钢纤维自应力混凝土膨胀变形试验研究.pdf

4 低温建筑技术 2 0 1 4年第 8 期( 总第 1 9 4期) 钢纤维 自应力 混凝土膨 胀变形试验研究 何化南 。 ， 陈旭 ， 李猛 ( 1 大连理 工大学海岸和近海工程国家重点实验室 。 辽宁大连1 1 6 0 2 4 ； 2 深圳市土木工程耐久性重点实验室。 深圳大学。 广东深圳5 1 8 0 6 1 ) 【 摘要】 钢纤维 自应力混凝土是能够提高混凝土构件抗裂能力的高性能材料， 但在之前的研究中钢纤维 的含量都是在8 0 k g i n 以上。近年来随着钢纤维性能的提高和施工工艺的改进和成熟 ， 现在工程中常用的钢纤 维掺量从早期的 8 01 6 0 k g m 降为 2 O 8 0 k g IT I ， 为适应现在实际工程的需求 ， 文中试验设计 了包括 2个配筋率 3个钢纤维体积掺量系列钢纤维 自应力混凝土试件 ， 测量这些试件在养护期间的限制膨胀变形 ， 讨论了限制变形 的发展规律， 为钢纤维 自应力的应用提供可靠依据。 【 关键词】 限制膨胀变形； 钢纤维 ； 自 应力 ； 低掺量 【 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 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 0 8 0 0 0 4 0 3 S TEEL FI BER RE姗oRCED S EL F- S TRES S I NG CoNCRETE EXPANS E DEFoRM ATI oN T ES T RES EARCH HE Hua n a n ，CHEN Xu ，LI Me ng ( 1 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C o a s t a l a n d O f f s h o r e E n g i n e e r i n g ， D a l i a n U n i v o f T e c h n o l o g y ， L i a o n i n g Da l i a n 1 1 6 0 2 4，C h i n a； 2 S h e n z h e n Du r a b i l i t y C e n t e r f o r C i v i l E n g i ， S h e n z h e n U n i v e r s i t y ，G u a n g d o n g S h e n z h e n 5 1 8 0 6 1 ， C h i n a ) Ab s t r ac t ： S t e e l fib e r r e i nf o r c e d s e l f - s t r e s s i n g c o nc r e t e i s a t y pe o f h i g h p e rfo r ma n c e c o n c r e t e nln - t e r i a l w h i c h i s a b l e t o e n h a n c e t h e c r a c k r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e，h o we v e r t h e p r e v i o u s r e s e a r c h w a s f o c us e d o n t h e s t e e l fib e r c o n t e n t o v e r 8 0kg m Re c e n t y e a rs ，du e t o t h e i mp r o v e me n t o f s t e e l fib e r p r o p e r t i e s a nd c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y，i n e n g i n e e ring t he c o mmo n c o n t e nt s o f s t e e l fib e r h a v e b e e n r e d u c e d f r o m 8 0 1 6 0kg m t o 2 08 0k g m Th e r e f o r e，t o me e t t he p r a c t i c a l de ma n d，thi s pa p e r c a r rie d o u t a s e r i e s o f t e s t o n t h e r e s t ric t e d e x p a n s i v e d e f o r ma t i o n s o f the s t e e l fi be r r e i n f o r c e d s e lf s t r e s s i n g c o nc r e t e wi t h d i ffe r e n t r e i n f o r c e me nt r a t i o s a n d s t e e l fib e r c o n t e nt s i n c l ud i ng 2 r e i n f o r c e me n t r a t i o s a nd 3 s t e e l fi b e t c o n t e n t s e l a w o f d e v e l o p me nt o f r e s t ric t e d d e f o r ma t i o n i s di s c u s s e d wi th a g e s a n d the r e s t r i c t e d r a ng e K e y wo r d s： s e lfs t r e s s i n g；s t e e l fib e r ；c o n t e n t ；e x p a n s i v e d e f o r ma t i o n 混凝土的开裂原因和因素很多， 人们一直采取很 多方法来改善其这一弊病 ， 在众多的抗裂措施和手段 中， 添加膨胀剂或短切钢纤维是改善混凝土抗拉性能 的两种有效方法 。之前的研究已经是把 自应力混 凝土( 膨胀混凝土) 与钢纤维混凝土两种方法相结合 形成 钢纤维 自应力 混凝 土 用 以更 能有 效 的 提高 混凝 土的 开裂 强度 和开 裂后延 性 ， 通 过 钢筋 和钢 纤维 共同限制膨胀在混凝土中形成 自应力提高混凝土构 件的 开裂 荷载 ， 同 时亦能 补偿 混凝 土 收缩 变形 ， 减少 混凝土收缩裂缝。曾有学者研究过钢纤维 自应力混 凝土在养护期间的膨胀变形 ， 大部分人的研究都 集中在自应力管道等结构上， 而且近些年随着钢纤维 的生产工艺不断提高， 钢纤维 自应力混凝土应用范围 的拓宽， 工 程 中钢 纤维 的掺量也 从 多年 前 常用 的 8 0 k g m 以上逐渐降低为2 0 8 0 k #m ， 工程应用也不 仅限于 自应力管道而是拓宽到桥梁和房屋的加 固改 造等方面。为适应现代工程的需要 ， 文中根据现在的 工程应用实际情况 ， 以配筋率和钢纤维含量作为变化 参数 ， 设计 2个配筋率 P ( 0 7 8 5 ， 1 1 3 ) 、 3个 钢纤 维掺量P ， ( 0 、 5 0 、 8 0 k g m ) 共计 1 8组试件 ， 来研究相对 低一些 掺 量钢 纤 维 自应 力 混 凝 土 的膨 胀 变 形 规 律 。 基金项目 国家自然科学基金资助项目( 基于钢纤维自应力混凝土的桥梁体系转换加固的传力机理和设计理论， 5 1 1 0 8 0 5 4 ； 桥梁体系 转换加固的非预应力法计算理论与试验研究， S Z D C C E 1 1 一 K F 一 0 1 ) 何化南等： 钢纤维自应力混凝土膨胀变形试验研究 5 为今后低掺量钢纤维 自应力混凝土的应用提供依据。 1 试验概况 ( 1 ) 试验材料。钢纤维采用贝卡尔特 D r a m i x R C 一 6 5 3 5型弯钩 钢纤 维 ( 长 3 5 m m， 长 径 比为 6 5 ) 。 自 应力水泥采用石家庄企鹅特种水泥厂生产的4 0级 自 应力水泥。钢筋采用抚顺钢铁公司的 H R B 3 3 5级热轧 带肋钢筋。细骨料采用细度模数 2 6的河砂。粗骨料 采用 5 2 0 m m石灰岩碎石。减水剂采用大连西卡公 司生产的聚羧酸高效减水剂， 按胶凝材料 的 1 添加 聚羧酸高效减水剂。混凝土的配合比见表 1 。 ( 2 ) 试 件制作。试验采用 1 0 0 m m X 1 0 0 m m 5 0 0 m m的棱柱体试件( 试件尺寸如图 1 ) ， 中心配置一 根钢筋 ， 通 过 建 筑 结 构 胶 将 两 块 1 0 0 m m 1 0 0 m m 1 5 m m的钢板粘结于试件两端， 通过钢板的限制使整 个截面协同变形。设计 2个配筋率分别是 0 7 8 5 ， 1 1 3 、 钢纤维掺量分别 0 k g m 、 5 0 k g m 、 8 0 k g m ， 共计 1 8个试件。在钢筋中部粘贴应变片， 在 2 3 2 C 的水 池 中养护 2 8 d ， 由 D H 3 8 1 5静态应 变测 试仪跟 踪测 量试件在养护期间的限制膨胀变形。 1 5 5 o 0 1 5 l o 0 图l 试件尺寸( mm) 表 I 钢纤维 自应力混凝 土的试验配合 比 2试 验结果及分析 ( 1 ) 限制膨胀变形 的随龄期发展规律 。图 2 4 为试件在标准养护条件下 的实测数据， 试验数据 表 明， 膨胀变形随时间逐渐发展的， 无论是钢筋单独限 制还是钢筋和钢纤维联合限制 ， 自应力混凝土的限制 膨胀变形随龄期的变化规律基本相同。 在养护初期， 由于 自应力水泥的水化作用， 自应 力混凝 土中的膨胀能 大量 释放 ， 这 时候在 宏观 上变 现 为限制膨胀变形 迅速增加 。 龄期在 91 2 d左右， 随着膨胀能释放量的减少， 自应力混凝 土的膨胀 变形 增长 速率呈减 缓趋 势 ， 这 时 的累计膨胀变 形达到最大值 。 龄期在 1 4 d时， 水化基本完毕 ， 混凝土的强度有了 很大提高， 膨胀变形进入第三个 阶段 ， 膨胀和收缩徐 变 的相互 制 衡。这 时 的 自应 力 混凝 土 的膨 胀 变形 基 本 为零 ， 或 者略有增加或减 少。 ( 2 ) 不 同配筋率和钢 纤维含 量对 自应力混凝 土 限制条件下膨胀变形的影响。文献 6 测量了自应力 混凝土在大钢纤维掺量下的膨胀变形 ， 结合文中试验 数据和文献 6 的数据可得。 2 餐 蛰 磊 龄期 d 图2 钢筋单独限制 ( p = O)下的 自应力混凝土膨胀变形 2 髻 蛩 喜 蹬 龄期， d 图3钢纤维 ( P c = 5 0 k g m )和钢筋共同限制下的 自应力混凝 土膨胀变形 2 餐 蛰 痞 龄期， d 图4 钢纤维 ( P f = 8 0 k g m )和钢筋共同限制下的 自应力混凝土膨胀变形 添加钢纤维和配置钢筋都能约束 自应力混凝土 的约束膨胀变形 ， 由表 2数据分析和图 5可知， 在相同 配筋率下随着钢纤维含量的增加， 自应力混凝 土在 限 制条件下的膨 胀变形 逐 渐 减小 即钢纤 维 含量 越 大对 自应力混凝 土的约束 能力 越强 ， 但 钢纤 维含量 为 8 0 k g m 、 1 6 0 k g m 的试件其膨胀 变形 能力 差不多 ， 这 是 因为钢纤维 在 自应力 混 凝 土 中的 限制 范 围较 小且 乱象分布使得 在较 大钢 纤 维含 量 时 限制 范 围重 叠多 向限制 ， 不 能更 加有效 的 发挥 限 制作 用 ， 对 自应 力混 凝土的限制膨胀作用不再明显， 即当达到这一限值后 即使添加更多的钢纤维也不能更有效的限制 自应力混 6 低温建筑技术 2 0 1 4年第 8 期( 总第 1 9 4 期) 凝土的膨胀变形 ， 我们建议称 8 0 k g m 这一钢纤维掺量 为最佳钢纤维掺量限值。当钢纤维掺量超过 8 0 k g 玎 l 3 之后， 不但不能有效的进一步限制钢纤维 自应力混凝土 的膨胀变形 ， 同时还增加 了施工 上的难度 ， 甚 至对混凝 土的强度产生影响。同时 8 0 k g m 3 这一钢纤维掺量也 是目前工程实际中最常用的钢纤维掺量。 表 2 配筋钢纤维自应力混凝土的限制变形值1 o m 2 崔 避 纂 蹉 钢纤维含量 k g m 。 图5 不同配筋率下 自应力混凝土限制变形 随钢纤维含量的变化 曲线 同理在相 同钢纤维含量下， 随着配筋率的增大， 自应力混凝 土 的膨 胀变 形逐 渐 减小 即配筋 率 越大 对 自应力混凝土的约束能力越强。综合对比钢纤维和 配筋率两个因素对 自应力混凝土的限制膨胀变形配 筋率起主导作用。 3结语 ( 1 ) 钢纤维 自应力混凝土在养护期间的限制膨 胀变形是一个时间历程 ， 养护初期随着水化进行 ， 膨 胀能大量释放， 膨胀变形快速增长， 后期变形随着膨 胀和收缩 的制 衡趋于稳定 。 ( 2 ) 钢筋对 自应力混凝土有很强的约束 能力 ， 随着配筋率的增加， 限制膨胀变形量降低显著。 ( 3 ) 随着钢纤维掺量的增加， 钢纤维对 自应力 混凝土的约束作用有明显加强 ， 但在 8 0 k m 之后增 加不在显著， 建议 8 0 k g m 这一钢纤维掺量为最佳 钢 纤维掺量限值。 参考 文献 吴中伟， 张鸿直膨胀混凝土 M 北京 ： 中国铁道出版 社 ， 1 9 9 0 游宝坤 ， 李乃珍 膨胀剂及其补偿收缩混凝土 M 北京： 中 国建材 工业 出版社 ， 2 0 0 5 黄承逵 纤维混凝 土结 构 M 北京 ： 机械工业出版社 ， 2 0 0 4 戴建国， 黄承逵钢纤维 自应力混凝土力学性能试验研究 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 1 ， ( 1 )： 7 0-7 4 何化 南 ， 黄承逵 钢纤维 自应力 混凝土 的膨 胀特征 和 自应 力 计算 J 建筑材料学报， 2 0 0 4 ， ( 6 ) ： 1 5 6 1 6 0 何化南 ， 秦杰 钢纤维 自应力混凝 土膨胀变形 的长期性能 研究 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 9， ( 1 O) ： 5 9 5 5 9 8 尚作庆， 黄承逵 钢管限制对 自应力混凝土膨胀的影响 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 7 ， ( 6 ) ： 3 0 7 3 1 2 【 收稿日期】 2 0 1 4 0 3- 2 4 作者简 介】 何化南 ( 1 9 7 2一) ， 女 ， 哈尔滨人 。 副教授 ， 博 士 ， 从 事钢纤维自应力混凝土研究。 ( 上接 第 3页) 3 H a r t s h o r n S A。 S h a r p J H ， S w a m y R N T h e t h a u m a s i t e f o r m o f s u l f a t e a t t a c k i n P o r t l a n d 一 1 i me s t o n e c e me n t mo r t a r s s t o r e d i n m a g n e s i u m s u l f a t e s o l u t i o n J C e m C o n c r C o m p o s ， 2 0 0 2 ， 2 4 ( 2 ) ： 3 5l一3 5 9 4 C r a m m o n d N J T h e t h a u m a s i t e f o r m o f s u l f a t e a t t a c k i n t h e U K J C e m e n t a n d C o n c re t e C o m p o s i t e s ，2 0 0 3 ，2 5( 8 ) ：8 0 9 8 1 8 5 l r a s s a r E F ， B o n a v e t fi V I ， T r e z z a M A ， e t a1 Tha u m a s i t e F o rma t i o n i n L i me s t o n e F i l l e r Ce me n t s E x p o s e d t o S o d i u m S u l p h a t e S o l u t i o n a t 2 0 e J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 5 ，2 7 ( 1 ) ： 7 78 4 6 E d g e R A， T a y l o r H F W C r y s t a l s t r u c t u r e o f t h a u m a s i t e ， c a 3 s i ( O H ) 6 1 2 H 2 O ( S O 4 ) ( C O 3 ) 【 J A c t a C r y s t a l l o g r a p h i c a S e c t i o n B：S t r u c t u r a l Crys t a l l o g r a p h y a n d Crys t a l Ch e mi s t ry ， 1 9 7 1 ， 2 7 ( 3 ) ： 5 9 46 0 1 7 K a k a l i G ， T s i v i l i s S ， S k a re pou l o u A， e t a 1 P a r a m e t e r s a ff e c t i n g t h a u m a s i t e f o r m a t i o n i n l i m e s t o n e c e m e n t m o r t a r J C e m C o n c r C o mp o s ，2 0 0 3， 2 5 ( 8 ) ： 9 7 7 9 8 1 8 高小建， 马保国， 邓红卫， 等 胶凝材料组成对混凝土 P S A硫 酸盐侵蚀 的影 响 J 哈尔 滨工业 大学学 报 ， 2 0 0 7 ，3 9( 1 O ) ： 1 5 5 4一l 5 5 8 9 马保 国 ， 高小建 ，何忠茂 ， 等混凝 土在 s 0 4 和 c O 3 一 共 同 存在下 的腐蚀 破坏 J 硅 酸盐 学报 ，2 0 0 4 ，3 2( 1 O ) ：1 2 1 9 1 2 2 4 1 0 N o d a N， J i n Z HT h e rma l S t r e s s I n t e n s i t y F a c t o r s f o r a C r a c k i n a S t r i p o f a F u n c t i o n al l y G r a d i e n t M a t e r i a l j I n t J S o l i d s S t r u c t ， 1 9 9 3， 3 0： 1 0 3 9 1 0 5 6 收稿 日期 2 0 1 4一 o 4一 O 2 作者简介 马保国( 1 9 5 7一) ， 男， 河南开封人， 博士生导师， 教授， 研究方向： 高强、 高性能混凝土， 新型墙体 材料、 新型建筑材料及工业废弃物回收再利用。 1 1i 1 J