李京军， 牛建刚， 刘洪振， 朱 聪， 张 缜
（1内蒙古科技大学，包头014010;2重庆大学，重庆400045；3蚌埠学院，蚌埠233030）
[摘要] 通过四点受弯试验，研究了钢纤维掺量对轻骨料混凝土荷载一挠度曲线的影响。借助于ASTM-C 1018法、ASTM-C 1399法、JSCE-SF4法、剩余强度法和PCSm法这五种方法，得出不同方法下的钢纤维轻骨料混凝土弯曲韧性指标。通过与不同钢纤维掺量下钢纤维轻骨料混凝土荷载一挠度曲线的变化规律相对比，提出更加适用于衡量钢纤维轻骨料混凝土韧性的评价方法。结果表明，剩余强度法所求得的钢纤维轻骨料混凝土韧性指标随钢纤维掺量变化规律与荷载一挠度曲线随钢纤维掺量变化规律相一致，可以用来衡量钢纤维轻骨料混凝土的韧性。
0 引言
随着轻骨料混凝土强度的提高，其脆性呈增大趋势。研究表明，在轻骨料中掺加纤维能有效改善轻骨料混凝土的脆性，降低脆性系数。韧性指标是衡量纤维混凝土工作性能的重要指标，如何正确测定普通纤维混凝土的弯曲韧性，目前比较流行的评价方法主要有美国ASTM-C l018法、ASTM-C1399法、日本JSCE-SF4[5]法等，但目前对于纤维轻骨料混凝土弯曲韧性的评价指标尚未建立合理的评价机制。本文在试验基础上，参照国内外关于普通纤维混凝土韧性评价指标的不同评价标准，试图将已有评价方法引入纤维轻骨料混凝土，以期找到适用于评价纤维轻骨料混凝土弯曲韧性指标的评价方法。
1 试验概况
1.1试验原材料
水泥：P.0 42. 5R级普通硅酸盐水泥。细骨料：中砂，细度模数2.9，颗粒级配良好，含泥量2.1%，堆积密度1 547 kg/m3。粗骨料：圆球形粉煤灰陶粒，粒径5~ 20mm，连续级配，物理力学性能指标如表1所示。钢纤维：铣销波纹形钢纤维，主要性能见表2。减水剂：萘系高效减水剂，减水率为20%。水：普通自来水。
1.2试验配合比及分组
钢纤维轻骨料混凝土试验配合比及分组见表3，每组为3个试件。
1.3试件尺寸及试验设备
参照《纤维混凝土试验方法标准》( CECS 13:2009)中四点受弯试验方法进行钢纤维轻骨料混凝土弯曲韧性试验。由于本试验所采用的纤维长度小于40mm，故试件尺寸为lOOmm×lOOmm×400mm。试验中将荷载感应器和位移计接入TDS-530数据采集仪，弯曲韧性试验加载装置如图1所示。
2 荷载-挠度曲线
将测得的每组3个试件的试验数据经拟合处理后，绘制出不同掺量钢纤维轻骨料混凝土的荷载一挠度曲线如图2所示。
从图2可以看出，没有掺加钢纤维的轻骨料混凝土几乎无法测得荷载一挠度曲线的下降段，混凝土试件一旦开裂就迅速失稳破坏，呈现出显著的脆性破坏特征。掺入适量钢纤维后，可以测得比较完整的荷载一挠度曲线，且曲线走势基本相同；随着钢纤维体积掺量的增加，荷载一挠度曲线逐渐趋于丰满。钢纤维掺量从0.5%提高到2.0%，荷载一挠度曲线的下降段逐渐趋于平缓，而能够继续承受较大的荷载，呈现出更大的持荷变形能力，当体积掺量达到
2. 5%时，荷载一挠度曲线下降段又有变陡的趋势。
韧性是衡量混凝土塑性变形性能的重要指标，通常用与荷载，挠度曲线下包裹的面积有关的参数表示。荷载一挠度曲线下包裹的面积越大，增韧效果越好。利用Origin统计分析软件，计算出图2中各条曲线与横坐标所围成图形的面积，结果如表4所示。
从表4可知，随着钢纤维掺量的增加，曲线与横坐标所围图形面积呈先增后减的变化趋势，当钢纤维掺量为2.0%时，面积值最大。从而说明，钢纤维可以显著改善轻骨料混凝土的韧性，但并不随纤维掺量增加呈单调递增关系变化，而是存在最佳掺量范围，当钢纤维掺量超过最佳掺量范围时，钢纤维掺量的增加反而会对轻骨料混凝土韧性会产生不利影响。这主要是因为过量钢纤维掺人轻骨料混凝土中会在水泥浆体与纤维表面产生大量薄弱层，其次掺入过量钢纤维，造成纤维比表面积增加，周围缺乏足够的浆体包裹与填充，使得混凝土内部的密实度降低，产生较多的缺陷，上述两种因素的存在会对混凝土韧性产生不利影响。
3 试验现象
图3，4分别为普通轻骨料混凝土和钢纤维轻骨料混凝土的弯折破坏形态。从图中可以看出，不掺纤维轻骨料混凝土在加载过程中，试件跨中首先出现一条主裂缝，达到极限荷载时，试块突然断裂，属于典型的脆性破坏形态。而掺人钢纤维后的钢纤维轻骨料混凝土，当荷载达到极限荷载值时，试件没有产生突然断裂，而是出现了较多的细小裂纹；继续施加荷载，细微裂纹逐渐扩展成为较大的裂纹，破坏过程相对缓慢，使轻骨料混凝土由脆性破坏转变为具有一定的塑性的破坏形态。
4 韧性指标评价方法
4.1 ASTM-C 1018法
ASTM-C 1018法是首先在每组荷载一挠度曲线图中，算出试件达到初裂挠度δ时荷载一挠度曲线下的面积A1。然后利用初裂挠度的3，5.5，15.5倍时的荷载一挠度曲线下的面积与初裂时的荷载一挠度曲线下的面积A1的比值，分别定义韧度指数，I5，I10,I30。根据该方法得出的本次试验各试件组的韧性指标结果见表5。
从表5可以看出，当钢纤维掺量从0.5%增加到1.5%时，韧度指数I5，I10，I30均比SFO的有较明显提高；而当钢纤维掺量为2.0%时，韧度指数急剧降低，甚至比SFO的还要低；当钢纤维掺量为2.5%时，韧度指数比其他试件又有较大幅度提高。采用ASTM-C 1018法得到的韧性指标与表4中荷载一挠度曲线所围成面积大小随纤维掺量变化的规律并不一致。这主要是因为确定初裂点带有很大的人为因素，难以达成统一的标准。
4.2 JSCE-SF4法
JSCE-SF4法是将试件挠度为L/150时荷载一挠度曲线下的面积Tb定义为韧性指标( FT)，将加载到挠度为//150时的平均强度值定义为试件的韧度因子σ：
式中：δk为给定的挠度L/150，mm;L，b，h分别为支座间距、试件截面宽度和试件截面高度，mm。
式(1)为JSCE-SF4法计算公式，表6为采用该方法计算所得的本次试验各试件组的韧性指标及韧度因子。从表6可以看出，钢纤维轻骨料混凝土的韧性指标FT和韧度因子σ随着钢纤维掺量的增加呈单调递增趋势，与表4中荷载-挠度曲线所围成面积大小随纤维掺量变化的趋势并不一致。这是因为JSCE-SF4法给定的挠度值8k大于正常使用的容许挠度，而且所求得的韧度因子σ为试件挠度达到δk时的平均强度值，无法详细反映试件裂前、裂后的力学行为。因此，JSCE-SF4法不适用于评价钢纤维增强轻骨料混凝土的韧性。
4.3 ASTM-C 1399法
ASTM-C 1399法是首先在每组荷载一挠度曲线图中找到对应挠度为0.5，0. 75，1.0，1.25 mm的各个荷载值，然后根据弹性理论求得试件的平均剩余强度ARS：
式中：P0.5，P0.75，P1.0，P1.25分别为荷载一挠度曲线中挠度值为0.5，0. 75，1.0，1.25 mm处的荷载值。
式(2)为ASTM-C 1399法计算公式，表7为采用这种方法计算所得的本次试验各试件组的剩余强度。由表7可知，ASTM-C 1399法计算结果随钢纤维掺量的变化与JSCE-SF4法计算结果随钢纤维掺量的变化具有相似的规律，即均随钢纤维掺量的增加呈单调递增变化，因此ASTM-C 1399法也不适用于衡量钢纤维轻骨料混凝土的韧性。这可能是因为钢纤维属于高弹性模量纤维，而ASTM-C 1399法比较适用于评价低弹性模量的合成纤维混凝土开裂后的承载能力，对高弹性模量非合成纤维混凝土的适用性较差。
4.4剩余强度法
推荐的剩余强度法是利用加权平均的方式，并结合弹性理论求得混凝土的剩余弯曲强度σr为：
式中：P1，P2，P3，P4，P5分别为荷载一挠度曲线上峰值荷载对应挠度值的1.5倍、2倍、3倍、4倍及5倍处的荷载值；a1，a2，a3，a4，as为加权系数，对应取为0. 25 ,0.5 ,0. 75 ,1.0 ,1. 0。
式(3)为剩余强度法的计算公式，表8为采用这种方法计算所得的本次试验各试件组的剩余弯曲强度值。由表8可知，随着轻骨料混凝土中钢纤维掺量的增加，混凝土的剩余强度呈现先增后降的变化趋势，当纤维掺量为2. 0%时，剩余弯曲强度达最大值，与表4中荷载一挠度曲线所围成面积大小随纤维掺量变化具有一致的规律。
4.5 PCS法
PCSm法是首先通过在荷载．挠度曲线上找到峰值荷载所对应的挠度值，并以峰值荷载为界将荷载一挠度曲线面积分为峰前(Tpre)和峰后（Tpwt,m）两部分。然后选取峰后区域的挠度值作为特定的挠度变量来考虑纤维混凝土在变形过程中的能量消耗情况，韧性指标计算方法示意图如图5所示。
韧性指标PCSm的定义为：
式中：Tpwt,m为峰后荷载一挠度曲线下的面积；8为峰值荷载对应的挠度；L取300mm；L/m为梁的挠度，其中m为定值，取150，200，300等。
式(4)为PCSm法的计算公式，表9为利用这种方法计算所得的本次试验各试件组的的韧性指标。由表9可知，韧性指标PCS150，PCS200，PCS300随纤维掺量增加呈增大趋势，与采用ASTM-C 1399法、JSCE-SF4法计算所得的评价指标随纤维掺量增加的变化具有相似的趋势，说明PCSm法也不适用于评价钢纤维轻骨料混凝土的韧性。这可能是因为该种方法计算式中仅利用了峰值荷载后荷载，挠度曲线下的面积及对应的挠度值，而没有利用峰值荷载前的信息，考虑信息不完整。
5 结论
(1)将钢纤维掺入轻骨料混凝土，可以显著改善混凝土脆性，增强混凝土韧性，但掺入过量纤维后会对轻骨料混凝土的韧性产生不利效应，对轻骨料混凝土的韧性而言，钢纤维存在最佳掺量范围。
(2)按ASTM-C 1018法所得韧性指标依赖于初裂挠度，不可避免地带有人为误差，所反映的韧性指标变化与荷载一挠度曲线变化规律有一定偏差。
(3) JSCE-SF4法无法详细反映试件开裂前后试件的力学行为，所得韧性指标为试件挠度达到δk时的平均强度值，所得结果也与荷载一挠度曲线变化规律不相一致。
(4) ASTM-C 1399法较适用于评价低弹性模量的合成纤维混凝土开裂后的承载能力，对高弹性模量非合成纤维混凝土的适用性较差。
(5)剩余强度法能够较好地反映轻骨料混凝土的韧性随钢纤维掺量变化的规律，
且与不同纤维掺量下的荷载一挠度曲线变化规律一致，是评价钢纤维轻骨料混凝土韧性的理想方法。
(6) PCSm法对荷载一挠度曲线峰值荷载前的信息利用不充分，所反映的轻骨料混凝土随纤维掺量变化规律与荷载一挠度曲线变化规律不一致，因此该方法也不适用于评价钢纤维轻骨料混凝土的韧性。
