钢纤维对C60高性能混凝土弯曲韧性的影响.pdf

第 3 3卷第 6期 2 0 1 2年 l 2月 华北水利水 电学院学报 J o u r n a l o f No r t h C h i n a I n s t i t u t e o f W a t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o we r Vol _ 3 3 No 6 De e201 2 文章编号 ： 1 0 0 2 5 6 3 4 ( 2 0 1 2 ) 0 60 0 3 3 0 3 钢纤维对 C 6 0高性能混凝土弯 曲韧性的影响 崔 巩，刘建忠， 周华新 ，吕 进 ， 李长风 ( 江苏省建筑科 学研 究院高性能土木工程 国家重点实验 室， 江苏 南京 2 1 0 0 0 8 ) 摘要 ： 简要综述 了国内外关 于钢纤维 混凝 土弯 曲韧性指数 的计算方法 ， 并选取我 国现行的规程 J G J T 2 2 1 2 0 1 0 试 验方法 ， 通过钢纤维高性能混凝土 的弯 曲韧性试 验 ， 研究 了钢纤维体积 分数和钢纤 维类型对 钢纤 维高 性能混凝土弯 曲韧性 的影响 结果表 明 ： 钢纤维高性能混凝 土峰值荷 载与弯 曲韧性均 随着 体积分数 的增 大而 提高 ； 微 细型钢纤维提高混凝土弯 曲强度指标 幅度最大 ， 端钩 型钢纤 维提 高混凝土弯曲韧性指标幅度最大 关键词 ： 钢纤 维 ； 体积分数 ； 类型 ； 高性 能混凝土 ； 弯曲韧性 韧性是材料延性和强度的综合 ， 是材料在破坏过 程中的能量消耗值 钢纤维混凝土的韧性指的是混凝 土基体开裂后继续维持一定抗力的变形能力 ， 是评价 钢纤维混凝土的一个重要指标 普通混凝土在一 定的荷载作用下便会开裂并发生脆性破坏 将钢纤维 加入高强混凝土是提高和改善其韧性 的有效方法之 一 目前用于评价混凝土弯 曲韧性 的试验方法较多， 但还没有 统一 的标 准和试验 方法 1 现有的弯曲韧性指数评价方法综述 与选 取 弯曲韧性用来评价钢纤维混凝土的韧性 ， 但 目 前还没有统一评价钢纤维混凝土弯曲韧性的标准和 方法 各主要国家学术机构 与一些学者相继提 出了 自己的标准和方法 ， 具有代 表性 的有美 国混凝土协 会 ( A C I ) 5 4 4委员 会提 出的弯曲韧性指 数、 美 国材 料与试验协会 的 A S T M C 1 0 1 8韧性指数法 、 日本 土 木 工 程协 会标 准 J S C E G 5 5 2、 R I L E M T C 1 6 2 一T D F 、 中 国工程建 设 标准 协会 标 准 ( C E C S 1 3 ： 2 0 0 9 ) 、 中国 行业规程 J G J T 2 2 1 2 0 1 0等 这些 方法大致 可以分为能量法 、 能量比值法 、 特征点法、 强度法 13本 的 J S C E G 5 5 2 、 R I L E M T C 1 6 2 一T D F 、 我 国 标准中 C E C S 1 3 ： 2 0 0 9的弯曲韧性试验 ( 切 口梁法) 以及 规程 J G J T 2 2 1 2 0 1 0的 附 录 B 纤 维 混 凝 土 抗弯韧性 ( 等效抗弯强度 ) 试验方法 中定义的弯曲 韧性系数 ， 实质上是给定挠度时的折算等效抗弯强 度 其优点是 ， 可以直接与抗弯强度相比来评价材料 的增韧效果， 与初裂强度无关 ， 应用方便 ， 适合评价 不 同种 类 钢纤维 及 掺量对 增韧 效果 的影 响 按规程 J G J T 2 2 1 2 0 1 0规定的纤维混凝土弯 曲韧性方法 ， 采用 1 0 0 mm1 0 0 mm 4 0 0 mm小梁 ， 按规定进行切 口， 采用 6 0 0 k N压力试验机， 用荷载 传感器测定作用在小梁上 的荷载 ， 用位移传感器测 定 小梁 的挠 度 ， 装置 如 图 1所示 图 1 弯 曲韧性试验装置 图 2 原材料与配合 比 2 1 原 材料 水泥采 用江 南 小 野 田水 泥 有 限公 司生 产 的 收 稿 日期 ： 2 0 1 20 82 8 基金项 目 ： 国家 自然科学基金 资助项 目( 5 0 9 0 8 1 0 4 ) 作者简 介： 崔巩 ( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 山东 聊城人 ， 工程师 ， 硕士 ， 主要从 事纤维混凝土方面 的研究 刘建忠 ( 1 9 7 6 一 ) ， 男 ， 福建 闽侯 人 ， 教授级 高工 ， 主要从事高性能混凝土 、 纤维混凝土等方面 的研究 3 4 华北水利水 电 学院学报 2 0 1 2年 1 2月 PI I 5 2 5 普通硅酸盐水泥； 粉煤灰采用南京热 电 厂 I 级粉煤灰 ； 矿粉采用江南粉磨公司生产 的 $ 9 5 级矿粉； 细骨料采用 区中砂 ， 细度模数 为 2 6 ； 粗 骨料采用 52 0 m m连续级配玄武岩碎石 ； 减水剂 采用江苏博特新材料有限公 司生产 的 P C A 聚羧 酸减水剂 ； 钢纤维采用江苏博特新材料有限公司生 产的润强丝系列钢纤维 钢纤维特征参数见表 1 表 1 钢 纤维特征 参数 表 2 2试 验 配合 比 试验 以端钩型钢纤维为主导纤维 ， 采用的混凝 土强度等级为 C 6 0 ， 基准混凝土配合比见表 2 表 2 基准混凝土配合 比 k g m 3 试验结果 与讨论 3 1 弯 曲韧 性与钢 纤维 体积 率 的关 系 图 2为不同体积分数端钩型钢纤维混凝土的荷 载 一挠 度 曲线 按 照 规 程 J G J T 2 2 1 2 0 1 0附 录 B 中试验方法求得 的纤维混凝 土 2 8 d的等款抗弯强 度 见表 3 ， 表 中值为 3个试件的平均值 Z 柩 挺 图 2 钢 纤维 高强混凝 土荷载 一 挠 度曲线 表 3不同掺量端勾型钢 纤维 混凝土弯曲韧 性试 验结果 从图 2及表 3中可以看 出， 钢纤维高强混凝土 试件的荷载峰值 ， 即混凝土抗弯强度随纤维体积分 数的增大而提高， 混凝土抗弯强度 与 比例极 限，用 于表征混凝 土强度 ， 纤维体 积分数 最高 为 1 2 5 时 ， 混 凝 土抗 弯 强度 相 对 于 基 准 混 凝 土 提 高 了 1 0 4 ， 比例极限 厂 提高 了 1 6 0 这主要是 由于荷载 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一个整体共 同承担荷载， 二者 变形协调处于弹性阶段 ， 此时荷载 一挠度 曲线呈直 线 ； 载荷继续增大 ， 拉区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， 使试件界面受力保持平衡 ， 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 此外 ， 荷载 一挠度 曲线也随着钢纤维体积分数 的增 大而愈加饱满 ， 达到峰值荷载的变形能力也不 断增 加 ， 呈现出更大 的韧性 相对于低掺量 钢纤维混凝 土， 掺入 1 2 5 体积分数 的钢 纤维 ， 等效抗弯强度 厶，。 与 ，： 分别提高了3 8 5 与2 9 4 以上结果可以 说明， 钢纤维的掺入提高 了混凝 土的抗弯强度及抗 弯韧性 ， 尤其对钢纤维的弯曲韧性的提高更为显著 3 2 弯曲韧性与钢纤维种类的关系 表 4与 图 3给 出了钢纤维体积分数 为 1 0 0 时 4种不 同类型钢纤维 ( 剪切 型、 端钩型、 哑铃 型、 微 细 型 )混 凝 土 的 弯 曲 荷 载 一挠 度 曲 线 与 计 算结果 表 4不同类型钢纤维混凝土弯曲韧性试 验结果 圈 3 不同类型钢纤维高强混凝土荷载 一挠度 曲线 从图 3和表 4可 以看 出， 掺入钢纤维后混凝 土 弯曲性能参数均有很大提高 在强度指标方面， 微细 第 3 3卷第 6期 崔巩 ， 等 ： 钢纤 维对 C 6 0高性能混凝土弯 曲韧性 的影响 3 5 型钢纤维混凝土提高幅度最大 ， 其抗弯 强度与 比例 极限，分别 提高 了 6 8 及 1 5 0 ， 剪切 型钢纤 维的 提高幅度最小 同体积分数 为 1 0 0 时， 抗弯强度 与比例极限，提高幅度大小依次为 ： 微细型 端钩 型 哑铃型 剪切型 在韧性指标方面 ， 等效抗弯强 度 ， 与厶，： 表现出不同的趋势， 提高幅度从大到小 依次为： 端钩型 微细型 哑铃型 剪切型 这主要 是 由于， 同等体积分数下微细型钢纤维根数最多 ， 均 匀分布在混凝土中， 根据复合材料理论 ， 提高混凝土 强度更为明显 另外 ， 端钩型钢纤维由于纤维两端带 有弯钩 ， 与基体有更好 的黏结锚 固作用 ， 在纤维拔 出 的过程中除了克服界面黏结 强度与摩擦力之外 ， 还 要克服钢纤维与混凝 土的机械锚 固作用 ， 从而与长 径 比相近的其他钢纤维对 比， 增韧效果更加突出 因 此 ， 钢纤维与混凝土基体间的黏结锚 固作用是影响 高强混凝土弯曲韧性 的重要 因素 ， 可 以通过适 当改 变钢纤维表面形状 、 长径 比等改善钢纤维高强混凝 土弯曲韧性 4 结语 1 ) 简要综述 了 国内外几种 常用 的钢纤维混凝 土弯曲韧性指数 的计算方法 ， 分析出强度法更适合 于评价钢纤维混凝 土弯 曲韧性 ， 因此选取 了 纤维 混凝土应用技术规程 ( J G J T 2 2 1 2 0 1 0 ) 中附录 B 中等效抗弯强度试验方法对钢纤维混凝土弯曲韧性 进行计算 2 ) 钢纤维高强混凝 土试 件 的峰值荷载 随着纤 维体积分数的增大而提高 ， 荷载 一挠 度曲线随着纤 维体积分数的增大而愈加丰满 ， 呈现出更大的韧性 3 ) 钢纤 维类型对高强钢 纤维混凝土弯 曲韧性 有较大影响 ， 其 中微细型钢纤维提 高混凝土强度指 标幅度较大； 端钩型钢纤维与基体有更好 的黏结锚 固作用 ， 提高混凝土韧性指标较大 参 考 文 献 1 黄承逵 纤 维 混 凝 土 结 构 M 北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社 2 0 0 4 2 梁志标 界面和粘结强度对混凝 土性能 的重要意义 c 第七届水泥 与混 凝 土 国际会议 论文 集 济南 ： 中 国硅 酸盐 学会 ， 2 0 1 0 3 A m i r A M i r s a y a h ， N e m k u ma r B a n t h i a F l e x u r a l s t r e n g t h o f 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 J A C I M a t e r i a l s J o u r n a l ， 2 0 0 2， 9 9( 5 )： 4 7 34 7 9 4 AC I C o mmi t t e e 5 4 4ACI 5 4 4 2 R 一 8 9 Me a s u r e me n t o f P r o p e r t i e s o f F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e S A m e ri c a n ： A - me r i c a n Co n c r e t e I n s t i t ut e， 20 02 5 A m e r i c a n S o c i e t y f o r T e s t i n g a n d Ma t e ri a l s A S T M c l 0 1 8 9 7 S t a n d a r d T e s t Me t ho d for F l e x u r a l To u g h ne s s a nd Fi r s t - C r a c k S t r e n g t h o f F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e(U s i n g B e a m w i t h T h i r d P o i n t L o a d i n g ) s We s t C o n s h o h o c k e n ： A S T M I n t e r ， 1 9 9 7 6 日本土木学会 J S C E G 5 5 2 -1 9 9 9鲷绒雉褚 强 5 夕 l J 强度拓 土 少7木 灭弑黢用供 弑体 作 I) 方法 s 东京 ： 1 3 本土木学会 ， 2 0 0 2 7 R I L E M R I L E M T C 1 6 2 -T D F T e s t a n d D e s i g n Me t h o d s fo r 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 s P a r i s ： R I L E M P u b l i - c a t i o n s S ARL， 2 00 3 8 中国建设工 程协会 C E C S 1 3 ： 2 0 0 9纤 维混 凝土 试验方 法标准 s 北京： 中国计划出版社， 2 0 0 9 9 中华人 民共和 国住 房和 城 乡建 设 部 J G J T 2 2 1 2 0 1 0 纤维混凝土 应用技 术规 程 s 北京 ： 中国建筑 工业 出 版社 ， 2 0 1 0 I n flue n c e s o f S t e e l Fi be r o n Fl e x u r a l To ug h ne s s o f St e e l Fi be r Re i nf o r c e d C6 0 Hi g h pe r f o r ma nc e Co n c r e t e C UI Go n g ，L I U J i a n - z h o n g，Z HOU Hu a - x i n，L V J i n，L I C h a n g f e n g ( S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f H i g h P e r f o r m a n c e C i v i l E n g i n e e r i n g M a t e r i a l s ， J i a n g s u R e s e a r c h I n s t i t u t e o f B u i l d i n g S c i e n c e C o ， L t d ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 8 ， C h i n a ) A b s t r a c t ：S e v e r a l c a l c u l a t i o n m e t h o d s o f 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( S F R C) fl e x u r a l t o u g h n e s s i n d e x w h i c h a d o p t e d w i d e l y a t h o me a n d a b r o a d we r e s u mma r i z e d J G J T 2 21 2 0 1 O t e s t me t h o d u s e d for S F RC i n Ch i n a w e r e s e l e c t e d B y fl e x u r a l t o u g h n e s s e x p e r i me n t o f s t e e l fib e r r e i n f o r c e d h i g h p e rfo r ma n c e c o n c r e t e，t he i n flue nc e s o f t h e v o l u me f r a c t i o n a nd t h e t y pe o f s t e e l fib e r o n t h e fle x u r a l t o ug hn e s s a nd r e l e v a nt i n de x we r e i nv e s t i g a t e dTh e r es u l t s s h o we d t h a t t he p e a k l o a d a n d f l e x u r a l t o u g h ne s s we r e b o t h i mp r o v e d wi t h t he i n cr e a s e o f s t e e l fib e r v o l ume f r a c t i o n；t h e fin e s t e e l fibe r i mp r o v e d c o nc r e t e f l e x ur a l s t r e ng t h wi t h t he l a r g e s t a mo un t ，a n d t h e e n d h o o k s t e e l fib e r i mp r o v e d c o n c r e t e fle x u r a l t o ug hn e s s wi t h t he l a r g e s t a mo un t Ke y wor d s：s t e e l fib e r；v o l ume f r a c t i o n；t y pe s；h i g h - pe rfo rm a n c e c o nc r e t e；fle x u r a l t o u g hn e s s ( 责任编 辑 ： 蔡洪涛 )