钢纤维和碳纤维增强混凝土的抗压性能试验研究.pdf

第 3 7卷 第 l 2 期 建筑结构 2 0 0 7年 1 2月 钢纤维和碳纤维增强混凝土 的抗压性能试验研究 * 刘 涛 冯 伟 张智梅 ( 1上海大学土木工程系2 0 0 0 7 2 ； 2上海市应用数学和力学研究所2 0 0 0 7 2 ) 提要 分别进行了掺入钢纤维 、 碳纤维及两种纤维混杂对混凝土抗压性能增强效果的试验研究。讨论 了钢 纤维掺量 、 分布形式， 以及碳纤维长径比对混凝土抗压性能的影响。并将钢纤维和不同长径比的碳纤维进行 混杂组 合 ， 研究 了钢一 碳 混杂纤维 对混凝 土强 度和变形 能 力 的影 响。试 验结 果表 明 ， 钢 纤维 分 布形 式 的不 同对 混凝土抗压强度有一定影响； 碳纤维长径 比对混凝土抗压性能的影响很大 ； 钢纤维与短碳纤维混杂组合有效 地 改善 了混凝 土 的抗压性 能 。 关键词 钢纤维碳纤维混杂纤维混凝土延性比提高率 Ex p er i me n t al St udy o n Compr e s s i o n Be ha v i o r o f St e e l a nd Car bo n Fi be r Re i nf o r c e d Co nc r e t e Li u Ta o 一，Fe n g We i ， Z h a n g Z h i m e i ( 1 De p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e ri n g ，S h a n g h a i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2，C h i n a ；2 S h a n g h a i I n s t i t u t e o f A p p l i e d M a t h e m a t i c s a n d M e c h a n i c s ， S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Th e be h a v i o r o f s t e e l ，c a r b o n a nd t h e i r h y b r i d i z e d fibe r - r e i n f o r c e d c o n c r e t e i S s t u d i e d e x p e rime n t a l l yT l e e f f e c t o f c o n t e n t o rie nt a t i o n o f s t e e l fibe rs a n d l e n g t h d i a me t e r a s p e c t r a t i o o f c a r b o n fib e rs o n c o nc r e t e i S d i s c u s s e da s we l l a s t h a t o f t h e i r h y b ri d i z e d f i b e r s T e s t r e s u l t s s h o w t h a t c o mp r e s s i v e s t r e n gth o f c o n c r e t e w a s i n fl u e n c e d b y t h e o ri e n t a t i o n o f s t e e l fi b e rs； t h e c o mpr e s s i o n b e h a v i o r o f c o n c r e t e wa s a f f e c t e d g r e a t l y b y t h e a s p e c t r a t i o o f c a r bo n f i b e rs ，a n d t h a t c a n b e i mp r o v e d b y t he h y b rid i z e d s t e e l a n d s h o r t c a r b o n fib e rs Ke y wor ds： s t e e l fib e r ； c a r b o n fib e r ； h y br i d i z e d fibe r ； c o n c r e t e； du c t i l e e f f e c t i v e n e s s 0 前 言 研究表 明_ 8 J ， 掺 人两 种 以上 的混 杂纤 维对 混 凝 土进行增强 ， 会 产生综 合作用 。 目前 纤维混 杂可分 为 两类 ： 一是 不同尺寸 的纤维进行组合 ， 可 以在 不同尺度 上对混凝土进行 增强 ； 二是 尺度相 同但不 同弹性模 量 的纤维进行组合 ， 高模量纤维在裂缝较小 时发 挥作用 ， 低模量纤维在裂缝 开 口较大时发挥作用 。目前常用的 混杂纤维有钢纤维 、 碳纤维及 聚合物纤维等。下面对钢 一碳混杂纤维对 混凝土 的增强 效果进行研究 ， 并 分析纤 维含量及纤维长径 比等对混凝土抗 压性能的影 响。 1 试 验 研 究 1 1试验材料与配合 比 水泥 ： 5 2 、 5 MP a 普通硅酸 盐水泥 ； 细骨料 ： 河砂 ， 中 砂 ， 细度模数 2 7 ； 粗骨料 ： 51 0 m m， 连续级 配碎石 ； 外 加剂 ： D1 7高效减水剂 ； 碳纤维 ： 长度 为 6和 2 0 m m的高 强碳 纤 维 ， 其 性 能 指 标 见表 1 ； 钢 纤 维 ： 等效 直 径 为 0 3 mm， 长度 3 0 mm的哑铃型钢纤维 ， 抗拉强度 1 5 G P a 。 设计 配合 比为每立方米重量水 ： 水泥 ： 粗骨料 ： 砂 ： 减水 剂 =2 4 4 ： 4 7 0 ： 1 0 5 0： 6 1 5 ： 3 。 1 、 2试件制作与试验 试件为 1 0 0 ( 直 径) 2 0 0 ( 高 度) 的圆柱体 ， 每一混 凝土配 合 比均制作 三个试块 。在 1 0 0 L的强 制式搅拌 碳纤 维的性能 表 1 直径 密 度 抗拉强度 弹性模量 断裂延长率 ( t z m) ( g c m ) ( G P a ) ( G P a ) ( ) 5 1 8 2 3 4 8 2 3 0 1 5 机进行搅拌 ， 平板 式振 动台振动 密实成 型。随机 分布 纤维增强 混 凝土 试 块 制作 时 ， 先 加 入 8 0 的 水搅 拌 2 mi n ， 然后慢慢 撒人 5 0 的纤维 ( 避免纤维 成 团) 搅 拌 3 mi n ， 再加入减水剂及剩余 的水搅拌 5 m i n ， 最后加入另 外 5 0 的纤 维搅拌 5 m i n 。分层浇 筑钢纤 维增 强混凝 土试块做法为 ： 将试块混凝 土分 5次浇筑 ， 每次浇筑混 凝土后 ， 进行轻微振捣( 即浇筑混凝土表面较为平整 即 可) ， 然后直接将 一定量 的钢纤维撒人钢 模 内， 然后继 续浇筑下一层 ， 直至完成。 试件在制作 2 4 h后脱模 ， 养护 2 8 d后 ， 在 3 0 0 k N的 万能试验机上 按标准试 验方法 进行抗压 试验 ， 结果 见 表 2 。 2 试 验结果与分析 目前 ， 纤维增 强混凝 土力学性 能的试验 研究 中主 要测量混凝 土的抗压 与劈裂 强度 、 断裂 模量和弯 曲韧 性等指标l 2 。 。该试 验是混凝 土延性研 究项 目的一 部 分 ， 重点研究混 凝土材料 的抗压性能 ， 因此 ， 试验中 *上海市青年科技启明星资助项 目( 0 7 Q A 1 4 0 2 5 ) 。 8 7 维普资讯 混凝 土配合 比与抗压试 验结 果 表 2 钢 短碳 长碳 抗压强度 屈服 计算 延性 延性比 代号 应变 应变 系数 提高率 纤维含量( ) ( M P a ) 8 o ( ) C O 0 一一 4 5 7 0 【 x 】2 2 0 【x 】 3 7 1 6 6 0 0 CI O 5 一一 5 0 0 O o o 2 1 0 0 0 4 6 2 I 6 3 0 4 C 2 1 0 一一 4 8 9 0 【 x 】 2 3 0 0 () 6 2 2 6 4 5 9 0 C 3 1 5 一一 4 7 3 0 【 x 】 2 1 0 0 () 6 0 2 9 0 7 4 8 C 4 0 5 一一 4 4_ 8 0 【 x 】 2 1 0 【 x 】3 9 1 _ 8 3 1 0 4 C 5 1 0 一一 4 6 1 0 【 x 】 1 9 0 0 0 5 3 2 _ 8 5 7 1 9 C 6 1 5 一一 4 5 8 0 【 x 】2 5 0 【 x 】 8 7 3 4 6 1 0 8 8 C 7 一 一 0 5 44 5 0 【 x 】2 2 0 0 0 4 9 2 2 2 3 3_ 8 C 8 一 一 1 0 3 9 3 0 【 x 】 2 4 0 0 0 6 5 2 6 6 6 O 1 C q 一 0 5 一 5 0 7 0 【 x 】 2 1 0 【 x 】5 1 2 4 3 4 6 3 CI O 一 1 0 一 4 8 6 0 【 x 】 2 3 0 0 o 6 7 2 91 7 5 0 Cl 1 0 2 5 一 0 2 5 4 0 4 0 【 x 】 1 9 0 【 x 】5 0 2 6 0 5 6 7 C1 2 0 5 一 0 5 4 0 5 0 【 x 】 2 1 0 【 x 】5 5 2 7 0 6 2 6 C1 3 0 2 5 0 2 5 一 5 6 3 0 O O 2 0 0 0 ( ) 6 2 3 1 0 8 6 7 C1 4 0 5 0 5 一 5 7 6 0 【 x 】 2 2 0 【 x 】7 8 3 5 5 l 1 3_ 8 注： 钢纤维分布： C 3 ， C 4 ， C 5为分层浇筑 ， 其余 为随机分布。减水 剂渗量均为 3 k g m 。 仅研究了混凝土 的抗压性 能 ， 并做 出了相应 的分析 。 2 1纤维增强混凝土的变形能力 采用延性 比表示混凝土 的变形能力l 】 ： 8 o= E 8 0 e ( 1 ) 式中 ， e 舯是指在混凝土应力 应变 曲 线 的 下 降 段 ， 当 应 力降 低 至峰 值应 力 8 0 时 的应 变 值 ， e 称 为 屈 服 应 变 ，即在 图 1中， 当 O A B与 B C D 两个 区域 的 面积 相 等 时对应的应变值 。 图 1 延性的定义 为衡量纤维对 混凝土 延性能力 的增 强效 果 ， 采用 延性 比提高率 7 7 来表示混凝土变形能力 的提高 ， 即 ： 竹= 纤维混凝土的 一素混凝土的 土 的 试验结果见表 2 ， 表中为三个试件结果的平均值 。 2 2纤维掺量 纤维掺量对混凝土抗压强度和延性 比提 高率的影 响见 图 2 。从 图中可 以看 出， 在 混凝 土 内随机 地加 入 钢纤维后 ， 混 凝土 的强 度有 所增 长 ， 当钢纤 维 含量 为 0 5 时 ， 混凝土抗压强度增 长为 9 4 ； 随着纤维 含量 的增加 0 5 一1 5 ， 混凝土延性 比提 高率增 长很 快 ， 分别达到 3 0 4 ， 5 9 0 及 7 4 8 。 试验研究发 现 ， 分层浇筑 钢纤维增强 混凝 土的抗 压强度基本没有 增长 ， 但延性 比提 高率随纤 维含量 的 增加 0 5 一1 5 有所提高 ， 分别为 1 0 4 ， 7 1 9 及 1 0 8 8 。钢纤维无论是分层 浇筑还是 随机 分布 ， 随纤 88 维含量增加 ， 混凝土 的延性 比提高率均有 明显提高。 在混凝土内加入长碳纤维后 ， 从 图 2可 见 ， 随着纤 维含量的增 加 ， 混凝土 抗压强 度有所 降低。当长碳纤 维含量为 1 0 时 ， 抗压 强度降低 1 4 ； 延性 比提高率 随长纤维含量 的增加 0 5 1 0 分别增长为 3 3 8 和 6 0 1 ， 但是 由于抗压强度降低较大 ， 该纤维的加入 不能有效改 善混凝土抗 压性能 。加入 短碳纤维 后 ， 混 凝土抗压强度有所增 长 ： 纤维含 量为 0 5 时， 强度增 长为 l 1 ； 随着碳纤维含量增加 ， 混凝土延性 比提高率 增加较大 ， 分别达 到 4 6 3 和 7 5 。从 以上分 析可 以 看出 ， 短碳纤维在混凝土强度没有降低的情况下 ， 有效 提高了混凝土 的延性 比提高率 ， 因此 ， 短碳纤维 增强混 凝土取得了良好效果 。 言 皂 强 b 璺 0 0 5 1 1 5 0 0 5 1 1 5 纤维总含量 ( ) 纤维 总音 量 ( ) 长碳纤维 +钢纤维+长碳纤维 *钢纤维 +短碳纤维 一 日 短碳纤维 十随机分布钢纤维 十分层浇筑钢纤维 ( a ) 抗压强度 ( b ) 延性比提高率 图 2 纤维掺量对混凝 土抗压强度和延性 比提高率的影响 纤维总含量为 0 5 和 1 0 时 ， 钢纤维和 长碳纤 维混杂增 强 混凝 土 ， 其 混凝 土 的抗 压 强 度 下 降均 为 1 2 左右 ； 钢纤维和短碳纤维组合后 ， 混凝 土抗压强度 增加较大 ， 并 随纤维含量的增长 0 5 一1 0 ， 强度分 别增长 了 2 3 和 2 6 。混 杂纤维 增 强混凝 土 的延 性 比提 高率均随纤维总含量 的增加有所增长 。由于抗压 强度降低较多 ， 钢 长碳纤维组合不 能有效改善 混凝土 的抗压性能 。 2 3钢纤维分布方 向 文 6 指出， 钢纤维在振动密实过程 中趋 向于水平 分布 ， 这种分 布形式 的变 化对纤维 混凝土 的性能有一 定影响 。从图 2可 以看 出 ， 在纤维含量相 同的情 况下 ， 分层浇筑钢纤维 增强混 凝土后 ， 其抗 压强 度的提 高程 度均低于随机分布 钢纤维 的增强情况 。因此 ， 纤维分 布方 向对混 凝土的抗压强度有一定 的影 响。在延性 比 提 高率方面 ， 当钢纤维 的含量 为 0 5 时 ， 分 层浇筑钢 纤维 的增强效果低 于随机分 布 的钢纤 维 ， 但 当纤 维含 量增大为 1 0 和 1 5 时 ， 分层 浇筑钢纤维 的增强效 果大于随机分布 的钢纤维。 维普资讯 2 4 纤维类 型与混杂组合 从 图 2可 以看 出， 长碳 纤维 的加 入使混 凝 土抗压 强度降低 ， 而短碳纤维 的加入 有效提 高了混凝 土 的抗 压强度 ， 当纤 维总含量 为 0 5 和 1 0 时 ， 长 、 短纤维 增强混凝土 的抗压 强度 差距 达到 约 1 4 和 2 4 。由 图 2及表 2可见 ， 短碳 纤维对 混凝 土抗压 强度 的影 响 与钢纤维基本相 同， 但混凝 土的延性 比提高 率好于钢 纤维。钢纤维与长 、 短碳纤维混杂后 ， 对混凝土强 度的 影响更 为明显 ， 两者差距分别超过 3 9 和 4 2 。说 明 当碳纤维长径 比过 大时 ( 试 验 中的长碳纤 维) ， 该纤 维 的加入 不能有效提高混凝土的抗压性能 。对延性 比提 高率而 言 ， 图 2 显示 ， 短碳纤维对混凝土 的增强 效果好 于相 同纤维含量 的钢纤维及 长碳纤 维 ， 混杂纤 维优 于 单一纤维 ， 钢与短碳 纤维混 杂组合 效果好 于与长碳纤 维的混杂组合 。综合 强度及 延性 比提 高率 而言 ， 钢纤 维与短碳纤 维 混杂对 ? 昆凝 土 的增 强效 果好 于 短碳纤 维 ， 而短碳纤维 的增强效果又好 于随机分布 的钢纤维。 3 结论 ( 1 ) 随机分布钢 纤维对混 凝土抗 压强度 的影 响大 于分层 浇筑 的钢纤维 ， 说 明钢纤 维分布形 式 的变 化影 响了? 昆凝土的抗压性能 。 ( 2 ) 碳纤维的长径 比对混凝土强度影 响较大 ， 长径 比太大的碳纤 维不能有效增强混凝土。 ( 3 ) 使用 钢一 碳混 杂纤维 增强混 凝 土 ， 长碳 纤 维和 钢纤维混杂时 ， 不能有效提高混凝土的抗 压性能 。 ( 4 ) 钢纤维( 3 0 m m， 哑铃型) 与短碳纤维( 6 m m， 5 t s m) 的混杂组合使混凝土强度和延性 比提高率 都有 了很 大 提高 ， 因此取得 最佳增强效果 。 参 考 文 献 1袁 勇， 邵晓芸 合成纤维增 强混凝土 的发 展前景 J 混凝 土， 2 0 0 0 ( 9) ： 3 - 7 2王成启 ， 吴科如 钢纤维和碳纤 维混凝土力学 性能的研究 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 3 ， 6 ( 3 ) ： 2 5 3 2 5 6 3华渊 ， 连俊英 ， 周太全 长径比对混杂纤维增强混凝土力学性 能 的影响 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 5 ， 8 ( 1 ) ： 7 2 7 6 1 4 j N A T A R A J A M C，D H A N G N，G U P T A A PS t r e s s - s t r a i n c H i v e s fo r s te e i- fi b e r r e in f o r c e d c o n c r e t e u n d e r c o mp r e s s i o n l J j C e m e n t C o n c r e t e C o mp o s i t e s ，1 9 9 9 ( 21 )：3 8 3 3 9 0 5秦鸿根 ， 刘斯凤 ， 孙伟 ， 庞超明 ， 安平 钢纤维掺 量和类型对 混 凝土性能 的影响 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 3 ， 6 ( 4 ) ： 3 6 4 3 6 8 6S OR O U S H I A N P ，L E E C DD i s t ri b u t i o n a n d o r i e n t a t io n o f fi ber s i n s te e l fi b e r r e info r c e d c o n c r e t e l J j A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 0 ， 8 7 ( 5) ： 4 3 3 4 3 9 7高丹盈 ， 刘建秀S F R C基本理 论 M 上海 ： 科 学技术 文献出 版社 ， 1 9 9 4 I 8Y A O W，L I J ，WU K R Me c h a n i c al p r o p e r t i e s o f h y b r i d fi ber - r e i nfo r c e d c o n c r e t e a t l o w fi b e r v o l u m e f r a c t io n l J C e m e n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ，2 0 0 3( 3 3 )：2 7 3 O 1 9 j B A N T H I A N，N A N D A K U M A R NC r a c k g r o w t h r e s i s t anc e o f h y b ri d fi b e r r e i nf o r c e d c e m e n t c o m pos i t e s l J j C e m e n t C o n c r e t e C o mpos i t e s ，2 0 03 ( 2 5 ) ： 3 - 9 1 0 WU Y F T h e e f f e c t o f l o n g i t u d i n al r e info r c e m e n t o n t h e c y c l i c s h e ar b e h a v i o r o f g l a s s fi ber r e i nf o r c e d g y p s u m w a l l p a n e l s ：t e s t s l J j E n g i n e e ri n g S t r u c t u r e s ， 2 0 0 4 ( 2 6 ) ： 1 6 3 3 - 1 6 4 6 ( 上接第 1 1 5页 ) 冷 却塔子 午 向承载 力不 足的部 分单元 验算结 果 表 3 轴力 弯矩 0 。 钢筋( m m m ) 组合 ( m il1 ) 实配 计算 差值 ( N ra m ) ( N m m m il1 ) ( 。 ) 2 2 5 6 6 5 1 4 9 o 2 7 1 5 1 5 5 8 4 9 8 5 1 5 5 6 5 7 1 3 2 5 5 0 5 1 9 7 3 1 7 1 5 1 5 1 6 4 1 0 2 4 1 8 8 7 8 6 3 1 3 6 7 5 2 1 4 6 8 7 0 8 1 9 3 6 9 9 8 1 1 3 2 0 3 3 9 4 3 7 5 5 3 一l 8 8 0 8 0 8 1 9 3 6 9 9 8 1 1 5 1 4 5 3 3 1 2 9 4 0 8 1 0 3 1 6 6 5 1 2 4 0 1 6 9 8 2 1 4 2 0 4 3 8 3 2 8 4 6 7 1 0 2 6 6 6 1 9 2 2 7 4 6 7 9 9 1 3 9 9 6 0 0 1 2 9 4 8 2 l 1 l 1 2 6 5 1 2 4 4 4 0 9 7 7 1 44 1 4 6 4 1 2 4 2 8 8 1 3嘶3 6 8 3 1 3 9 o 7 1 0 8 6 1 442 3 5 6 4 2 6 3 1 5 1 3 1 9 9 6 5 1 1 2 6 5 1 1 0 o 6 1 4 6 2 4 5 6 2 3 7 5 6 3 1 4 6 【 )7 0 8 1 9 3 6 9 9 8 1 1 3 1 4 3 3 3 3 3 6 7 4 5 一l 8 1 4 6 0 8 1 9 3 6 9 9 8 1 1 6 2 4 6 4 3 4 2 8 4 5 4 7 9 5 3 6 5 1 2 4 4 4 0 8 1 5 1 1 9 1 3 7 6 注 ： 负号弯矩为筒壁 内侧受拉。 5 结 论 ( 1 ) 筒壁初始几何 缺陷使 双 曲线 型冷却塔 筒壁 受 力不利 ， 增大子午向的弯矩 和环 向拉力 ， 甚至使局 部弯 矩和环 向轴力变号。 ( 2 ) 虽然筒壁局 部 内力增 大 ， 甚 至变号 ， 但并 非这 些部位均需加 固， 应考虑冷却塔原设计 的实 际情况 ， 经 强度验算来确定 确实需要加固的部位 。 ( 3 ) 对于子午 向强度不足 的筒壁 ， 考虑到碳纤维贴 于筒壁表面 ， 其提 高截面抗弯承载力 是明显 的 ， 经各种 加固方案 比较后 ， 采用粘贴碳纤维加 固。 ( 4 ) 通过对该冷却塔的结构分析验算 和处理， 使之 花费少量资金加 固后 ， 可确保冷却塔 的安全 运行 ， 具有 社会和经济效益。 参 考 文 献 1 能源部 电力规 划设计管理 局 火力发 电厂水 工设计 技术规定 ( N D G J 5 8 8 ) s 2 建筑抗震设计规范 ( G B 5 0 0 1 1 2 0 o 1 ) s 北京 ： 中国建筑工业 出版社 2 0 0 1 3 江正荣等 特种工程结构施工手册 M 北京 ： 中 国建筑工 业出 版社 ， 1 9 9 8 4 盛和唏 双 曲线冷却塔事 故分析及处 理 M 北 京： 中 国电力出 版社 ， 1 9 9 8 5 混凝土结构加 固设计规 范( G B 5 0 3 6 7 -2 0 0 6 ) s 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 6 8 9 维普资讯