, 其脆性也加大. 为克服这种缺陷, 人们研制了钢纤维高强混凝土[1]. 钢纤维混凝土中钢纤维含量越高, 增强作用越明显, 但均匀分布钢纤维的难度越大. 普通钢纤维混凝土的钢纤维含量一般在3%以下. 最新研究表明, 钢纤维高强混凝土, 特别是中高含量的钢纤维高强混凝土, 具有良好的抗冲击性能, 在军事工程方面有着良好的应用前景[2].

应变关系是混凝土材料的基本力学特性. 目前已经对高强混凝土[3,4]、普通钢纤维混凝土[5,6]以及低含量钢纤维高强混凝土[7]的压缩应力应变关系进行了试验, 但对中高含量钢纤维高强混凝土的试验还比较少见.

本文采用MTS815103型液压伺服刚性压力试验机, 对钢纤维含量V f 分别为0%,3%和6%, 抗压强度在65～120MPa 范围的钢纤维高强混凝土, 进行单轴压缩荷载作用下的应力应变全过程试验, 根据试验分析了钢纤维对抗压强度、弹性模量、韧度、泊松比等的影响, 并给出全曲线的方程.

1　试验及分析

1. 1　试件制备

　　4种不同含量或不同长径比钢纤维的钢纤维高强混凝土试件的配合比见表1.

其中, 水泥为江南水泥厂生产的金宁羊525#水泥, 粗骨料为南京白云石矿生产, 粉煤灰为南京热电厂生产, 减水剂为南京水泥科学院生产, 钢纤维为江苏省武进市东南新型建筑材料厂生产, 长径比l f /d f 有20和60两种, 长度l f 分别为9mm 和24mm.

每一系列混凝土试件均为3个. A ,B 系列试件由尺寸

为300mm ×300mm ×200mm 的钢纤维高强混凝土靶体取芯得到, 最大粗骨料尺寸l j 为20mm ;C ,D 系列试件由内径为50mm 、高度为120mm 的模具浇铸得到, 初期采用蒸汽养护, 最大粗骨料尺寸l j 为10mm. 圆柱体试件浇铸方向为竖向, 试件编号及物理特性如表2所示.

　收稿日期:2000209221. 　作者简介:严少华, 男, 1966年生, 博士研究生.

　基金项目:国家自然科学基金资助项目(59708012) .

A B C D

表1　钢纤维高强混凝土配合比　kg/m 3

系列水泥粗骨料

[1**********]6

[1**********]2

砂

[1**********]0

水

[1**********]1

粉煤灰钢纤维

[1**********]4

234234468

　944

1. 2　试验结果

东南大学学报(自然科学版) 第31卷

　　MTS815103型液压伺服刚性压力试验机可进行混凝土、岩石等的单轴、三轴压缩试验, 最大轴向出力5000kN , 加载速率范围10

-2

表2　试件物理特性

系列

试件

编号

522-1

522-2522-363-1

63-263-31119-1C

1119-21119-3D

1120--直径/

高度/

龄期/

d [***********]120120120

密度/

V f /%l f /d f l f /mm L j /mm

(g ・mm -3)

2. 422. 412. 422. 572. 542. 542.

722. 692. 73

～10

-7

-1

50. 05100. 2450. 01100. 0750. 03100. 3050. 08100. 4050. 04100. 5050. 00100. 2049. 78100. 100. 702090121. 50

, 试验机件力

——20

柱与支柱的刚度为1110G N/m.

试验采用单轴压缩方式进行. 在试件上分别安装轴向应变硅、链条式环向应变硅及一个差动变换器LVDT , 用于测量轴向应变及环向应变. 上升段加载由轴向应变控制, 下降段加载由环向应变控制,2, 应变率大小见表3.

应变全过程曲线, A ,B ,C ,D 四个系列试件轴向应力应变全曲线分

别见图1(a ) () 图1　混凝土试件应力应变曲线

根据试验曲线可得试件抗压强度σ峰值应变ε弹性模量E 、泊松比ν、韧度R 等参数. 抗压强度即0、0、轴向应力应变曲线上最大应力值, 峰值应变即最大应力对应的应变值.

弹性模量是应力应变曲线弹性段的斜率, 描述方法有初始模量E I 、割线模量E s 、切线模量E t 和混合模量E c 等多种. 本文采用混合模量, 即轴向应力应变曲线上升段上对应压缩强度40%和60%两点连线的斜率, 计算公式为

　　E c =εε

2-1

σ式中, 下标1和2分别表示曲线上对应0. 4σ0和0160的两点; S 表示轴向应力; ε为轴向应变.

泊松比ν定义为径向应变与轴向应变之比, 可由下式计算:

S -S (1)

第2期

εt -εt ν=　　ε2-ε1

式中, εt 表示径向应变.

严少华等:钢纤维高强混凝土单轴压缩下应力应变关系Ξ

(2)

韧度R 为轴向应力应变曲线下的面积, 应变曲线方程积分得到. 经比较, 采用文献[8]推荐的方程能较好拟合试验曲线, 拟合方程为　　y =　　y =

k 1(x -1) 2+x

k 2(x -1)

　　0≤x ≤1　　x >1

(3) (4)

其中, y =σ, x =ε.

(4) 进行积分对式(3) 、

(5) ln (kx 2-+x k ) +-1+C

2k 1k -1

, ～60. 可以证明, k 值越小, 应力应变曲线越平缓. 韧度计算公

　　y d x =

∫

式为

ε　　R =σ00

y d x

∫

(6)

试验及分析结果见表3.

表3　试验及结果

系列

编号

522-1

522-2522-363-1

63-263-31119-1

1119-21119-31120-1

1120-21120-3

应变率/s -1轴向环向

1×10-41×10-41×101×101×10

-4

σ0/MPa

65. 565. 466. 094. 996. 294. 3104. 8105. 2101. 3112. 8113. 9119. 8

103ε03. 252. 322. 576. 306. 116. 043. 243. 872. 773. 063. 984. 09

0. 230. 230. 340. 250. 250. 240. 220. 100. 220. 220. 230. 21

E c /GPa k 1k 2

5×10-45×10-45×105×101×10

-4

30. 4733. 7435. 4823. 2028. 4029. 2945. 6746. 4843. 7548. 4847. 5541. 25

5. 055. 304. 241. 330. 931. 024. 776. 151. 992. 170. 411. 47

17. 6216. 2452. 621. 263. 502. 915. 125. 582. 881. 303. 741. 92

1×10-4

-4

5×10-4

-4

1×10-4

-4

5×10-4

-4

1×10-4

-3

1×10-4

-3

-4-4

　　对每个系列钢纤维高强混凝土, 其力学性能由试验结果取中间值, 结果见表4.

表4　试件材料的特性参数

系列

A B C D

σ0/MPa

6695105114

103ε02. 576. 113. 243. 98

E c /GPa ν

0. 230. 250. 220. 22

R k 1k 2

33. 7428. 4045. 6747. 55

127. 71117. 7388. 61057. 7　5

　1　5　1. 5

16352

　　拟合曲线与试验曲线比较见图1, 不同系列钢纤维混凝土的应力应变曲线比较见图2.

2　结　论

从表4及图2的定量分析, 应变曲线的一些规律:1) 钢纤维高强混凝土的压缩强度随钢纤维含量的增加而显著提高, 但并不随钢纤维含量或长径比线

性提高.

2) 钢纤维含量一定时, 钢纤维高强混凝土的峰值应变、韧度随钢纤维长径比增加而增加, 而抗压强度变化较小; 钢纤维长径比一定时, 钢纤维高强混凝土峰值应变、韧度随钢纤维含量增加而增加.

东南大学学报(自然科学版) 第31卷

3) 当钢纤维长度与最大集料尺寸在10mm 以下时, 钢纤维

高强混凝土弹性模量随钢纤维含量增加而增加; 当钢纤维长度与最大集料尺寸在20mm 以上时, 钢纤维高强混凝土的弹性模量随钢纤维含量增加而减少.

4) 钢纤维高强混凝土的泊松比随钢纤维含量及长径比的变化较小, 可近似用同配比的高强混凝土泊松比替代.

采用普通的搅拌和振动工艺配制出了含量为3%、尺寸为300mm ×300mm ×200mm 的钢纤维高强混凝土, 和相应高强混

凝土相比, 其强度和韧度均显著提高, 具有较高的实用价值; 随图　4应变曲线

比较着混凝土外加剂及工艺的改进, 配制大体积、高强混凝土将变得更加现实.

参

1　孙　伟, 严. 土木工程学报,1992,27(5) :20～26

2　陆渝生, , , 等. 夹钢球钢纤维砼的抗侵彻试验研究. 爆炸与冲击,1999,71(1) :60～65

3　Carrasquillo R on A H , S late F O. Properties of high 2strength concrete subjected to short 2term loads. ACI Journal Proceedings ,

1981, 78(3) :171～1784　Wee T H , Chin M S , Mansur M A. S tress 2strain relationship of high 2strength concrete in com pression. Journal of Materials in Civil En 2gineering , 1996, 8(2) :70～755　Faella D A , Naaman A E. S tress 2strain properties of fiber rein forced m ortar in com pression. ACI Journal , 1985,82(4) :475～4836　Najm H S , Naaman A E. Prediction m odel for elastic m odulus of high 2per formance fiber rein forced cement 2based com posites. ACI Ma 2terials Journal ,1995,92(3) :304～3137　Mansur M A , Chin M S , Wee T H. S tress 2strain relationship of high 2strength fiber concrete in com pression. Journal of Materials in Civ 2il Engineering , 1999, 11(1) :21～288　杨木秋, 林　泓. 混凝土单轴受压受拉应力应变全曲线的试验研究. 水利学报,1992(6) :60～66

Stress 2Strain R elationship of H igh 2Strength Steel Fiber

R einforced Concrete in Compression

Y an Shaohua 1　Qian Qihu 1　Sun Wei 2　Y in Fanglin 1

(1Department of Civil Defence , University of Science and T echnology of P LA , Nanjing 210007) (2Department of M aterial Science and Engineering , S outheast University , Nanjing 210096)

Abstract :　It is necessary to research the basic mechanical performance in order to use high 2strength steel fiber rein 2forced concrete (HSFC ) in practical engineering. T ests are conducted to characterize the stress 2strain relationship of HSFC in com pression by MTS815103rock testing machine. The concrete strength investigated ranges from 65to 120MPa and the v olume fraction of steel fiber ranges from 0to 6%.Based on the test data , an analytical m odel is pro 2posed to generate the com plete stress 2strain curve for HSFC. The elastic m odulus and toughness and P oiss on ’s ration of HSFC are als o calculated in this paper. It is als o proved by tests that HSFC is a g ood building material with high strength and high toughness when steel fibers are longer than the size of aggregate in concrete.

K ey w ords :　high 2strength steel fiber reinforced concrete ; stress 2strain relationship ; com pressive strength ; elastic

m odulus

第31卷第2期2001年3月　　　　　　

东南大学学报(自然科学版)

JOURNA L OF S OUTHE AST UNIVERSITY (Natural Science Edition )

V ol 131N o 12Mar. 2001

应变关系

严少华1　钱七虎1　孙　伟2　尹放林1

(1解放军理工大学人防工程系, 南京210007) (2东南大学材料科学与工程系, 南京210096)

摘要:在实际工程中推广应用钢纤维高强混凝土, 103型

1　试验及分析

1. 1　试件制备

　　4种不同含量或不同长径比钢纤维的钢纤维高强混凝土试件的配合比见表1.

每一系列混凝土试件均为3个. A ,B 系列试件由尺寸

　收稿日期:2000209221. 　作者简介:严少华, 男, 1966年生, 博士研究生.

　基金项目:国家自然科学基金资助项目(59708012) .

A B C D

表1　钢纤维高强混凝土配合比　kg/m 3

系列水泥粗骨料

[1**********]6

[1**********]2

砂

[1**********]0

水

[1**********]1

粉煤灰钢纤维

[1**********]4

234234468

　944

1. 2　试验结果

东南大学学报(自然科学版) 第31卷

　　MTS815103型液压伺服刚性压力试验机可进行混凝土、岩石等的单轴、三轴压缩试验, 最大轴向出力5000kN , 加载速率范围10

-2

表2　试件物理特性

系列

试件

编号

522-1

522-2522-363-1

63-263-31119-1C

1119-21119-3D

1120--直径/

高度/

龄期/

d [***********]120120120

密度/

V f /%l f /d f l f /mm L j /mm

(g ・mm -3)

2. 422. 412. 422. 572. 542. 542.

722. 692. 73

～10

-7

-1

50. 05100. 2450. 01100. 0750. 03100. 3050. 08100. 4050. 04100. 5050. 00100. 2049. 78100. 100. 702090121. 50

, 试验机件力

——20

柱与支柱的刚度为1110G N/m.

应变全过程曲线, A ,B ,C ,D 四个系列试件轴向应力应变全曲线分

别见图1(a ) () 图1　混凝土试件应力应变曲线

　　E c =εε

2-1

σ式中, 下标1和2分别表示曲线上对应0. 4σ0和0160的两点; S 表示轴向应力; ε为轴向应变.

泊松比ν定义为径向应变与轴向应变之比, 可由下式计算:

S -S (1)

第2期

εt -εt ν=　　ε2-ε1

式中, εt 表示径向应变.

严少华等:钢纤维高强混凝土单轴压缩下应力应变关系Ξ

(2)

韧度R 为轴向应力应变曲线下的面积, 应变曲线方程积分得到. 经比较, 采用文献[8]推荐的方程能较好拟合试验曲线, 拟合方程为　　y =　　y =

k 1(x -1) 2+x

k 2(x -1)

　　0≤x ≤1　　x >1

(3) (4)

其中, y =σ, x =ε.

(4) 进行积分对式(3) 、

(5) ln (kx 2-+x k ) +-1+C

2k 1k -1

, ～60. 可以证明, k 值越小, 应力应变曲线越平缓. 韧度计算公

　　y d x =

∫

式为

ε　　R =σ00

y d x

∫

(6)

试验及分析结果见表3.

表3　试验及结果

系列

编号

522-1

522-2522-363-1

63-263-31119-1

1119-21119-31120-1

1120-21120-3

应变率/s -1轴向环向

1×10-41×10-41×101×101×10

-4

σ0/MPa

65. 565. 466. 094. 996. 294. 3104. 8105. 2101. 3112. 8113. 9119. 8

103ε03. 252. 322. 576. 306. 116. 043. 243. 872. 773. 063. 984. 09

0. 230. 230. 340. 250. 250. 240. 220. 100. 220. 220. 230. 21

E c /GPa k 1k 2

5×10-45×10-45×105×101×10

-4

30. 4733. 7435. 4823. 2028. 4029. 2945. 6746. 4843. 7548. 4847. 5541. 25

5. 055. 304. 241. 330. 931. 024. 776. 151. 992. 170. 411. 47

17. 6216. 2452. 621. 263. 502. 915. 125. 582. 881. 303. 741. 92

1×10-4

-4

5×10-4

-4

1×10-4

-4

5×10-4

-4

1×10-4

-3

1×10-4

-3

-4-4

　　对每个系列钢纤维高强混凝土, 其力学性能由试验结果取中间值, 结果见表4.

表4　试件材料的特性参数

系列

A B C D

σ0/MPa

6695105114

103ε02. 576. 113. 243. 98

E c /GPa ν

0. 230. 250. 220. 22

R k 1k 2

33. 7428. 4045. 6747. 55

127. 71117. 7388. 61057. 7　5

　1　5　1. 5

16352

　　拟合曲线与试验曲线比较见图1, 不同系列钢纤维混凝土的应力应变曲线比较见图2.

2　结　论

从表4及图2的定量分析, 应变曲线的一些规律:1) 钢纤维高强混凝土的压缩强度随钢纤维含量的增加而显著提高, 但并不随钢纤维含量或长径比线

性提高.

东南大学学报(自然科学版) 第31卷

3) 当钢纤维长度与最大集料尺寸在10mm 以下时, 钢纤维

高强混凝土弹性模量随钢纤维含量增加而增加; 当钢纤维长度与最大集料尺寸在20mm 以上时, 钢纤维高强混凝土的弹性模量随钢纤维含量增加而减少.

4) 钢纤维高强混凝土的泊松比随钢纤维含量及长径比的变化较小, 可近似用同配比的高强混凝土泊松比替代.

采用普通的搅拌和振动工艺配制出了含量为3%、尺寸为300mm ×300mm ×200mm 的钢纤维高强混凝土, 和相应高强混

凝土相比, 其强度和韧度均显著提高, 具有较高的实用价值; 随图　4应变曲线

比较着混凝土外加剂及工艺的改进, 配制大体积、高强混凝土将变得更加现实.

参

1　孙　伟, 严. 土木工程学报,1992,27(5) :20～26

2　陆渝生, , , 等. 夹钢球钢纤维砼的抗侵彻试验研究. 爆炸与冲击,1999,71(1) :60～65

3　Carrasquillo R on A H , S late F O. Properties of high 2strength concrete subjected to short 2term loads. ACI Journal Proceedings ,

Stress 2Strain R elationship of H igh 2Strength Steel Fiber

R einforced Concrete in Compression

Y an Shaohua 1　Qian Qihu 1　Sun Wei 2　Y in Fanglin 1

(1Department of Civil Defence , University of Science and T echnology of P LA , Nanjing 210007) (2Department of M aterial Science and Engineering , S outheast University , Nanjing 210096)

K ey w ords :　high 2strength steel fiber reinforced concrete ; stress 2strain relationship ; com pressive strength ; elastic

m odulus

钢纤维高强混凝土单轴压缩下应力_应变关系

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