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摘要：为了研究混凝土与钢纤维混凝土在承受持续冲击荷载的环境中的性能，如桥面铺装等，本文对具有近似抗压强度的这两种材料进行了抗冲击性能的试验研究。结果表明钢纤维混凝土的抗冲击耗能是素混凝土的5.3倍，具有明显优势；并且钢纤维混凝土带裂缝工作的性能也十分突出。说明钢纤维混凝土在承受反复冲击荷载的部位具有广阔应用前景。
关键词：素混凝土；钢纤维混凝土；冲击能；阻裂
Abstract: To research the bearing continuous impact load property of concrete and steel fiber reinforced concrete, such as the bridge deck pavement. This article introduces the experimental research about the shock resistance of the two meterials which have the similar compression strength. The result indicates that the shock resistance envload of steel fiber reinforced concrete is 5.3 times of plain concrete, possessing obvious advantage. Meanwhile, the anti-cracking property of steel fiber reinforced concrete is also very excellent, and steel fiber reinforced concrete has a wide application prospect in bearing repeat impact load parts.
Keywords: plain concrete; steel fiber reinforced concrete; impact strenth, anti-cracking
中圖分类号：U416.216+.3 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）
1 引言
在现行的对抗冲击性能有要求的结构构件中，如桥面铺装层、公路路面、机场跑道等，所使用的水泥混凝土材料由于脆性大、抗拉强度低、韧性差、抗冲击性能差等，在承受大量的反复冲击荷载时容易造成破坏甚至是严重损坏。如何提高这些部位材料的抗冲击性能，减少维修费用，保证使用安全是迫切需要解决的难题之一。较为有效的一种解决方法就是在水泥基材料中添加纤维，形成纤维增强混凝土或高性能纤维增强水泥基材料。例如，在混凝土材料中加入少量的钢纤维形成钢纤维混凝土（SFRC），与混凝土相比，该材料能的韧性与吸收能量的能力都明显改善。
本文的研究重点是通过对素混凝土与钢纤维混凝土进行抗冲击试验，对比二者的试验结果，评价其抗冲击性能及开裂后的工作性能，为今后二者的研究与应用提供依据。
2 试验概况
2.1 试件制作
表1示出了文中所用混凝土与钢纤维混凝土的配比，其中C表示混凝土，SFRC代表钢纤维混凝土。混凝土和钢纤维混凝土的水灰比为0.48，钢纤维体积率参量为1.0%。试件制备所用材料为：水泥：普通硅酸盐P.O42.5R水泥；粗集料：石灰岩碎石，粒径5~10；细集料：天然中粗河砂；钢纤维：长度为40的端弯钩型钢纤维；减水剂：聚羧酸盐高效减水剂；水：饮用水。
表1 混凝土与钢纤维混凝土的配合比（Kg/m³）
所有试件经搅拌均匀后放在振动台上振动成型，标准养护24h后拆模，然后在温度为20℃±3℃、相对湿度95%的标准养护室养护至27d，取出在空气中自然干燥1d后开始测试。
2.2 试验方法
纤维混凝土抗冲击性能是指在反复冲击荷载作用下，复合材料吸收动能的能力。目前国际上比较通用的抗冲击试验方法主要有爆炸试验（explosive test）、射弹试验（projectile impact test）、却贝摆锤冲击试验（Charpy pendulum test）和落锤冲击试验（drop-weight test）。其中，落锤冲击试验方法简便，为美国ACI544委员会（ACI Concrete Institute Committee 544）所推荐。
本试验采用ACI544委员会推荐的落锤试验法。试验装置如图1所示。冲击试件为圆柱体，直径D=150，高度h=63。使用重4.5Kg的钢锤从落距457的高度落下冲击放置在试件中心的钢球，借助钢球把荷载传递到试件上。
图1 抗冲击试验装置图（）
该试验方法通过以下几项指标评价或比较抗冲击能力：① 出现第一条裂缝（初裂）的冲击次数；① 初裂后，试件体积膨胀，当试件和4块挡板中任意3块接触式的冲击次数，定义为试件的破坏冲击次数；③ 试件初裂和破坏时的冲击次数差值；④ 冲击耗能，即试件破坏过程中吸收的全部冲击能量。冲击耗能的计算方法如下：
式中，——冲击耗能（）；
——破坏冲击次数；
——冲击锤重量，取4.5Kg ；
——重力加速度，取9.8；
——冲击锤下落高度，0.457。
3 试验结果
3.1抗压强度
对混凝土与钢纤维混凝土进行立方体抗压强度试验，试件尺寸为150×150×150，每组6个试件。测试混凝土与钢纤维混凝土的28天平均抗压强度，结果分别为39.2MPa与43.5MPa，表明本文中所用混凝土与钢纤维混凝土的抗压强度近似，集中在40MPa左右。
3.2 冲击试验结果
混凝土与钢纤维混凝土的冲击试验数据离散性较大，每组6个试件，淘汰最大值和最小值，剩余4个取平均值，计算材料的抗冲击韧性，如表2所示。
由表2可以看出，混凝土与钢纤维混凝土的平均冲击耗能分别为：4233.03与22431.07。在抗压强度相差不大的情况下，钢纤维混凝土的冲击耗能是混凝土的5.3倍，是钢纤维混凝土的9.0倍，初裂后钢纤维混凝土吸收能量的能力是混凝土的71倍。可见，钢纤维混凝土的抗冲击能力明显优于混凝土。冲击破坏后的混凝土与钢纤维混凝土试件如图2所示。从照片与统计数据可看出，混凝土试件冲击破坏后有2~3条裂缝，钢纤维混凝土试件为5~7条，心裂缝的产生能吸收冲击能，延缓试件的冲击寿命。
表2 试件冲击韧性试验结果
从上述的试验结果可以看出，钢纤维混凝土的抗冲击性能由于混凝土，其原因是钢纤维能显著改善混凝土的脆性性质，同时能提高材料的断裂韧性与抗冲击性能。在冲击荷载作用下，由于钢纤维纤维的桥联和阻裂作用，纤维可以承担一定的应力并将荷载处的应力传递回基体，在基体薄弱处形成新的裂缝，所以限制了裂缝地开展与扩大，随着冲击次数的增多，裂缝数量增多间距减小直至饱和状态，裂缝才会进一步扩展；在已形成裂缝处，钢纤维混凝土对冲击能量的消耗是以纤维与混凝土的摩擦为主；冲击过程中，随着裂缝的扩展，纤维与混凝土的摩擦能消耗一部分冲击能量；钢纤维的分散性和方向性好，纤维在试件中的分布方向可以与裂缝垂直，能最大发挥纤维的阻裂作用。
(a)混凝土试件 (b)钢纤维混凝土试件
图2 完全冲击破坏后的试件
4 结论
本文混凝土与钢纤维混凝土的抗冲击性能进行了对比试验研究，结果表明：纤维混凝土的冲击性能明显优于素混凝土，在抗压强度相差不大的情况下，钢纤维混凝土的冲击耗能是混凝土的5.3倍，是钢纤维混凝土的9.0倍，初裂后钢纤维混凝土吸收能量的能力是混凝土的71倍。钢纤维混凝土冲击性能优良的原因在于钢纤维的阻裂作用及其与混凝土基体之间的摩擦作用。研究表明，钢纤维混凝土更适合用于持续承受荷载的工作环境中，如桥面铺装层、路面修补、机场跑道等，今后还需要其性能与应用进行深入研究。
参考文献：
赵铁军, 毛新奇, 田砾. PVA-ECC的弯曲韧性. 纤维混凝土的技术进展与工程应用 (第十一届县委混凝土学术会议) : 21-26, 大连.
王伯昕, 黄承逵. 粗合成纤维混凝土抗裂与抗冲击性能试验研究. 纤维混凝土的技术进展与工程应用 (第十一届县委混凝土学术会议) : 135-141, 大连.
ACI Committee 544. Measurement of Properties of Fiber Reinforced Concrete, ACI Mater J, 1998, 85(6):83-93.
梅迎军, 王培铭, 梁乃兴, 李志勇. 纤维增强聚合物水泥砂浆耐磨损及抗冲击性能的试验研究. 重庆大学学报. 2006, 25(5): 54-57.
李建强, 吴永进, 张建刚. 水泥混凝土路面抗冲击性试验研究. 中外公路, 2007, 27(1): 65-69.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：素混凝土；钢纤维混凝土；冲击能；阻裂
Abstract: To research the bearing continuous impact load property of concrete and steel fiber reinforced concrete, such as the bridge deck pavement. This article introduces the experimental research about the shock resistance of the two meterials which have the similar compression strength. The result indicates that the shock resistance envload of steel fiber reinforced concrete is 5.3 times of plain concrete, possessing obvious advantage. Meanwhile, the anti-cracking property of steel fiber reinforced concrete is also very excellent, and steel fiber reinforced concrete has a wide application prospect in bearing repeat impact load parts.
Keywords: plain concrete; steel fiber reinforced concrete; impact strenth, anti-cracking
中圖分类号：U416.216+.3 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）
1 引言
在现行的对抗冲击性能有要求的结构构件中，如桥面铺装层、公路路面、机场跑道等，所使用的水泥混凝土材料由于脆性大、抗拉强度低、韧性差、抗冲击性能差等，在承受大量的反复冲击荷载时容易造成破坏甚至是严重损坏。如何提高这些部位材料的抗冲击性能，减少维修费用，保证使用安全是迫切需要解决的难题之一。较为有效的一种解决方法就是在水泥基材料中添加纤维，形成纤维增强混凝土或高性能纤维增强水泥基材料。例如，在混凝土材料中加入少量的钢纤维形成钢纤维混凝土（SFRC），与混凝土相比，该材料能的韧性与吸收能量的能力都明显改善。
本文的研究重点是通过对素混凝土与钢纤维混凝土进行抗冲击试验，对比二者的试验结果，评价其抗冲击性能及开裂后的工作性能，为今后二者的研究与应用提供依据。
2 试验概况
2.1 试件制作
表1示出了文中所用混凝土与钢纤维混凝土的配比，其中C表示混凝土，SFRC代表钢纤维混凝土。混凝土和钢纤维混凝土的水灰比为0.48，钢纤维体积率参量为1.0%。试件制备所用材料为：水泥：普通硅酸盐P.O42.5R水泥；粗集料：石灰岩碎石，粒径5~10；细集料：天然中粗河砂；钢纤维：长度为40的端弯钩型钢纤维；减水剂：聚羧酸盐高效减水剂；水：饮用水。
表1 混凝土与钢纤维混凝土的配合比（Kg/m³）
所有试件经搅拌均匀后放在振动台上振动成型，标准养护24h后拆模，然后在温度为20℃±3℃、相对湿度95%的标准养护室养护至27d，取出在空气中自然干燥1d后开始测试。
2.2 试验方法
纤维混凝土抗冲击性能是指在反复冲击荷载作用下，复合材料吸收动能的能力。目前国际上比较通用的抗冲击试验方法主要有爆炸试验（explosive test）、射弹试验（projectile impact test）、却贝摆锤冲击试验（Charpy pendulum test）和落锤冲击试验（drop-weight test）。其中，落锤冲击试验方法简便，为美国ACI544委员会（ACI Concrete Institute Committee 544）所推荐。
本试验采用ACI544委员会推荐的落锤试验法。试验装置如图1所示。冲击试件为圆柱体，直径D=150，高度h=63。使用重4.5Kg的钢锤从落距457的高度落下冲击放置在试件中心的钢球，借助钢球把荷载传递到试件上。
图1 抗冲击试验装置图（）
该试验方法通过以下几项指标评价或比较抗冲击能力：① 出现第一条裂缝（初裂）的冲击次数；① 初裂后，试件体积膨胀，当试件和4块挡板中任意3块接触式的冲击次数，定义为试件的破坏冲击次数；③ 试件初裂和破坏时的冲击次数差值；④ 冲击耗能，即试件破坏过程中吸收的全部冲击能量。冲击耗能的计算方法如下：
式中，——冲击耗能（）；
——破坏冲击次数；
——冲击锤重量，取4.5Kg ；
——重力加速度，取9.8；
——冲击锤下落高度，0.457。
3 试验结果
3.1抗压强度
对混凝土与钢纤维混凝土进行立方体抗压强度试验，试件尺寸为150×150×150，每组6个试件。测试混凝土与钢纤维混凝土的28天平均抗压强度，结果分别为39.2MPa与43.5MPa，表明本文中所用混凝土与钢纤维混凝土的抗压强度近似，集中在40MPa左右。
3.2 冲击试验结果
混凝土与钢纤维混凝土的冲击试验数据离散性较大，每组6个试件，淘汰最大值和最小值，剩余4个取平均值，计算材料的抗冲击韧性，如表2所示。
由表2可以看出，混凝土与钢纤维混凝土的平均冲击耗能分别为：4233.03与22431.07。在抗压强度相差不大的情况下，钢纤维混凝土的冲击耗能是混凝土的5.3倍，是钢纤维混凝土的9.0倍，初裂后钢纤维混凝土吸收能量的能力是混凝土的71倍。可见，钢纤维混凝土的抗冲击能力明显优于混凝土。冲击破坏后的混凝土与钢纤维混凝土试件如图2所示。从照片与统计数据可看出，混凝土试件冲击破坏后有2~3条裂缝，钢纤维混凝土试件为5~7条，心裂缝的产生能吸收冲击能，延缓试件的冲击寿命。
表2 试件冲击韧性试验结果
从上述的试验结果可以看出，钢纤维混凝土的抗冲击性能由于混凝土，其原因是钢纤维能显著改善混凝土的脆性性质，同时能提高材料的断裂韧性与抗冲击性能。在冲击荷载作用下，由于钢纤维纤维的桥联和阻裂作用，纤维可以承担一定的应力并将荷载处的应力传递回基体，在基体薄弱处形成新的裂缝，所以限制了裂缝地开展与扩大，随着冲击次数的增多，裂缝数量增多间距减小直至饱和状态，裂缝才会进一步扩展；在已形成裂缝处，钢纤维混凝土对冲击能量的消耗是以纤维与混凝土的摩擦为主；冲击过程中，随着裂缝的扩展，纤维与混凝土的摩擦能消耗一部分冲击能量；钢纤维的分散性和方向性好，纤维在试件中的分布方向可以与裂缝垂直，能最大发挥纤维的阻裂作用。
(a)混凝土试件 (b)钢纤维混凝土试件
图2 完全冲击破坏后的试件
4 结论
本文混凝土与钢纤维混凝土的抗冲击性能进行了对比试验研究，结果表明：纤维混凝土的冲击性能明显优于素混凝土，在抗压强度相差不大的情况下，钢纤维混凝土的冲击耗能是混凝土的5.3倍，是钢纤维混凝土的9.0倍，初裂后钢纤维混凝土吸收能量的能力是混凝土的71倍。钢纤维混凝土冲击性能优良的原因在于钢纤维的阻裂作用及其与混凝土基体之间的摩擦作用。研究表明，钢纤维混凝土更适合用于持续承受荷载的工作环境中，如桥面铺装层、路面修补、机场跑道等，今后还需要其性能与应用进行深入研究。
参考文献：
赵铁军, 毛新奇, 田砾. PVA-ECC的弯曲韧性. 纤维混凝土的技术进展与工程应用 (第十一届县委混凝土学术会议) : 21-26, 大连.
王伯昕, 黄承逵. 粗合成纤维混凝土抗裂与抗冲击性能试验研究. 纤维混凝土的技术进展与工程应用 (第十一届县委混凝土学术会议) : 135-141, 大连.
ACI Committee 544. Measurement of Properties of Fiber Reinforced Concrete, ACI Mater J, 1998, 85(6):83-93.
梅迎军, 王培铭, 梁乃兴, 李志勇. 纤维增强聚合物水泥砂浆耐磨损及抗冲击性能的试验研究. 重庆大学学报. 2006, 25(5): 54-57.
李建强, 吴永进, 张建刚. 水泥混凝土路面抗冲击性试验研究. 中外公路, 2007, 27(1): 65-69.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。