在超高性能鋼纖維混凝土（UHPFRC）的工程應(yīng)用中，如何從易于實(shí)施的彎曲試驗(yàn)中準(zhǔn)確獲取中心抗拉強(qiáng)度，一直是行業(yè)關(guān)注的技術(shù)難點(diǎn)。德國(guó)研究人員Jan-Frederik Rebling及其團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，建立了一套基于彎曲測(cè)試數(shù)據(jù)推導(dǎo)中心抗拉強(qiáng)度的可靠方法。該研究不僅驗(yàn)證了不同纖維參數(shù)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，更為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支撐。

多組別對(duì)比實(shí)驗(yàn)揭示纖維特性影響

為了確定轉(zhuǎn)換系數(shù)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了總計(jì)222項(xiàng)測(cè)試，包括42項(xiàng)基于DIN EN 14651標(biāo)準(zhǔn)的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、12項(xiàng)基于德國(guó)混凝土與結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)（DAfStb）指南的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，以及168項(xiàng)從梁體切割出的拉伸試件進(jìn)行的直接拉伸試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)涵蓋了7個(gè)系列，測(cè)試了三種不同的UHPFRC體系，其Zui大骨料粒徑分別為0.5毫米、3毫米和8毫米，纖維體積含量分別為0.5%、1.0%和2.5%。纖維長(zhǎng)徑比設(shè)定為9/0.175毫米和17/0.20毫米兩種規(guī)格，混凝土拌合物呈現(xiàn)從流動(dòng)到自密實(shí)的狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)纖維體積含量達(dá)到2.5%時(shí)，開(kāi)裂后的彎曲抗拉強(qiáng)度和中心抗拉強(qiáng)度均達(dá)到Zui高值。總體而言，使用較長(zhǎng)纖維的混凝土比短纖維混凝土獲得了更高的強(qiáng)度。此外，Zui大骨料粒徑也對(duì)性能產(chǎn)生了一定影響。由于長(zhǎng)纖維僅在更大的滑移量下才能被充分激活，因此長(zhǎng)纖維混凝土在更大的變形下才能達(dá)到其中心抗拉強(qiáng)度和彎曲抗拉強(qiáng)度峰值。

從梁體切割出的拉伸試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，梁截面不同區(qū)域呈現(xiàn)出不同的中心抗拉強(qiáng)度，這揭示了梁截面內(nèi)纖維分布和取向存在系統(tǒng)性的不均勻性。這種微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性是導(dǎo)致宏觀力學(xué)性能差異的重要原因之一。

建立保守轉(zhuǎn)換系數(shù)以規(guī)范測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)比較基于梁截面平均的中心抗拉強(qiáng)度與彎曲抗拉強(qiáng)度（即彎矩-撓度曲線(xiàn)的Zui大值）時(shí)，不同混凝土體系的結(jié)果范圍較寬。一方面，這是由于不同混凝土梁截面的不均勻程度各異；另一方面，短纖維混凝土的比值通常高于長(zhǎng)纖維混凝土。這是因?yàn)殚L(zhǎng)纖維梁具有更大的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，在相同的中心抗拉強(qiáng)度下，由于彎曲受壓區(qū)的收縮，能夠發(fā)展出更高的彎曲承載能力。為了消除這一差異，研究建議不再以彎矩-撓度曲線(xiàn)的Zui大值作為評(píng)估依據(jù)，而是統(tǒng)一在所有梁體的相同中心撓度下進(jìn)行評(píng)價(jià)。

基于上述發(fā)現(xiàn)，德國(guó)混凝土與結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)（DAfStb）在《超高性能混凝土》指南中提出推薦方案：應(yīng)依據(jù)DIN EN 14651標(biāo)準(zhǔn)的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果，在裂縫寬度（CMOD1）為0.5毫米或撓度（δ1）為0.47毫米時(shí)，按照國(guó)際纖金會(huì)（fib）2010模型規(guī)范確定中心抗拉強(qiáng)度。如果在缺乏梁截面內(nèi)纖維分布和取向信息的情況下，建議采用0.37的保守轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

研究同時(shí)指出，不建議使用基于DAfStb指南的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，因?yàn)闊o(wú)切口梁的荷載-撓度關(guān)系曲線(xiàn)，特別是在增強(qiáng)行為階段，會(huì)因裂縫模式的不同而發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致結(jié)果缺乏可比性。這一結(jié)論為行業(yè)測(cè)試方法的選擇提供了明確的指導(dǎo)方向。

技術(shù)啟示與行業(yè)應(yīng)用前景

該研究通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，解決了超高性能混凝土力學(xué)性能評(píng)估中的關(guān)鍵痛點(diǎn)。對(duì)于中國(guó)建材行業(yè)而言，隨著UHPFRC在橋梁、隧道及特種結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用，建立標(biāo)準(zhǔn)化的性能測(cè)試與轉(zhuǎn)換體系顯得尤為重要。引入0.37的保守轉(zhuǎn)換系數(shù)，不僅簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試流程，降低了檢測(cè)成本，還確保了設(shè)計(jì)參數(shù)的安全性。中國(guó)企業(yè)在研發(fā)和生產(chǎn)此類(lèi)高性能材料時(shí)，可借鑒這一方法，優(yōu)化內(nèi)部質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，提升產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。