二级配骨料钢纤维混凝土断裂性能研究.pdf

2 0 1 0 年 第 8期 (总 第 2 5 0 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 O L O ( T o t a l No 2 5 0 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AI ， AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 O 0 8 028 二级配骨料钢纤维混凝土断裂性能研究 石国柱。徐晓勇 ( 安 阳师范学 院 建筑工程学院 ，河南 安 阳 4 5 5 0 0 2 ) 摘要 ： 基于水利工程 中对大粒径混凝 土防抗裂增韧 的要求 ， 进行了二级配骨料钢纤维混凝土断裂性能试验。分析 了钢纤维体积率( 钢 纤维掺量) 对钢纤维混凝土断裂韧度和断裂能的影响。结果表明： 钢纤维的掺人明显提高了二级配混凝土的断裂性能， 对其有较大的增韧效 果。在此基础上， 提出了钢纤维混凝土断裂韧度和断裂能的计算公式， 并回归分析了钢纤维混凝土断裂韧度和断裂能与劈拉强度的关系式。 关键词 ： 钢纤维混凝土 ；断裂韧度 ；断裂能 ；二级配 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 8 0 0 8 2 0 2 F r a c t ur e per f or manc e s t udy of t he s t e e l f i b er r e i n f or c e d c onc r e t e w it h t wo gr a de a ggr e ga t e S HIGu o - z h u， XU Xi a o - y o n g ( I n s t i t u t e o f Ar c h i t e c t u r e a n dCi v i l E n g i n e e r i n g， An y a n gNo r ma l U n i v e r s i t y ， A n y a n g4 5 5 0 0 2， Ch i n a ) Abs t r a ct： Th e c tum t o u g h ne s s t e s t f o r s t e e l fib e r r e i n for c e d c o n c r e t e wi t h t wo g r a d a t i o n o f a g g r e g a t e h a s b e e n ma d e t o me e t t h e r e q u i r e me n t o fi n c r e a s i n g t o u g h n e s s a n d r e s t r i c t i n g c r a c k i n h y d r a u l i c e n g i n e e n ng Th i s t h e s i s a l s o di s c u s s e s o n t h e i mp a c t o fs t e e l fib e r v o l u me f r a c t i o n o n the fr a c t u r e t o u g h n e s s and f r a c t u r e e n e r g y o f c o n c r e t e I t i n d i c a t e s t h a t t o mi x s t e e l f i b e r int o r e i n f o r c e d c o n c r e t e o b v i o u s l y i n c r e a s e s the f r a c t u r e p e r f o rm a n c e of r e i n for c e d c o n c r e t e wi t h tw o gra d a t i o n o f a g gre g a t e On t hi s b a s i s ， t h e c a l c ul a t i o n f o rm ula a b o u t t h e f r a c tur e t o u g h n e s s a nd f r a c tur e e n e r gy o f the s t e e l fi b e r h a s b e e n p r o po s e dAn d the r e l a t i o n b e tw e e n t h e fra c t u r e t o u g h n e s s a n d f r a c tur e e n e r gy an d th e s pl i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h h a s b e e n a l s o an a l y s e d Keywor ds ： s t e e l fib e rrei n f o r c e d c o n c r e t e； fra c t u r et o u g hn e s s ； f r a c t u r e e n e r gy ； tw og r a d e a g gre g a t e 0 引言 近 2 0年来 ， 国内外对钢纤维混凝土基本理论的研究 日趋 成熟 ， 已制定了有关的规范， 钢纤维混凝土在道路桥梁 、 建筑 、 隧洞衬砌等工程中得到了大量应用 ， 取得了良好的效益 】 。 但 是， 钢纤维混凝土在水电水利工程中的研究和应用较晚， 水电 水利工程中混凝土面板堆石坝对地形和地质条件都有较强的 适应能力， 并且施工方便 、 投资省 、 工期短、 运行安全、 抗震性 好， 已得到迅速广泛的应用3 ， 但是面板混凝土裂缝防控是面板 堆石坝的技术难题之一【4 】 ， 也是一个重要的研究课题S l 。钢纤维 对二级配混凝土抗裂性的提高是有利的旧 ， 但国内外相关的研 究较少。本研究基于水利工程对大粒径混凝土防裂增韧的要求， 进行了粗骨料最大粒径为 4 0 i l l n的二级配钢纤维混凝土断裂 性能试验。通过对大粒径钢纤维混凝土断裂性能试验结果的分 析， 讨论了钢纤维体积率( 钢纤维掺量) 对断裂性能的影响， 建 立了钢纤维混凝土断裂韧度和断裂能的计算公式， 并回归分析 了钢纤维混凝土断裂韧度和断裂能与劈拉强度的关系， 为进一 步的深入研究奠定基础。 1 试 验概 况 试验采用 P O 4 2 5 R级水泥 ； 细集料为细度模数为 2 7 9 的机制砂 ， 级配连续 ； 粗集料为连续级配石灰岩碎石 ， 小石 5 2 0 n l l n ， 大石 2 0 - 4 0 to n i ， 有逊径 ， 过筛后使用。 大石与小石比例 为 5 5 ：4 5 ； 钢纤维为上海贝卡尔特钢纤维公司生产的端勾型 钢纤维 ， 长 6 0 mm， 长径比 8 0 ， 弯折度合格 ； 减水剂为 J M I I 型 缓凝高效减水剂 ， 减水率为 2 0 2 3 6 ； 氧化镁采用外掺法加 人混凝土， 掺量为胶凝材料用量的 3 4 ， 水泥中掺加适当含量 Mg O， 是利用它水化产生延缓性来补偿混凝土的收缩， 提高混 凝土的耐久性。 应用实践表明5 7 】 ： 混凝土中掺加氧化镁， 对增强 混凝土的断裂韧度、 补偿混凝土 自身体积收缩， 从而避免或减 少由于混凝土自身收缩变形而产生的裂缝， 效果是明显的； 粉煤 灰为I 级粉煤灰。 钢纤维体积率分别为 0 , 0 5 、 0 7 7 、 1 O 和 1 2 5 ， 分别对 应试件编号中的 l v， 以比较不同钢纤维掺量对混凝土断裂性能 的影 响。 设计原则： 在保证水灰比不变的前提下， 随钢纤维掺量的增 大， 适当增加单位用水量， 使钢纤维混凝土具有适宜的工作性 能。 基体混凝土强度等级为C 3 0 ， 试验配合比见表 1 。 试件 I V的 坍落度分别为 1 9 0 、 5 0 、 3 0 、 1 0 、 0 m m。 断裂试件采用 1 5 0 mmx l 5 0 mmx 7 0 0 n l F t l 的矩形截面梁 ， 每组 1 2个试件， 包括 7 d龄期和 2 8 d龄期试件各 6个， 试件总 数共 6 0 个。考虑试件制作误差和试验成果的离散性 ， 最终选定 4个离散性较小的试验数据，并将其算术平均值作为该组试件 的最终结果。根据国际材料和结构实验室联合会( R I L E M) 试验 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 4 1 6 基金项目：河南省科技攻关课题( 0 6 2 4 2 5 0 o 2 8 ) ； 安阳师范学院“ 骨干教师资助计划” 8 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 试验配合 比 k g m 标准( 1 9 8 5 ) ， 所有断裂试件跨中预留裂缝高度 口均为 6 0 mm， 其相对缝深为 0 4 。试验时， 为增加现有普通试验机的刚度， 采 用了 4 个具有相同尺寸和刚度的高强叠簧作为刚性辅助架( 由 清华大学、 哈尔滨建筑工程学院、 大连理工大学等单位的实践 证明， 采用劲性弹簧作为刚性辅助架是可行的) 。 I 七 图 1 断裂性能试验示意图 断裂韧度是表示材料断裂韧性强弱的物理量。其常用且公 认的计算公式【 1 1 日 如式( 1 ) ： 瓦 【7 + s 0 ( a o o s )2s e e (手 ) ta n ( 手 ) c 。 ， 式中： 一 断裂韧度， MP a m ； 试件宽度， m； 试件高度， m； 町一预制裂缝深度， m。 混凝土断裂能的定义是裂缝扩展单位面积所需的能量。对 于三点弯曲切口梁， 断裂能采用裂缝形成的能量全部由力 P和 梁 自重及梁上附加质量所作的功来计算的方法： G ( Wo + m g o ) 3 ( 2 ) 式中： G 广 一试件的断裂能， N m； 一 F 全曲线下的面积， N m； m= ml+ 2 m2 ； m 试件支座间的质量 ， k g ； m厂与试验机不连在一起的附加加载装置的质量 ， k g ； g - - 重力加速度， m s ； 酪试件跨中加力点位移， m； A 韧带断面的面积 ， m2 。 2 试验结果和分析 2 1 钢纤维体积率对断裂韧度和断裂能的影响 试验结果如表 2所示。图 2和图3 ( 不包含 I 组试件) 表明： 表 2试验结果 r 2 I 吕 。 薅 目 弓 、 穗 落 0 0 3 06 0 9 1 2 1 5 钢纤维体积率， 图 2 钢纤维体 积率对 断裂韧度的影响 钢纤维体积率 ， 图 3 钢纤维体积率对断裂能的影响 ( 1 ) 随钢纤维体积率的增加， 钢纤维混凝土的断裂韧度和断 裂能近似呈线性增加趋势。在混凝土基体中， 跨越裂缝和靠近裂 缝尖端的纤维 ， 不仅阻止了裂缝的引发， 减少与缩小裂缝源的尺 度和数量； 而且将应力传递给裂缝上、 下表面， 抑制了裂缝的引伸 和扩展。 缓和了裂缝尖端的应力集中程度。 即裂缝前端的纤维咬 合区的存在增大了裂缝扩展的阻力， 使钢纤维混凝土中裂缝扩展 需吸收更多的能量。因此， 增加钢纤维的掺量和提高钢纤维与基 体之间的黏结强度是提高钢纤维混凝土断裂性能的主要措施。 ( 2 ) 钢纤维混凝土的断裂韧度和断裂能随龄期( 2 8 d内) 有 一 定的增强。究其原因： 随着龄期的增长， 混凝土内部孔隙的减 少造成的翻 ， 混凝土的断裂参数值的变化和内部孔结构变化同 混凝土强度发展之间存在必然的关系， 都是水泥水化进行的不 同角度的体现。 当龄期大于 2 8 d后， 混凝土强度增长缓慢时， 龄 期对断裂性能的影响也极为有限。 2 2 断裂韧度和断裂能的计算公式 钢纤维混凝土基本力学性能的试验结果表明 2 】 ， 影响钢纤 维对混凝土增强和增韧效果的主要因素有混凝土基体强度 、 钢 纤维体积率和长径比、 钢纤维与混凝土基体间的黏结强度以及 钢纤维在混凝土中的分布和取向。钢纤维混凝土的各类强度指 标的统一计算模式为： 矗( 1 + a A f ) ( 3 ) 下转第 8 7页 83 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 3 ) 纤维掺量对粉煤灰再生混凝土的抗压强度 、 劈拉强度 影响不太 明显 。 参考文献： 【 1 】 吴建华 ， 马石城， 唐昭青 ， 等 聚丙烯纤维和硅粉对再生混凝土的强 化试验研究【 J J 混凝土， 2 0 0 6 ( 1 1 ) ： 3 6 3 8 【 2 】 胡玉珊， 邢振贤 粉煤灰掺入方式对再生混凝土强度的影fl l J 新型 建筑材料 ， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 2 6 2 7 上接第 8 3页 式中： 疗 一基体混凝土的强度指标； A 广钢纤维含量特征参数 ； p 广一钢纤维体积率与长径比的乘积； 与钢纤维类型、 形状 、 分布以及受力模型等有关的 参数。 对 2 8 d试验结果( 断裂能不包括 I 组 ) 统计分析， 得到断裂 韧度和断裂能对应的影响系数 分别为 0 0 0 3 7 7 、 O 0 0 8 7 9 。将 断裂性能试验值与式( 3 ) 的计算值进行比较， 见表 3 ， 符合程度 较好 。 表 3 断裂韧度( 断裂 能) 试验值与计算值比较 2 3 钢 纤维混凝 土断裂韧度和断裂能与劈拉 强度的 关 系 由于钢纤维混凝土的劈拉强度在钢纤维体积率( 钢纤维掺 量) 1 以内时有很好的线性关系【 lo l ， 根据试验中测得的断裂韧 度和断裂能以及劈拉强度的数据( 见表 2 ) ， 得到图 4和图 5所 示图形。 由图可看出， 钢纤维混凝土的断裂韧度和断裂能与劈拉 强度之间存在着线性关系： K c = ： ( 4 ) 式中： 一基体混凝土劈拉强度， MP a 。 经过回归分析 ， 确定 O 、 的值 ， 断裂韧度的： a = O 3 0 5 、 詹 = 一 0 4 1 ， 断裂能的t = 7 8 6 、 一1 9 4 3 。 将试验值与式( 4 ) 的计算值相 比， 符合程度较好。 对重要工程的严重裂缝需要进行裂缝稳定性 分析的， 可通过钢纤维混凝土的抗拉强度来求得其断裂性能。 f 曼 越 屡 群 蔷 劈拉强度 MP a 图 4 断裂韧度与劈拉强度的关 系 3结论 通过对粗骨料最大粒径为4 0 ra i n的二级配钢纤维混凝土 断裂性能的试验研究 ， 可得如下结论 ： ( 1 ) 裂缝尖端纤维咬合区的存在 ， 明显提高二级配混凝土 【 3 】 徐亦冬， 沈建生再生混凝土高性能化的试验研究 J 】 混凝土 ， 2 0 0 7 ( 9 )： 3 7 3 8 ， 4 1 作者简介 ： 单位地址 ： 联系电话 ： 陈爱玖( 1 9 6 7 一 ) ， 男， 博士， 教授， 硕士生导师， 研究方向： 土 木工程。 河南省郑州市北环路 3 6号 华北水利水电学院 3 - 2 8 # ( 4 5 0 0 1 1 ) 1 3 9 3 9 0 7 71 8 8 g Z 避 群 鉴 劈拉 强度 MPa 图 5 断裂能与劈拉强度的关系 的断裂性能。 与基体混凝土相比， 钢纤维混凝土的断裂韧度可提 高 8 ,- 4 3 ， 断裂能可提高 5 1 4 - ,9 9 1 。 ( 2 ) 随钢纤维体积率的增加， 钢纤维混凝土的断裂韧度和断 裂能近似呈线性增加趋势。 钢纤维混凝土的2 8 d后断裂韧度和断 裂能可按式( 3 ) 计算。其增益系数分别为 O 0 0 3 7 7和 0 0 0 8 7 9 。 ( 3 ) 在钢纤维体积率为 1 以内时， 钢纤维混凝土的断裂韧 度和断裂能与其劈拉强度之间存在线性关系， 可近似用式( 4 ) 计 算。断裂韧度和断裂能的回归分析系数分别为： a ,= 3 0 5 、 J 一O 4 1 和 a ,= 7 8 6 、 j 一 1 9 4 3 。 ( 4 ) 当钢纤维体积率小于 O 5 时， 由于钢纤维含量太低， 增 强效果不明显， 而大于 1 O 时， 离散性增大。 兼顾性能和经济性 ， 钢纤维体积率的合理范围为 0 5 1 0 。 参考文献 ： 【 1 】 赵国藩 ， 彭少民， 黄承逵， 等 钢纤维混凝土结构【 M 】 北京 ： 中国建筑 工业出版社， 1 9 9 9 【 2 】 高丹盈， 赵军， 朱海堂钢纤维混凝土设计与应用【 M 】 北京： 中国建筑 工业出版社， 2 0 0 2 3 】3 曹克明， 汪易森 ， 徐建军混凝土面板堆石坝【 M 北京 ： 水利水电出版 社， 2 0 0 8 【 4 1 杨泽艳 ， 何金荣 ， 罗光其 洪家渡 2 0 0 m级高面板堆石坝面板混凝土 防裂技术 J J 水力发电， 2 0 0 8 ( 7 ) 【 5 】朱自先 聚丙烯纤维和氧化镁在面板混凝土中的应用【 J 】 人民长江， 2 0 0 4 ， 3 5 ( 7 ) 【 6 】 何金荣 ， 何真， 的试验研究f J 】 建筑材料 学报， 2 0 0 4 ( 4 ) 【 7 】肖延亮， 杨忠义外掺氧化镁混凝土性能试验研究 混凝土， 2 0 0 7 ( 3 ) 【 8 】 于骁中， 谯常忻， 周群力 岩土和混凝土断裂力学【 M 长沙： 中南工业 大学出版社， 1 9 9 1 【 9 】 沈毅 早龄期混凝土若干性能的研究【 D 】 浙江大学， 2 0 0 4 【 1 O 】 石国柱钢纤维混凝土弯曲韧性和断裂性能试验研究【 D 】 郑州大学， 2 O 0 5 作者简介： 石国柱( 1 9 7 4 一 ) ， 男， 讲师 ， 硕士， 主要从事建筑材料及结构 性能方面的研究。 单位地址： 河南省安阳市黄河大道东段 安阳师范学院建筑工程学院 ( 4 5 5 0 0 2 ) 联 系电话 ： 1 3 6 2 3 7 2 7 3 9 9 、 8 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m