龄期和试件尺寸对钢纤维混凝土抗折强度影响试验.pdf

2 0 1 1 年 第 5期 (总 第 2 5 9 期 ) Nu mb e r 5 i n 2 0 l 1 ( T o t a l No 2 5 9 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE ORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 5 0 1 0 龄期和试件尺寸对钢纤维混凝土抗折强度影响试验 范 向前 、 ，胡少伟 ，朱海堂 。 ，王怡 中 。 ( 1 河海大学 力学 与材料学院 ，江苏 南京 2 1 0 0 2 4；2 南京水利科 学研究院 江苏 南京 2 1 0 0 2 9 3 郑州大学 水利与环境学院 ，河南 郑州 4 5 0 0 0 1 ) 摘要： 以研究试验龄期和试件尺寸对钢纤维混凝土抗折强度的影响为目的， 通过不同尺寸、 不同钢纤维体积率混凝土试件的抗折强度试验， 研究了钢纤维混凝土试件之间的强度关系， 并按照定义的抗折强度尺寸效应计算方法， 求得不同尺寸试件之间的抗折强度尺寸效应值。 结果表 明， 相同试验龄期 内， 钢纤维混凝土的抗折强度较普通混凝土均有所提高； 钢纤维混凝土抗折强度受到龄期 、 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有一定的抗折强度尺寸效应值 。 为试验龄期和试件尺寸对试件结果具有显著影响提供了可靠的理论依据。 关键词 ： 试验龄期 ；钢纤维混凝土 ；抗折强度 ；尺 寸效应 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献 标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 0 2 7 - 0 3 Exp er i men t al s t udy on t i me an d s i z e a ffe c t t he fle xu r a l s t r eng t h o f s t ee l f i ber r e i n f or c e d c on c r e t e FAN Xi a n g q i a nI ， HU S h a o we i 一， ZHU Ha i t a n g ， WANG Yi - z h o n g ( 1 C o l l e g e o f Me c h a n i c s a n d Ma t e r i a l s ， Ho h a i Un i v e r s i t y N a n j i n g ， Na n j i n g 2 1 0 0 2 4 ， Ch i n a ； 2 Na n j i n g Hy d r a u l i c Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Na n j i n g 2 1 0 0 2 9 ， C h i n a ； 3 C o l l e g e o f Wa t e r Co n s e r v a n c y a n dE n v i r o n me n t a l E n g i n e e ri n gZ b e n g z h o uUn i v e r s i t y， Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： R e s e a r c ht h ej n fl u e n c e o f s a mp l e d i me n s i o n a n d e x p e ri me n t a g e s o n 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 ( S F R C) ， t h efl e x u r a l s t r e n g t h v a l u e s o f S FRC whi c h h a ve d i f f e r e n t s i z e s a n d d i ffe r e n t s t e e l fi be r v o l u m e f r a c t i o ns a r e t e s t e d t h e c o n c r e t e fle x u r a l s t r e n g t h r e l a t i o n s o f d e s i g ne d S F RC are s t u d i e d， a c c o r d i n g t o t h e d e fin i t i o n， t h e s i z e e ffe c t s o f di ffe r e n t s p e c i me n s a r e o b t a i n e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e fle x u r a l s t r e n g t h a r e i mp r o v e d wh e n t h e s t e e l fib e r s a d d e d i n t o t he c o n c r e t e s pe c i me ns u nd e r t h e s a me t e s t c o n d i t i o n s ； fle x u r a l s t r e n g t h v a l ue s of S FRC a r e i n fl ue n c e d b y t e s t t i me s s t e e I fi b e r v o l u me r a t i o s a n d s p e c i m e n s i z e s ： t h e r e a r e fl e x u r a 1 s t r e n g t h s i z e e f f e c t v a l ue s i n d i f f e r e n t s p e c im e n s i z e s P r o v i d e s a r e l i - a b l e t h e o r y b a s i s f o r t e s t a g e s a n d s pe c i me n s i z e s a f f e C t t h e e x pe rime n t r e s u l t s Ke y w or d s： t e s t t i me； s t e e l fib e r r e i n f o r e e d c o n c r e t e ； fle xu r a l s t r e n g t h； s i z e C f f e c t 0 引言 钢纤维混凝土( s t e e l fi b e r r e i n f o r c e c o n c r e t e ， S F R C) 是 由脆性 易裂的普通混凝土中添加乱向分布的短钢纤维材料组成的一种多 相非均质的复合材料 _I_ 。 由于钢纤维的增强 、 阻裂作用 ， 钢纤维混凝 土具有抗拉 、 抗弯 、 抗剪强度高 的优点 ， 并会显著改善混凝土抗裂 性能、 韧性、 抗冲击性能及耐久性， 与普通混凝土相比具有更为优 越的力学性能 ， 从 而在工程建设和防护工程 中得到 日益广 泛的 应用口 。 然而钢纤维混凝土存在着钢纤维不易搅拌均匀 、 易结团、 用量大、 造价高等问题， 在一定程度上制约了钢纤维混凝土的应用 和发展。 对于钢纤维混凝土 良好的增强效果是否会影响龄期较长 混凝土试验的结果 口 耐久性试验中， 随着试验龄期钢纤维混凝土 增加的强度是否大于腐蚀液对其削弱强度。 钢纤维的易结团现象 是否和混凝土试件的尺寸有关? 不同钢纤维混凝土试件之间是否 存在有尺寸效应值? 本研究就以上问题进行必要的探讨。 1试 验 概 况 1 1 试验材 料 混凝土材料【5 ： 水 泥采用 P 0 4 2 5 级水泥 ； 粗 骨料 采用粒径 为 5 1 0 m m 的碎石， 级配合格 ； 细骨料采用细度模数为 2 5的 河砂 ， 级配合格； 钢纤维采用长度 1 4 m m， 直径 O 2 8 mm的扭曲 形 I 型钢纤维 。 1 2试件 尺 寸 实验室进行混凝土抗腐蚀性能试验时， 由于时问和腐蚀溶 液的限制， 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。 为了缩短实验室腐 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 ， 可以采用非标准时间代替标 准试件进行腐蚀试验 。 鉴于此， 本研究采用非标准试件 4 0 I T I m x 4 0 mmx l 6 0 r n m 和 7 0 mmx 7 0 m mx 2 8 0 m m， 为 了对 比非标准试 件与标准试件试验结果的差别， 本试验选择有标准抗折棱柱体 试件 1 0 0 mmx 1 0 0 mm 4 0 0 mm。 1 3混凝 土 的配合 比 本试验主要研究钢纤维混凝土强度和试验龄期以及不同 试件尺寸之间的关系， 并与普通混凝土基本性能相对比。 钢纤 维体积率设计为 0 ， 0 5 ， 1 O 和 1 5 ， 对应的试件代号分别 为 ： F C 3 5 、 F C 3 5 0 5 、 F C 3 5 1 0 、 F C 3 5 一 i 5 。 F C 3 5 1 0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 O 。 其他 以此 类推 。 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 2 2 1 基金项 目：国家重大基础研究前期研究专项 ( 2 o 0 4 c cA 0 4 1 o 0 ) ； 河南省 高校科技创新人才支持计划 ( 2 O 0 8 HAS T I T 0 7 ) 27 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 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 试验中混凝土配合比设计情况见表 1 。 并参考文献 8 9 进行混 凝土试件的制作和养护。 表 1 混凝设计 配合 比 2 钢 纤维混凝土抗折强度试验结果 从试件制作成型开始计算 ， 每 1 个月作为一个试验龄期 ， 共持续七个月 ， 整个试验分为七个龄期， 最终将七个月的试验 结果进行统计分析 。 本试验每个试验龄期下， 所有尺寸、 所有配 合比钢纤维混凝土试件的抗折强度试验值列于表 2 。 不同钢纤维体积率混凝土试件抗折强度值随试验龄期的 变化趋势图， 如图 1 ( a ) ( c ) 。 试件的抗折强度试验结果中， 钢纤 维体移 率为0的普通混凝土试件， 除试件尺寸为 4 O m r n 4 0 mm 1 6 0n l l X l 和 1 0 0mm 1 0 0m mx 4 0 0 I T I l r l ， 其抗折强度值在第 1 个 试验龄期和第 7 个试验龄期中不处于最小值的位置外， 其余情 况 ， 其抗折强度值均小于钢纤维混凝土抗折强度值。 同一个试 验龄期， 钢纤维体积率为 1 0 的试件其抗折强度处于最大值 的情况明显少于钢纤维体积率为 1 5 的试件 ， 尤其当试件尺寸 为 7 0 m m 7 0 mmx 2 8 0 i T l r n时， 表现得更加突出。 钢纤维体积率 为 0 5 的试件， 其抗折强度明显低于钢纤维体积率为 1 5 的试 件。 就整个试验龄期而言 ， 除个别试件外， 不同体积率的钢纤维 混凝土抗折强度随着试验龄期的增加总体呈现增长的趋势 ， 以 4 0 tur n 4 0 r n n l x 1 6 0 r fl m的试件为例， 当钢纤维体积率分别为 0 、 0 5 、 1 0 和 1 5 时， 其抗折强度增加的幅值依次为 3 1 、 41 、 5 5 和 l 4 。 表 2 抗折强度值 MP a 考虑标准尺寸试件 1 0 0 mm 1 0 0mm 4 0 0 mm，由图 1 ( c ) 可知。 随着试验龄期的增加， 不同钢纤维体积率的钢纤维混凝 土抗折强度值的变化并不像其他尺寸试件一样明显， 当钢纤维 体积率为 1 5 时， 其抗折强度随试验龄期还有微弱的降低。 在 每个试验龄期下 ， 尽管钢纤维体积率的增加对试件的抗折强度 有一定的影响， 钢纤维体积率为 1 0 和 1 5 的混凝土抗折强度 值均大于钢纤维体积率为 0 5 的试件， 但差别并不明显。 由以上分析可知， 试件的抗折强度值受到试验龄期、 钢纤 1 4 日 l 2 皇 1 0 越8 慧6 羹 2 0 1 2 3 4 5 6 7 养护龄期 月 f a ) 4 0mm4 0mm1 6 0 r t l m l 4 日 1 2 皇 1 0 交8 赠 6 萎 2 维体积率和试件尺寸的影响， 而且对小尺寸试件的影响程度明 显强于大尺寸试件。 分析原因可能与混凝土试件中所用粗骨料 粒径、 钢纤维的直径和长度等因素有关。 试件尺寸较大时， 如标 准尺寸试件 1 0 0 m m 1 0 0 m m 4 0 0 t t l l n ， 粒径为 5 1 0 mm的粗骨 料和长度为 1 4 m m、 直径为 0 2 8 mm的钢纤维， 其尺寸相对于 截面尺寸为 1 0 0 I n lT l 的试件来说明显较小， 钢纤维在开裂后混凝 土中的桥接作用较小， 对混凝土的增强作用较弱， 从而使得钢 纤维对试件抗折强度值的影响比较小。 0 1 2 3 4 5 6 7 养护龄 期 月 ( b ) 7 0mit t X 7 0mm2 8 0mm 图 1 抗折强度随龄期 的变化规律 3尺 寸 效 应 3 1 抗折尺寸折算 系数的定义 为 了进一步验证试 件尺寸对 钢纤维混凝 土强度试 验结果 的影响， 寻求各试件尺寸之问抗折强度的关系及其尺寸效应值 ， 28 1 4 日 1 2 皇 1 0 五8 嘎6 羹 2 0 1 2 3 4 5 毛 养护龄 期 月 r c ) o o 11 1 11 1 x 1 0 0 m m 4 0 0 111 1 将试验中所有非标准试件的抗折强度值折算到标准试件， 求出 试件尺寸间的折算系数。 具体折算方法规定如下 ： 选择标准试件 1 0 0 mmx l 0 0 mm 4 0 0 mn l 的抗压强度值作 为基准 ， 尺寸为 4 0 mmx 4 0 mm 1 6 0 r a m、 7 0 mmx 7 0 mmS Q ll n 试件的抗折强度为分母 ， 标准试件 1 0 0 m m 1 0 0 m m x 4 0 0 m m l| 一 竺 _ I l 口 l 竺 巴L _ i I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 折强度值为分子， 求出试件之间的抗折强度尺寸折算系数 。 如 1 0 0 m mx l O 0 mmx 4 0 0 mm标准试 件 的抗 折强度值 与相 同试验 龄期下 、 相 同配合 比的 7 0 mmx 7 0 m mx 2 8 0 1 1 1 1 1 1 试件抗 折强度 的 尺寸折算系数以 ， 表示， 其表达式为 ： ， ， ， ( 1 ) 式中： 1 0 0 mmx l 0 0 mmx 4 0 0 mm试件的抗折强度值； 28 0与 1 0 0 mmx l 0 0 mmx 4 0 0 1 r i m试件同龄期、 同配合 比的7 0 mm x 7 0 mmx 2 8 0 mi l l 试件的抗折强度值。 按照式( 1 ) 计算出所有混凝土试件抗折强度尺寸折算系数 ， 并 以试件序数作为横坐标 ， 抗折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 问的折算系数， 而不考虑钢纤维体积率、 试验龄期等因素对折 算系数 的影 响。 ( b l a b 4 0 0 ， 6 。 图 2抗折强度尺寸折算系数分布 图 3 2 抗折 尺 寸效应 值 的确定 与分析 钢纤维混凝土抗折强度尺寸效应值按如下方法确定 ： 首先 计算出所有试件抗折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 抗折强度尺寸效应值的最终结果 。 以图 2 ( a ) 为例， 首先求其总体平均值得到： X 2 8 ( i k ) 2 4 = 0 8 2 而试验结果系列中最大值为 1 0 7 ， 其偏离平均值的程度为 ： ( 1 0 7 0 8 2) 0 8 2 = 3 0 5 l 5 所 以将其剔除。 同理， 对于试验结果系列中的最小值 0 5 5 ， 其偏离平均值 的程度为 ： ( 0 8 2 0 5 5 ) 0 8 2 = 3 2 3 l 5 同样将其剔除。 采用该方法 ， 可知有效数据应在 ( 0 7 0 0 9 5 ) 之间。 所 以， 剔除 有效数据以外的七个数据， 最终有效数据为 1 7 个。 将剩余的 l 7 个 数据求平均值 ， 并得出结果为 o - 0 8 2 ， 即由 7 0 m mx 7 0 mm 2 8 0 mm试件折算到标准试件尺寸 1 0 0 mmx l 0 0 mmx 4 0 0 m m的 抗折强度尺寸效应值6 ， 0 8 2 。 * rJ M样方法 ， 可得 ： 0 7 2。 对比标准尺寸试件 1 0 0 mmx l 0 0 mmx 4 0 0 mm可知， 非标准 棱柱体试件 4 0 mmx 4 0 m mx l 6 0 mm和 7 0 mmx 7 0 mmx 2 8 0 mm 的抗折强度值均明显高于标准试件的抗折强度值， 且试件断面 尺寸越小， 抗折强度值越大， 尺寸效应越显著。 这种情况的出现， 一 方面是由于存在一定的尺寸效应 ， 另一方面是由于试验所用 钢纤维 的长度 和直径较小 ， 对 小尺寸试 件抗折强度 的增强 作用 较为显著， 而对大尺寸试件的抗折强度增强效应有所降低 ， 从而 导致试件断面尺寸越小 ， 尺寸效应越显著 ， 折算 系数也越小 4结 论 ( 1 ) 相同试验龄期内， 钢纤维混凝土的抗折强度总体上随 着钢纤维体积率的增大而增大。 普通混凝土抗折强度值最小 ， 钢纤维体积率为 0 5 的试件抗折强度明显低于钏纤维体积率 为 1 5 的试件 。 ( 2 ) 钢纤维混凝土抗折强度受到龄期、 钢纤维体积率和试 件 尺寸 的影响 ， 尺寸越 小影响越 明显 。 龄期对钢 纤维混凝 土抗 折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 ， 钢纤维抗折强度值随试验龄期的增加 而增加 。 ( 3 ) 非标准试件和标准试件之间存在有一定的抗折尺寸效 应值 ， 而且 非标 准试件尺 寸偏离标 准试件尺 寸越远 ， 抗折 强度 尺寸效应值越明显。 参考文献 ： 1 S WA MY R N D e f o r ma t i o n a n d u h i m a 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 m a d e wi t h s t e e l f i b e r c o n c r e t e J J o u r n a l o f A me r i c a n C m l 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 【 2 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 6 n d e z C 6 n o v a s B e h a v i o r o f a o r ma l a n d s t e e l f ibe r r e i n fi n c e d ( ： 0 n ( r e t e u n d e r i mp a c t o f s ma l l p e c - t i l e s J C e m e 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 3 高丹盈， 刘建秀 冈 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 4 L E E H M， L 1 U x L， C 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 r i n g c o n s t r u c t i o n l J IJ o u r n a l o f S t ru e t m a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 1 ， 1 7 ( 1 0 ) ： 3 1 3 5 31 4 8 5 Z HU H a i t a n g ， F AN X i a n g - q i a n ， Z H A NG Q i - mi n g ， L I J i n z h a n g E x p e r i in e n t a l s t u d y o n t h e d a ma g e o f 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 by s i m u l a t i o n d o me s t i c s e w a g e J J Ad v a n c e d Ma t e r i a l s R e s e a r c h 2 0 1 0： V o l s 1 6 8 1 7 0， 2 01 1： l 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 h n g ， GU O X i n - g u n ， HA N X i a n g y a n Ev a l u a t io n o f s u b mi e r o s t r u e t u r e i n c o n c r e t e wi t h l o w wa t e r b i n de Y r a t i o b v S E M B S E i ma g e a n a l y s i s J J o u r n a l o f Wu h a n U n 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 1张小伟， 张雄 昆 凝土微生物腐蚀的作用机制和研究方法 J l l建筑材 料学报， 2 0 0 6 ， 9 ( 1 ) ： 5 2 5 9 8 】 C S C E 1 3 ： 2 0 0 9 ， 钢纤维混凝土试验方法标准 s 】 9 关湘平 浅谈混凝土试件的制作、 养户和质量检查【 J J 城市道桥与防 洪 ， 2 0 0 8 ， 2 ( 2 ) 作者简 介 联系地址 联系电话 范向前( 1 9 8 2 一 ) ， 男， 博士研究生， 主要从事钢纤维混凝土 设计与研究。 南京市西康路 l 号 ( 2 1 0 0 2 4 ) 1 5 9 51 9 7 48 2l 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m