新型连续端钩钢纤维增韧混凝土残余弯拉强度分析.pdf

2 0 1 6年第 3期 3月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA CONC RET E AND CE MENT P RODUC T S 2 01 6 No 3 Ma r c h 新型连续端钩钢纤维增韧混凝土残余弯拉强度分析 丁 聪 ， 郭丽萍 ， 陈 波 ， 孙 斌 。 ， 徐文 晓 ( 1 东南大学材料科学与工程学院， 江苏省土木工程材料重点实验室 ， 江苏省先进土木工程 材料协同创新中心 ， 南京 2 1 1 1 8 9 ； 2 南京水利科学研究院 ， 2 1 0 0 2 4 ； 3 上海贝卡尔特一 二钢有限公司 ， 2 0 0 1 3 1 ； 4 贝卡尔特亚洲研发 中心 ， 江阴 2 1 4 4 3 4 ) 摘 要 ： 为 了研 究不同钢 纤维掺量 、 不 同胶凝材 料组成对 混凝土残余 弯拉 强度的影 响 。 根据金属 纤 维混凝土 测 试方 法测试 了钢 纤维掺 量为 3 0 k g m 与 4 0 k g I n 3 的新型 连续端钩 型铜 纤 维增 韧混 凝土 的载荷 和切 口张开 位移值 ( C MOD) 或挠度 曲线图。试验 结果表 明， 随着钢 纤维掺 量的增加 ， 钢 纤维混凝土残余 弯拉 强度及极 限抗折强度均 随 之增加 ；硅酸盐水泥 复掺硫铝酸 盐水泥的钢 纤维混凝土残余弯拉 强度及极 限抗折强度较普通钢 纤维混凝土有所 降 低。钢纤维掺量的提 高有助 于提 高混凝 土的增强阻裂能力。 关键词 ： 钢纤维混凝土 ； 切 口张开位 移值 ； 挠度 ； 残余 弯拉 强度 Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o s t u d y t h e i n fl u e n c e o f d i f f e r e n t s t e e l fi b e r c o n t e n t a n d t h e c o mp o s i t i o n o f d i ff e r e n t c e me n t i t i o u s ma t e r i a l s o n the r e s i d u a l fl e x u r a l s t r e n g t h of c o n c r e t e ，a c c o r d i n g t o t e s t me t h o d of me t a l fi b e r c o n c r e t e ， t h e l o a d a n d t h e C MOD o r d e fl e c t i o n c u nr e o f t h e n e w t y p e o f c o n t i n u o u s s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d wh i c h s t e e l fi b e r c o n t e n t i s 4 0 k g ms a n d 3 0 k g m w e r e t e s t e d n e e x p e ri me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e s i d u a l fl e x u r a l s t r e n g t h a n d u l t i ma t e fl e x u r a l s t r e n g t h of s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a r e i n c r e a s e d w i t h t h e i n c r e a s i n g of s t e e l fi b e r c o n t e n t T h e r e s i d u a l f l e x u r a l s t r e n g t h a n d u l t i ma t e f l e x u r a l s t r e n gth o f t h e s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e mi x e d P o r t l a n d c e me n t wi t h s u l p h o a l u mi n a t e c e me n t a r e l o we r t h a n t h a t o f o r d i n a r y s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e T h e i n c r e a s e of s t e e l fi b e r c o n t e n t i s h e l p f u l t o i mp r o v e t h e c a p a c i t y o f r e s i s t c r a c k i n g Ke y wo r d s ： S t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ； Cu t o p e n d i s p l a c e me n t ； D e fl e c t i o n ； Re s i d u a l fl e x u r a l s t r e n gth 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识 码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 6 ) 0 3 4 4 0 4 0前 言 隧道工程往往受到多种破坏因素的交互作用 ， 既有来 自内部空气环境 的侵蚀 又有来 自外部土壤 环境 的侵蚀 。由于地下水中含有很多侵蚀性介质 ， 这就要求管 片不仅具有较好 的力学 、防水性能， 还 要求具有较好 的耐久性 - 2 。 目前 ， 盾构隧道衬砌结 构中应用最广泛 的是钢筋混凝土管 片 现有 已建盾 构隧道管片工程事故 时有发生 ， 其中因运输 、 施工 、 拼装 、 围岩受力 变化 、 钢筋锈蚀 和接缝 透水区域干 湿循 环等原因导致 的管片混凝土开裂 和破 损问题 最突出， 主要是由于混凝土保护层抗裂性 和韧性差 引起 的3 - 5 。钢纤维混凝土因具有增 韧、 增强 、 阻裂 、 提升耐久性 和安全性 的独特性能 ， 能较好地弥补前 述钢筋混凝 土管片的缺点 ， 使其抗拉 、 抗弯 、 韧性 和 抗 裂 、 耐 冲击 、 耐腐蚀 、 耐疲劳性 、 抗 高温灾变等性 能得到提高 6 - 8 因此 。 用钢纤维混凝土制作管片 可 以获得更优异的性能 。 工程用钢纤维主要分为平直线钢纤维 、 端钩型 基金项 目： 中 国铁 路总公 司科研开发 计划重 点课题 ( 合 同号 2 0 1 4 G 0 0 4 一 N) ； 国家 自然科学基金项 目( 5 1 3 7 8 1 1 3 ) 。 一 4 4一 钢纤维和异型钢纤维。早期的钢纤维多为平直型钢 纤维 ， 加入混凝土 中增强阻裂效果较差 ， 因此 ， 在平 直 型钢纤 维的基础上进一 步发展 了普通端 钩型钢 纤维。在 C 2 5 C 4 0混凝土 中， 普通端钩钢纤维 因 自 身特点 ( 抗 拉强度 、 锚 固形式和长径 比等 ) ， 使钢纤 维混凝土强度得到很好发挥 ， 但其在高强混凝土 中 的增强作用并不显著 ， 且受力后钢纤维在混凝土里 可能不是拔 出式的延性破坏 ， 而是不安全 的脆断破 坏 9 1 本文所用的两次连续端钩型高强 4 D钢纤维对 弯钩进行了优化 ， 同时具有较高的抗拉强度 。由于 弯钩的优化与提高抗拉强度有互利关系 ， 使该钢纤 维 的增强阻裂效果 明显提升 ， 纤维在较高强度混凝 土 中表现 出可 控 的拔 出过 程 ， 增韧 性 能极 佳 。 由钢纤维一 水泥基界面黏结效应理论可知 “ 】 。 钢纤维混凝土性能主要取决于混凝土基体特性 、 钢 纤维特性 以及两者 的界面特性 。其 中。 界 面黏结 与 界面效应是发挥纤维对混凝土增韧 、 增强与 阻裂能 力的关键 。界面黏结性能直接影响纤维对混凝土增 强 、 增韧与阻裂能力发挥 的程度 。大量试 验和工程 实践表明 引起钢纤维混凝土破坏 的原 因常常是界 丁 聪 ， 郭丽萍 ， 陈 波 ， 等 新型连续端钩钢纤维增韧混凝土残余弯拉强度分析 面黏结过早失效 ， 从而使纤维 的作用得不到充分 的 发挥 ， 影响了增韧 、 增强的效率。为最大限度发挥纤 维 的作用 增进界面黏结 。 界面效应十分重要。 鉴于上述情 况 。 本文基 于高铁隧道盾构管片的 设计要求 ， 采用连续端钩型钢纤维制备了两种钢纤 维混凝 土 ，并对其残余弯拉强度进行 了测试和分 析 ， 可为该新型钢纤维混凝土应用于高铁 工程大直 径盾构管片提供基础数据和试验支持。 1 原 材 料及试 验方 案 1 1 原材料 新 型钢纤维 ( 4 D S F ) ： 连续端钩 型高强度高韧 性联排钢纤维 ， 长度 6 0 ra m， 直径 0 7 5 mm， 抗拉强度 1 8 0 0 MP a ， 弹性模量 2 1 0 G P a ， 其形貌见 图 1 。 图 l 连续 端钩型高强高韧性联排 钢纤 维形貌 硅酸盐水 泥( P C) ： 南京产 P 5 2 5 R水 泥 ， 性 能符合 G B 1 7 5 -2 0 0 7 ( 通用硅酸盐水泥 的要求 。 硫铝酸盐水泥( S A C ) ： 河南产 4 2 5级低碱度快 硬硫铝酸盐水泥。 细骨料 ( S ) ： 普通 河砂 ， 中砂 ， 细度模数 2 7 ， 粒 径2 3 6 ra m， 表观密度 2 6 5 0 k m 。 粗骨料( G A) ： 石灰岩碎石 ， 表观密度 2 7 2 0 k m 粒径 5 1 6 ra m和 1 6 2 0 ram， 按 2 ： 3比例混合使用。 粉煤灰 ( F A) ： I 级粉煤灰。 矿 渣 ( S G) ： $ 9 5级 矿渣 。 减水剂( WR) ： 聚羧酸系高性能减水剂 ， 固含量 2 O ， 减水率 2 O 2 5 。 1 2 配合 比 京沈高铁望京隧道大直径盾构管片工程钢纤维 混凝土管片设计强度 等级为 C 6 0 ，钢纤维掺量有 3 0 k m 。 和 4 0 k m 。 两种 ， 坍落度 3 0 5 0 mm。具体配 合 比见表 1 。 1 3 试 件尺 寸 根据 E N 1 4 6 5 1 -2 0 0 5 ( 金属纤维混凝土试验方 法 规定 ， 制作钢纤维掺量为 4 0 k #m 和 3 0 k m。 的 表 1 混凝土配合 比 k g m 混凝土试件 ， 试件尺寸为1 5 0 mmx 1 5 0 mm x 5 5 0 m m。 分 别 成型 3个试 件。试件预制切 口， 开 口宽度不大于 5 ra m， 深 度 ( 2 5 + 1 ) mm。 1 4 加载方式 按照 E N 1 4 6 5 1 标准 ， 采用单点加 载 ， 作用点距 支座的距离为 1 2跨度。加载前使试件 与加载装置 以及铰支座充分 接触 ， 并 调整到正确位置 ， 然后启 动试验机 ， 速率为 0 0 5 mm mi n ； C MO D = 0 1 mm时 ， 调 整速率为 0 2 mr r d mi n 。 试验进行至 C MO D - 4 mm时结 束加载 。通过试验获得极限最大载荷 与 C MO D 为 0 5 ram、 1 5 m m、 2 5 m m、 3 5 mm时 对应 的载荷 F j ， 并根据 下述公式 计算得到极限抗折强度与残余 弯 拉强度。 极 限 抗 折 强 度 的 表 达 式 为： f ct( L - ( 1 ) 残余弯拉强度的表达式为： J ( 2 ) 式中： 为对应切 口张开位移值 C MOD = C MO D i 或挠度值 6 - - 6 j ( j = l ， 2 ， 3 ， 4 ) 的荷载值 ， N； R 为极限最 大应力 ， N， 在 C MO D为 0 0 0 5 mm范围内被采集 ； 为试件跨度 ， mm； b为试 件宽度 ， h i m； h为试件从 切 口顶端到试件顶部的高度 ， m m。 2试验 结果 与分 析 2 1 抗压强度和抗折强度 四种系列钢纤维混凝土 2 8 d抗压 、 抗折强度试 验结果见表 2 。 由表 2可见 ， P C 一 4 0系列试件 的抗 压 、 抗折强度最大 ； S A C 一 3 0系列试件 的抗压 、 抗折 强度最小 ； P C 一 3 0系列与 S A C 一 4 0系列试件的抗压 、 抗折强度相当。 表 2 各组 钢纤 维混凝土 的 2 8 d抗压 、 抗折强度 2 2 残余弯拉强度及极限抗折强度 P C 一 3 0及 P C 一 4 0系列 钢纤维混凝 土的载 荷一 - 4 5 2 0 1 6年第 3期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 9期 4 0 3 5 3 O z 2 5 铺2 0 犍 l 5 1 O ， O Z 铺 挺 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 5 4 5 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 5 4 5 C MOD mm CMOD n 图 2 P C 一 3 0和 P C O系列钢纤维混凝土 的荷 载一 C M0 D图 C MO D 图见 图 2 ， 试 验 中观测 到裂 缝在 切 口处产生 。两种系列钢纤维混凝土 的荷 载一 C MO D曲线均 出现两个峰值 ， 且第二 个峰值大于第一个峰值 。钢纤维混凝土 表 4 P C - 3 0及 P C 一 4 O系列钢纤维混凝 土的极 限抗 折强度 MP a 在初裂前为弹性 阶段 ， 初裂后荷载稍有增加 即达到 第一个峰值荷载 ，在第一个峰值后荷载继续增加 ， 此时钢纤维处于被拔出滑移阶段 ， 试件的强度主要 取决于钢纤维与基体的黏结强度。 P C 一 3 0及 P C 一 4 0系列钢纤 维混凝土残余弯拉 强度与极限抗折强度计算结果列于表 3和表 4 。由 表 3可见 ，钢纤维掺量为 4 0 k g m 的钢纤维混凝土 在 C MO D为 0 5 mm、 1 5 ra m、 2 5 m m、 3 5 m m时的残余 弯拉强度均大于钢纤维掺量为 3 0 k m 的钢纤维混 凝土的残余弯拉强度 ，且掺量 3 0 k g m 的钢纤维混 凝土及掺量 4 0 k g m 的钢纤维混凝土 的残余弯拉强 表 3 P C 一 3 0及 P C 一 4 0系列钢纤 维混凝 土残余 弯拉强度 MP a 46 Z 藕 框 度均在 C MO D = 1 5 m l n处为最大值 。 S A C 一 3 0系列及 S A C 一 4 0系列钢纤维混凝 土的 荷载一 C MO D图见图 3 ，裂缝也是在切 口处产生 ， 且 两种 系列 钢纤 维 混 凝 土 的 荷 载一 C MO D 曲线 均 出 现 两个峰值 ， 第二个峰值大于第一个峰值 。但与 O P C 一 3 0和 O P C 一 4 0系列钢纤维混凝土相 比， 峰值有所降 低 ， 出现峰值 的位置相近 ， 说 明产生基体开裂 ， 钢纤 维进入脱黏滑移阶段的时段一致 。 S A C 一 3 0及 S AC 一 4 0系列钢 纤维混凝土残余弯 拉强度与极限抗折强度计算结果见表 5和表 6 。从 表 5 免蒸养早强钢纤维混凝 土的残余 弯拉强度MP a 表 6 免蒸 养早 强钢纤维混凝土 的极 限抗折 强度 MP a 蚕 。 耀 图 3 S A C 一 3 6和S A C 一 4 0系列钢纤维混凝土的荷载一 C M O D图 加 如 加 m O 丁聪 ， 郭丽萍 ， 陈波 ， 等新型连续端钩钢纤维增韧混凝土残余弯拉强度分析 表 中可 以看 到 ， 随着 钢纤 维掺量的增加 ， 残余弯拉 强度与极限抗折强度也增加。S A C 一 4 0系列钢纤维 混凝 土的残余 弯拉强度与极 限抗折强度与 O P C - 3 0 系列钢纤维混凝 土的残余弯拉强度与极 限抗 折强 度 相 当 S A C 一 3 0系列 钢纤 维 混凝 土则 较小 。 2 3 分析与讨论 图 4为不 同掺量及系列钢纤 维混凝土 的残余 弯提强度与 C MO D关系图。由图 4可见 ， 钢纤维混 凝土具有增韧 、 增强、 阻裂性能 ， 且随着钢纤维掺量 的增加 。 残余弯拉强度与极限抗折强度也增加 。 强 骱 0 5 1 5 2 5 3 5 C MOD mm 至 右 l 0、 图 4 各组 钢纤 维混凝土 的残余 弯拉强 度与 C MO D关 系图 从图 4可以看出 ：钢纤维掺量为 4 0 k g m 的 蒸 养 钢 纤 维 混 凝 土 残 余 弯 拉 强 度 在 C MO D 为 0 5 m m、 1 5 mm、 2 5 m m、 3 5 ra m时均大于掺量 3 0 k g m 。 的钢纤维混凝土 ，分别增 加 2 0 6 、 2 2 8 、 1 7 6 、 4 7 6 ： 钢纤维掺量为 4 0 k g m， 的免蒸养早强钢纤维 混凝 土残 余 弯拉 强度 在 C MO D为 0 5 ram、 1 5 mm、 2 5 mm、 3 5 mm时均大于钢纤维掺量为 3 0 k g m 。 的免 蒸养早强钢纤维混凝土 ， 分别增加了 3 9 9 、 3 6 9 、 3 2 2 、 2 7 8 。掺量为 3 0 k g m 。 及 4 0 k g m 的钢纤 维混凝土的残余弯拉强度 均在 C MO D = 1 5 m m处取 得最大值 ：试验中观测到在预切 口处产生裂缝 时 残余弯拉强度仍能维持在较高的水平。试验中观 察到 ， 试件断面处 的钢纤维在基体中多数是被拔 出 的 很少有被拔 断现象 表 明钢 纤维具有较强 的增 强 、 增韧 、 阻裂效 果 。 从表 3 表 6可见 ：P C系列钢纤维混凝土和 S A C系列钢纤维混凝 土的极 限抗折强度 与残 余弯 拉强度有着相 同的变化规律 ， 即极限抗折强度随钢 纤维掺量的增加而增大。四种系列钢纤维混凝土 的荷载一 C MO D曲线均 出现两个 峰值 ，且第二个峰 值大于第一个峰值。钢纤维混凝土在初裂前为弹 性阶段 。 初裂后荷载稍有增加 即达到第一个 峰值荷 载 。 在第一个 峰值后 荷载继续增加 ， 此时钢纤维处 于被拔出滑移 阶段 。 试件的强度主要取决于钢纤维 与基体 的黏结强度 。 对 比表 3和表 5可知 ： 硫 铝酸盐水泥与普通硅 酸盐水泥复配制备的早 强钢纤维混凝土 的残余弯 拉强度较硅酸盐水泥制备的钢纤维混凝土有所 降 低 掺量 4 0 k g m 的 S A C系列钢纤维混凝土残余弯 拉强度 与掺量 3 0 k g m 。 的 P C系列钢纤维混凝土残 余弯拉强度相当。原 因可能是掺人硫铝酸盐水泥 后 ， 早期强度发展过快形成大量钙矾石 ， 使钢纤维 与基体的界面不密实 ， 黏结性能下降所致 ， 但试验 结果表明残余弯拉强度仍维持在较高水平 。 3结论 ( 1 ) 钢纤维掺量为 4 0 k g m 的混凝土残余弯拉 强度在 C MO D为 0 5 m m、 1 5 mm、 2 5 mm、 3 5 mm时均 大于钢纤维掺量为 3 0 k g m 。 的混凝土。 ( 2 ) 钢纤维混凝土的极限抗折强度也随钢纤维 掺量的增加而增大。 ( 3 ) 硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥复配制备 的早强钢纤维混凝土的残余弯拉强 度与极 限抗折 强度较硅酸盐水泥系列钢纤维混凝土有所降低。 参考文献 ： 川 1 Ma n g a t P S ， G u r u s a my KP e r mi s s i b l e c r a c k w i d t h s i n s t e e l f i b r e r e i n f o r c e d m a r i n e c o n c r e t e J Ma t e r i a l s a n d s t r u c t u r e s ， 1 9 8 7 ， 2 0 ( 5 ) ： 3 3 8 - 3 4 7 2 】 Wo n g H S ， Z h a o Y X， K a r i m i A R ， e t a 1 O n t h e p e n e t r a t i o n o f c o r r o s i b n p r o d u c t s f r o m r e i nfo r c i n g s t e e l i n t o c o n c r e t e d u e t o c h l o ri d e i n d u c e d c o r r o s i o n J 1 C o r r o s i o n S c i e n c e ， 2 0 1 0 ，5 2 ( 7 ) ： 2 4 6 9 - 2 4 8 0 3 】 闰治 国， 朱合华 ， 廖少 明， 等 地铁隧道钢纤维混凝 土管 片力 学性能研究U 】 岩石力学与工程学报， 2 0 0 6 ， 2 5 ： 2 9 1 8 2 9 2 3 4 晏浩， 朱合 华， 傅德 明 钢纤 维混凝土在盾构 隧道衬砌 中应 用的可行性研究fJ 】 地下工程隧道， 2 0 0 0 ( I ) ： 1 3 1 6 5 】 刘丰军， 朱 合华， 廖 少明 纤 维混凝土在盾构 隧道衬砌管 片 中的应用研究 J 地下空间与工程学报， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 8 3 8 6 【 6 黄继 承 钢筋 钢纤维复 合混凝 土管片 的生产 与应 用 】 建 筑施工， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 3 ) ： 1 8 7 1 9 1 【 7 】 王辉， 廖晨 彦 钢纤 维混凝土 的性 能研究与应 用【 J 科技 向 导 2 0 1 0 ( 7 ) ：4 7 8 莫海鸿 ，陈 俊生 ， 梁松 钢纤维掺入对 混凝土管 片局部力学 性能 的改善 J 华南理工 大学学报， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 7 ) ： 1 1 6 1 2 1 【 9 孙斌 新 型佳 密克丝 ( D r a m i x ) 钢纤 维混凝 土性能分析与应 用 J 建材 与检测， 2 0 1 4 ( 6 ) ： 5 6 6 9 f 1 0 李 丽， 秦鸿根 钢纤维与水泥砂浆界面粘结性 能的试 验研 究 J 洛阳大学学报， 2 0 0 2 ， 1 7 ( 4 ) ： 8 2 8 5 1 1 】 孙 伟， 高建 明， 秦鸿 根 钢 纤维棍凝 十界 面粘 结强度 的研 究 J 硅酸盐学报， 1 9 9 4 ( 2 ) ： 1 0 6 1 1 0 收稿 日期 ： 2 0 1 5 1 1 2 3 通讯作者 ： 郭丽萍 ( 1 9 7 9 一 ) ， 女 ， 副教 授、 博导 。 E -ma i l ： g u o l i p i n g 6 9 11 6 3 c o m 47 4 2 O 8 6 4 2 O