1、层布式钢纤维混凝土抗冲击性能的试验研究摘要：通过对层布式钢纤维混凝土进行抗冲击性能试验，研究了不同层位、不同钢纤维掺量和混凝土集料对混凝土抗冲击性能的影响，试验结果表明，层布式钢纤维对混凝土抗冲击性能有极大的提高作用，并对其增强作用机理进行了探讨。 关键词：钢纤维混凝土 ；自由落锤； 抗冲击性能；试验；研究 中图分类号：TU528.572 文献标识码： A 文章编号： 混凝土作为一种多孔性的脆性材料, 长期以来，在路面混凝土、桥面混凝土等频繁承受动力荷载的结构中，混凝土通常是由于抗冲击性能不足而丧失其使用性能。因此，掌握混凝土的动载性能对设计承受冲击荷载的结构是非常重要的。论文通过对层布式钢纤
2、维混凝土进行抗冲击性能试验，研究了混凝土集料、不同层位、不同钢纤维掺量对混凝土的抗冲击性能的影响，试验结果表明，层布式钢纤维对混凝土抗冲击性能有极大的提高作用。 1 原材料及试验方法 11 原材料 水泥采用 32.5#普通硅酸盐水泥，粗骨料选用粒径为 5mm26.5mm 的连续级配卵石，细骨料选用细度模数为 2.9 的中砂，混凝土配合比见表1。钢纤维采用武汉宝龙恒基材料工程有限责任公司生产的新型钢纤维，技术指标见表 2。 表 1 混凝土配合比 表 2 钢纤维技术指标 12 试验方法 混凝土材料的抗冲击性能是指在反复冲击荷载的作用下，混凝土材料吸收动能的能力。目前国外混凝土抗冲击试验方法主要有爆
3、炸试验(explosive test)、却贝摆锤冲击试(Charpy pendulum test)、射弹试验(projectile impact test)和落锤冲击试验(drop-weight test)。由于落锤冲击试验的简便性，得到了美国 ACI 544 委员会(American Concrete Institute Committee544) 的推荐。我国对钢纤维混凝土的抗冲击性能研究相对较少，没有现成的落锤式冲击试验机。 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程(JTGE30-2005) 等有关规范对路面水泥混凝土抗冲击韧性的试验方法和试验流程也没有作出规定。对此，本次试验采用自制自由落锤冲
4、击试验。 图 1 冲击试验装置 自制自由落锤冲击试验装置（如图 1） 。该方法的试验过程为：制作圆柱体试件，高度 h=64mm，直径 D=150mm，试件浇筑 24h 后脱模，放入标准养护室养护 28d，实验前 4h 将试件从养护室取出晾干。将 1 个4.5kg 重的钢锤自 457mm 的高度自由落下，冲击放置在试件中心的钢球(钢球为传力球，直径 64mm，防止落锤直接砸在试件上造成试件局部破坏)，每完成 1 次冲击即为 1 个循环。仔细观察试件表面，当试件表面出现第1 条裂缝时的冲击次数即为初裂冲击次数 N1。然后继续反复进行冲击循环，直至试件被破坏并与试验装置中 4 块挡板的任意 3 块接
5、触时(或有一条裂缝大于 3mm)，这一冲击次数即为破坏冲击次数 N2。 每组设 6 个平行试件。鉴于混凝土材料的变异性和离散性较大，为保证冲击试验得出数据的可靠性，试验采用格拉布斯法对数据进行取舍，即对每组试件冲击次数 xi 由小到大进行排序，并按式(1)、式(2)计算统计量 g： 当最小值 x1 可疑时，则： (1) 当最大值 xi 可疑时，则： (2) 式中：为冲击次数的算术平均值；x1 为冲击次数的最小值；xi 为冲击次数的最大值；S 为冲击次数的标准偏差。 在显著水平=0.05 下，求得可疑值的临界值 g0 (，n)。若满足式(3)：(3) 则可依值舍去。 式中：n 为每组试件的试件数
6、。当舍弃后试件数小于 3 时，则重新成型试件试验。对于有效数值，取它们的平均值作为结果数值。 然后计算钢纤维混凝土的抗冲击性能(以冲击功计)。 冲击功的计算式为： W = N2 mg h (4) 式中：W 冲击功，J； N2 破坏冲击次数； m钢锤质量 m=4.5 kg； g重力加速度 g=9.8m/s2； h-冲击锤下落高度 h=457mm。 2 钢纤维对混凝土抗冲击性能的影响 通过自由落锤冲击试验反复冲击试件直至破坏，测试混凝土吸收动能的能力。为了深入探讨各层钢纤维对混凝土抗冲击性能的影响，制作了以下几组试件，每组六个平行试件（见表 3） 。 表 3 单层钢纤维混凝土抗冲击试验 图 2 冲
7、击次数与层位的关系图 3 冲击功与层位的关系 从表 3 和图 2、图 3 中可以得到如下结论： (1)布置钢纤维层的混凝土比素混凝土的抗冲击性能有了极大的提高，无论是初裂冲击次数还是终裂冲击次数均有了很大的增加。抵抗的冲击功最大提高了 6.4 倍；在出现初裂缝后吸收功的能力提高了 48.3 倍。在冲击过程中，钢纤维层能有效地减小混凝土的裂隙程度，增强材料介质连续性，减小冲击波被阻断引起的局部应力集中现象，可以阻碍混凝土裂缝的扩展。混凝土初裂后，高性能的钢纤维使混凝土保持一定整体性，继续吸收冲击功，故钢纤维大大提高了混凝土的抗冲击韧性，另外，层布钢纤维混凝土优良的抗冲击性能还表现为裂而不碎的良好
8、抗裂性。 (2)随着钢纤维层的由下到上的层位变化，材料的抗冲击性能提高很明显，而且从图中线段可以看出，随着钢纤维层的逐步上移，终裂次数增长趋势越大，抗冲击性能越好。这说明上层的钢纤维抗冲击性能好。从图 4、图 5 可以看到试件在冲击作用下，首先由于水泥基体的抗拉强度低，所以发生开裂的是水泥基体，即上表面出现细微的裂纹，素混凝土此时裂纹很快发展，试件破坏形式为一分为二；在层布式钢纤维混凝土中，原先由水泥基体承受的荷载立即传递给连接在裂纹处的钢纤维，钢纤维可以很快承力并抑制裂纹的扩展，试件表现出裂缝后仍保持相对完整性。随着冲击次数的增多，水泥基体中的裂纹增多，损伤增加，钢纤维承受的荷载也相应增加，
9、钢纤维变形增大，直至被拔出或拉断；此时试件破坏形式大多是三条裂缝从中心向外，相互的角度约为 120，也有部分试件是四条裂缝自中心向外，相互呈 90。在钢纤维被拉长及被拔出的过程中将消耗大量的冲击能量，表现为层布式钢纤维混凝土抗冲击性能的提高。 图 4 素混凝土终裂照片 图 5 层布钢纤维混凝土终裂照片 3 集料对对混凝土抗冲击性能的影响 对比试验集料选择石灰岩碎石（碎石的级配同卵石的级配相同） 。单层钢纤维混凝土抗冲击试验、上层钢纤维掺量对冲击韧性试验的结果见表 4 和表 5。 表 4 单层钢纤维混凝土抗冲击试验结果（碎石） 表 5 上层钢纤维掺量对冲击韧性试验的结果(碎石) 注：1、由于混凝
10、土材料的变异性和离散性，表 3、4、5 中的数据为有效数值的平均值； 2、每组试件上、下层布钢纤维，下层钢纤维含量为 1.4kg/m2； 3、上(下)层钢纤维离试件顶(底)面 20mm。 通过对比卵石与碎石的冲击试验，为方便对比，得如下图 5.11图5.20。 图 6 上层掺量对初裂冲击次数对比 图 7 单层对初裂冲击次数对比 图 8 上层掺量对终裂冲击次数对比图 9 单层对终裂冲击次数对比 图 10 上层掺量对冲击功对比 图 11 单层对冲击功对比 图 12 冲击后卵石断裂面 图 13 冲击后碎石断裂面 从试验过程及图 6图 13 可以得出以下结论： (1)对于素混凝土，卵石比碎石的初裂和终
11、裂冲击次数略高，约高 40次。 (2)单层钢纤维的卵石与碎石初裂次数相差不大；除上布钢纤维层，卵石明显大于碎石外，中、下布钢纤维初裂次数基本相同。体现了材料本身的变异性和离散性。 (3)对比图 12 和图 13 的破坏断面，可以看出卵石的断面中开裂一般是沿着卵石的边缘，而碎石的破坏均是贯穿石块，说明碎石胶结的好。 (4)观察图 6、图 8 和图 10，三幅图有一个共同的特点，就是上、下层布钢纤维比单层有明显较大的提高，其冲击韧性提高的很快。 4 结论 （1）随着上层钢纤维掺量的不断增加，钢纤维混凝土的初裂冲击次数和终裂冲击次数增加十分明显，并且增加的趋势也在加大。 （2）上层掺量 1.8kg/
12、m2 的混凝土比无上层的单层混凝土的初裂次数增加了 3.2 倍；终裂次数增加了 4.6 倍。说明掺量的增加极大提高了混凝土的抗冲击性能。 （3）上层钢纤维对冲击韧性的改善好过下层；另外，钢纤维层的加入不仅可以有效改善混 凝土的断裂韧性和抗冲击性能，也改变了混凝土基体的粘结性能，使混凝土材料更具有整体 性，提高结构的疲劳性能和耐久性。 （4）对比层布式钢纤维混凝土，碎石比卵石抗冲击性能提高从 1.4倍至 2.5 倍不等，说明碎石集料的抗冲击性能高于卵石。 参考文献 1 JTG E30-2005 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程 S北京：人民交通出版社，2005 2 王佶，李成江，李存瑞不同纤维层布式钢纤维混凝土抗弯韧性的研究J武汉理工大学学报，2006，28(7):82-85 3 罗妮，朱梦良.层布式钢纤维混凝土平板试验及抗裂性研究J. 中国西部科技，2012，04(11):53-55 基金项目：湖南省交通运输厅科技进步与创新项目（200807） 作者简介：罗妮（1982-） ，女，教师，主要从事教学和科研工作。
