利用高性能钢纤维混凝土制备新型覆工板.pdf

第 1 3卷第 1期 2 0 1 0年 2 月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI LDI NG MATERI AL S Vo 1 1 3，No 1 Fe b 2 O1 0 文章编号： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 o 1 0 ) 0 1 0 0 4 2 0 6 利用高性 能钢纤维混凝土制备新型覆工板 蔡 志 达 ， ( 1 成功大学 永续环境科技研究 台湾 台北 2 3 5 5 4 ； 李隆盛。 ， 张建智 ， 黄 兆龙。 中心 ， 台湾 台南 7 0 9 5 5 ；2 华 夏技术 学 院 资产 与物业 管理 系 ， 3 台湾科技 大学 营建 工程 系 ， 台湾 台北 1 0 6 7 2 ) 摘要 ： 针 对覆 工板 的性 能 需求 ( 混凝 土坍 落度 为( 2 5 0 2 5 )mm， 扩展 度 为 ( 6 0 0 l O O )mm， 流 动 时 间3 0 S ， 2 8 d抗 压 强度为 7 0 MP a ) ， 进行 了高性 能 混凝 土配 比 的研发 ， 依 据 致 密配 比逻 辑 设计 了 高性 能混凝 土配 比并制备 了高性能 纤维 ( 钢 纤维 、 聚 丙烯 纤 维) 混 凝 土 经配 比验 证 显 示， 高性 能钢 纤维混凝 土 的力 学性 能最佳 ， 其 2 8 d抗压 强度 可 大 于 8 O MP a 、 抗 弯强度 大 于 9 5 MP a ， 故 选 用高 性 能钢 纤维 混凝土进 行新 型覆 工板 的制作与验 证 结果表 明 ， 以高性 能钢 纤维混凝 土制作 的新 型覆 工板初始开裂载重为原始设计值( 1 2 t ) 的 4倍以上， 经实际铺设测试 ， 均表现 出良好的力学性能及 安 全性 能 高性 能钢 纤维 混凝 土覆 工板 不仅耐 久性较 好 ， 而且 还 不 需二 次施 工 ， 其 材料 成 本 比传 统 钢制 覆 工板 节省 一半 以上 关键 词 ：覆 工板 ；致 密配 比逻 辑 ；高性 能混凝 土 ；高性 能钢 纤 维混凝 土 中 图分类号 ： TU5 2 8 1 7 文 献标志 码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 0 0 1 0 0 9 Ap p l i c a t i o n o f Hi g h Pe r f o r m a nc e S t e e l Fi b e r Re i nf o r c e d Co nc r e t e f o r Ro a d De c k Pa ne l C AI Zh i d a ， LI Lo n g s h e n g。 ， ZHANG J i a n z h i ， H UANG Zh a o l o n g。 ( 1 Sus t a i n a bl e En vi r on me nt Re s e a r c h Ce n t e r，Ch e ng Ku ng Uni v e r s i t y，Ta i n a n 7 0 95 5，Ch i n a； 2 De pa r t me n t o f As s e t s a nd Pr op e r t y M a n a ge m e nt ，Hwa Hs i a I ns t i t u t e o f Te c hn ol o gy，Ta i p e i 23 55 4，Chi na； 3 De p a r t me n t of Co ns t r uc t i on Eng i ne e r i ng，Ta i wa n Un i ve r s i t y o f Sc i e n c e a nd Te c hn ol o gy，Ta i p e i 1 0 67 2，Chi na ) Ab s t r a c t ：Th e mi x t u r e s o f h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e ( HP C)a n d h i g h p e r f o r ma n c e s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d c on c r e t e( HPSFRC， a d de d s t e e l a n d p ol y p r op yl e ne f i be r s ) a r e de s i gne d by t he d e ns i f i e d mi x t ur e d e s i gn a l g o r i t hm The wo r ka b i l i t y of c on c r e t e m u s t s a t i s f y c ompl y wi t h t h e r e qu i r e me n t t h a t s l ump i s( 2 5 0 2 5) mm ，s l u mp f l o w i S( 6 0 0 l O O )mm ，a n d f l o w t i me i S o v e r 3 O S a n d t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h i S 7 0 MP a a t 2 8 d The t e s t r e s ul t s s ho w t h a t H PSFRC ha s t h e b e s t m e c h a ni c a l pr o pe r t i e s ( e g ，c o m p r e s s i v e s t r e ng t h i s o v e r 80 M Pa a nd f l e xu r e s t r e ng t h i s o v e r 9 5 M Pa a t 28 d) Th e r e f o r e， HPSFRC i s a d o pt e d t O ma k e t he r o a d d e c k p a ne l a nd pr o v e i t s p e r f or ma n c e s The r e s u l t s r e v e a l t h a t t he i ni t i a l c r a c k i ng l o a d of HPS FRC r o a d d e c k p a n e l i S o v e r 4 t i me s o f t h e d e s i g n e d v a l u e( i e 1 2 t ) Af t e r t h e t e s t o f p a v e me n t i n s i t e ，s u c h r o a d d e c k pa n e l s ha ve v e r y n i c e pr o p e r t i e s The H PSFRC r o a d d e c k p a ne l m o t o n l y ha s be t t e r d ur a bi l i t y b ut a l s o l o we r c o s t o f o nl y h a l f o f t r a d i t i on a l s t e e l de e k pa ne 1 Ke y wo r d s ： r o a d d e c k p a n e l ；d e n s i f i e d mi x t u r e d e s i g n a l g o r i t h m；h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e ( HP C) ；h i g h p e r f or ma n c e s t e e 1 f i be r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( H PSFRC) 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 1 0 6 ；修订 日期 ： 2 0 0 9 0 3 0 4 第一作者 ； 蔡志达 ( 1 9 7 3 一) ， 男 ， 台湾高雄人 ， 成功大学 助理研究员 ， 博士 主要从事水 泥基材料 及再生 建材 的研究 E - ma i l ： c h i h t a t s a i g ma i l c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 蔡志达 ， 等 ： 利用高性能钢纤维混凝土制备新型覆工板 4 3 随着 全球 钢铁 价格飙 涨 ， 传 统复 合式 覆工 板 ( 钢 制覆 工板 上加铺 5 c m 混 凝 土 铺 面) 价格 愈来 愈 贵 ， 因此本 研究 针对 覆 工板 的性 能 要求 ， 利 用 高性 能 混 凝土材料来制作新型覆工板 ， 期望能一次成型 ， 以改 善传统 复合 式覆 工板 需 二 次 施 工 的 缺点 ， 进 而节 省 施工 成本 与工期 ； 另 台湾地 区属海 岛型气候 ， 传统 钢 制覆工板容易发生腐蚀而缩短其使用寿命 ， 因此期 望利用具备安全性、 工作性、 经济性 、 耐久性及生态 性 的高性 能混凝 土 ， 开 发 出具 上 述 优 良性 能 的新 型 覆工板 1 覆工板 力学性能需求 依 据 AAS HT O H2 O 4 4 _ 】 的规 定 ， 车 辆单 轮 荷重 为 7 2 7 3 k g ， 为 了 安 全 在 设 计 中单 轮 荷 重 以 8 0 0 0 k g 计 算 ， 其 轮 胎 接 触 面 积 ( A) 以 5 0 0 mlT l 2 0 0 mm 为准 ； 其冲 击 系 数 为 0 3 8 5 ， 故 单 轮 冲击 荷 重 为 8 0 0 0 k g 1 3 8 5 1 1 0 8 0 k g ； 覆工板 之 断面性 能 ： A一2 5 0 0 c m ， 惯性 矩 J N A 一1 3 0 2 0 8 c m ， 截面 系数 Z 一 1 0 4 1 6 c m。 根据 上 述相 关参 数 进行 力 学计 算 ( 力学计 算 区分 为 车 辆 行驶 方 向与 覆 工板 长 度方向平行或垂直这 2种 情况) 通过计算可知 ： 当 车辆 行驶 方 向与覆 工 板 长度 方 向平行 时 ， 其抗 弯 强 度必 须大 于 4 7 MP a ； 车 辆 行驶 方 向与 覆 工板 长 度 方向垂直时， 其抗弯强度必须大于 7 0 MP a 为保险 起见 ， 选定覆工板的抗弯强度为 7 0 MP a ， 并选定较 保险的抗弯强度与抗压强度 比为 1 1 0 ， 因此要求覆 工 板 的抗 压 强度 必须 大于 7 0 MP a 2试 验 计 划 2 1 试 验原 材 料 水泥为 I 型波特兰水泥 ； 粗、 细骨料为产 自花莲 木瓜 溪 的天然 河砂 及碎 石 ； 矿渣 粉为 中联 公司生产 ， 细度 4 0 0 0 c m g ； 粉煤 灰 为台 电兴达 火力 发 电厂提 供 的 F级粉 煤灰 ； 高效 减水 剂 ( S P ) 为羧 酸 系列 G型 化学 掺 和料 ； 钢 纤 维 长 度 为 3 0 mm， 长 径 比 z 一 6 0 ， 二端呈 弯 勾形 ； 聚 丙 烯 ( P P ) 纤 维 长 度 约 为 1 4 c m， 链 状 ； 硅灰 产 自加拿 大 上 述材 料 性 质经 检 验 均 符 合 相关 AS TM 的规 定 2 2试 验变 量与项 目 针对 以上 性 能 要 求 ， 本 研 究 依 据 致 密 配 比逻 辑口 共设计了 3种混凝土配合 比( 见表 1 ) ， 分别为 ： 高 性 能 混 凝 土 ( HP C) 、 高 性 能 钢 纤 维 混 凝 土 ( HP S F R C ) 、 高 性能 P P纤维 混 凝 土 ( HP P F RC ) ， 它 们的水胶 比 m 均为 0 2 5 ； 其 工作性指标为坍 落 度 一 ( 2 5 0 2 5 )mm、 扩 展 度 一 ( 6 0 0 1 0 0 )mm、 流 动 时间 3 0 S ； 2 8 d抗 压强 度 为 7 O MP a 表 1混 凝 土配 合 比 Ta b l e 1 M i x pr o p o r t i o ns o f c o n c r e t e 依据 相关 AS T M 规 范来 测 试 混 凝 土 的抗 压 强 度 _ 3 、 抗弯强 度 、 电阻 率 及 氯 离 子 电 渗 量 为 避 免传 统支撑 系统 无 法使 用 ， 本 研 究 所 开 发 的新 型 覆 工板除 了须满足相关性能要求外 ， 还必须降低其 自 重 ， 故决 定减 少覆 工板厚 度 ( 传 统 复合式 覆工 板厚 度 为 0 3 O m) 以满足 需求 本 试 验共 设 计 了 长 2 11 1 ， 宽 1 1 3 3 ， 厚度分别为 0 2 5 ， 0 2 0 ， 0 1 5 ， 0 1 3 m这 4种 尺寸的混凝土试件 ， 并按表 1配合比制备 5 0片混凝 土试 样 首 先测 试试 样 的初 始 开裂 载 重 ( 各 3 0次 ) ， 选择 l O次 进行 极 限载 重 试 验 ， 以确 定 其最 佳 厚 度 ， 并利用初始开裂载重试验后的试样进行坠落冲击试 验； 再用剩余 的 2 O个试样进行耐磨试验 、 实际铺设 碾压试 验 ， 以确认 覆 工 板 的 相关 工 程 性 质 是否 符 合 工 地 的实际需 求 3结 果 与 分 析 3 1 工作 性 表 2为 各 组 混 凝 土 的 工作 性 测 试 结果 由表 2 可知 ， 3种混 凝 土配 比均 可满 足设 计 需 求 这是 因为 配比设计时 ， 藉 由致密配比逻辑 ， 利用颗粒紧密堆积 降低 了混凝 土流动时所需克服的能 阶 。 ； 再配合矿 表 2 各种混凝土的工作性 Ta b l e 2 W o r k a b i l i t y o f v a r i o u s c o nc r e t e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 4 建筑材料学报 第 1 3卷 物掺和料与高效减水剂的运用 ， 即使添加钢纤维 、 P P纤维也不会发生 因纠结而导致混凝土工作性不 足的现象 发生 3 2 抗压强 度 图 1为 3 种 混凝 土 的抗 压强 度 由图 1 可见 ， 2 8 d时各 混凝 土抗压 强度均 超过 了 7 O MP a ， 其 中高性 能 钢 纤 维 混 凝 土 的抗 压强 度 表现 最 佳 ， 达 到 了 8 4 MP a ， 这是 由于 添加 钢 纤 维不 仅 可 提 升混 凝 土 的 弹 性模 量 ( E) ， 还可 阻 碍裂缝 的延 伸成 长 _ 8 ， 配 合 二次 火 山灰反 应 ， 改 善 其界 面 性 质 ， 因此 其 9 1 d抗 压 强 度甚 至 可达 9 5 MP a以上 ， 且 随 龄期 的增 长而 持 续 提高 图 1 混凝 土抗 压 强 度 与 龄 期 的关 系 Fi g 1 Re l a t i on s hi p b e t we e n c o mpr e s s i ve s t r e n gt h o f c onc r e t e an d a ge 3 3水 泥强 度效 益 水泥 强度效 益是 指 每 k g水 泥 所 能产 生 的抗 压 强度 图 2为 3种混 凝 土 水泥 强 度 效益 与 龄期 的关 系 图 2显 示 ， 2 8 d时 它 们 的水 泥 强 度 效 益 已达 0 2 5 4 0 2 8 0 MP a k g ， 至 1 8 0 d时甚 至可 达 0 3 1 5 MP a k g以上 ， 为 传 统 混 凝 土 水 泥 强 度 效 益 ( 0 0 7 MP a k g ) 。 的 4 5倍 以上 ， 这 意 味着 只需 使 用传 统 混凝 土 1 4 1 5的水 泥量 ， 就可 配制 出相 同强 度 的 混 凝土 ， 不仅 可降低 成本 ， 还可减 少 因水 泥用量 太 大 而造 成 混凝土 性能 劣 化 的影 响 因 素 ( 析 晶 、 白华 、 硫 酸 盐侵 蚀 、 碱骨 料反 应及 风化 裂解 ) E l O ， 亦 可减 少 生 山 若 宕 8 图 2 混凝土水泥强度效益 与龄期的关系 Fi g 2 Re l a t i o ns hi p be t we e n c omp r e s s i ve s t r e ng t h e f f i c i e nc y o f c e me n t a n d a g e 产水泥 时 的能 源消 耗与 C O 排 放 ， 符合 目前 节 能减 碳 的可 持续发 展 目标 3 4抗 弯 强度 图 3为 7 ， 2 8 d时各组混 凝土 的抗 弯强 度 由图 3可 见 ， 7 d时各组 配合 比混凝 土 的抗 弯强 度均 已超 过 9 0 MP a ， 至 2 8 d时甚至 达 1 0 0 MP a 以上 ， 其 中 仍 以高性 能钢纤 维混 凝土 表现 最佳 ， 其 2 8 d抗 弯强 度 甚 至可 达 1 0 8 MP a以上 ， 这 是 由于添 加 钢纤 维 后 可 以更 有效地 阻 碍裂缝 的延伸 成长所 致 H L 址 上 ( L =H F K 图 3各组配合比混凝 土的抗弯强度 Fi g 3 Fl e xu r al s t r e ng t h o f c o nc r e t e s 3 5表 面 电阻率 混凝 土表 面 电阻率可 显示混 凝 土表面 的连续性 与阻抗性 ， 亦 可评估 混凝 土 的致 密性 图 4为 3种混 凝 土表 面 电阻 率 与 龄 期 之 间 的关 系 由 图 4可 见 ， 7 d 后 3种混 凝 土 的表 面 电阻 率均 可 达 2 0 k Q c m 这 一不致 发生 腐蚀 的高标 准 电 阻值I 1 由于钢纤 维 导 电性较 高 ， 致 使 高性 能 钢纤 维 混 凝 土 的表 面 电阻 率 较低 ， 但至 9 1 d时其 值仍超 过 了 1 5 0 k Q c m， 而 另 2种混凝土则均超过了 2 7 5 k Q c m 混凝土的低 导 电性 表 明混凝 土具 有 优越 的致 密性 、 抗 渗 透 能力 与抗钢筋腐蚀能力 ， 因而混凝土表面电阻率是检测 其 耐久性 的一 项重 要指标 _ 1 图 4 混凝土表面电阻率 与龄期 的关系 Fi g4 Re l a t i o ns h i p be t we e n c on c r e t e r e s i s t i v i t y a n d a ge 3 6氯 离子 电渗 量 图 5为混凝 土 氯离 子 电 渗试 验 结果 由 图 5可 见 ， 9 1 d时各组配合 比混凝土的氯离子 电渗量均小 于 1 0 0 0 C， 属 AS TM C 1 2 0 2 l_ 5 所建议的“ v e r y l o w” 5 2 9 6 3 O 矗 ( 1 苫 LI l 矗 c 茜 ；吞E u a 看 u 】 0 兰 3 J dg 0 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 蔡志达， 等 ： 利用 高性 能钢纤维 混凝土制备新型覆工板 4 7 5 结论 1 依据致密配 比逻辑所设计 的高性能混凝土 ， 无论添加何种纤维， 其工作性均可达高流动性 的标 准 ， 以确 保覆 工板 浇注 时可 完全填 充密 实 ， 进 一 步确 保 其安 全性 2 利 用 高 性 能 钢 纤 维 昆凝 土制 备 的 新 型 覆 工 板 ， 其初始开裂载重为原始设计值 ( 1 2 t ) 的 4倍 以 上 ， 即使加 载至 1 0 0 t 仍 未 断 裂 ， 亦 无 瞬 间脆 裂 的现 象 ， 具极高的安全性 另经碾压试验验证 ， 显示其亦 具极好的耐磨特性 3 利用 高性 能钢纤 维混 凝土 制备 的新 型覆 工板 ( 尺寸 为 2 m1 r r l 0 1 5 r n与 3 m1 r n0 1 5 I n ) 不仅 耐久 性 较佳 ， 且 不 需 二 次施 工 ， 材 料 成 本 比 传统钢制覆工板节省一半 以上 经各项试验验证 ， 均 符合 相关 性能需 求 ， 且 已通过相 关专 利 申请 参考 文献 ： 1 2 3 AAS H TO H2 O 一 4 4， S t a n d a r d s pe c i f i c a t i o n s f o r H S - 2 0 h i g h wa y l o a d i n g S 黄兆龙高性能 混 凝土 理 论 与实 务 M 台北 ： 詹 氏书 局 ， 2 0 0 3： 1 9 7 - 2 5 4 HUANG Z h a o l o n g P r o p e r t y a n d b e h a v i o r o f c o n c r e t e M Ta i p e i ： Z a n S Pu b l i s h e r I n c ， 2 0 0 3： l 97 2 5 4 ( i n Ch i n e s e ) AS TM C3 9， St a n d a r d t e s t me t ho d f o r c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f 4 5 6 7 8 9 E l O 1 1 1 2 3 1 3 c y l i n d r i c a l c o n c r e t e s p e c i me n s E S ASTM C7 8， St a n d a r d t e s t me t h o d f o r f l e x u r a l s t r e n g t h o f c o n c r e t e( u s i n g s i mp l e b e a m wit h t h i r d - p o i n t l o a d i n g ) s ASTM C1 2 0 2， El e c t r i c a i i n d i c a t i o n o f c o n c r e t e S a b i l i t y t o r e - s i s t c h l o r i d e i o n p e n e t r a t i o n S TS AI Ch i h - t a， LI Lu n g s h e n g， Ch a n g Ch i e n - e h i h， e t a 1 Dur a - b i l i t y d e s i gn c o n s i d e r a t i o n a n d a p p l i c a t i o n o f s t e e l 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 T a i wa n J Th e Ar a b i a n J o u r n a l f o r S c i e n e e a n d En g i ne e r i n g， 2 0 0 9， 3 4 ( 1 B) ： 5 7 7 9 AI CTI N P C，NEVI LLE AH i g h p e r f o r ma n c e c o nc r e t e de my s t i f i e d J C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l ， 1 9 9 3， 1 5 ( 1 ) ： 2 卜2 6 R0S S I P， ACKER P， M ALI ER Y Ef f e c t o f s t e e 1 f i b e r s a t t wo s t a g e s ： Th e ma t e r i a l a n d t h e s t r u c t u r e J Ma t e r i a l s a n d S t r uc t u r e s ， 1 9 8 7， 2 0 ( 6 )： 43 6 4 3 9 MATHE R B Us e l e s s c e me n t E J C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 0， 2 2 ( 1 1 )： 5 5 - 56 ETHA P K， BURROW S R W Bu i l d i n g d u r a b l e s t r u c t u r e s i n t h e 2 1 s t c e n t u r y J C o n c r e t e I n t e r n a t io n a l ， 2 0 0 1 ， 2 3 ( 3 ) ： 5 7 6 3 BRI AN B H ， ALAN K ， DAVI D GM a n n i n g c o r r os i o n a n d e l e c t r i c a l i mp e d a n c e i n c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h， 1 9 8 5， 1 5 ( 3 )： 5 2 5 - 5 3 4 DI NAJ AR P，B ABU K G，S ANTHANAM MDu r a b i l i t y p r o p e r t i e s o f h i g h v o l u me f l y a s h s e l f c o mp a c t i n g c o n c r e t e s J C e me n t a n d C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 0 8 ， 3 0( 1 0 ) ： 8 8 0 8 8 6 I n t r o d u c t i o n o f me t o r - d e c k z s 1 ： US A Me t r o d e c k s I n c ， 1 9 8 0： 8 1 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m