抗裂防渗水工混凝土弯曲韧性研究.pdf

第 3 2卷第 l 2期 2 0 1 0年 l 2月 人民黄河 YEL L0W RI VER Vo 1 3 2 No 1 2 De c 2 01 0 【 水利水 电工程 】 抗裂防渗水工混凝土弯曲韧性研究 石 国柱 ， 徐 晓勇 ( 安 阳师范学院 建 筑工程学院 ， 河南 安阳 4 5 5 0 0 2 ) 摘要： 基5 - ff , 工程中对大粒径混凝土的抗裂防渗要求， 进行 了二级配骨料钢纤维混凝土弯曲韧性试验， 分析 了钢纤 维体积率 ( 钢纤维掺 量) 对钢 纤维混凝 土荷 载一 挠度 曲线 、 弯曲韧 度指数 和承 载能 力变化 系数 的影 响。结果表 明 ： 钢纤 维对二级配混凝土弯曲韧性有良好的增强效果， 钢纤维最佳体积率为0 5 1 O 。 关键词 ：钢纤 维混凝 土；弯曲韧性 ；二级 配 ；大骨料 中图分类号 ：T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 - 1 3 7 9 2 0 1 0 1 2 1 0 3 混凝土是一种脆性材料， 抗裂、 变形能力差 ， 这些弱点限制 了混凝土优势的充分发挥。当混凝土中掺人钢纤维后， 钢纤维 与t 昆 凝土基体之问的黏结作用， 将对混凝土基体中裂缝的扩展 和延伸起明显的抑制作用。钢纤维受力时脱黏、 拔出或拉断消 耗很大的能量， 使得混凝土破坏时表现出良好的塑性特征， 故 钢纤维混凝土的开发研究受到了国内外的普遍重视。 钢纤维混凝土在道路、 桥梁、 建筑等工程中得到了广泛应 用， 取得了良好的效益 ， 但是在水利水电工程中的研究和 应用较晚 “J ， 在面板堆石坝方面除了个别小坝修补 时采用 过 喷射钢纤维混凝 土外 ， 还 没有得 到正 式应 用 ， 而 且这 些应 用 基本都限制粗骨料最大粒径 为2 0 m m。笔者基于水利工程对 大粒径混凝土的防裂增韧要求 ， 测定粗骨料最大粒径为 4 0 m m 的二级配钢纤维混凝土的弯曲性能 ， 对大粒径钢纤维混凝土弯 曲性能进行 了分析 。 1 试验简介 试验采用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 料采用连续级配石灰岩碎石 。 小 石为 5 2 0 mm， 大石为2 0 4 0 m m， 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 O ， 弯折度合格； 减水剂为 J MH型缓凝高效减水剂， 减水率 为2 0 2 3 6 ； Mg O采用外掺法加入混凝土， 掺量为胶凝材 料用量 的 3 4 ； 粉煤 灰为 I级粉煤灰。应用实践表 明 - 7 3 ， 混 凝土中掺加 M g 0， 对增强混凝土的断裂韧度、 补偿混凝土 自身 体积收缩 ， 避免或减少因混凝土 自身收缩变形而产生的裂缝 ， 效果 明显。 钢纤维体积率分别为0 、 0 5 、 0 7 7 、 1 O 和 1 2 5 ， 分 别对应试件编号中的 IV， 以比较不同钢纤维掺量对混凝土 的增韧效果。在保证水灰 比不变的前提下， 随钢纤维掺量的增 加 ， 适当增加单位用水量， 使钢纤维混凝土有适宜的工作性能。 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 m m和0 mm。 表 1 试验配合比 k g m 按照 钢纤维混凝土试验方法 的规定， 钢纤维混凝土弯曲 韧性试件尺寸为 1 5 0 mm1 5 0 n l n5 5 0 mm， 试件按先干拌后 湿拌的方法， 用强制式小型搅拌机拌合， 用振动台振实成型。 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 纤维均匀撒入 ， 全部投人后再拌和均匀。拌和过程中， 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 4个具有相同尺寸和刚度的高强 叠簧为刚性辅助架。每个试件在试验前都仔细测量， 并计录其 实际尺寸， 用 I MP 3 5 9 5 3 B数据自动采集仪采集试验数据。 2 试验结果及分析 2 1 荷载一挠度 曲线 不同钢纤维体积率下钢纤维混凝土试件的荷载一挠度曲 线见图 1 、 图 2 。已有研究表明， 普通混凝土梁的破坏特征是一 裂即断， 表现为较弱的塑性和较强的脆性 I 9 J 。由图 1 、 图 2可 以看出， 钢纤维混凝土试件的荷载峰值随钢纤维体积率的增大 而增大， 荷载一挠度曲线随钢纤维体积率的增大而越加丰满 ， 呈现出更强的韧性 。 收稿 日 期 ： 2 0 1 0 0 3 - 2 6 基金项 目： 河南省科技攻 关课题 ( 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 能研 究工作。 E ma i l ： g u o z h u _s h i 1 2 6 c o r n 2 43 人 民 黄 河2 0 1 0年第 1 2期 山 挺 霜 静 繇 握 租 静 1 2 3 4 5 6 7 8 9 挠度 ra m 图 1 钢纤维混凝土 7 d龄期荷载一 挠度曲线 图 2 钢纤维混凝土 2 8 d龄期 荷载一挠度曲线 荷载较小时， 基体通过界面黏结力将荷载传至纤维， 钢纤 维与混凝土基体作为整体共同承担荷载， 两者变形协调处于弹 性阶段， 故荷载一挠度曲线呈直线。当荷载增大， 受拉区混凝 土变形达到钢纤维混凝土初裂应变时， 混凝土基体出现裂缝， 跨越裂缝的纤维通过界面传递应力使试件截面受力保持平衡， 而不像普通混凝土那样 ， 一 旦裂缝 扩展 便很快 导致试件 断裂 ； 基体内部微裂缝稳定扩展成为宏观裂缝， 荷载一挠度曲线逐渐 呈非线性变化。在该阶段， 钢纤维通过界面黏结横贯裂缝传递 应力， 钢纤维混凝土仍能承受更大的荷载。随着荷载的继续增 大， 混凝土基体裂缝继续扩展， 钢纤维混凝土处于弹塑性阶段。 此后， 钢纤维在逐渐拔出过程中， 横跨裂缝连接混凝土， 使钢纤 维混凝土的承载能力仍有一定提高， 且随钢纤维体积率的增大 而增大。钢纤维混凝土达到极限承载能力的I 临界值后， 裂缝失 稳扩展 ， 因钢纤维与基 体 间界 面黏结 强度逐 步达到极 限 ， 钢纤 维不断被拔出或拉断， 承载能力下降， 裂缝两端的钢纤维混凝 土几乎变成刚体转动， 跨中挠度增长很快。在该过程中， 由于 数目越来越多的钢纤维脱黏、 拔出或拉断， 需要吸收很多能量 ， 因此荷载一挠度曲线缓慢下降， 呈现出良好的韧性， 并有裂而 不断的特征 。 2 2 弯 曲韧度指数 为了更好地比较各种钢纤维混凝土的弯曲韧性 ， 引入弯曲 韧度指数。弯曲韧度指数是以3倍 、 5 5倍 、 1 5 5倍的初裂挠 度前荷载一挠度曲线下的面积与初裂时荷载一挠度曲线下面 积的比值 ， 用 ， 5 、 ， l 0 、 ， 3 。 表示。按照图 1 和图2计算出的钢纤维 混凝土弯曲韧度指数见表 2 。试验及分析结果表明： 钢纤维的 加入明显改善了混凝土的弯曲变形性能， 弯曲韧性随钢纤维体 积率的增大而提高。 由表 2可以看出： 当钢纤维体积率P 1 时， 钢纤维混 凝土韧度指数基本上随着钢纤维体积率的增大而增大， 但当钢 纤维体积率 1 1 2 5 时， 钢纤维混凝土韧度指数有所 - 2 44 下降； 与7 d龄期相比， 2 8 d龄期钢纤维混凝土韧度指数并无 明显提高， 原因是弹性模量随龄期的增加有较大提高， 表明钢 纤维混凝土的早期变形能力并不弱于常规 2 8 d设计龄期的变 形 能力 ， 也表明钢纤维混凝土有较好的早期抗 裂性能 。 表 2 弯曲韧度指数 2 3 承载能力变化系数 为 了反映钢纤维混凝 土在给定 变形下 的承载能 力 ， 钢纤 维混凝土试验方法 在 A S T MC 1 0 1 8基础上增加 了承载能力变 化系数 。试件在给定变形下的弯曲承载能力变化系数为 = ( 1 ) 式中： 为倍数， a：给定挠度 初裂挠度， 钢纤维混凝土试验 方法规定的 为 3 0 、 5 5 、 1 5 5 ； I m 为与给定 挠度对应 的一 组试件的平均弯曲韧度指数。 将所得结果与理想弹塑性材料的承载能力变化系数 = 1比较， 评定其弯曲韧性， 与 1 越接近， 表明钢纤维混凝土 越接近理想弹塑性材料。 钢纤维混凝土的承载能力变化系数计 算结果见表 3 。 表 3承载能力变化 系数 钢纤维 体积率 7 d龄期承载能力变化 系数2 8 d龄期承载能力变化系数 =3 0 =5 5 =1 5 5 a =3 0 a：5 5 a =1 5 5 可以看出， 钢纤维体积率为 0 7 7 1 0 时， 钢纤维混凝 土的承载能力变化系数大都在 1附近， 表明钢纤维体积率在该 范围内弯曲韧性最接近于理想弹塑性材料。原因是当钢纤维 混凝 土开裂后 ， 由于钢纤维有增强阻裂作用 ， 承载力继续 上升 ， 而且随着钢纤维体积率的增大极限承载力提高， 荷载一挠度曲 线下降段越丰满， 因此可以得到较高的承载能力变化系数。 3 结语 试件初裂后， 受拉区裂缝宽度随着荷载的增大而增大， 达 到极限强度后 ， 普通混凝土梁突然折断， 而钢纤维混凝土梁则 随着裂缝宽度的继续扩大而缓慢卸载， 裂而不断， 钢纤维混凝 土韧性明显增强。钢纤维混凝土试件的峰值荷载随着钢纤维 体积率的增大而提高， 荷载一挠度曲线随着钢纤维体积率的增 大而越加丰满， 呈现出更强的韧性。高强混凝土弯曲韧度指数 及承载力变化系数均随着钢纤维体积率的变化而变化， 当钢纤 维体积率小于0 5 时， 增韧效果不明显， 而当钢纤维体积率大于 1 0 时， 其性能指标不仅离散性大， 而且出现性能下降的情况， 因 此钢纤维最佳体积率为0 5 1 0 。 ( 下转第2 4 7页) 人 民 黄 河2 0 1 0年第 1 2期 2 3形成谱 系图 采用一次成群计算法对相似系数矩阵进行聚类分析， 以相 似系数为横坐标 ， 以观测点为纵坐标 ， 作二维谱系图， 见图2 。 1 1 3 4 5 妻6 r 7 8 9 l O 1l 3 结语 相 似系数 l 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 l 图 2 构造裂隙聚类分析谱 系 根据构造裂隙聚类分析谱系图可以看出， 构造裂隙观测结 果可分为 3类 ， 前 4次观测结 果为一 类 ， 中间 3次 观测为 一类 ， 后4次观测结果为一类。这说明在相近的区域内， 构造裂隙的 发育情况具有一定的相似性， 然而从整体上看， 在向前施工的 过程中， 构造裂隙的发育程度有增大的趋势， 并且存在着两个 分界点 ， 在第4个观测点和第 7个观测点存在着构造裂隙发育 程度突然增大的趋势， 由此可以看出大型断层( F d 6 、 F d 9 5 ) 对周 边构造裂隙具有重要影响， 这和已有的认识相一致。 实例分析表明， 多元聚类分析方法可以通过研究复杂构造 裂隙的多个特征来直观地表现其不同种类之间的相互关系， 实 现对隧道复杂构造裂隙的评价和预测。 参考文献： 白明洲， 许兆义， 王勐 长大隧道施工过程中突水突泥灾害预测预报技术研 究 J 公路交通科技， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 6 ) ： 1 2 3 1 2 6 黄润秋， 王贤能， 陈龙生 深埋隧道涌水过程的水力劈裂作用分析 J 岩石 力学 与工程学报 ， 2 0 0 0 ， 1 9 ( 9 ) ： 5 7 3 5 7 6 韩金 言 数学地质 M 北京 ： 煤炭工业出版社 ， 1 9 8 7 F i e l d J G， Cla r k e K R， Wa r w i c k R MA P r a c t i c a l S t r a t e g y f o r An a l y s is Mu lt i - s p e c ie s D i s t r i b u t i o n P a t te rns J M a ri n e E c o l o g y P r o g r e s s,S e r i e s ， 1 9 8 2 ， 8 ( I ) ： 3 7 5 2 何晓群 多元统计分析 M 2版 北京： 中国人民大学出版社， 2 0 0 8 布雷迪 B H G， 布朗E T 地下采矿岩石力学 M 冯树仁， 余诗刚， 朱祚铎， 等 ， 译 北京 ： 煤炭工业出版社 ， 1 9 9 0 【 责任编辑吕艳梅】 ( 上接第 2 4 2页) 判断方面的一种有益延伸， 它提供了多指标选 择的可能性 ， 在国内外许多领域都有广泛的应用。参加本次德 尔菲法咨询的专家具有丰富的实践经验和较扎实的理论基础， 当中既有科研工作者 ， 也有组织领导者， 确保 了专家的代表性 和权威性。通过德尔菲咨询法提出了 监理规范 中需修订的 内容 、 存在问题及改进建议， 并通过数据分析筛选出四方面需 修订的内容， 可为 监理规范 的修订提供参考。 参考文献： 1 中华人民共和 国水 利部S L 2 8 8 -2 0 0 3水利 工程建 设项 目施工 监理 规范 2 3 4 S 北京： 中国水利水电出版社， 2 0 0 3 吴翊， 李永乐， 胡庆军 应用数理统计 M 北京： 国防科技大学出版社， l 9 95 聂相田， 戎建国， 王博 水利工程施工监理平行检测研究 J 人民黄河， 2 0 0 9， 3 1 (1 O) ： 1 1 11 1 3 中国水利工程协会 水利工程建设质量控制 M 北京： 中国水利水电出版 社 2 o o 7 【 责任编辑赵宏伟】 爿 c 爿 c 术木术术爿 ( 术) l ( 术术术术爿 ( 术术术爿 ( 爿 ( 术术术) I c 爿 c ) I c 丰术术术爿 c 木木米木术木木木爿 c 木木爿 ( 木爿 c 爿 c 术木木 ( 上接第2 4 4页) 参考文献 ： 2 3 4 5 赵国藩， 彭少民， 黄承逵， 等 钢纤维混凝土结构 M 北京： 中国建筑工业 出版社 ， l 9 9 9 高丹盈， 赵军， 朱海堂 钢纤维混凝土设计与应用 M 北京： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 2 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 5 7 6 张东升 ， 赵建 中， 魏剑宏 小浪底水利工程高边坡加 固措施 及安全评价 J 人民黄河 ， 2 0 0 3 ， 2 5 ( 1 2 ) ： 3 1 3 2 陈丕华， 解勤卫 喷射钢纤维砼坝面防渗技术的应用研究 J 人民黄河， 2 0 0 2 ， 2 4 ( 7 ) ： 3 6 6 朱自先 聚丙烯纤维和氧化镁在面板混凝土中的应用 J 人民长江， 2 0 0 4 ， 3 5 ( 7 )： 67 7 肖延亮 ， 杨忠义 外掺 氧化镁混 凝土性 能试验 研究 J 混 凝土 ， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 7 2 73 8 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 9 宋玉普 三向应力状态下钢纤维混凝土的变形特性 J 水利学报， 1 9 9 5 ( 5 )： 1 8 【 责任编辑吕艳梅】 2 47 _亘