钢纤维混凝土抗压性能试验研究.pdf

第 3 2卷第 6期 2 0 1 0年 6月 人民黄河 YEL LOW RI VER Vo 1 3 2 No 6 J u n ， 2 0 1 0 【 水利水 电工程 】 钢纤维混凝土抗压性能试验研究 杨克 荣， 彭 刚， 戚永 乐， 王乾峰 ( 三峡大学 土木 与建筑学院， 湖北 宜 昌4 4 3 0 0 2 ) 摘要： 对钢纤维含量为0和 2 两种混凝土分别进行了加载速率为 1 O。 8 、 1 0 s 、 51 0I 3 s的单轴压缩试验。结果 表明： 随着加载速率的增大， 普通混凝土和钢纤维混凝土的抗压强度均提高， 但钢纤维的掺入对混凝土的抗压强度影响 不大； 加栽速率对两种混凝土的峰值应变影响不显著； 弹性模量均随着加载速率的增大而增大； 对于普通混凝土， 随着加 栽速率的提 高， 应力一应 变曲线的下降段较 陡峭 ， 而钢 纤维混凝 土的应力一应 变 曲线的 下降段 则较平缓 ， 说 明钢 纤雏可 以提 高混凝土 的延性 ， 增强混凝土的塑性 变形能力。 关键词：钢纤维混凝土；加载速率；抗压性能 中图分类号：T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 0 0 6 0 5 7 钢纤维混凝土是 由粗骨料 、 细 骨料 、 乱向分 布的钢纤维 和 水泥浆所组成的一种混凝土， 具有较高的抗拉 、 抗弯、 抗剪、 抗 扭强度和卓越 的抗 冲击 性能 ， 并能 明显改善混 凝土 的收缩性 ， 显著提高混凝土的抗疲劳和耐久性能， 已被广泛应用于水工结 构的复杂应力部位”I 2 J 。目前， 对于钢纤维混凝土的低应变速 率静力试验以及高应变速率冲击试验已有较多研究成果 ， 但对 于地震荷载作用下中应变速率范围内( 1 0 一一l 0 s ) 的试验 研究还有待深入 。为此 ， 笔者开展了 中应变速率范 围内钢纤维 混凝土的单轴抗压性能试验研究。 1 试件设计及试验装置简介 1 1 试件设计 笔者采用钢纤维混凝土圆柱形试件， 尺寸为 4 , 1 o o m i l l 1 5 0 l a i n 。水泥采用陕西省秦岭水泥集团的“ 秦岭” 牌 4 2 5 R普 通硅酸盐水泥； 钢纤维采用武汉汉森钢纤维厂生产的剪切型钢 纤维， 型号为 S F N 3 2 (I) ， 长径比为5 7 ， 低碳钢， 抗拉强度 3 8 0 MP a ； 粗骨料为连续级配卵石， 粒径52 0 mm； 细骨料为天然河 砂， 细度模数为 2 4 。通过配合比试验选择合适的配合比， 普通 混凝土的材料用量为水泥 3 5 7 7 k g m 、 石 1 2 6 2 1 k g m 、 砂 6 5 0 2 k g n l ， 水灰 比为 0 5 。 笔者完成 了基体强度为 C 4 0 、 钢纤维体积率分别为 0和 2 O 的两种钢纤维混凝土在准静态 ( 应变速率为 1 0 s ) 和应 变速率为 1 O I 4 8 、 51 0 I 3 s 时的单轴压缩试验。钢纤维混凝 土的材料用量参照普通混凝土的材料用量， 用钢纤维代替同体 积 的粗骨料。 1 2 试验装置简介 试验采用长春朝 阳试 验仪器厂 生产的 大型微机控 制 电液 伺服多功能三轴材料试验机， 型号 WD T一1 5 0 0 ， 最大试验力 1 5 0 0 k N， 测量精确度q - 1 ； 采用先进的引伸计进行变形测 1 2 8 量 ， 变形测量范围轴向为01 0 m m、 径向为05 m m， 变形测量 精度 1 ； 位移测量范围为 01 0 0 m m， 位移测量精度 0 5 。调试好试验设备后， 进入正常加载状态， 采集加载过 程中的荷载、 位移、 轴向变形、 径向变形、 应力、 应变等各项数据。 2 试验结果分析与讨论 2 1 峰值应力 测得的不同加载速率下两种钢纤维混凝土的峰值应力见 表 1 。 表 1 不同加载速率下混凝土峰值应力 由表 l 可见， 对同一种钢纤维含量的混凝土， 峰值应力的 均值随着加载速率的增大而增大， 相对 于准静态加载速率 ( 1 0 s ) ， 加载速率为 1 0 “ s 和 51 0 s 时， 钢纤维含量为 0的混凝土峰值应力分别提高 1 9 8 、 1 2 6 6 ， 钢纤维含量为 2 0 的混凝土峰值应力分别提高 1 2 0 、 1 5 7 6 。 对于钢纤维混凝土 ， 其抗压强度与应变速率的对数之间满 足线性关系， 可以描述为 收稿 目期 ： 2 0 0 9 1 0 1 5 基金项目： 国家自然科学基金资助项目( 5 0 6 7 9 0 3 9 ) ； 国家自然科学基金重大项 目( 9 0 5 1 0 0 1 7 ) 。 作者简介 ： 杨 克荣(I 9 8 6 一)， 男， 湖北仙 桃人， 硕 士研究 生， 主要从 事混凝土动 力特性试验与本构关 系的研 究工作。 E ma l l： y a n g _k e r o ng 1 2 6 c o r n 人 民 黄 河2 0 1 0年第 6期 =1+a l g ( s d 6 ) ( 1 ) 式中 为当前应变速率下的极限抗压强度 为静态应变速率 下的抗压强度； 为当前的应变速率； s 为拟静态的应变速率 ( 1 0 s ) ； a为 材料 参数 称 为混 凝 土的 动态 强度 增 长 因 数 ， 对不含钢纤 维的混凝 土 0=0 0 4 3 6 5， 对 2 O 钢纤维含量 的混凝土 o=0 0 5 2 8 。 其回归曲线如 图 1 所示 。 由图 1可见， 普通混凝土和钢纤维混凝土的 值均随 着加载速率的增大而变大， 说明两者的动态抗压强度都随着加 载速率的增大而增大 ； 钢纤维混凝 土抗 压强度 的应变速 率敏感 性要强于普通混凝土 。 2 2峰值应变 试 验测得的两种钢纤 维混凝 土在 不 同加载 速率下 峰值 应 力处对 应的峰值 应变见表 2 。 表 2 不 同加载速率下钢纤维混凝土峰值应变 笔者所得到 的两 种混凝 土 的峰值应 变 与加载 速率 的关 系 如 图 2所示 。 0 4 2 O 4 o 0 38 0 03 6 崩 O 3 4 j 璺 鹫0 3 2 0_ 3 O 02 8 U U 5 l 0 l 5 2 0 2 5 3O ( 8 d 8 图 2 两种混凝土的峰值应变与加载速率的关系 由图 2可知 ， 普通混凝土 的峰值应 变随加 载速率 的增 大呈 增大趋势， 而钢纤维混凝土的峰值应变随加载速率的增大而减 小 ， 当加 载 速 率 为 5 X 1 0。 s时 ， 相 对 于 准 静 态 加 载 速 率 ( 1 0 s ) 来说， 峰值应变降低了 1 5 。但在相 同的加载速率 下 ， 钢纤维混凝土的峰值应变较普通混凝 土均有所增加 。这与 一 些学者得出的混凝土峰值应变随着加载速率的增大而增大 的结论一致 J 。 2 3 弹性模量 混凝土 的弹性模量是 取应力应 变 曲线 上 3 0 5 0 的 峰 值应力对应的割线模量来标定的。在不同的加载速率下， 两种 混凝土的弹性模量如表 3所示。 表 3 钢纤维混凝土弹性模量统计 对 于钢纤维混凝土 ， 其弹性模量与相应 加载速率 的对数 之 问满足线性关系 ， 可描述为 E d E =1+A l g ( 6 。 ) ( 2 ) 式 中： E 为 当前应变速率下弹性模量 ； 为拟静 态应变速率 下 抗压强 度； 为 当前 的 应变 速 率； 为 拟 静 态应 变 速率 ( 1 0 。 s ) ； A为材料参数， 对于钢纤维含量为 0的混凝土 A = 0 0 2 5 0 7 ， 对钢纤维含量为2 O 的混凝土 A=0 0 7 1 04。 其回 归 曲线如图 3所示。 图 3 弹模 比值与加载速率的关系 由图3可见， 两种混凝土的弹性模量都随着加载速率的增 大而增大， 当加载速率相同时， 钢纤维混凝土的弹性模量较普 通混凝 土的弹性模 量大 ； 钢纤维混凝土 弹性 模量 的应 变率敏感 性要强于普通混凝土。 2 4应 力应 变 曲线 笔者对每种加载速率选取了一组典型的应力应变曲线， 钢 纤维含量 为 0和 2 0 的混凝土在各种加载速率下的应力应变 曲线如 图 4 、 图 5所示 。 由图 4 、 图 5可知 ， 对同种 钢纤维 含量 的混 凝土 ， 随着加 载 速率的增大， 应力峰值是逐渐增大的； 对不含钢纤维的混凝土， 较高应变速率下 ， 应力应变曲线的下降段较陡峭， 而钢纤维混 凝土 的应力应变 曲线 的下 降段较平缓 ， 说 明钢纤维混凝 土的掺 入 ， 提 高了混凝 土的延性 ， 增 强了混凝 土的塑性 变形 能力 。 ( 下转第 1 3 2页) l 2 9 人 民 黄 河2 0 1 0年第 6期 大相当于增加了渡槽槽身的重力， 从而增加了作用在竖墙上表 面的竖向力 。底板上、 下表面纵向压应力 随着 底板厚度的增大 而减小 ， 这是由底板变厚其抗弯能力增大所致 。 渡槽底板上表面横 向应力 随底板厚 度的增大 而增大 。横 梁下表面横向应力随底板厚度的增大而减小， 原因是底板厚度 的增大使其承担的竖向荷载增大， 作用在横梁上的荷载则相应 减小 。 边墙和中墙竖向位移随着底板厚度的增大而增大， 这是槽 身的自重增加所致， 边墙变化值略大于中墙。横梁的竖向位移 随着底板厚度 的增大而增大。 3 3 2 设计 水位状 态 除了渡槽预应力钢绞线锚固部位及支座位置局部区域发 生应力集中外， 渡槽边墙和中墙下表面均处于较小的应力状 态。随着底板厚度的增大， 纵梁下表面拉应力及竖墙上表面两 端小区域纵向拉应力增大； 底板上表面纵向压应力减小， 底板 下表面纵向压应力增 大； 渡槽 底板上 表面横 向应 力增大 ； 横梁 下表面所受横向应力减小 ， 这种变化趋势在横梁横向跨中处表 现最明显； 边墙、 中墙及横梁竖向位移均增大。 4 结论 通过纵梁厚度变化方案比较可知， 在一定范围内， 横梁下 表面横向拉应力随纵梁厚度的增大而减小。结构优化设计时， 在满足纵梁自身受力和构造要求的基础上， 可适当减小纵梁厚 度， 以减轻结构自重， 节省工程投资， 同时还可以减小横梁下表 面混凝土横 向拉应力。 通过竖墙厚度变化方案比较可知， 竖墙厚度主要由其 自身 强度和限裂控制 ， 在一定范围内 ， 纵 、 横 梁竖向位移随着竖墙厚 度的增大而减小。结构优化设计时， 应在满足竖墙 自身强度和 纵、 横粱变形要求的基础上， 适当减小竖墙厚度， 以减轻结构自 重 ， 节省工程投资 。 通过底板厚度变化方案 比较可知， 底板厚度 的变化对横 梁 受力有一定影响。在设计水位状态下， 横梁下表面横向拉应力 随着底板厚度的增大而减小； 在空槽状态下， 底板厚度线性变 化对结构受力影响较小， 但底板厚度的变化对结构 自重影响较 大。优化设计时， 在满足构造和施工要求的基础上， 应适当减 小底板的厚度， 以减轻结构自重， 节省工程投资。 参考文献 ： 1 赵顺波 ， 陈文 义， 黄和法 ， 等 南 水北调 中线工 程预应力混凝 土渡槽叠台结 构设计研究 J 人民黄河， 1 9 9 9 ， 2 1 ( 2 ) ： 3 5 3 7 2 郭雁平， 贺晓彬 预应力技术在大型混凝土箱形渡槽中的应用 J 中国农 村水利水电， 2 0 0 2 ( 1 2 ) ： 5 3 5 6 3 龚曙光 A N S Y S 工程应用实例解析 M 北京： 机械工业出版社， 2 0 0 3 4 高小翠， 彭琳 大型预应力混凝土箱式渡槽有限元分析 J 中国农村水利 水 电， 2 0 0 3 ( 3 )： 5 3 5 5 【 责任编辑张华岩张泽中】 ( 上接第 1 2 9页) _R 应变 1 0 图4钢纤维含量为 0的应力应变曲线 图 5 钢纤维含量为 2 O 的应力应变曲线 3 结论 ( 1 ) 普通混凝土和钢纤维混凝土的抗压强度均随应变速率 1 3 2 的增大而增强， 但钢纤维对混凝土的抗压强度影响不大。 ( 2 ) 随着加载速率的提高， 普通混凝土和钢纤维混凝土的 峰值应变变化不明显， 但在相同的加载速率下， 钢纤维混凝土 的峰值应变较普通混凝土有所增大。 ( 3 ) 普通混凝土和钢纤维混凝土的弹性模量均随加载速率 的增大而增大， 钢纤维混凝土的增长幅度更大； 在相同的加载 速率下 ， 钢纤维混凝土的应力应变曲线下降段较普通混凝土的 下降段更平缓， 说明掺入一定比例的钢纤维可以提高混凝土的 延性 ， 增强混凝土的塑性变形能力 。 参考文献 ： 1 张荣斌 钢纤维混凝土在水利水电工程中的应用 J 水利天地， 2 0 0 8 ( 9 ) ： 373 8 2 赵华玮， 代学灵， 黄功学 钢纤维对改善水工混凝土性能的作用 J 3 人民黄 河。 2 0 0 5 ， 2 7 ( 9) ： 5 85 9 3 闫东明混凝土动态力学性能试验与理论研究 D 大连： 大连理工大学， 2 0 0 6 4 B i s c h o ff P ， P e r r y S I m p a c t h a v i o r o f p l a n c o n c t e l d e d in u n i a x i M c o rn - p s s io n J M a g in e o f c o n c t e a r c h ， t 9 7 2 ， 2 4 ： 1 9 7 2 0 8 5 尚仁杰 混凝土动态本构行为研究 D 大连： 大连理工大学。 1 9 9 4 【 责任编辑乔韵青】