钢纤维增强自应力混凝土抗冲击性能研究.pdf

2 0 1 6年 第 2 期 ( 总 第 3 1 6 期 ) Nu m b e r 2 i n 2 0 1 6 ( T o t a l N o 3 1 6) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL 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 6 0 2 0 1 9 钢纤维增强 自应 力混凝土抗冲击性 能研 究 赵建宇 ，王伯 昕 。 刘文达 ( 吉林大学 建设工程学院， 吉林 长春 1 3 0 0 6 1 ) 摘要 ：目前测定各种新型复合混凝土材料的抗冲击性能大多采用美国 A C I 5 4 4规范中的落锤冲击试验。 利用摆锤试验机进行 了6 7 2块简支弯曲试件的冲击试验 ， 获得 lJ 普通混凝土、 钢纤维混凝土以及钢纤维 自应力混凝土试件冲击破坏的吸收功， 并根据 各 自的耗能值对其抗冲击性能作了比较， 得到了体积率为 1 的钢纤维 自应力混凝土试件吸收功高于同体积率的钢纤维混凝土； 随着钢纤维体积率的增加 ， 试件吸收功会出现拐点， 极值出现在 2 到 3 之间； 并且试件的破坏形态逐渐从剪切破坏过渡到冲压 破坏 。 关键词 ： 钢纤维 ；自应力混凝土； 冲击功； 破坏形态 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 2 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 0 7 7 0 4 mpa c t r esi s t an ce of s t e el f i b er r ei nf or c e d s elfs t r es si ng c on cr e t e ZHAO J i a ny u。WANG Bo x i n，LJ U We n d a ( C o n s t r u c ti o n E n g i n e e ri n g C o l l e g e ， J i l i n U n i v e r s i t y ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 6 1 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Th e i mp a c t r e s i s t a n c e o f a l l k i n d s o f n e w c o mp os i t e c o n c r e ma t e ria l i s u s u all y me a s u r e d a c c o r d i n g t o t h e f a l l i n g we i g h t i m p a c t t e s t p r o vi d e d b y ACI 5 4 4 s p e c i fic a t i o n A n u mb e r o f 6 7 2 s p e c i me n s we r e i m p a c t e d i n t he t h r e ep o i n t be n d i n g s i t u a tio n wi th p e n d u l u m m a c h i n e The e n e r g y a b s o r b i n g o f c o n c r e t e， s t e e l fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a n d s t e e l fib e r r e i n f o r c e d s e l fs t r e s s i n g c o n c r e t e t e s t s p e c i me n s we r e o b t a i n e d Co mp a r e d the i mp a c t c a p a c i t y wi t h r e s p e c ti v e e ne r g y c o n s u mp ti o n， i t c o n c l u d e d tha t t he e n e r g y a bs o r b i n g o f s t e e l fib e r r e i n f o r c e d s e l fs t r e s s i ng c o n c r e t e t e s t s p e c i me n s wi th 1 fib e r v o l u me c o n t e n t wa s hi g h e r tha n t h a t o f s a me v ol u me c o nt e nt s t e e l fi be r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i me n s Th e e n e r g y c on s u mp t i o n o f s p e c i me n s wo u l d c o me t o a i n fle c tio n po i n t a s th e vo l u me c o nt e n t r a i s i n g a nd the e x t r e me v a l u e wa s b e t we e n 2 a n d 3 whi l e the f a i l u r e mo d e c h a n g e d f r o m s h e a r i n g t o s t a mp i n g d e s tr uc t i o n g r a d u a l l y Key wor ds： s t e e l fib e r； s e l fs t r e s s i n g c o n c r e t e； i mp a c t e n e r g y； f a i l u r e mo d e 0 引 言 在混凝土中掺入适量纤维会改善混凝 土的整体性 和 基体韧性 ， 抑制塑性 龟裂提高开裂荷载 ， 并增强抗 冲击性 能 。 常用的有聚丙烯 、 聚乙烯醇等有机纤维 和钢 、 玄 武岩、 玻璃等无机纤维 。 钢纤维 自应力 昆 凝土相对 比各种纤维增 强混凝土材料 ， 由于高强弹性模量的钢纤维会限制水化过 程中的 自应力混凝 土膨胀变形 ， 从而在基体 内产生 2 MP a 左右的 自压应力 ， 使基体微 观结构 更加致密 ， 大幅度提高 试件的开裂荷载和耗能能力。 这种材料 已经在路面结构 、 框 架 节 点 、 隧 道 支 护 等 领 域 进 行 了 研 究 并 取 得 了应 用 。 。 但是 ， 对于其抗冲击性能却鲜有文献报道。 目前国际上 比较通用 的抗冲击试验方法 主要有爆炸 试验 、 射弹试验 、 摆锤冲击试验和落锤冲击试验。 落锤 冲击 试验按照美 国 A C I 5 4 4规 范测得圆饼型试件在 冲压情形 下的初裂次数和破 坏次数 ， 被广泛采用 。 而工程 中许多构 件在承受冲击荷载 时处于拉弯状态 ， 因此研究简支梁抗 冲 击性能具有重要的实际意义。 李建辉采用 自制落锤装置研 究 了改性聚丙烯 、 聚丙烯纤维 以及 钢纤 维增强混凝土的抗 弯冲击性能 ； 邓宗才研究了不同体积率 的粗合成纤维增 强混凝土梁在弯曲冲击下的动载特性 ； 赵庆新结合超声 波技术对玄武岩增韧混凝土 的抗 弯冲击性能及其损伤演 化过程进行了研究 ； 陈平利用摆锤试验机测试了纤维单 掺 、 混掺 以及 层 布 式增 强 的轻集 料 混凝 土 的抗 冲 击性 能 ； D e y ， V 研究 了不 同尺寸 的聚合物纤 维增强 加气混 凝土简支梁在落锤冲击作用下的刚度 、 变形能力和耗 能能 力 ； D e S i l v a 对 比了剑麻纤维 与玻璃纤维增强水泥基复 合材料的抗弯曲冲击性能与开裂模式 。 本研究采用摆锤 冲击试验方法 ， 用普通混凝土和钢纤 维混凝 土作为参照组 ， 对不同纤维体积率的钢纤维 自应力 混凝土试件进行冲击试验 ， 研究 了纤维体积率 与冲击功的 关 系。 1 试验概况 试验所用钢纤维为北京某公 司生产的镀铜微 丝钢纤 维 ( 如图 1所示 ) ， 其 抗 压强 度 为 2 9 0 0 MP a ， 等效 直 径 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 3 0 5 基金 项 目 ： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 1 0 8 2 0 7 ) ； 吉林省青年科研基金 资助项 目( 2 0 1 2 0 1 0 5 7) 77 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 0 2 m lT l ， 长度为 1 3 m m。 该纤维 已经应用于高铁项 目及特 殊混凝土制 品的生产 中， 是活性粉末混凝土 ( R P C) 材料的 主要组分之一 。 图 1 镀铜微丝钢纤维 试验材料采用 4 , 0级 自应力硫铝酸盐水泥 ； P O 4 2 5 级水泥 ； 公称粒径 5 1 6 mm的石灰岩碎石 ； 优质河砂以及 第三代聚羧酸盐混凝土超塑化剂 。 以表 1中两种配合 比分 别制作普通混凝土 ( C ) 和 自应力混凝土( S S C ) 基体。 表 1 基体配合比 k g m 普通混凝 土按照 C 3 5的强度等级配合 比配制。由于 自应力混凝土的配合 比设计是 以建立 自应 力值作为设 计 目标的， 基于基体膨胀性能与拌合物工作性能综合考虑 的 取值 ， 所以表 1中 自应力硫铝 酸盐水 泥的单 位用量 较大 ( 超过了 5 5 0 k g m ) 。 按上述配合 比各制作 3块边长 1 5 0 m m 的立 方体试 件 ， 标准养护 2 8 d ， 在 2 0 0 0 k N微机伺 服压力试验机上测 标准立方体抗压强度， 结果取平均值。 基体为 c和 S S C 时 ， 立方 体抗 压强度统计平均值 分别为 5 1 6 MP a 和 4 O 4 MP a 。 这是由于 自应力混凝土在水化过程 中产生了与 普通混凝土相 同的水化氧化铝凝胶 ( A 1 O 3 H O) 和水化 硅酸钙凝胶( C S H) 外 ， 还产生了钙矾石相晶体( A F t ) 。 这种晶体具有膨胀性能 ， 从而导致 S S C立方体试件在无限 制作用下砂浆的微观结构相对疏松 ， 即使其水灰 比较 c类 型小0 0 2 ， 但立方体抗压强度依然较 C基体立方体抗压强 度下降 2 7 7 。 试验 中试件采用 4 0 m m 4 0 m m 1 6 0 m m 的棱柱体 试件进行冲击试验 ， 共 6 7 2块 。 影 响因素为基体类型和钢 纤维体积率( f ) 。 试件编号见表 2 。 c组和 C F B组试件 主 要作为对照组对比钢纤维对冲击功的增强作用， 因此试件 个数较少 。 表 2 试件分组情况表 微丝钢纤维长度小于试件最小边长 的 1 3 ， 可以保证 其在水泥浆基体中三维 自由分布 。 这样各个方 向上基体与 钢纤维之间的界面约束作用会 限制 A F t 晶体膨胀 ， 使得钢 纤维受拉 ， 整个试件 内部均会产生 自压应力 。 试件 振捣密 实后 2 4 h脱模 ， 在标准养护箱 中养护 2 8 d后取出 ， 晾干 3 h 后采用摆锤进行试验。 试件 的吸收功是 由摆锤 在最高 点 的势能减去冲击后剩余势 能以及轴承之间的摩擦损耗 得到的， 该值可在试验机的电子显示屏中读出。 2试验结果及讨论 各类型试件的冲切耗能值见表 3 。 表中 是指除去由 于各种偶然因素造成试 验不规范的试件后得到 的有效 试 件个数 ， 、 、 占 分别代表有效试件在抗冲击 时的吸收功 的 平均值 、 均方差 和变异系数。 表 3 各组试件吸收功统计参数 J 2 1 钢纤维体积率与试件破坏形 态关系 图 2中分别 为不 同纤维体积率的 自应力混凝 土试件 在试验过程 中常见的破坏形态 ， 从 中可以看 出试件的延性 随着纤维体积率的增加而逐渐改善 。 s试件在摆锤冲击处 和支座处受到瞬时动荷载 ， 裂缝急速扩展 ， 试件碎为 4块 。 中问摆锤作用面断裂整齐 ， 所有粗集料被劈 断开； 当掺加 钢纤维后 的 S F C试件只会 在试件 中间被摆锤 冲切 出整齐 的断裂面 ， 支座处的支反力 已经不足 以使试件断裂 。 这表 明体积率为 1 5 的钢纤维就能在基体 中产生 良好的桥联 作用 ， 改善基体的阻裂能力和抗冲击性能 ； 随着 ， f 的逐步 78 提高 ， 试 件在摆 锤作 用处 出现粉 碎性 破坏 的情 形增 多 。 S F E试件断裂面上会出现很多 凹凸的缺损 ， 基体在断 口区 有由钢纤维连接的诸多碎块。 这表明纤维有效得将受力面 处的能量扩散至周边 ， 提高 了这 个试件 的延性 与 冲击 韧 性 ， 使得剪切破坏开始呈现 出冲压破坏 的特征 。 2 2 自应力混凝土和普通 混凝 土耗能能力 从表 3的数据可 以看 出， s 试件的耗能均值 为 3 8 5 4 J 低于 c试件的 4 7 3 9 J 。 这类试件 的吸收功 主要 为断裂面 处石子碎裂和裂缝 在砂浆 中贯 穿所 消耗 的能量 的总和。 一 方 面从水泥砂浆而言 ， 结合立方体抗压试验结果可知 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 将 S - S F F组试件的冲击功( W) 和钢纤维体积率( ) 绘制在同一坐标系下 ， 得到如 图 4所示 曲线 。 按 照三次多 项式拟合之后 ， 得到该曲线 的函数解析式为 ： W = 一4 8 4V 3 f+1 0 8 9 +5 3 4 2 V f + 4 0 6 0 ( 1 ) 图 4 不同体积率下的冲击功曲线图 3 结 论 ( 1 ) 随着纤维体积率 的增大 ， 钢纤维 自应力混凝土试 件受到冲击时破坏形态从 明显 的脆性剪切 破坏逐渐过渡 到冲压破坏形态 ； ( 2 ) 自应力混凝土试件的冲击功较普通混凝土试件 冲 击功小 1 8 6 7 ， 但是钢纤维体积率为 1 0 时， 钢纤维 自应 力混凝 土 试 件 的 冲击 功 较 钢 纤 维 混 凝 土 试 件 提 高 了 9 4 9 ： ( 3 ) 钢纤维 自应力混凝土试件在抗弯 冲击过程 中的耗 能值随着钢纤维体积率先增大后减小， 最佳钢纤维体积率 出现在 2 3 之间 。 参 考文献 ： 1 管新建 冈 纤维混凝土的力学性能及路面工程应用研究 D 郑州 ： 郑州大学 ， 2 0 0 3 上接第 7 6页 ( 2 ) 与 同强度等级 的天然骨料混凝土 比较后 ， 结 果表 明， 用废弃玻璃粗骨料和细骨料代替天然骨料配制的混凝 土的强度数值要 比天然骨料混凝土强度值小 ， 而且随着废 弃玻璃骨料取代率 的提高 ， 废弃玻璃混凝土的轴心抗压强 度和劈裂抗拉强度均下降， 而且粗骨料下降的更快。 ( 3 ) 弹性模量试验结果表 明 ， 废弃玻璃粗 骨料 的弹性 模量均随着废弃玻璃骨料 的增加而减少。 这 是因为 ， 废弃 玻璃粗骨料容易在碰撞中粉碎 ， 作为粗骨料 ， 粒径大 ， 在混 凝 土搅拌 和浇筑 中容易造成玻璃骨料本身 的破碎 和出现 裂缝 ， 因此其弹性模量随着废弃骨料 的增加 ， 废弃玻 璃骨 料中的裂缝开展的越多 ， 这样废弃玻璃粗骨料混凝土 的破 坏荷载越低 。 相反 ， 废弃 玻璃 细骨料在取代率为 1 5 以内 时 ， 其弹性模量有所增加 ， 超过 1 5 后 ， 弹性模量随着废弃 玻璃细骨料的增加而减少 ， 这与前述 的强度试 验结果相一 致。 这说明废弃玻璃细骨料 比废弃玻 璃粗骨料要好 ， 因此 在工程 中， 使用废弃玻璃细骨料比较实用 ， 也 比较加工 ， 而 且其物理特性与天然骨料一样。 8 0 E 2 张俊良 钢纤维混凝土在框架节点中的应用研究 D 西安 ： 西 安建筑科技大学， 2 0 0 7 E 3 郭艳华 钢纤维混凝土增韧性 能研究及韧性特征在底下结构 计算中应用E D 成都 ： 西南交通大学 ， 2 0 0 8 E 4 李建辉 ， 张科强， 邓宗才 粗合成纤维混凝土抗弯 中 击强度的 分布规律 J 建筑科学与工程学报 ， 2 0 0 7 ， 2 4 ( 4 ) ： 5 4 5 9 I- 5 邓宗才， 李建辉 ， 王现卫 ， 等 粗合成纤维增强混凝土的冲击动 载特性E J 混凝土， 2 0 0 6 ， 2 0 3 ( 9 ) ： 6 5 6 8 6 赵庆新， 董进秋， 潘慧敏， 等 玄武岩纤维增韧混凝土冲击性能 J 复合材料学报 ， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 6 ) ： 1 2 0 1 2 5 7 陈平， 刘荣进 纤维增强轻集料混凝土的抗 中 击J性能试验研究E J 武汉理工大学学报 ， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 1 0 ) ： 1 5 1 8 8 D E Y V， B O N A K DA R A， MO B A S H E R B L o wv e l o c i t y fl e x u r a l i m p a c t r e s p o n s e o f fi b e r r e i n f o r c e d a e r a t e d c o n c r e t e J C e me n t a n d Co n c r e t e Co mp o s i t e s ， 20 1 4， 4 9： 1 0 0 1 1 0 9 D E S I L V A F A， Z H U D E J U， e t a 1 I m p a c t b e h a v i o r o f s i s a l fi b e r c e me n t c o m p o s i t e s u n d e r fi e x u r a l l o a d J A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l 。 2 01 1， 1 08： 1 6 81 7 7 第一作者： 赵建宇( 1 9 8 9一) ， 男 ， 硕士研究生， 研究方向 ： 混凝土 及预应力混凝土结构。 联 系地址： 吉林省长春市西民主大街 9 3 8 号 吉林大学建设工程 学院建筑工程系( 1 3 0 0 6 1 ) 联 系电话 ： 1 5 1 4 3 1 7 0 4 9 8 通讯作者： 王伯昕( 1 9 8 0一 ) ， 男 ， 博士 ， 副教授 ， 研究方向： 混凝土 结构设计理论 、 高性能混凝土与智能材料。 联 系 电话 ： 1 5 0 4 3 0 6 6 7 5 6 参 考文 献 ： 1 刘光焰， 秦荣， 王晓峰 废玻璃作为混凝土骨料的研究与应用 J 混凝土， 2 0 1 0 ( 1 0 ) ： 6 5 6 7 2 刘光焰 ， 秦荣 ， 王晓峰 废玻璃应用于混凝土的试验研究 J 混 凝土 ， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 6 6 6 8 3 3普通混凝土力学性能试验方法标准 ： G B T 5 0 0 8 1 2 O o 2 s 北京 E 4 刘光焰 废弃玻璃骨料混凝土性能的试验与理论研究 D 南 宁： 厂西大学 ， 2 0 1 0 5 3刘光焰 ， 王晓峰 废弃玻璃粗细骨料混凝土的性能和强度对比 研究 J 混凝土 ， 2 0 1 2 ( 8 ) ： 5 8 6 1 6 3刘光焰， 秦荣， 王晓峰 废玻璃粗骨料混凝土的施工性能和强 度试验研究 J 混凝土， 2 0 1 1 ( 3 )： 1 2 1 1 2 4 第一作者 ： 刘光焰( 1 9 7 1一) ， 男， 副教授 ， 博士， 从事混凝土结构 工程的研究。 联系地址 联 系电话 厂西桂林市建干路 1 2 号 桂林理工大学土木与建筑工 程学院( 5 4 1 0 0 4 ) 1 3 9 7 8 3 71 2 0 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m