龄期和试件尺寸对钢纤维混凝土抗压强度的影响.pdf

2 0 1 1 年第 4期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C 0NC RE T E AND C EME NT P RO DUC T S 2 01 1 N0 4 Ap r i l 龄期和试件尺寸对钢纤维混凝土抗压强度的影响 范 向前 ， 胡少伟 ， 朱海堂 。 ， 李金章 。 ( 1 河海大学力学与材料学院， 南京 2 1 0 0 2 4 ； 2 南京水利科学研究院 ， 2 1 0 0 2 9 ； 3 郑 州大学 水利 与环境 学 院 ， 4 5 0 0 0 1 ) 摘要 ： 测定 了不 同尺寸、 不同钢 纤维体 积率混凝土试件 的各龄 期折后抗压强度 ， 并按 照定 义的抗 压强度尺寸 效应计算方法 ， 求 出了不 同尺寸试件之 间的抗压强度尺寸效应值 。 结果表明 。 相 同龄期 内， 钢 纤维混凝 土的抗压强度 较普通混凝土有所提 高； 钢纤维混凝土的抗压强度受到龄期、 钢纤维体 积率和试件尺寸的影响 ： 不同尺寸混凝 土试 件之 间存在一定的抗压 强度尺寸效应值 关键 词 ： 龄 期 ； 试 件 尺 寸 ； 钢 纤 维凝 土 ； 抗 压 强 度 ； 尺 寸 效 应 Ab s t r a c t ：T h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h e x p e r i me n t s a f t e r c o mp r e s s i o n i n e a c h a g e f o r d i f f e r e n t d i me n s i o n a n d d i ff e r e n t s t e e l fi b e r v o l t i me r a t e 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 a r e d e t e r mi n e d Ac c o r d i n g t O t h e d e ft n i fi o n f o r d i me n s i o n c a l c u l a t i o n me t h o d o f c o mp r e s s i v e s t r e n gth t h e s i z e e f f e c t v a l u e s o f c o mp r e s s i v e s t r e n g t h f o r d i ff e r e n t s p e c i me n s a r e o b t a i n e d e r e s u l t s s h o w t h a t i n t h e s a me a g ec o mp r e s s i v e s t r e n gth 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 i s b e t t e r t h a n t h e n o r ma l c o n c r e t e r h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h of 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 i s aff e c t e d b y a g e v o l u me r a t e of s t e e l fi b e r a n d s p e c i me n s i z e T h e c o n c r e t e s a mp l e s wi t h d i f f e r e n t d i me n s i o n e x i s t c e r t a i n s i z e e f f e e t v a l u e s o f c o mp r e s s i v e s t r e n g t h Ke y wor ds： Age ；S p e c i me n s i z e ；S t e e l fibe r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ；Co mp r e s s i o n s t r e ng t h；S i z e e ffe c t 中 图分 类 号 ： TU5 2 8 5 7 2 文 献 标 识 码 ： A 文章 编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 1) 0 4 4 2 0 4 0前言 钢纤维混凝土可将短细 的钢纤维均匀 、 乱 向地 分布于混凝土基体中 在混凝土和骨料间起“ 桥架” 作用 ， 使混凝土材料趋 向于各 向同性。钢纤维 的存 在 可 阻碍 混 凝 土 内部 微 裂 缝 的扩 展 并 阻 滞 宏 观 裂 缝的发生和发展 ， 从而可使脆性的混凝土材料呈现 出很高的抗裂性和较好的韧性 。这些优异的性能使 得钢纤维混凝 土在工程建设和防护工程中得到 日 益 广泛 的应用 。如何 既充 分利 用钢 纤维混 凝 土的 优 良力学性能又控制工程造价 是钢纤维混凝土应 用领 域 的重要研 究课 题 。本 研究 针对 耐久性 试验 中 混 凝 土抗压 强 度会 随着 试 验龄 期 而 逐渐 变 大 ， 从 而 影响试验结果这一现象 ， 探讨 了钢纤维混凝土抗压 强度和试验龄期的关系， 同时根据设计的不 同尺寸 钢纤维混凝土试件 ， 考察了不 同尺寸试件钢纤维混 凝土之间的抗压尺寸效应值。 1 试验概 况 1 1 原 材料 水泥 ： 4 2 5级普通硅酸盐水泥。 基 金 项 目 ：国 家 重 大基 础 研 究 前 期研 究 专项 基 金 项 目 ( 2 0 0 4 C C A 0 4 1 0 0 ) 、河南省高校科技创 新人才支持计划项 目 ( 2 0 o 8 HAS T I T 0 7) 。 一 42一 粗骨料 ： 粒径 5 1 0 mm的碎石 ， 级配合格。 细骨料 ： 细度模数 2 5的河砂 ， 级配合格。 钢纤维 ： 扭曲形 I 型纤维， 主要指标见表 1 。 表 1 钢纤维主要参数指标 1 2 试件 尺寸 实验室进行混凝土抗腐蚀性 能试验时 ， 由于时 间和腐蚀液浓度的限制 。 进行标准试件试验不仅周 期 长 ， 而且相对腐蚀效果不够 明显 ， 为了缩短实验 窒腐蚀试验周期 ， 并 客观反映腐蚀试验结果 ， 除 了 提高腐蚀溶液的浓度外 ， 可以采用非标准试件代替 标准试件进行腐蚀试验 6 - 7 。鉴于此 。 本研究采用非 标准试件 试件尺寸为 4 0 m mx 4 0 m mx 1 6 0 ram和 7 O m mx 7 0 m mx 2 8 0 m m。为了求出非标准试件与标准试 件试验结果的差别 ， 本文选择标准抗压立方体试件 ( 1 o 0 m m 1 0 0 mm 1 0 0 m m)和标准抗 折棱 柱体试 件 ( 1 0 0 m mx 1 0 0 m mx 4 O O m m) 。 1 3 混凝土配合 比 本 实 验 主 要 研 究 钢 纤 维 混 凝 土 抗 压 强 度 和试 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 范向前 ， 胡少伟 ， 朱海堂 ， 等 龄期和试件尺寸对钢纤维混凝土抗压强度的影响 验 龄期 的关 系 并 与 普 通 混凝 土 试 件 进 行对 比 。钢 纤 维体 积 率 分别 为 0 、 0 5 、 1 0 和 1 5 四种 ， 对 应 的 试 件 代 号 为 ： F C 3 5 、 F C 3 5 0 5 、 F C 3 5 1 0 、 F C 3 5 一 1 5 。其 中 F C 3 5 1 O表示钢纤维混凝土设计强度等 级为 C F 3 5 ， 钢纤维体积率为 1 0 。其它以此类推。 根据 S L 3 5 2 2 0 0 6 水工混凝土试 验规程 和 钢纤 维 混凝 土 设 计 与应 用 中关 于纤 维 混 凝 土 配 合 比设 计 的方法 和 步 骤 。 本试 验混 凝 土 配 合 比设 计 情况见表 2 。 混凝土试件 的制作和养护参考规范【8 J进 行 表 2 混凝 土设 计配合 比 2钢 纤维 混凝 土 抗压 强 度试 验结 果 从 试 件制 作 成 型开 始 计 算 ， 每 1 个 月 作 为 一个 试验龄期 ， 共 持续 7个月 。 并将 7个月 的试验结果 进行统计分析 。试验龄期内 ， 所有尺寸及 配合 比试 件 的抗压强度试验值列于表 3 。 根据表 3试验数据绘 出的不 同尺寸 、 不 同配合 比试 件 抗 压 强 度 随试 验 龄 期 变 化 情 况 见 图 l a 图 1 d 。由图 1可知 在每 个 试验 龄期 未 掺钢 纤 维 的普 通混凝土试件抗压强度始终处 于最小值位置 ， 除 了 尺寸为 1 0 0 mm 1 0 0 m m 1 0 0 m m的试件外 ， 其余尺寸 试件 的抗压强度 值都远小于掺钢纤维混凝土 的试 件 。对于钢纤维体积率为 0 5 、 1 0 、 1 5 的混凝 土试件 ， 尽管 每个钢纤维体积率下 的混凝土抗压强 度值都 出现最小值 和最 大值 的情况 但就整体 而 言 ， 钢纤维体积率为 1 O 的试件 其抗压强度值多 数情况下处于最大 ，钢纤维体积率为 0 5 的试件 ， 抗压强度值出现最大 的机会很少 。钢纤维体积率为 1 5 的试件 尽管其抗压强度值总体上 出现最大值 的可能性 不大 ，但是在试件尺 寸为 7 0 mmx 7 O m mx 2 8 0 m m 的情况下 ， 却始终处于最大值 的位置 ， 且在 前 5个 试 验 周 期 中 ， 其 绝对 值 比其 他 混凝 土 试 件 大 很多 。纤维体积率为 O 5 的试件和纤维体积率为 1 5 试件 的抗压强度值整体 比较接近 由图 1可见 ， 就整个试验龄期而言 ， 随着试 验 周期的增加 ， 混凝土抗压强度值均呈现不 同程度的 增加。养护龄期为 5个月时 ， 不掺 钢纤维 的普通混 凝 土 抗 压 强 度 值 增 加 了 2 3 而 钢 纤 维 体 积 率 为 0 5 、 1 0 和 1 5 的 钢 纤 维 混 凝 土 抗 压 强 度 值 分 别增 加 了 2 3 、 2 4 和 1 5 。 由此 可见 ， 在试 验 周期 内 ， 钢 纤 维 混凝 土 抗 压 强度 随试 验 龄 期 的增 加 幅 度 相 当明显 。这一结果表 明， 龄期相对较长 的混凝土 试验 ， 尤其对于耐久性试验 ， 为 了确保试验 的准确 性 ， 应以抗压强度试验结果为重点考虑因素。 除 l O O m mx 1 0 0 mmx l O 0 mm 标 准 立 方 体 抗 压 试 表 3 抗 压 强 度 值 MP a 43 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 4期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 0期 芝 矮 础 罨 鼎 搐 1 2 3 4 5 6 7 养护龄期 月 ( a ) 4 O m m 4 O mm 1 6 0 mm 芝 鳗 皇 憩 l 2 3 4 5 6 7 养护龄期 月 ( b ) 7 0 mmx 7 0 m mx 2 8 0 mm 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 养护龄期， 月 养护龄期， 月 ( c ) 1 0 0 mmx 1 0 0 m mx 1 0 0 m m ( d ) 1 0 0 m mx 1 0 0 mmx 4 O O m m 注 ： 每组柱状图从左 至右分别为 C 3 5试 件、 F C 3 5 0 5试件 、 F C 3 5 1 0试件 、 F C 3 5 1 5试件 图 1 抗压强度随龄期的变化规律 件外 ， 其余试件的混凝土抗压强度试验值均为棱柱 体折后抗压强度。由试件的折后抗压试验结果可以 看 出， 在整个试验周期 内， 其变化情况和标准抗 压 试件的变化情况基本相似 ， 因此 ， 用折后抗压强度 值表示试件的抗压强度值是较为合理的。 3尺 寸效应 3 1 抗压强度尺寸折算系数的定义 为 了进一步验证试件 尺寸对 钢纤维混凝 土强 度的影响 ， 寻求各试件尺寸之间抗压强度和抗折强 度的关系及其尺寸效应值 现将试验中所有非标准 试件的折后抗压强度值折算到标准试件 ， 求出试件 尺寸间的抗压强度折算系数。具体折算方法规定如 下 ： 选 择标 准试 件 1 0 0 mmx 1 0 0 m mx 1 0 0 m m 的抗 压 强度值作为基准 ，将尺寸为 4 0 m mx 4 O m mx l 6 O mm、 1 8 1 5 1 2 0 9 06 0 3 7 0 mmx 7 0 mmx 2 8 0 mm 和 l O O mmx l O O mmx 4 0 0 fi l m 试 件 的抗压强度值为分母 ， 1 0 0 m mx 1 0 0 mm x 1 0 0 m m标 准试件的抗压强度值为分子 ， 其 比值作为抗压强度 尺寸折算系数 8 。 如 l O O m mx l O O m mx l O O m m立方体 试 件抗 压 强度 值 与相 同试 验周 期下 、 相 同配合 比的 l O O mmx l O O m mx 4 0 0 mm 试件折后抗压强度值 的尺 寸折算系数以 8 表示 ， 其表达式为： ，1 0 0 4 0 0 = 厶 1 0 0 ，4 0 0 ( 1 ) 式中 埘一 标准立方体试件的抗压强度值 ； 伽与标 准立 方体试 件 同龄期 、 同配合 比的 1 0 0 m mx l O O mm x 4 O O mm试件折后抗压强度值 。 按照式( 1 ) 计算 出所有混凝 土试件抗压强度尺 寸折算 系数 ， 并以试件序数作为横坐标 ， 抗压强度 折算系数为纵坐标将结果表述于图 2 。 为简化起见 ， 该分布图中数据点 只考虑不同尺寸之间的折算 系 折减系数 ( 1 0 0 1 4 0 0 ) 折减系数 ( 1 0 0 2 8 0 ) ： ， 0 5 1 O 1 5 2 0 2 5 3 0 8 1 一 4 4一 。 1 l - 8 1 5 1 2 0 9 O 6 0 3 折减系数 ( 1 0 0 1 6 0 ) 。 。 _ H r T O 5 1 O 1 5 2 O 2 5 3 O 8 c 1 I 加 加 m 0 的 加 O 加 O 加 m O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 范向前 ， 胡少 伟 ， 朱海 堂 ， 等 龄期 和试 件尺 寸对 钢纤 维混 凝 土抗压 强度 的影 响 数 ， 而 不 考 虑 钢 纤 维 体 积 率 、 试 验 龄 期 等 因素 对 抗 压 强度折 算 系数 的影 响 。 3 2 抗压强度尺寸效应值的确定与分析 钢纤维混凝土抗压强度尺 寸效应值按如 下方 法进行确定 ： 首先计算出所有试件抗压强度尺寸折 算 系数的总体平均值 ；考虑到在试 件制作过程 、 试 验过程 、 数据读取过程等存在的不可避免的制作误 差 、 观测 误 差 和 截 断 误 差 。 为 降 低 这 些 可 能 存 在 的 误差对试验结果 的影 响 将偏 离总体平 均值大于 1 5 的数据剔除， 然后求取剔除后数据的平均值。 按 照上述方法依次求解 直到不再 出现偏 离平均值 1 5 的数据出现 ，将最终求得的平均值作为抗压强 度尺寸效应值的试验结果。 以图 2 ( b ) 为例 ， 首先求其总体平均值 ： X 2 8 0 = ( i k ) 2 8 = 0 8 9 试验结果系列 中最大值为 1 1 9 ， 其偏离平均值 的程度 为 ： ( 1 1 9 0 8 9) 0 8 9 = 3 3 7 1 5 故将 其剔 除 。 同理 ，对于试验结果系列 中的最小值 0 7 2 。 其 偏离平均值的程度为 ： ( 0 7 2 0 8 9 ) 0 8 9 = 1 9 1 1 5 同样将其剔除。 采用该方法可知 ， 有效数据应在( 0 7 5 1 0 2 ) 之 间。本试验剔除有效数据 以外的四个数据 最终所 取的有效数据为 2 4个 。将剩余 的 2 4个数据求平均 值 ，并 得 出结 果 为 X 2 8 0 = 0 8 8 ，即 由 7 0 m mx 7 0 m m 2 8 0 mm试件 折算 到标 准试 件尺寸的抗 压强度尺寸 折算系数 6 1 呲8 0 = 0 8 8 。 利用 以上 方法 ， 可 得 ： 8 c ， 1 0 0 4 0 0 = 0 9 8 ； 5 c ， 1 0 0 1 6 0= 0 9 4。 由计 算 结 果 可 知 ， 尺 寸 为 1 0 0 mmx l O O mmX 4 0 0 m m 试 件 的折 后抗 压 强 度 和 标 准 试 件 抗 压 强 度 之间的尺寸折算系数为 O 9 8 ， 可近似认为等于 1 ， 即 由 1 0 0 ram 1 0 0 ram 4 0 0 mm试 件 的 折后 抗 压 强 度 表 达混凝土试件的标准抗压强度值是合理 的。而尺寸 为 4 0 mm x 4 0 m m x l 6 0 mm 和 7 0 m m X 7 0 m m x 2 8 0 m m 试 件 的折 后 抗压 强 度 均 大于 标 准试 件 的抗 压 强 度 存 在一 定 的尺 寸效应 值 。 4结 论 ( 1 ) 相同试验龄期 内， 钢纤维混凝 土的抗压强 度较普通混凝土有所提高 钢纤维体积率为 1 O 时 的钢纤维混凝土抗压强度值高于钢纤维体 积率为 0 5 和 1 5 时 的抗压 强度 值 。 ( 2 ) 钢 纤 维 混 凝 土 抗 压 强 度 受 到 龄 期 、 钢 纤 维 体积率和试件尺寸的影响。龄期对钢纤维混凝土抗 压强度的影响程度 与粗骨料最大粒径 、 钢纤维的直 径和长度等 因素有关 ， 总体表现为 ， 钢纤维抗压强 度值随试验龄期的增加而增加。 ( 3 ) 非 标 准 试 件 ( 1 0 0 mmx 1 0 0 mmx 4 0 0 m m) 和 标 准试 件 ( 1 0 0 mmx 1 0 0 mm x 1 0 0 m m) 的抗 压强 度 之 间的 尺寸 折 算 系 数 为 O 9 8 即用 1 0 0 mmx 1 0 0 mm 4 0 0 m m 棱柱体 试件的折后抗压强度反 映试件抗压 强度值 是 可 行 的。 ( 4 ) 非标准试件 和标准试件之间存在一定的尺 寸效应值 ， 而且抗折强度尺寸效应值 比抗压强度尺 寸效 应值 更加 明显 。 参考文献 ： 1 】 高丹盈， 刘建秀 钢纤维混凝 土基本理论 M 北 京： 科学技 术 文献出版社。 1 9 9 4 2 】R N S w a m y D e f o r m a t i o n a n d u l t i ma t e s t r e n g t h i n fl e x u r e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m s ma d e w i t h s t e e l fi b e r c o n c r e t e 【 J 1 J o u r n a l o f Ame ric a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ，1 9 8 1 ( 5) ： 3 9 5 4 0 5 【 3 】E d u a r d o Mo r e n o A l ma n s a ，Ma n u e l F e r n a n d e z C r n o v a s Be h a vi o r o f n o r ma l a n d s t e e l f i b e r r e i nf o r c e d c on c r e t e u nd e r i m p a c t o f s m a l l p r o j e c t i l e s【 J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h， 1 9 9 9 ( 2 9) ： 1 8 0 7 - 1 8 1 4 4 】L e e H m，L i u X 1， C h e n W F C r e e p a n a l y s i s o f c o n c r e t e b u i l d i n g s d u ri n g c o n s t r u c t i o n J J o u rna l o f S t r u c t u r a l E n g i n e - e ri n g ， 1 9 9 1， 1 7( 1 0 ) ： 3 1 3 5 3 1 4 8 5 】Z h u Ha i t a n g ，F a n X i a n g q i a n ，Z h a n g Q i m i n g ，L i J i n z h a n g E x p e ri me n t a l S t u d y o n t h e Da ma g e o f S t e e l F i b e r Re i n f o r c e d C o n c r e t e b y S i mu l a t i o n D o me s t i c S e w a g e J A d v a n c e d Ma t e ri a l s Re s e a r c h 2 0 1 0 ： Vo 1 1 6 8 1 7 0 ( 2 0 1 1 ) ： 1 8 01 1 8 0 5 【 6 】 Q i a n C h u n x i a n g ， B a Mi n g f a n g ， G u o X i n g u n ， H a n X i a n g y a n Ev a l ua fio n o f Su b mi c r o s t rnc t u r e i n Con c r e t e wi t h Lo w Wa t e r b i n d e r R a t i o b y S E M B S E I m a g e A n a l y s i s J J o u rna l o f Wu h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y - Ma t e r S c i E d 2 0 1 0 2 5( 4) ： 6 8 2 - 6 8 6 【 7 】 张小 伟， 张雄 混凝土微生 物腐 蚀的作用机制 和研究方法 【 J 】 建筑材料学报， 2 0 0 6， 9 ( 1 ) ： 5 2 5 9 8 C S C E1 3 ： 2 0 0 9 钢纤维混 凝土试验方法 标准 【 s 】 北 京 ： 中 国标准 出版社 2 0 0 9 收 稿 日期 ： 2 0 1 1 01 0 7 作者简介 ： 范 向前 ( 1 9 8 2 一 ) ， 男 ， 博 士研 究生。 通讯 地址 ： 南京市 西康 路 1号 联系电话 ： 1 5 9 5 1 9 7 4 8 2 1 E- ma i l ： f x q 0 1 0 4 1 6 3 c o m 45 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m