粗骨料钢纤维水工混凝土抗折强度试验研究.pdf

第 3 2卷第 2期 2 0 1 0年 2月 人民黄河 YELL OW RI VER Vo 1 3 2 No 2 F e b ， 2 0 1 0 【 水利水 电工程 】 粗骨料钢纤维水工混凝土抗折强度试验研究 石国柱 ， 韩菊红 ( 1 安阳师范学院 建筑工程学院， 河南 安阳4 5 5 0 0 2 ； -2 郑州大学 水利与环境学院， 河南 郑州4 5 0 0 0 2 ) 摘要： 进行了二级配骨料钢纤维混凝土的抗折强度试验。结果表明： 钢纤维体积率( 钢纤维掺量) 是影响钢纤维混凝 土抗折强度的重要因素， 通过在结构构件的受拉区内掺入适量钢纤维， 可以有效改善其抗折性能； 对钢纤维外形进行合 理改进 ， 增 强钢纤维与基体混凝土之 间的锚 固力与机械咬合 力， 可 以提 高钢 纤维混凝土的抗折能力。 关键词 ：钢 纤维混凝土 ；抗折强度 ；二级 配；大骨料 中图分 类号 ：T V 2 2 3 4 文献标识码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 01 3 7 9 2 0 1 0 0 2 0 6 4 混凝 土是一种脆性材料 ， 抗裂 、 变形能力差 ， 但在混凝 土中 掺入钢纤维以后， 混凝土裂缝的扩展和延伸将得到明显改善。 钢纤 维混凝土在桥梁 、 隧洞 等工程 中得 到广泛应 用 ， 取 得 了良 好的效益 ， 但在水利水电工程中的应用较晚。许多钢纤维混凝 土的研究均限制粗骨料最大粒径为 2 0 m m， 而有关大粒径混凝 土抗折性能 的研究还很 少 。笔者 基于水 利工程 对大粒 径混凝 土的防裂增韧要求， 测定了粗骨料最大粒径为4 0 m m的二级配 钢纤维混凝土的抗折性能。 1 抗折试验 试验材料如下 ： 水泥为 4 2 5 R普 通硅酸 盐水 泥； 细集 料采 用细度模数为 2 7 9的机制砂 ， 级配连续 ； 粗集料为连续 级配石 灰岩碎石 ， 小石粒径 5 2 0 mm， 大石粒径 2 0 4 0 m m， 有逊径 ， 过筛后使用， 大石与小石比例为 1 1： 9 ； 钢纤维为端勾型钢纤 维， 长6 0 m m， 长径比为 8 0 ， 弯折度合格； 减水剂采用 J M一1 I 型 缓凝高效减水剂， 减水率为 2 0 2 3 6 ； 氧化镁采用外掺法 ， 掺量为胶凝材料用量的3 4 ； 粉煤灰采用 I 级粉煤灰。 为比较不同钢纤维掺量对混凝土的增韧效果， 取钢纤维 体积率分别为 0 、 0 5 、 0 7 7 、 1 0 、 1 2 5 进行试验， 对 应试件编号 IV。 试验设计原则： 在保证水灰比不变的前提下， 随钢纤维掺 量的增大， 适当增加单位用水量， 使钢纤维混凝土具有适宜的 工作性能 。基体混凝 土强度等级为 C 3 0 ， 试验配合 比见 表 1 ， 试 件 IV的坍落度分别为 1 9 0 、 5 0 、 3 0 、 1 0 、 0 mm。 按照 钢纤维混凝土试验方法 的规定 J ， 钢纤维混凝土 弯曲韧性试件尺寸为 1 5 0 m m1 5 0 m m 5 5 0 mm。为使钢纤维 均匀分布， 先拌和除钢纤维外的其他材料， 再将钢纤维撒入混 凝土中拌和均匀( 人工用钢棒辅助拌和， 以避免出现钢纤维结 团现象) 。试验时， 为增强现有普通试验机的刚度， 采用了4个 具有相同尺寸和刚度的高强弹簧作为刚性辅助架( 由清华大 学 、 哈尔滨建筑工程学 院、 大连理工大学等单位 的实践 证明 ， 采 用劲性弹簧作为刚性辅助架是可行的) 。 】 3 8 表 1 试验配合比 k s m 2 抗折强度试验结果 图 1 为钢纤维混凝 土试件抗折强度 比( 即某一 钢纤 维体积 率或掺量的钢纤维混凝土的抗折强度 与基体混凝土试件的 抗折强度 的比值) 与钢纤维体积率的关系。可以看出： 随钢 纤维体积率的增大， 抗折强度 比随之加大； 但 当钢纤维体积率 为 1 2 5 时， 钢纤维有少量结团现象， 钢纤维的均匀分布受到 影响， 测试结果的离散性有所增大。 丑 赵 憩 辖 堰 强度 比 钢纤维体积率 ， 图 1 抗折强度 与钢纤维体积率 ( 掺量) 的关系 对于普通混凝土， 当其表面出现裂缝时， 混凝土随即发生 无预兆的脆性断裂破坏 ， 其开裂荷载和极限荷载基本接 近。而 在钢纤维混凝土初裂后， 即混凝土基体出现裂缝后， 跨越裂缝 的纤维往 往仍能通 过界 面传递应 力， 而不像 普通 混凝 土 收稿 日期： 2 0 0 9 0 5 - 0 6 基金项目： 河南省科技攻关计划项 目( 0 6 2 4 2 5 0 0 2 8 ) ； 安阳师范学院骨干教师资 助计划项 目。 作者简介： 石国柱( 1 9 7 4 一) ， 男， 河南安阳人， 讲师， 硕士， 主要从事建筑材料及 结构性能方面的研 究工作。 E- ma i l ： g uo z hu s h i 1 2 6 o o m 人 民 黄 河2 0 1 0年第 2期 那样 ， 一旦裂缝扩展便很快导致试件断裂。在钢纤维的这种阻 裂效应下， 钢筋混凝土承载能力显著提高 ， 其极限承载力及韧 性均随钢纤维体积率的提高而明显提高。在混凝土结构形成 过程 中， 钢纤维阻止裂缝引发 ， 缩小 与减少裂缝 源尺度和数 量 ， 在受力过程中， 又抑制了裂缝的扩展， 缓和了裂缝尖端应力的 集中 。因此， 钢纤维体积率 ( 钢纤维掺量) 是影响钢纤维混 凝土抗折强度的重要因素， 通过在结构构件的受拉区内掺入适 量钢纤维， 可以有效改善其抗折性能。 观察试件断裂面， 试件断口处钢纤维几乎全部因粘结破坏 而被拔出， 只有极少量的钢纤维被拉断。由于数 目越来越多的 钢纤维脱粘 和拔 出 ， 需 吸收很 多能量 ， 而裂 缝前 端纤 维咬合 区 的存在增大了裂缝扩展的阻力， 使钢纤维混凝土中裂缝扩展需 吸收更多的能量， 因此钢纤维混凝土呈现良好 的塑性， 并有裂 而不 断的特征 。 由于钢纤维是拔出而不是被拉断 ， 因此通过对钢 纤维外形 的合理改进， 可增强钢纤维与基体混凝土之间的锚固力与机械 咬合力， 从而提高钢纤维混凝土的抗折能力。从增强钢纤维开 裂后不被拔出的角度， 进一步研究钢纤维的成型加工方法， 通 过钢纤维改形提高其对混凝土的增强效果， 具有良好的技术经 济价值。 3 抗折强度计算方法 钢纤维 的增强效应与纤维 品种 、 纤维特征参 数以及基体 混 凝土强度有关， 纤维混凝土结构技术规程 在复合力学理论计 算模式的基础上， 总结普通强度钢纤维混凝土抗折强度的大量 试验结果和规律， 运用数理统计方法， 确定钢纤维对混凝土强 度的影响系数 ， 得 到钢纤维混凝 土抗折强度 的计算模式 J ： = ( 1+a A f ) ( 1 ) 式中 为基体混凝土抗折强度； A 为钢纤维含量特征参数， A ，= p ， l f ， p f 、 f f 、 ， 分别为钢纤维体积率( 钢纤维掺量) 、 长度 、 直径； 为钢纤维对混凝土抗折强度的影响系数。 对试验结果统计分析 ， 得到 7 d初裂强度 、 7 d极限强度对 应的影响系数 分别为 0 4 0 2 、 0 4 3 5 ； 2 8 d 初裂强度 、 2 8 d极限 强度对应 的影 响系数 a 分别为 0 3 6 6 、 0 7 1 6 ， 将抗 折强度试 验 值与式( 1 )的计算值进行比较见表 2 ， 可见符合程度较好。 表 2 抗 折强度计算值与试验值比较 M P a 4 抗折强度与劈拉强度的关系 钢纤维混凝土的劈拉强度与钢纤维体积率 ( 为 1 以内 时) 有很好的线性关系 ， 而由图 1可以得到， 钢纤维混凝土的 抗折强度与钢纤维体积率( 钢纤维掺量) 也有一定的线性联系， 那么抗折强度和劈拉强度之间也应该有一定 的联系。图2为 抗折强度和劈拉强度的关系， 可见抗折强度和劈拉强度有近似 直线 的关系 ： f , o = 十 ( 2 ) 式中 。 为基体混凝土劈拉强度。 经过回归分析可确定 、 k的 值， 初裂强度的 =1 8 9 、 k=一3 3 3 3 ， 极限强度的d=2 8 8 8 、 k = 一6 62 9。 将试验值与式( 2 )的计算值相比较 ， 符合程度较好。 这样 ， 在得到劈拉强度的同时就可以间接估计出抗折强度的数值。 5 结语 劈拉强度 ， M P a 图 2 抗折 强度与劈拉强度的关系 ( 1 ) 钢纤维的加入显著提高了混凝土的抗折强度。钢纤维 体积率( 钢纤维掺量) 的提高， 对钢纤维混凝土的初裂强度和极 限强度 的改 善作 用明显。 ( 2 ) 从试验中钢纤维被拔出而不是被拉断可知， 对钢纤维 外形进行合理改进 ， 增强钢纤维与基体混凝土之问的锚固力与 机械 咬合力 ， 可 以提高钢纤维混凝土的抗折能力 。 ( 3 ) 在钢纤维体积率小于 1 时， 粗骨料钢纤维混凝土抗 折强度可按式( 2 ) 进行计算。 参考文献： 1 石国柱， 韩菊红， 刘文立， 等 钢纤维大粒径混凝土弯曲性能研究 J 人民黄 河 ， 2 0 0 7， 2 9 ( 1 )： 7 57 6 2 中国工程建设标 准化 协会 C E C S 1 3 ： 8 9钢纤维混凝土试验方法 s 北京 ： 中 国计划 出版社 ， 1 9 9 6 3 赵国藩， 彭少民， 黄承逵 钢纤维混凝土结构 M 北京 ： 中国建筑工业出版 社 ， 1 9 9 9 4 高丹盈 ， 刘建 秀 钢纤维 混凝土基本 理论 M 北 京 ： 科 学技术 文献 出版社 ， 1 9 9 4 5 石国柱 钢纤维混凝土弯曲韧性和断裂性能试验研究 D郑州： 郑州大学， 20 o5 【 责任编辑张华岩】 1 3 9