实验、分析和数值分析钢纤维在不同条件下的拉拔行为纤维类型、倾斜度和混凝土强度
本论文通过实验来确定类型、埋置长度、角度测试和分析模型，研究了钢纤维在混凝土基体中的拔出行为。纤维拉拔的实验研究了纤维-基质的键合机理，研究了光纤拔出所影响的响应参数，如对光纤纤维的形状、拉伸强度、混凝土强度和纤维倾角进行了系统的研究。这些参数对拔出力与位移关系的影响，分析了纤维效率和纤维-基体的失效响应。根据实验结果分析建模中直纤维的纤维拔出行为，提出了一个界面定律分析纤维与基体之间的摩擦行为。在纤维倾斜的情况下，纤维的塑性变形的同时也考虑了混凝土的局部损伤，用于钩端纤维的钩引起的锚固效应的分析。结合这些子模型可以对嵌入混凝土基体中的单根纤维的响应进行预测。此外，拉拔试验的数值模拟为深入了解当地纤维混凝土，为分析提供信息用于建模提供了资料。实验结果验证了模型的有效性。
关键词：钢纤维、拉出行为、实验室测试、分析模型，数值模拟
1.介绍
混凝土作为一种重要的建筑材料，是一种准脆性材料，具有低拉伸性能，强度和断裂韧性。提高其受拉承载性能的常用方法是增加钢筋作为混凝土的结构构件。或者可以将钢纤维添加到混凝土基体中以增强混凝土在拉伸应力作用下的性能。纤维的主要作用是增强后开裂性能以及提高材料延展性，因为纤维桥接了裂纹来传递应力，通过这些裂缝，耐久性纤维混凝土具有明显的优势。即使对于加固结构或者对于传统的钢筋，钢纤维都适用。当它放置在混凝土保护层内时，可以作为提高混凝土的延性和耐久性的结构。
钢中裂纹开口的桥接效应在纤维钢筋混凝土中受到所有拦截裂缝的纤维控制。桥接每种纤维的效率在很大程度上取决于纤维-基质的结合特性。因此，这是了解钢纤维混凝土的力学性能结构所必要的研究机制。在研究不同纤维类型和混凝土混合物的纤维基质相互作用时，实验室试验（测量嵌入基质中的单个纤维的拔出过程中的反作用力）是必不可少的。
实验研究为开发预测各种纤维拔出行为的分析模型提供了依据。举个例子，对于没有加载方向倾斜的直纤维所使用的分析方法通常将纤维视为圆柱体，并关注界面行为，其特征是沿纤维与水泥基基体之间的界面存在摩擦滑动机制。
模拟倾斜纤维的拔出行为涉及与界面上的侧向压力、纤维的非弹性变形和基体的部分损伤相关的影响较为复杂。关于这一主题的广泛文献调查可参考Laranjeira等人提出的一个预测倾斜直纤维拉拔载荷-位移关系的分析模型。除直钢纤维外，最广泛使用的纤维类型之一是有钩端的纤维。在钩端纤维的拔出过程中，钩对矫直的阻力对总拔出力有很大影响。只有一些描述无倾斜钩端纤维拔出的分析模型可用。Laranjeira和Soetens等人提出的“半分析”模型似乎只考虑了这种倾向情况。前者将从实验结果中提取的钩形效应与直纤维拔出模型相结合；后者利用实验结果和虚功原理描述了拉拔荷载-位移关系，提出了一种直接计算拉拔过程中锚固力的解析方法，从而建立了端部纤维斜钩拉拔的解析模型。
本文的研究成果对研究纤维增强混凝土的材料性能和结构性能的多尺度框架的发展起到了基础性的作用。在这种情况下，单纤维拉拔行为的实验和分析模型构成了最低比例。本研究的总体目标是分析、设计和优化钢纤维混凝土隧道衬砌的坚固性和抗破坏性，因此，本实验的主要目的是研究钢纤维在高强度混凝土（84MPa）中的拔出行为，这与混凝土的强度相当。通常用于隧道衬砌段（70–90MPa）。
论文的其余部分组织如下：第2节介绍了从混凝土基体中拉出的各种钢纤维配置的实验方案，并讨论了所得结果。第3节介绍了钢纤维、直纤维和钩形端纤维以及在加载方向上有或无倾斜的拔出响应的分析模型。拉拔问题的数值模拟也显示在第3节中。
2.实验
本研究的实验计划旨在探讨钢纤维在混凝土基质中的黏结机制。系统地研究了纤维形状（直形、卷曲、钩形端部和双锥体）、纤维拉伸正常和高强度、混凝土正常和高强度以及倾斜角（0°、15°、30°、45°和60°）对加载方向的影响。
2.1实验方案
2.1.1材料特性和试样制备
表1列出了用于拉拔试验的钢纤维的类型和性能；表2描述了用作拉拔矩阵的两种不同混凝土混合物。所有混凝土混合料中使用的水泥均为波特兰水泥CEM I 52.5 R（DIN EN 197-1）。集料由莱茵河砂和碎石组成，最大粒径为8 mm。这两种混凝土的抗压强度是在28天龄期，根据DINE12390-3标准，用边长150 mm的立方块测定的。1型混凝土的抗压强度为84兆帕，2型混凝土的抗压强度为44兆帕。
在每个拉出试验系列中，使用一个专用钢模中制备了六个60times;60 mm的圆柱形试样（图1）。在浇注混凝土混合物时，用两个细螺丝将纤维固定在预定位置。浇铸后，将试样放入塑料箱中，在20plusmn;2°C的室温下储存24小时。第二天脱模后，将试样放入饱和石灰水养护罐中养护6天。在这段时间之后，它们被储存在温度为20plusmn;2摄氏度，相对湿度为65plusmn;5%的气候室中，再保存21天。拔出试验在28天时进行。
表1.钢纤维的类型和性能
类型 长度[mm] 直径[mm] 宽高比[l/d] 拉伸强度[MPa]
Dramix 钢筋混凝土-80/60-BP 钩端 60 85 2600
Dramix 钢筋混凝土-80/60-BN 钩端 60 80 1250
Stratec FWW 60/0.8 曲型 60 75 1250
Arcelormittal Twincone 1/54 双锥 54 54 1100
表2.混凝土配合比
混凝土 水泥[kg/msup3;] 粉煤灰[kg/msup3;] 骨料[kg/msup3;] 高效减水剂[kg/msup3;] 水[kg/msup3;] 抗压强度[MPa]
1 400 100 1644 1.5 180 84
2 425 — 1542 — 255 44
2.1.2试验设置和试验程序
拉拔试验使用带5KN称重传感器的通用试验机进行（Zwick 1435；根据1级校准的机器，满足1.0%精度公差的ASTM E 4要求）。在钢块上，用夹子将钢纤维的突出端牢牢夹住。通过三个连续LVDT测量拔出位移；将三个LVDT安装在铝框架中，彼此之间的角度为120°，并使用三个螺钉将框架固定在试样上。LVDT的尖端与通过两个细螺钉固定到光纤上的薄铝板并与底面接触。横臂以0.5 mm/min的移动速率施加荷载；试验的最大位移为10 mm。
图1.预埋钢纤维拉拔试样 图2.拉出测试设置示意图
2.2结果和讨论
对每种研究配置的每一次拔出试验重复6次。图3说明了埋置角为0°且长度为20 mm的RC-80/60-BN纤维试验结果的典型散射和平均曲线，其结果将在第2.2.2节中讨论。峰值拉拔力的标准差为23.85%，峰值后拉拔力的最大标准差为39.28%。偏差取决于测试参数和拔出阶段。为了分析一般的拉拔响应，从拉拔位移各阶段产生的力的平均值中获得的平均曲线在以下章节中，会分类进行讨论。
2.2.1纤维形状的影响
图4描述了高强度混凝土基体（Fc=84MPa）中嵌入长度Lf=20 mm、倾角theta;=0°的各种纤维形状的荷载-位移关系。根据试验结果，发现对于变形（钩端）纤维，机械锚固力对拉拔响应有显著影响，埋置长度对拉拔响应的影响较小，因此本文以埋置长度为20 mm的纤维拉拔行为为例进行了讨论。为了对直纤维进行拉拔试验，用钳子将正常强度钢纤维（dramix rc-80/60-bn）的钩端切掉。图中的每条曲线代表一个测试用例中六个样本的平均结果。
如图4所示，纤维的拔出响应彼此显著不同。对于直纤维，只有纤维与基体之间的界面摩擦与粘结有关；在80N的极低载荷下完全脱粘后，拔出力明显下降。相反，由于其机械锚固，变形纤维的拔出载荷在脱胶后继续增加。由于高强度混凝土基体中锚固力较强，在超过极限荷载后不久，所有试验系列中的卷曲纤维和双锥体纤维都会断裂。研究人员观察到，在正常（40 MPa）和高强度（85 MPa）混凝土中，所有对齐的双锥体纤维（拉伸强度为1198MPa）均破裂；但是，对于对齐的卷曲纤维（拉伸强度为1037 MPa），即使在高强度混凝土中也未观察到纤维断裂。
对于钩端纤维（RC-80/60-BN），在峰值负荷后，钩端倾向于逐渐移动和拉直，同时拉拔力降低，拉拔位移进一步增加。经过4.5毫米左右的位移后，拉拔过程主要受摩擦阻力的控制。由于弯钩通常是部分拉直的，因此会产生额外的摩擦力，这会导致产生比直纤维更高的摩擦拔出阻力。该力可通过Soetens等人提出的经验公式计算。
图4.纤维形状对拉拔响应的影响
表3.不同形状钢纤维拉拔试验的平均结果
拉拔载荷[N]
纤维形状 Ppeak Delta;peak Wpeak max max/fy
[N] [mm] [N m] [MPa] [%]
直线 83.0 0.03 2.1 188 15.0
曲型 298,2 0.14 35.8 593,6 47.5
钩端 356.1 0.45 133.4 806.4 64.5
双锥 907.0 0.25 189.3 1155.3 105.0
通过比较位移Delta;的峰值、功率的峰值、纤维的最大拉伸应力和峰值拔出载荷Ppeak下的拉伸能力利用率（纤维效率，最大应力/fy），进一步分析了载荷-位移曲线。表3显示，双锥形纤维的Ppeak和Wpeak值最高。这种纤维的拉伸能力有超过100%的使用率。然而，这些纤维的最终断裂发生在所有实验中位移很小的位置。因此，与钩端纤维相比，在完全拔出而不断裂的情况下，总吸收能量被认为较低。
为获得开裂后混凝土的延性性能，应避免在小裂缝宽度（即纤维滑动）处发生纤维断裂。相反，应充分利用其抗张能力将纤维从混凝土基体中拉出。
除纤维形状外，混凝土基体中单个钢纤维的拔出行为也可能受到其他因素的影响，例如纤维尺寸或表面特性。纤维几何形状和表面粗糙度对拉拔响应的影响已经进行了研究。据观察，与较短和较薄的纤维相比，较长和较厚的纤维表现出更大的最大拔出负荷和更高的总拔出能量。然而，就纤维效率而言，这两种类型的纤维具有几乎相同的价值。用砂纸对纤维表面进行粗化处理，对直纤维的拔出响应有显著影响；对于钩端纤维，拔出行为更多地由机械锚定控制，因此这种粗化在这些情况下只能略微改善结果。
2.2.2纤维和混凝土强度的影响
纤维和混凝土强度对纤维拔出响应的影响如图5所示。在两种试验混凝土中，高强度钢纤维（RC-80/60-BP）在摩擦滑动阶段的抗拔力几乎是正常强度纤维（RC-80/60-BN）的两倍。在嵌入高强度混凝土中的纤维表现出比正常强度混凝土中的纤维更大的拔出载荷，这与报告的实验结果一致[3，4]。这种效应在高强度钢纤维的情况下更为明显。
与正常强度纤维相比，高强度纤维在两种试验混凝土中的荷载-位移曲线具有相似的形态，但它们产生了明显不同
英语原文共 10 页
资料编号：[3355]
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