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摘 要：在建筑结构和路桥工程方面，钢纤维混凝土正在得到广泛地应用，而钢纤维混凝土在这些应用中往往处在复杂的三轴荷载作用下。为了探索钢纤维混凝土在三轴荷载作用下的力学性能，本文通过岩石三轴试验机，对钢纤维混凝土试件进行了不同条件下的三轴试验，从而得到了一些有意義的结论。
关键词：钢纤维混凝土；三轴荷载作用；应力应变曲线
钢纤维混凝土( steel fiber reinforce concrete ，SFRC) 是由粗骨料、细骨料、水泥以及乱向分布的钢纤维等材料组成的一种多相非均质的复合材料。由于钢纤维的增强、阻裂作用，钢纤维混凝土具有较普通混凝土更为优越的力学性能。近年来，钢纤维混凝土在建筑结构和路桥方面都有广泛地应用[1,2,3]。同时钢纤维在高强混凝土和特殊混凝土结构方面也有美好的发展前景。
在工程实践中，钢纤维混凝土构件有些处在较为复杂的应力状态下[4,5,6]。本试验研究了钢纤维混凝土在三轴荷载作用下的力学性能，同时鉴于混凝土往往会产生疲劳破坏[7]，也对钢纤维混凝土在三轴荷载作用下的反复应力作用进行了试验。
1．试验的准备与实施
1.1 试件的制作
试件制作所使用的混凝土原料均为从施工现场提取的砂子和碎石，制作前通过人工过筛，去除砂、石中的泥土、草根以及树叶等杂质。砂的粒径控制在0.15～4.75mm之间，中砂。采用粒径5mm和粒径在5～20mm之间两种碎石。水泥采用钻牌42.5普通硅酸盐水泥。钢纤维采用宏瑞莱（北京）科技有限公司生产的系列钢纤维，其钢纤维品种主要有端钩型、钢丝哑铃型、铣削波纹型、镀铜微丝等。水采用自来水。
本试验采用的混凝土试模为圆柱形试模，分别为Φ50×100mm和Φ100×200mm两种。对于Φ50×100mm的试件，制作时所采用的碎石为粒径5mm的米石，钢纤维为镀铜微丝；对于Φ100×200mm的试件，制作时所采用的是粒径在5～20mm的碎石，钢纤维有端钩型、钢丝哑铃型和波纹型。为使试验结果能够和素混凝土试件进行比较，钢纤维混凝土采用了与素混凝土相同的配合比，1m3混凝土各材料用量为：水泥408kg，砂878kg，碎石907kg，水185kg。在试件中钢纤维的掺量分别为体积率0.5%，2%和4%三种。
试件制作完成后，在实验室养护箱里温度20℃，湿度为95%的条件下养护28天。为了满足试验要求，对养护后的试件需进行处理：（1）由于试件较小、振捣不利等原因，不可避免地在试件表面存在个别气孔，需要修补；（2）在岩石磨面机上将试件的两承压端面磨平。
1.2 试验机和试验仪器
本试验采用的试验机是长春市朝阳试验机厂生产的TAW-3000型微机控制电液伺服三轴岩石试验机，其主要技术参数：主机采用门式整体铸造结构，刚度达10GN/m以上；轴向最大试验力3000kN，测力精度±1%；最大围压100Mpa，围压测控精度±1%。由于本试验制作了两种试件Φ50×100mm和Φ100×200mm，试验时需采用两套引伸计，Φ50×100mm试件的引伸计轴向量程8mm，径向量程4mm；Φ100×200mm试件的引伸计轴向量程10mm，径向量程5mm，引伸计的测量精度可达到1 m。
1.3 试验过程和试验参数
在对试件进行三轴试验前，首先对试件进行单轴试验，在对试件单轴试验时，我们未采用热缩膜封装，直接将试件安装在引伸计上，在试验机上采用变形加载的方式对试件加载，试验过程较简单。对试件的三轴试验，为了防止抗磨润滑油浸入混凝土试件，影响试验结果，采用弹性较好的热缩膜密封试件，然后将试件安装在引伸计上，并连同试件一起放在压力室的底座上，给试件放上压头和球头。计算机查看引伸计初始值，如初始值太大，需调整引伸计。然后将压力室下落并扣好压力室钢环，封闭压力室。打开油管阀门，给压力室充满油。接下来采用计算机软件控制试验操作：上升油缸活塞至压力室与试验机上部传感器即将接触时停止；给试件施加围压至要求数值；给试件施加轴向预压力；通过变形加载或负荷加载给试件施加轴向荷载直至试件破坏；最后卸除轴压和围压，压力室回油，打开压力室，取出试件，试验结束。
本试验分别完成了钢纤维体积率0.5%、2%和4%的Ф50×100mm试件的单轴和三轴试验；完成了端钩型、钢丝哑铃型和铣削波纹型钢纤维以体积率为2%配制的Ф100×200mm试件的单轴和三轴试验。
2 试验结果与分析
2.1 试件的破坏形态
2.1.1 单轴试验试件的破坏形态
对素混凝土和钢纤维混凝土进行单轴抗压试验时，素混凝土试件随着应力的不断加载，大约在应变为0.4%～0.5%时，试件表面开始出现脱皮以及竖向裂纹；而钢纤维混凝土大约在应变为0.6%～0.7%时，试件表面才开始出现脱皮以及竖向裂纹。此现象说明混凝土内的钢纤维具有约束裂缝开展的作用，使钢纤维混凝土表现出较大的塑性性质。由于钢纤维的约束作用，钢纤维混凝土在破坏时其裂纹较窄较密，表面较少出现脱落。
图1 钢纤维混凝土单轴试验中和试验后的试件
2.1.2 三轴试验试件的破坏形态
当进行三轴试验的试件应变达到1.5%时，应力已经出现一定的下降，说明试件已经破坏。但从试件破坏后的照片（如图2）发现，钢纤维混凝土，由于其围压作用的影响，试件的表面未有脱落现象，只有肉眼不易观察到的细小裂纹，同时由于压头和围压对试件的约束作用，试件两端的直径基本不变，而其中部直径明显增大2～4mm左右。
图2 钢纤维混凝土三轴试验后的试件
2.2 三轴荷载作用下钢纤维混凝土的力学性能
2.1.1 钢纤维体积率对混凝土力学性能的影响
用镀铜微丝配制体积率分别为0.5%、2%和4%Φ50×100mm的钢纤维混凝土试件，在2.5MPa围压的作用下，通过0.025mm/min速率的变形加载，当压应变达到1.5%时，试件破坏。图3为总应力-应变曲线比较图，在图中可见，在三轴荷载作用下，要使试件的极限抗压强度最大，会存在钢纤维混凝土的某最佳钢纤维体积率，大约为1.5%～2%之间。钢纤维体积率配制过大，不但不能提高钢纤维混凝土的强度，可能还会有一定的降低。通过对其破坏形态分析，钢纤维体积率比较大（如4%）时，钢纤维的存在常使混凝土不能振捣密实，反而会降低钢纤维混凝土的强度。 图3 不同体积率钢纤维混凝土的总应力应变曲线
2.1.2 围压对钢纤维混凝土力学性能的影响
本试验分别进行了体积率为2%的钢纤维混凝土试件的单轴抗压试验和2.5MPa围压以及5MPa围压作用下的三轴抗压试验，测得其有代表性的一组总应力应变曲线如图4所示。图中钢纤维混凝土的单轴极限抗压强度为27.20MPa，其在2.5MPa围压下三轴极限抗压强度为48.83MPa，其在5MPa围压下三轴极限抗压强度为69.60MPa，围压对钢纤维混凝土极限强度的增强系数分别为（48.83-27.20）/2.5≈8.65,（69.60-27.20）/5≈8.48。通过分析可见，围压的存在能够显著提高钢纤维混凝土的极限抗压强度，其增强系数一般在8.0～9.0之间。
图4 不同围压下钢纤维混凝土的总应力应变曲线
2.1.3 钢纤维对混凝土的约束作用
本试验做了无围压状态下素混凝土的单轴抗压试验、围压为2.5MPa的素混凝土三轴抗压试验和体积率为2%的钢纤维混凝土的单轴抗压试验，如图5为其应力应变曲线图。从图中可见，混凝土中掺入钢纤维后其极限抗压强度提高不大，即（24.57-21.70）/21.70≈13.2%。但钢纤维混凝土超过极限抗压强度后，其后期强度的下降速度较素混凝土要缓慢多，而有围压约束的素混凝土其后期强度下降也同样比较缓慢。可以断定钢纤维在混凝土破坏后期对混凝土有明显的约束作用，相当于给混凝土加了个围压，而增加了混凝土的塑性性能。
图5 无围压素混凝土、钢纤维混凝土及有围压素混凝土应力应变曲线
2.1.4有围压作用的钢纤维混凝土在重复荷载作用下的力学性能
通过在围压为2.5MPa作用下测得的一组试件极限抗压强度为46.50MPa，取极限荷载的0.9倍，即0.9×46.50=41.85MPa为重复加载值，对同组试件进行2.5MPa围压下的重复荷载作用，如图6为重复加载的应力应变曲线图。从图上我们可以发现，通过16次加载和卸载循环，每个加卸载循环都不能形成闭合曲线，钢纤维混凝土试件的部分变形是不能恢复的，试件的裂缝也是不断开展的。在第十七次加载时，应力再也不能达到重复加载值41.85MPa，最高只能达到41.37MPa，此时的应变为1.70%，以后继续加载应力不断下降，直至试件破坏。
图6 重复荷载作用下钢纤维混凝土三轴试验的应力应变曲线
3 结论
（1）在钢纤维混凝土中，钢纤维具有约束混凝土裂缝开展的作用，使钢纤维混凝土具有较大塑性性能。
（2）通过试验可见，围压的作用使鋼纤维混凝土极限抗压强度有了明显的提高。
（3）得到了有围压作用的钢纤维混凝土在重复荷载作用下的一些力学性能。
参考文献
[1] 张建. 钢纤维混凝土性能研究及其应用现状[J]. 山西建筑,2010,36，（5）.
[2] 周德喜, 侯建国, 崔 蕾. 国内外钢纤维混凝土受力性能研究述评[J]. 武汉大学学报(工学版),2001，41，增刊.
关键词：钢纤维混凝土；三轴荷载作用；应力应变曲线
钢纤维混凝土( steel fiber reinforce concrete ，SFRC) 是由粗骨料、细骨料、水泥以及乱向分布的钢纤维等材料组成的一种多相非均质的复合材料。由于钢纤维的增强、阻裂作用，钢纤维混凝土具有较普通混凝土更为优越的力学性能。近年来，钢纤维混凝土在建筑结构和路桥方面都有广泛地应用[1,2,3]。同时钢纤维在高强混凝土和特殊混凝土结构方面也有美好的发展前景。
在工程实践中，钢纤维混凝土构件有些处在较为复杂的应力状态下[4,5,6]。本试验研究了钢纤维混凝土在三轴荷载作用下的力学性能，同时鉴于混凝土往往会产生疲劳破坏[7]，也对钢纤维混凝土在三轴荷载作用下的反复应力作用进行了试验。
1．试验的准备与实施
1.1 试件的制作
试件制作所使用的混凝土原料均为从施工现场提取的砂子和碎石，制作前通过人工过筛，去除砂、石中的泥土、草根以及树叶等杂质。砂的粒径控制在0.15～4.75mm之间，中砂。采用粒径5mm和粒径在5～20mm之间两种碎石。水泥采用钻牌42.5普通硅酸盐水泥。钢纤维采用宏瑞莱（北京）科技有限公司生产的系列钢纤维，其钢纤维品种主要有端钩型、钢丝哑铃型、铣削波纹型、镀铜微丝等。水采用自来水。
本试验采用的混凝土试模为圆柱形试模，分别为Φ50×100mm和Φ100×200mm两种。对于Φ50×100mm的试件，制作时所采用的碎石为粒径5mm的米石，钢纤维为镀铜微丝；对于Φ100×200mm的试件，制作时所采用的是粒径在5～20mm的碎石，钢纤维有端钩型、钢丝哑铃型和波纹型。为使试验结果能够和素混凝土试件进行比较，钢纤维混凝土采用了与素混凝土相同的配合比，1m3混凝土各材料用量为：水泥408kg，砂878kg，碎石907kg，水185kg。在试件中钢纤维的掺量分别为体积率0.5%，2%和4%三种。
试件制作完成后，在实验室养护箱里温度20℃，湿度为95%的条件下养护28天。为了满足试验要求，对养护后的试件需进行处理：（1）由于试件较小、振捣不利等原因，不可避免地在试件表面存在个别气孔，需要修补；（2）在岩石磨面机上将试件的两承压端面磨平。
1.2 试验机和试验仪器
本试验采用的试验机是长春市朝阳试验机厂生产的TAW-3000型微机控制电液伺服三轴岩石试验机，其主要技术参数：主机采用门式整体铸造结构，刚度达10GN/m以上；轴向最大试验力3000kN，测力精度±1%；最大围压100Mpa，围压测控精度±1%。由于本试验制作了两种试件Φ50×100mm和Φ100×200mm，试验时需采用两套引伸计，Φ50×100mm试件的引伸计轴向量程8mm，径向量程4mm；Φ100×200mm试件的引伸计轴向量程10mm，径向量程5mm，引伸计的测量精度可达到1 m。
1.3 试验过程和试验参数
在对试件进行三轴试验前，首先对试件进行单轴试验，在对试件单轴试验时，我们未采用热缩膜封装，直接将试件安装在引伸计上，在试验机上采用变形加载的方式对试件加载，试验过程较简单。对试件的三轴试验，为了防止抗磨润滑油浸入混凝土试件，影响试验结果，采用弹性较好的热缩膜密封试件，然后将试件安装在引伸计上，并连同试件一起放在压力室的底座上，给试件放上压头和球头。计算机查看引伸计初始值，如初始值太大，需调整引伸计。然后将压力室下落并扣好压力室钢环，封闭压力室。打开油管阀门，给压力室充满油。接下来采用计算机软件控制试验操作：上升油缸活塞至压力室与试验机上部传感器即将接触时停止；给试件施加围压至要求数值；给试件施加轴向预压力；通过变形加载或负荷加载给试件施加轴向荷载直至试件破坏；最后卸除轴压和围压，压力室回油，打开压力室，取出试件，试验结束。
本试验分别完成了钢纤维体积率0.5%、2%和4%的Ф50×100mm试件的单轴和三轴试验；完成了端钩型、钢丝哑铃型和铣削波纹型钢纤维以体积率为2%配制的Ф100×200mm试件的单轴和三轴试验。
2 试验结果与分析
2.1 试件的破坏形态
2.1.1 单轴试验试件的破坏形态
对素混凝土和钢纤维混凝土进行单轴抗压试验时，素混凝土试件随着应力的不断加载，大约在应变为0.4%～0.5%时，试件表面开始出现脱皮以及竖向裂纹；而钢纤维混凝土大约在应变为0.6%～0.7%时，试件表面才开始出现脱皮以及竖向裂纹。此现象说明混凝土内的钢纤维具有约束裂缝开展的作用，使钢纤维混凝土表现出较大的塑性性质。由于钢纤维的约束作用，钢纤维混凝土在破坏时其裂纹较窄较密，表面较少出现脱落。
图1 钢纤维混凝土单轴试验中和试验后的试件
2.1.2 三轴试验试件的破坏形态
当进行三轴试验的试件应变达到1.5%时，应力已经出现一定的下降，说明试件已经破坏。但从试件破坏后的照片（如图2）发现，钢纤维混凝土，由于其围压作用的影响，试件的表面未有脱落现象，只有肉眼不易观察到的细小裂纹，同时由于压头和围压对试件的约束作用，试件两端的直径基本不变，而其中部直径明显增大2～4mm左右。
图2 钢纤维混凝土三轴试验后的试件
2.2 三轴荷载作用下钢纤维混凝土的力学性能
2.1.1 钢纤维体积率对混凝土力学性能的影响
用镀铜微丝配制体积率分别为0.5%、2%和4%Φ50×100mm的钢纤维混凝土试件，在2.5MPa围压的作用下，通过0.025mm/min速率的变形加载，当压应变达到1.5%时，试件破坏。图3为总应力-应变曲线比较图，在图中可见，在三轴荷载作用下，要使试件的极限抗压强度最大，会存在钢纤维混凝土的某最佳钢纤维体积率，大约为1.5%～2%之间。钢纤维体积率配制过大，不但不能提高钢纤维混凝土的强度，可能还会有一定的降低。通过对其破坏形态分析，钢纤维体积率比较大（如4%）时，钢纤维的存在常使混凝土不能振捣密实，反而会降低钢纤维混凝土的强度。 图3 不同体积率钢纤维混凝土的总应力应变曲线
2.1.2 围压对钢纤维混凝土力学性能的影响
本试验分别进行了体积率为2%的钢纤维混凝土试件的单轴抗压试验和2.5MPa围压以及5MPa围压作用下的三轴抗压试验，测得其有代表性的一组总应力应变曲线如图4所示。图中钢纤维混凝土的单轴极限抗压强度为27.20MPa，其在2.5MPa围压下三轴极限抗压强度为48.83MPa，其在5MPa围压下三轴极限抗压强度为69.60MPa，围压对钢纤维混凝土极限强度的增强系数分别为（48.83-27.20）/2.5≈8.65,（69.60-27.20）/5≈8.48。通过分析可见，围压的存在能够显著提高钢纤维混凝土的极限抗压强度，其增强系数一般在8.0～9.0之间。
图4 不同围压下钢纤维混凝土的总应力应变曲线
2.1.3 钢纤维对混凝土的约束作用
本试验做了无围压状态下素混凝土的单轴抗压试验、围压为2.5MPa的素混凝土三轴抗压试验和体积率为2%的钢纤维混凝土的单轴抗压试验，如图5为其应力应变曲线图。从图中可见，混凝土中掺入钢纤维后其极限抗压强度提高不大，即（24.57-21.70）/21.70≈13.2%。但钢纤维混凝土超过极限抗压强度后，其后期强度的下降速度较素混凝土要缓慢多，而有围压约束的素混凝土其后期强度下降也同样比较缓慢。可以断定钢纤维在混凝土破坏后期对混凝土有明显的约束作用，相当于给混凝土加了个围压，而增加了混凝土的塑性性能。
图5 无围压素混凝土、钢纤维混凝土及有围压素混凝土应力应变曲线
2.1.4有围压作用的钢纤维混凝土在重复荷载作用下的力学性能
通过在围压为2.5MPa作用下测得的一组试件极限抗压强度为46.50MPa，取极限荷载的0.9倍，即0.9×46.50=41.85MPa为重复加载值，对同组试件进行2.5MPa围压下的重复荷载作用，如图6为重复加载的应力应变曲线图。从图上我们可以发现，通过16次加载和卸载循环，每个加卸载循环都不能形成闭合曲线，钢纤维混凝土试件的部分变形是不能恢复的，试件的裂缝也是不断开展的。在第十七次加载时，应力再也不能达到重复加载值41.85MPa，最高只能达到41.37MPa，此时的应变为1.70%，以后继续加载应力不断下降，直至试件破坏。
图6 重复荷载作用下钢纤维混凝土三轴试验的应力应变曲线
3 结论
（1）在钢纤维混凝土中，钢纤维具有约束混凝土裂缝开展的作用，使钢纤维混凝土具有较大塑性性能。
（2）通过试验可见，围压的作用使鋼纤维混凝土极限抗压强度有了明显的提高。
（3）得到了有围压作用的钢纤维混凝土在重复荷载作用下的一些力学性能。
参考文献
[1] 张建. 钢纤维混凝土性能研究及其应用现状[J]. 山西建筑,2010,36，（5）.
[2] 周德喜, 侯建国, 崔 蕾. 国内外钢纤维混凝土受力性能研究述评[J]. 武汉大学学报(工学版),2001，41，增刊.