钢纤维保温混凝土抗压和抗拉性能试验研究.pdf

2 0 1 4年第 8期 8月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 4 No 8 Au g u s t 钢纤维保温混凝土抗压和抗拉性能试验研究 任佳妮 ， 许家 文 ( 太原理工大学建筑与土木工程学院， 0 3 0 0 2 4 ) 摘 要 ： 选用 0 、 O 5 、 1 、 1 5 、 2 和 2 5 六种钢纤 维掺 量 ， 对 C3 0保 温混凝土进行 不同龄期 的立方体抗压试 验 和劈 裂抗拉试验 ， 分析 了不 同钢 纤维的掺量和不 同龄期对钢纤维保温混凝土的抗压和抗拉 强度影响。结 果表 明， 当保 温混凝土 中单掺钢 纤维时 ， 随着钢 纤维掺量 的增加抗压强度和抗拉强度也随着增加 ， 但抗压 强度 增长效果并 不 明显 ； 当保 温混凝土 中纳 米 S i O 掺量为 1 -2 时， 随着钢纤维掺 量的增加 抗压强度 和抗拉 强度也 随着增加 ， 但抗拉 强 度 同 不 掺 纳 米 S i O 时接 近 。 关 键 词 ： 钢 纤 维 ； 纳 米材 料 ； 抗 压 强 度 ； 抗 拉 强度 ； 保 温 混 凝 土 A b s t r a c t ： B y c h o o s i n g s i x k i n d s o f s t e e l fi b e r c o n t e n t ( 0 ， 0 5 ， 1 ， 0 5 ， 2 a n d 2 5 ) ， t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d s p l i t t i n g t e n s i l e p r o p e r t y o f C3 0 i n s u l a t i o n c o n c r e t e a t t h e d i f f e r e n t a g e a r e t e s t e d ， a n d t h e i n fl u e n c e s o f d i f f e r e n t s t e e l fib e r c o n t e n t o r d i f f e r e n t a g e s o n c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d t e n s i l e s t r e n g t h o f s t e e l fi b e r t h e r ma l i n s u l a t i o n c o n c r e t e a r e a n a l y z e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t w i t h t h e i n c r e a s i n g o f s t e e l fi b e r c o n t e n t c o mp r e s s i v e s t r e n gth a n d t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e c o n c r e t e i n c r e a s e ，b u t t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e c o n c r e t e i s n o t o b v i o u s l y i mp r o v e d ；W h e n t h e c o n t e n t o f NS i s 1 I 2 w i t h t h e i n c r e a s i n g o f s t e e l fi b e r c o n t e n t c o mp r e s s i v e s t r e n gth a n d t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e c o n c r e t e i n c r e a s e ， b u t t h e t e n s i l e s t r e n g t h o f c o n c r e t e i s c l o s e t o t h a t o f c o n c r e t e wi t h o u t NS Ke y wor ds ：St e e l f i be r ；Na n o met e r ma t e ria l ； Co mpr e s s i v e s t r e ng t h； Te n s i l e s t r e n g t h；The rm al i n s ul a t i o n c on c r e t e 中图分类号： T U 5 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 4 ) 0 8 5 6 - 0 3 0前 言 目前 ， 世界上 9 4 以上的建筑物为钢筋混凝土 结构 ， 这些结构 中使 用量最多的是混凝土。普通混 凝 土 有 较 好 的抗 压 性 能 ， 但 抗 拉 、 抗 裂 和 保 温 性 能 均 较差 。研 究表 明 ， 在普 通 混凝 土 中加入 一 定 量 的 钢纤维可改善抗拉 、 抗裂性能 ， 使其在地震或火灾 、 爆炸等情况下不至于发生脆性破坏n 。在普通混凝 土中加入一定量的玻化微珠和其他外掺料 、 外加剂 等 ， 通过合理的配合 比设计后可以有效提高混凝土 的保温性能 ， 减缓混凝土结构 的热损耗 ， 达到节能 的效果【4 _ 7 1。本课题在前期研究成果 的基础上 ， 研究 了同时加 入钢 纤维和玻化微珠保温材料对混凝土 抗压 、 抗拉性能及保温性能的改善作用。 1 试验 设计 1 1 原材 料 P 0 4 2 5级普 通 硅 酸盐 水 泥 ；铣 削 型钢 纤 维 ， 堆 积 密 度 9 1 0 9 3 0 k g m 。 ，长 径 比 4 0 ，抗 拉 强 度 1 5 0 0 MP a ；玻化微珠无机保温骨料 ；天然玄武岩碎 石 ， 粒径 5 - 2 5 mm， 连续级 配 ， 压碎指标 3 ； 普通混 凝土用砂 ； 高效聚羧酸减水剂 ； 纳米 S i O ， 平均粒径 基金项 目：教 育部高等 院校博 士点基金项 目( 2 0 1 0 1 4 0 2 1 2 0 0 0 7 ) ； 山西省建设厅 资助 项 目( 山西省城镇化 建设标准体 系) 。 一 5 6 3 0 n m， 表观密度 4 5 ， 紫外 线 反射率 8 5 。 1 2 配合比设计 钢纤 维掺 量 以混凝 土体 积 为基 准 ，定 义 r 为钢 纤维的体积掺量 ， 为简化试验 ， 本试验采用 0、 0 5 、 1 、 1 5 、 2 和 2 5 六 种 钢纤 维掺 量 ， 纳 米 S i C z 的 替代水泥率为 0和 1 3 。混凝土设计强度 C 3 0， 水 灰 比0 5 5 ， 基准配合比见表 1 。 表 1 混凝 土基 准配合 比 k g m 1 - 3 试件制备 采用强制式搅拌机 ， 先投入玻化微珠和少量水 预湿搅拌 3 0 s ，再依 次投入其他原料料和钢纤维搅 拌 2 7 0 s ； 将拌好的原料分别装入尺寸为 1 5 0 m m l 5 0 mi l l x 1 5 0 mm 和 1 5 0 ramX 1 5 0 ra m 3 0 0 mm 的 试 模 ， 用 振 动台振捣密实 ， 4 8 h后拆模 ； 在恒温恒湿养护室内 养 护至指定龄期 ， 即 1 4 d 、 2 8 d和 5 6 d后进行立方体 抗压强度试验和棱柱体轴心抗压强度试验 。 1 4试 验方 法 混凝土立方体抗压试件 和棱柱体 轴心抗压试 件统一使用电液伺服万能试验机进行试验 ， 加载速 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 任佳妮 ， 许家文 钢纤维保温混凝土抗压和抗拉性能试验研究 度参照 G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 普通混凝土力学性能试 验方法标准 进行。 2试验 结果 分 析 2 1 和 易性 钢纤维保温混凝土 出机后 的坍落度情况见 图 1 。由图可见 ， 当纳米 S i O ： 掺量为 1 2 时 ， 随着钢纤 维掺量增加坍落度逐渐 降低 ； 当钢纤维掺量为 1 5 时 ， 坍落度 比同强度普通混凝土降低 1 5 ； 当钢纤 维掺量增加到 2 时 ，坍落度 比同强度普通混凝 土 降低 2 0 ； 当钢纤 维的掺量达到 2 5 时 ， 坍落度降 低 5 O 。原 因可能是混凝土 中添加钢纤维后 ， 拌合 物形成 网状结构 ， 钢纤维 的支撑骨 架功能 ， 使混凝 土 内部摩擦力增大 ， 导致混凝 土流动性降低 ， 和易 性变差 ，随着 钢纤 维含量的增加这种现象更加 明 显 。钢纤维保温混凝土 中不掺纳米 S i O z 时， 坍落度 较掺入纳米 S i O 时好一些 ， 可知纳米 S i O 会使混凝 土的流动性降低。 昌 宫 犍 密 钢 纤 维 掺 量 图 1 坍落度 损失情况 2 2 不同钢纤维掺量下各龄期试件立方体抗压强度 钢纤维保温混 凝土立方体抗压 强度试验结果 见如 图 2 。 从图 2可知 ， 当混凝土 中纳米 S i O z 掺量为 1 2 时 ， 随钢纤维掺量 的增加 ， 立方体抗 压强度也 喜 越 黑 蛙 椒 钢纤维掺量 图 2立方体抗压强度试 验结果 增加。当钢纤维掺量从 0增加到 1 5 时 ， 立方体抗 压强度 增 长速 度缓 慢 ； 钢 纤 维 的掺量 从 1 5 增 加 到 2 时 ， 立方体抗压强度急剧增长 ； 而 当钢纤维掺量 从 2 增加到 2 5 时 ，增长速度又保持较平缓 的状 态 。钢纤 维掺 量 分别 为 0 5 、 1 、 1 5 、 2 和 2 5 时 ， 2 8 d立方体抗压强度较不掺钢纤维时分别增加 5 2 3 、 1 5 4 l 、 2 6 4 5 、 3 7 7 9和 4 0 9 9 。 2 3 不同钢纤维掺量下各龄期试件劈裂抗拉强度 钢 纤 维 保 温 混 凝 土 劈 裂 抗 拉 强 度 试 验 结 果 见 图 3 。从 图 3可知 ，当混凝土 中纳米 S i O 掺量 为 1 2 时 ， 随钢纤维掺量的增加 ， 混凝 土的劈裂抗拉 强度也增加。当钢纤维掺量从 0增加 到 1 5 时 ， 劈 裂抗 拉强 度增 长 速度 缓慢 ； 钢纤 维掺 量从 1 5 增 加 到 2 时 ， 劈裂抗拉强度急剧增长 ； 而 当钢纤维掺量 从 2 增加到 2 5 时，增长速度又保持较平缓 的状 态 ， 同抗 压 强 度 趋 势 相 同 。 当钢 纤 维 掺 量 分 别 为 O 5 、 l 、 1 5 、 2 和 2 5 时 ，试件 的 2 8 d劈裂抗 拉强 度较 不掺 钢纤 维 时分 别增 加 5 5 6 、 1 6 2 、 3 6 5 7 、 7 5 和 8 0 7 9 。当保温混凝土中纳米 S i O 2 掺量为 0时 ， 保温混凝土劈裂抗拉强度增长 幅度和 强度值 同掺入 1 2 纳米 S i O 时接近 ，钢纤维掺量 分别为 0 5 、 1 、 1 5 、 2 和 2 5 时 2 8 d劈裂抗拉 强 度较不 掺钢 纤维 的混 凝 土分别 增加 了 6 7 8 、 2 0 6 、 3 8 1 9 、 8 0 9 和 8 8 4 4 。 2 4 钢纤维掺量对强度 的影响 上述 试 验 表 明 ， 掺 入 一定 量 的 钢纤 维 ， 可 有 效 提高保温混凝土的抗压和抗拉强度 ， 且随着钢纤维 掺量的增加保温混凝土的抗拉强度增长较快 ， 抗压 强度增长缓慢。这是 由于钢纤维在保温混凝土中呈 乱向分布状 态 ， 形成一种 网状结构 ， 阻碍 了保温混 凝土裂缝 的产生和扩展 ， 提高了其抗拉强度和抗裂 性能 ， 有效改善 了韧性和延性。合理 的搅拌工艺可 以使 钢纤 维均 匀 地分 散 在保 温 混 凝 土 中 ， 这 些分 散 的 钢纤 维 可 有 效 减 小 混 凝 土 中 因荷 载 而 产 生 的应 钢纤维掺量， 图 3 劈裂抗拉强度 试验结果 坦 钢纤维掺量 图 4拉压关系 图 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 8期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 0期 力集中现象 ， 控制裂缝的扩展 。由于有这些乱向分 布的钢纤维存在 ， 保温混凝土受荷后可以吸收部分 能量 ， 从而提高抗拉强度。从 图 2和图 3可见 ， 当保 温混凝土 中单掺钢纤维时 ， 随着钢纤维掺量 的增加 其抗压 和抗拉强度 也增加 ，但是增 长幅度 并不明 显。试件龄期为 2 8 d时 ， 掺 2 5 钢纤维较不掺钢纤 维 的试件立方体抗压强度 只提高 1 6 ， 而劈裂抗拉 强 度则 提高 8 8 4 4 。 2 5 纳米材料对强度的影响 由图 2和 图 3可 见 ， 在 钢纤 维 保 温 混凝 土 中掺 入 一 定量 的纳 米 S i O 可提 高 抗 压性 能 ， 但 对抗 拉 性 能 的影 响较 小 。相 同钢 纤 维掺 量 情况 下 ， 掺 入 1 2 的纳 米 S i O ： ，试 件 的立方 体抗 压强 度 和劈裂 强度 最 高可提高 3 5 和 7 2 9 。可见 ， 在相同纳米 S i O ： 掺 量下 ， 随钢纤维掺量 的增加混凝土的抗压强度增 幅 较单掺钢纤维时明显。原因可能是掺入纳米材料改 善 了混凝土 的微观结构 ，使混凝土的密实度增加 ， 填充了混凝土 中的微小连通气孔 。保温混凝土本身 是一种高孔 隙率的混凝土 ， 在保温混凝 土中掺入纳 米 S i O 可以填充其 内部 的微小孔隙 ， 提高混凝土的 密实度 ， 并且纳米S i O 也是一种胶凝材料 ， 和水泥一 样可发生水化反应 ， 因而明显提高了 昆 凝 土的抗压 强度 。 2 6龄期 对强 度 的影 响 与普通混凝土一样 ，钢纤维保温混凝 土抗拉 、 抗压 强度都随着龄期的增长而增长 ， 且 同龄期下钢 纤维保温混凝土 的抗压 和抗拉强度 随钢纤 维掺量 的增加而增加。不同钢纤维掺量下 ， 掺入 1 2 纳米 S i O 的钢纤维保 温混凝 土 ， 1 4 d立方体抗压强度分 别 达 到 2 8 d抗 压强 度 的 8 8 、 8 9 5 、 8 7 7 、 8 5 8 、 8 4 8 和 8 8 5 ， 5 6 d立方体抗压强度分别较 2 8 d抗 压 强 度 提 高 6 1 、 5 3 、 4 8 、 4 1 、 4 4 和 3 5 ； 1 4 d劈 裂抗拉 强度 分别 达到 2 8 d抗 拉强 度 的8 6 8 、 9 0 4 、 8 7 7 、 8 5 1 、 8 5 和 8 6 8 ， 5 6 d劈 裂 抗 拉 强 度 分 别 较 2 8 d抗 拉 强 度 提 高 4 4 、 5 7 、 5 8 、 5 6 、 4 6 和 4 0 。随 着龄期 的增 长 ， 钢纤 维 保温混凝土 内水化反应更加完全 ， 混凝土强度继续 增长 ，但从图 2和图 3可知 ， 2 8 d到 5 6 d龄期时 ， 混 凝 土 强 度 增 长 幅度 明 显 低 于 1 4 d到 2 8 d龄 期 的 增 长幅度 。这是钢纤维保温混凝土龄期达到 2 8 d时混 凝土 的水化反应基本完全所致 ，故 随着龄期的增 长 ， 混凝土的后期抗压强度增长不 明显 。 3抗压 和抗 拉 强度 的关 系 立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的关系如 图 4 所示 。从试验结果可知 ， 2 8 d拉压系数 ， ： 从 0 1 3 5 8一 增长到 0 1 6 ， 这种现象与普通混凝土刚好相反 。普 通混凝土随抗压强度 的增长抗拉强度增长 幅度越 小 ， 即抗拉性能越差延性越差。同样 ， 不同龄期下随 着钢纤维掺量的增加拉压系数也 随着增加。可见 ， 在保温混凝 土中加入钢纤维可极大改 善混 凝土 的 抗拉 性 能 。 4结论 ( 1 ) 保温混凝土 中随着钢纤维 的掺量 的增加使 得混凝土的和易性降低。 ( 2 ) 在混凝 土中同时掺人 纳米 S i O ： 和钢纤 维 ， 随着 钢 纤维 掺量 的增 加 ， 保 温混 凝 土 的立 方 体抗 压 强度和劈裂强度都随钢纤维掺量的增加而增加。综 合考虑混凝土 的流动性和强度增长幅度 ， 钢纤维掺 量为 2 时最佳。 ( 3 ) 在混凝土中单掺钢纤维只能使立方体抗压 强度提高 1 6 ，但能使劈裂抗拉强度提高 8 8 4 4 ； 加人 1 2 纳米 S i O 可明显提高抗压强度 ，立方体 抗压强度最高可提高 3 5 ， 劈裂抗拉强度最高只提 高 7 2 9 。 ( 4 ) 与 普通 混 凝 土 一样 ， 随 着 龄 期 的增 长 钢 纤 维保 温 混 凝 土 的抗 压 和抗 拉 强度 也 增 长 ， 且 同龄 期 下 ， 钢纤维保温混凝 土的抗压和抗拉强度也是 随钢 纤维 的掺 量 的增加 而增 加 。 ( 5 ) 立方体抗压强度 和劈裂抗拉强度 的换算 系 数随着钢纤维掺量的增加而增加 ， 可从 0 1 3增长到 0 1 6 ， 即抗拉 性 能变好 。 参考文献 ： 【 1 】张泽平， 樊丽军 ， 李珠 ， 等 玻 化微珠保 温混凝 土初 探【 J 混凝土， 2 0 0 8 ( 1 1 ) ： 4 6 4 8 2 1 张泽平， 刘鸽， 师鹏 ， 等 玻 化微珠 保 温混凝 土 的绿色 评 价【 J 建 筑节能， 2 0 1 0 ( 7 ) ： 5 9 - 6 1 【 3 】中国建筑科 学研究 院 G B T 5 0 0 8 1 - 2 0 0 2普通 混凝 土力学 性能试验方法标准【 S 】 北 京： 中 国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 2 【 4 杨松霖， 刁波 超高性能钢纤维混凝 土力学性 能 J 交通 运输工程学报， 2 0 1 1 ， 1 1 ( 2 ) ： 8 - 1 3 【 5 】 杨勇， 任青 文 钢纤维混凝土力学性 能试验研 究 J 河海 大学学报： 自然科学版， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 9 2 9 4 【 6 】 霍建梅 李 珠， 王 文婧 纳米 材料对 玻化微珠 保温 混凝 土 性能 的影 响 J 混凝土与水泥制 品， 2 0 1 3 ( 1 o ) ： 5 4 - 5 7 7 】 许 家文， 刘元珍 ， 李 珠， 等 再生 保温 混凝 土抗压 和抗 折 试验研究 J 】 混凝土， 2 0 1 3 ( 1 2 ) ： 3 8 4 5 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 5 - 2 6 作者简介 ： 任佳妮 ( 1 9 9 3 一 ) ， 女 ， 本科生 。 通讯地址 ： 山西省太原 市迎泽西大街 7 9号 联 系 电话 ： 1 8 2 3 4 0 8 3 5 4 9 E- ma i l ： 8 1 0 9 0 0 5 0 8q q c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m