纤维混凝土纤维掺量与混凝土性能分析.pdf

第 1 2 卷0 2 期 2 0 1 4年 6月 南水北调与 水利科技 S o u t h - t o - N o r t h Wa t e r T r a n s f e r s a n d Wa t e r S c i e n c e & T e c h n o l o g y V0 L1 2 No 0 2 J u n 2 0 1 4 纤维混凝土纤维掺 量与混凝 土性能分析 吕贵敏 ( 河北省水利工程局， 石家庄 0 5 0 0 2 1 ) 摘要： 结合南水北调中线总干渠工程放水河渡槽纤维混凝土的研究及成功应用， 针对纤维混凝土的抗裂性能、 基本 力学性能和耐久性进行分析， 确定合理的纤维掺量， 为高性能纤维混凝土在南水北调工程古运河枢纽以南渠段及其 它水利工程施工中的应用提供参合理考数据。 关键词： 南水北调； 纤维混凝土； 掺量 中图分类号 ： T V5 2 8 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 2 1 6 8 3 ( 2 O 1 4 ) O o 2 0 0 6 0 0 2 Th e Do s a g e o f Fi be r Co nc r e t e a n d Co nc r e t e Pe r f o r ma nc e Ana l y s i s LV Gu i mi n ( He b e i Wa t e r C o n s e r v a n c y E n g i n e e r i n g B u r e a u， S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 2 1 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： C o mb i n i n g wi t h t h e Mi d d l e Ro u t e o f S o u t h - t o - No r t h Wa t e r Di v e r s i o n P r o j e c t o f t h e ma i n c a n a l w a t e r r i v e r a q u e d u c t r e s e a r c h a n d s u e c e s s f u l a p p l i c a t i o n o f f i b e r r e i n f or c e d c o n c r e t e Fo r f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e c r a c k r e s i s t a n c e o f t h e b a s i c me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d d u r a b i l i t y we r e a n a l y z e d T o d e t e r mi n e t h e r e a s o n a b l e f i b e r c o n t e n t ， F o r h i g h p e r f o r ma n c e f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n c a n a 1 s o u t h o f a n c i e n t c a n a 1 j u n c t i o n o f Sou t h - t o - No r t h Wa t e r Div e r s i o n P r o j e c t a n d o t h e r h y d r a u l i c e n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o n ， t h e a p p l i c a t i o n o f r e a s o n a b l e t e s t d a t a Ke y w o r d s ： Sou t h - t o - No r t h Wa t e r Div e r s i o n P r o j e c t ； f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ； p r o p o r t i o n 通过对掺加纤维素纤维来提高混凝土的抗裂性能和耐 久性的研究， 将该成果应用到南水北调工程放水河渡槽的工 程施工， 放水河渡槽是南水北调中线总干渠一座大型交叉建 筑物 ， 设计输水流量大， 结构复杂， 工程质量要求高， 2 0 0 8年 4月渡槽主体工程施工完成， 质量 良好 ， 未出现可视裂缝。达 到了良好的预期效果， 因此纤维素纤维混凝土的应用取得了 成功 ， 本文就放水河渡槽混凝土纤维掺量与混凝 土性能 的关 系进行 了分析 。 1 高强纤维混凝土性能分析 1 1 高强纤维混凝土施工性能和纤维分散性 素混凝土坍塌度为 7 O 8 5 r n r n 。当纤维掺量为 0 9 1 1 k g m3 时， 纤维混凝土的坍落度为 6 8 8 2 mm； 当纤维 掺量为 1 3 1 5 k g 时， 纤维混凝土坍落度为 6 1 7 O m m。 纤维掺量对坍落度影响很小， 掺量为 1 5 k g r n 3时， 混 凝土的坍落度比未掺纤维减低 1 3 ， 但是坍落度的降低不影 响混凝土的施工性能， 纤维混凝土具有 良好的工作性能， 能 够安全满足施工要求。 纤维素纤维分散性 良 好 ， 能够均匀的分散在混凝土基体 中。克服了一些合成纤维易结团的缺点， 便于广泛使用。 1 2 高强度 纤维混凝土基本力学性能 ( 1 ) 纤维混凝土抗压强度。纤维掺量 0 9 1 5 k g m3 时， 纤维混凝土抗压强度比素混凝土稍微有所提高， 且随纤 维掺量增加而提高， 纤维掺量为 0 9和 1 1 m3 时分别提 高了3 6 和7 6 ； 纤维掺量为 1 3 k g m3和 1 5 k g m3时 分别提高了 1 0 和 1 2 9 。 纤维素混凝土抗压强度得到提高的原因是纤维储存的 自由水在水泥水化作用过程中不断释放出来， 促进了水泥的 完全水化 ， 增强了混凝土的密实性和均质性 。 ( 2 ) 纤维混凝土抗劈裂强度。与基准混凝土相比， 纤维 混凝土的劈裂强度得到了提高 ， 纤维掺量 为 0 9 k g ma和 1 1 k g 时分别提高了 3 5 和 2 5 6 ； 掺量为 1 3 k g m 3 和 1 5 k g m3 时分别提高 了 2 0 2 和 1 5 6 。 ( 3 ) 纤维混凝土抗折强度。与基准混凝土相比， 纤维掺 量为 0 9 k g m3 时抗折强度提高了 1 1 1 ； 纤维掺量为 1 1 k g m a和 1 3 k g r n a 时分别提高了 1 3 4 和 1 4 8 。纤维 掺量为 1 5 k g m3 时提高 了 1 6 。 从纤维混凝土基本力学指标看， 纤维对混凝土有增强作 用， 对抗劈裂强度和抗弯强度的提高幅度大于抗压强度； 纤 维掺量 1 1 k g ma时经济合理。 1 3 高强纤维混凝土早期抗裂性能 ( 1 ) 裂缝宽度。纤维的掺入量对改善混凝土的早期抗裂 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 5 0 3 修回 日期 ： 2 0 1 4 0 5 2 0 作者简介： 吕贵敏( 1 9 7 5 一 ) ， 男， 河北行唐人， 高级工程师， 主要从事水利工程施工工作 E - m a i l ： l g m4 1 0 1 1 6 3 c o rn 6 0 鬣 辩 每 锯 赫赫*| 喻 l a | m龋 1 吕贵敏 纤维混凝土纤维掺量与混凝土性能分析 性效果 良好。素混凝土不论是最大裂缝宽度、 长度， 还是平 均裂缝宽度均远大于纤维混凝土。纤维细化了混凝土裂缝 ， 使裂缝宽度变小 。 素混凝土裂缝宽度可达到纤维混凝土最大裂缝宽的 9 1 倍。素混凝土裂缝宽度大多介于 1 O 1 r n lT l 之间， 而纤维混 凝土裂缝宽度大于 0 1 mr n的条数仅占裂缝总条数的 2 O 3 0 ； 纤维混凝土平均裂缝宽度是素混凝土 的 1 2 2 8 。 纤维细化了裂缝， 对防止钢筋腐蚀有重要作用。即当裂缝宽 度变小时， 外界介质对钢筋及混凝土耐久性影响非常小。 ( 2 ) 裂缝面积降低系数。所有纤维混凝土试件都达到了 一 级抗裂等级的要求。当纤维掺量由 1 1 k g m3 增加到 1 3 k g m。 时， 裂缝面积降低系数 T 】 由 8 8 8 增加到 9 1 O ； 但 再增加掺量对减少裂缝面积降低系数作用不明显。纤维掺 量为 1 3 k g ma 时， 裂缝面积降低系数较大， 比较经济合理。 ( 3 ) 裂缝 出现时 间。纤维混凝 土塑性裂缝 的出现主要集 中在试件表面塑料膜撤去 2 3 h内， 此时的裂缝面积达到 2 4 h裂缝 面积的 6 O 6 5 。4 5 h以后裂缝 发展趋 于缓 慢 ， 4 h时的裂缝 面积可达到 2 4 h 裂缝 面积的 8 O 9 O 。 1 4 高强纤维混凝土梁抗弯曲韧性和变形能力 纤维素纤维分散性良好， 具有很好的亲水性和界面黏结 性能； 纤维根数多， 比表面积大， 纤维间距小 ； 纤维弹性模量 和强度高， 可阻止混凝土裂缝的萌生和扩展， 显著改善 了混 凝土均匀性等内在品质、 弯曲韧性和变形能力。 ( 1 ) 抗弯曲韧性。纤维掺量增加， 纤维混凝土抗弯韧性 不断改善， 当纤维掺量为 1 3 k g m3时， 韧性指数 1 5 、 1 1 0 、 1 3 0分别比素混凝土提高 2 5 7 、 4 1 8 、 1 0 9 1 倍 ， 该掺量下纤 维混凝土弯曲韧性指数增幅较大， 比较经济合理。 ( 2 ) 变 形能 力 。由纤维 混 凝 土荷 载 一挠 度 试验 过 程 可 见 ， 纤维混凝土具有较好的变形能力， 纤维混凝土开裂后仍 可承受荷载， 使混凝土 由脆性破坏变为延性破坏， 改善了混 凝土裂后变形能力。纤维掺量增加 ， 弯曲变形能力增强 。 当纤维体积率接近时， 纤维素纤维混凝土抗弯韧性和变 形 能力优于聚丙烯纤维混凝 土 。 1 5 高强纤维混凝土干燥收缩性能 纤维素纤维对减少混凝土收缩变形效果明显， 特别当纤 维质量掺量为 1 1 k g m3时， 效果显著。但 当纤维掺量 由 l _ 1 k g m3 提高到 1 5 k g ma时， 对改善混凝土干燥收缩值 的作用不再 明显 。 早龄期时， 纤维素纤维对减少混凝土干燥变形的作用大 于后期 。7 d时 ， 纤 维混 凝土 U1 、 U2 、 U3和 U4的干 燥 收缩 值分 别 比 素 混 凝 土 减 少 了 1 2 3 、 2 0 1 、 2 6 3 和 2 8 4 。 1 6 高强度 纤维混凝土抗冻融性能 一 般混凝土冻融循环过程中， 在混凝土试件表面首先出 现了孔洞， 随着冻融循环次数的增加 ， 这些孔洞逐渐形成了 坑槽， 直至在混凝土表面出现裂缝 ， 试件破坏。纤维素纤维 可以显著改善混凝土的抗冻性能， 并且随着冻融次数增加， 其效果越明显。当冻融 3 0 0次后， 纤维混凝土的相对动弹模 是素混凝土的 1 6 0 左右， 混凝土中掺入纤维素纤维是提高 抗冻标号 的有效措施之一 。 纤维混凝土相对动弹模值与冻融循环次数的实验结果 证明： 在冻融循环初期 ， 混凝土 内部原有的初始缺陷对其动 弹模的负面影响要比纤维正面效应明显； 随着冻融次数增 多， 作用愈明显。总体上看， 纤维掺量为 0 9 k g m3到 1 5 k g m3 时， 所有纤维混凝土试件抗冻标号均大于 D 3 0 0 。试 件 U3 和 u4的抗冻性能接近。对于抗冻指标要求高的地 区， 选用纤维掺量 1 3 k g m。比较经济合理。 1 7 高强度纤维混凝土抗渗透性能 ( 1 ) 素混凝土的抗渗等级为 w1 2 ， 纤维混凝土 U1 的抗渗 等级w1 4 ， U2和 U3的抗渗等级w1 7 ， U 4的抗渗等级 w1 9 。纤维混凝土的抗渗等级均满足抗渗等级w1 9 。 ( 2 ) 纤维素纤维可以大幅提高混凝土的抗渗性能 ， 且随 着纤维掺量的增加 ， 混凝土抗渗性逐步提高。素混凝土最大 渗透系数为 7 2 5 1 0 。 c m s ； U1的最大渗透系数为 2 3 O 1 0 。 c m s ， 为素混凝土 的 3 1 7 ； U2的最大渗 透系数为 1 2 5 1 0 。 c m s ， 为素混凝土的 1 7 2 ； U3的最大渗透系数 为 1 0 3 1 0 c m s ， 为素混凝土的 1 4 2 ； U4的最大渗透 系数为 0 4 1 6 1 0 。 c m s ， 为素混凝土的 5 7 。纤维的掺 人 ， 对降低最大渗透系数 k值效果明显 ， 纤维确实提高了混 凝土的抗渗性能。 1 8 高强度纤维混凝土轴向拉伸性能 ( 1 )抗拉强度、 极限拉应变与纤维掺量关系。试验测得 了纤维素纤维混凝土的直接拉伸应力一变形全过程 曲线 。 纤维掺量增加， 抗拉极限应变及抗拉强度增加。纤维掺量为 1 3 1 k g m3时， 纤维混凝土的极限拉应变、 抗拉强度比基准 混凝土分别提高 了 1 4 O 、 6 O 。纤维掺量为 1 3 k g ma 时， 纤维混凝土的抗拉强度比基准混凝土提高 7 ， 极限拉应 变提高 2 2 。 纤维混凝土抗拉强度及极 限拉应变与纤维掺量关系分 别为 ： 一0 o r 4 2 p +o 0 2 3 1 0 r +2 1 4 9 4 ( R 0 9 8 4 5 ) e 一1 0 7 o 6 + 6 0 3 2 2 p ， + 1 2 2 2 7 ( R 0 9 8 8 4 ) 纤维混凝土的抗拉强度、 极限拉应变的提高， 证明纤维 素纤维具有良好的阻裂性能， 提高了硬化混凝土的抗裂性能。 ( 2 ) 纤维素纤维混凝土相对应力与裂缝宽度的关系。关 系式为： 厂 tt l- expq一 ( 3 ) 断裂性能与纤维掺量关系。纤维掺量增加时， 断裂 能增大 ， 纤 维素纤维混凝土断裂性能与纤维掺量关系为 ： G F 一 -7 5 8 2 7 t, +5 r 1 9 8 p i +1 2 9 0 1 ( R 一 0 9 5 8 1 ) 当纤维掺量为 1 3 k g m3 时， 纤维混凝土的断裂能比基 准混凝土提高 5 4 ， 纤维混凝土的特征长度比基准混凝土增 加 3 0 ， 即纤维掺量增加 ， 纤维混凝 土脆 性降低 。 1 9 高强度纤维混凝土抗 弯冲击性能 UF纤维素纤维在混凝土中根数巨多， 对改善混凝土初 裂冲击性能作用显著。随着纤维素纤维掺量增多， 纤维混凝 土的抗弯初裂冲击次数明显提高， 当掺量为 1 3 k g m3时， 纤维混凝土的初裂冲击次数比素混凝土提高 2 4 倍。 ( 下转 第 6 5页) 吼 曾贝佳等 混凝土重力坝变形混合模型研究与应用 TP 2 5 。 = 囊 l 1一-混 蟊 l 0 _ 一混 1 l 0 一 一 一 i i。 l二 一 ： 一 i i 。 - 7 日期 图 3 测点 TP 2 5 垂直 位移 混合模型 和统计模型的对比分析成果过程线 表 3 测点 T P 2 5 混合模型和统计模型各分量对比 位 移测 点 善 墨 塑 矍 水平TP 2 5 2 9 0 8 4 4 2 1 2 6 7 1 2 7 0 2 7 2 9 8 0 垂 直T P 2 5 5 0 0 9 4 7 5 6 2 3 5 5 2 0 3 4 7 9 7 0 0 4 结语 通过变形混合模型的建立与官地混凝土重力坝 1 3号坝 段的实例计算， 结论认为： 混合模型对大坝位移安全监测和 资料的回归分析是适用的， 各因子的系数的物理意义明确， 能适应于短序列的计算。但影响大坝位移的因素很多且复 杂， 需要针对具体工程的实际情况， 改善和修正模型， 提高拟 合进精度。 参考文献： 1 张海， 陈维江， 马震岳 混凝土重力坝安全监测的位移混合模型 E J 东北水利水 电， 2 0 0 2 ， 2 0 ( 8 ) ： 4 0 4 2 2 吴中如 水工建筑物安全监控理论及其应用 M 第二版 北 京 ： 高等教育 出版社 ， 2 0 0 3 3 吴中如， 刘观标 混凝土坝的位移确定性模型研究口 大坝观 测与土木测试 ， 1 9 8 7 ， ( 1 ) ： 1 6 - 2 5 4 卢有清， 吴中如 混凝土重力坝变形的混合模型及其应用研究 J 大坝与安全， 1 9 8 9 ， ( 3 ) ： 2 2 3 4 5 朱伯芳 大体积混凝土温度应力与温度控制 M 北京： 中国电 力出版社 ， 1 9 9 9 6 朱伯芳 水工混凝土结构的温度应力与温度控制 M 北京： 中 国电力出版社， 1 9 9 8 7 陈久宇 用非线性参数估计分析混凝土坝原体的时效变形 J 大坝观测与土木测试 ， 1 9 8 0 ， ( 2 ) ： 3 - 1 3 8 邓海龙 混凝土坝时效分量分离方法的探讨 J 江西测绘， 2 0 1 1， ( 1 )： 3 2 3 4 9 何金平， 施 玉群 ， 龚静 混凝土坝时效变形特性研究 口 长江科 学院院报 ， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 6 ) ： 1 8 2 2 1 0 1 中水顾问集团成都院 四川省雅砻江官地水电站大坝建基面 确定及抗滑稳定复核研究专题报告J R 成都， 2 0 1 0 1 1 张壁城 水工建筑物的有限元分析 M 北京： 水利电力出版 社 ， 1 9 9 1 1, 1 2 1 黄耀英， 沈振中， 吴中如， 等 混凝土坝及坝基分析中截取边界 的影响 J 水利水运工程学报 ， 2 0 0 7 ， ( 4 ) ： 9 - 1 3 1 1 3 敖麟 用有限单元法计算 重力坝 时关 于地基边 界条件 的探 讨 口 水利学报， 1 9 8 1 ， ( 4 ) ： 1 8 2 9 1, 1 4 孙冠华， 段亚辉 坝基对飞来峡土石堤坝变形规律影响的分析 J 水力 发电， 2 0 0 6 ， 3 2 ( 5 ) ： 2 7 3 1 1 5 黄耀英， 沈振中， 田斌， 等 高混凝土坝水荷载引起的位移分量 研究口 长江科学院院报， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 1 0 ) ： 1 4 2 1 4 5 ( 上接 第 6 1页) UF纤维素纤维强度、 弹性模量较高， 且与混凝土黏结强 度高， 提高了纤维混凝土破坏冲击强度 ， 当掺量为 1 8 k g m3 时， 纤维混凝土的破坏冲击次数比素混凝土提高 2 8倍。 从提高混凝土弯曲冲击强度的角度看， 纤维掺量为 1 1 1 3 k g m3时 比较合理 、 经济 。 2 纤维掺量的建议值 从改善混凝土耐久性和提高混凝土力学性能的角度看， 纤维掺量为 1 1 1 3 k g m3 时比较经济、 合理。 3 纤维混凝土工程应 用 南水北调工程放水河渡槽， 长度 3 5 0 m， 采用纤维掺量 1 3 k g m3的纤维混凝土。对所有原材料进行了试验测定， 现场测定了混凝土坍落度、 混凝土体 内温度、 混凝土抗压强 度等力学指标。 从现场情况看： 纤维混凝土工作性、 施工性良好， 渡槽施 工质量良好， 未见可视裂纹， 达到了良好的预期效果。 参考 文献 ： 1 邓中才 高性能合成纤维混凝土 M 北京： 科学出版社， 2 0 0 2 I- 2 邓中才， 李建辉， 孙宏俊， 等 新型纤维增强混凝土梁的抗弯冲 击特性r J 公路， 2 0 0 4 ( 1 2 ) ： 1 6 3 1 6 9 3 史小飞， 王艳英 混杂纤维混凝土抗弯冲击性能 J 山东建材， 2 0 0 6( 1 2) ： 31 - 3 4 I- 4 李金玉， 曹建国 水工混凝土耐久性的研究和应用I- M 北京： 中国电力 出版社 ， 2 0 0 4 5 姚武 聚丙烯腈纤维在低温下的性能研究 R 同济大学， 2 0 0 2