钢纤维混凝土破坏机理及力学性能试验.pdf

第 3期 2 0 1 5年 6月 矿 产 综 合 利 用 M u l tipur p os e Util i z atio n o f M i ne r a l Re s our c e s NO 3 J u n 2 01 5 钢纤维混凝土破坏 机理及力学性能试 验 者亚雷， 侯克鹏 ， 杨志全 ， 曲懋轩 ( 昆明理工大学 国土资源工程学院 ， 云南 昆明6 5 0 0 9 3 ) 摘要： 通过分析比较素混凝土和钢纤维混凝土的破坏机理， 讨论了钢纤维的加入对混凝土的整个破坏过 程的影响， 钢纤维的掺人对基体的增强机理和横跨于裂缝间的钢纤维对裂缝发展的约束作用。结果表明： 钢 纤维对混凝土的阻裂作用很明显， 而对混凝土起裂的限制作用不明显。对钢纤维掺量为 3 0 k g m3 的钢纤维 喷射混凝土进行现场喷射大板切割试件力学性能试验 ， 研究其立方体抗压强度、 轴心抗压强度和劈拉强度 ， 并 在试验分析中导入标准差系数对试验数据的可信度进行评价。 关键词 ： 钢纤维混凝土 ； 破坏机理 ； 抗压强度 ； 劈拉强度 。 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 - 6 5 3 2 2 0 1 5 0 3 0 1 9 中图分 类号 ： T D 9 8 9 ； T U 5 2 8 3 1 文献标志码 ： A文章编号 ： 1 0 0 0 6 5 3 2 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 0 7 8 0 3 钢纤维掺入混凝土中是使传统混凝土 改性 的 一 个重要手段 ， 钢纤维混凝土与传统混凝土一样 ， 可 用于浇筑或喷射 ， 是 目前 国内外纤维混凝土 中发展 较快、 用途最广的工程结构材料 。钢纤维混凝土与 传统方式即用钢筋网加强的混凝土一样 ， 由水泥 、 砂 石 、 添加剂、 水 和钢纤维组成 。其 区别是钢纤维均 匀、 乱向分布于混凝土基体 中， 与钢筋网规则的框架 排布不同， 因而能均匀 的增强混凝 土强度。与普通 混凝土相比， 钢纤维在混凝 土基体 中形成类似 网状 结构 ， 加上钢纤维 自身具备较好的力学性能， 钢纤维 混凝土的抗拉、 弯强度 、 抗震能力、 耐久性等均有较 大的提高。普通混凝土随着强度的提高 ， 其材质将 会变得很脆 ， 抗裂 、 抗变形能力降低不能满足工程的 需求， 而钢纤维的掺人很好的改善了这种性能， 使其 具备较好的韧性。从长远的经济角度考虑， 钢纤维 混凝土带来的社会效益是巨大的。 1 破坏机理 素混凝土是 由基相 、 分散相 以及结合面组成的 三相复合材料 ， 钢纤维混凝土则是 由混凝土基体和 钢纤维组成的多相复合材料 。水泥基体硬化形成强 度的过程中， 由于水分急剧蒸发 ， 内部会产生大量微 裂缝 ， 成为薄弱面 。材料受载时， 由于这些不可避免 的微裂纹前缘部分传递应力的能力被削弱 ， 裂缝将 扩展直至失稳 ， 这是混凝土材料发生破坏的主要原 因。钢纤维混凝土内部 同样存在着微裂缝 ， 但裂缝 的扩展 、 失稳以及材料的破坏过程与素混凝土有着 本质上的不 同， 两者破坏机理见图 1 3 - 4 。 二蠹釜 一一 j： 一 ( a ) 素混凝 土 ； ( b ) 钢纤维混凝 土 图 1 混凝 土破坏机 理 Fi g 1 Da ma g e me c h a n i s m o f c o n c r e t e 第一阶段 ( 见图 1 (I) ) ， 素混凝土与钢纤维混 凝土一样， 由于干燥收缩砂和硬化水泥晶体 的结合 面出现微裂缝 ， 先发生解体破坏 ， 此时裂缝稳定 、 缓 慢地发展。在这个阶段 ， 钢纤维平行骨料的边壁分 布 ， 与这些微裂缝并没有交叉贯穿 ， 起不到阻裂增强 作用 ， 即边壁效应； 第二阶段 ( 见图 1 ( ) ) ， 素混凝土与钢纤维混 收稿 日期 ： 2 0 1 4 一 l 1 1 1 基金项 目： 国家 自然科学基金 ( N o 4 1 4 0 2 2 7 2 ) ； 云南省教育厅科学研究基金重 点项 目( N o 2 0 1 4 Z 0 3 1 ) 作者简介： 者亚雷( 1 9 8 9 一 ) ， 男 ， 在读硕士研究生 ， 从事岩力学研究。 第 3期 者亚雷等： 钢纤维混凝土破坏机理及力学性能试验 7 9 凝土均为砂浆破坏。此时 ， 砂浆中开始出现裂缝 ， 砂 和硬化水泥晶体的结合面不再紧密粘结 ， 先发生解 体破坏 ， 从而导致裂缝扩展即将进入硬化水泥浆 ， 混 凝土基体的承载能力降低 。其中， 素混凝土裂缝尖 端有应力集中， 导致裂缝急剧扩展 ， 这也是混凝土发 生脆性破坏的主要原因； 钢纤维混凝土中， 横越裂缝 和在裂缝尖端 附近的钢纤维开始发挥作用 ， 钢纤 维 将应力传递给裂缝的上、 下表面。大量试验证明， 随 着钢纤维掺量 的增大 ， 裂缝尖端应力集 中的现象逐 渐趋 向缓和 ， 且到达一定程度有消失的可能 ， 因而使 裂缝扩展的速度减慢。但是 ， 如果钢纤维掺量过多 ， 会影响混凝土基体 的密实程度 、 孔隙率增大 ， 反而起 不到增强作用 ， 一般掺量在 3 0 5 0 k g m ； 第三阶段 ( 见 图 1 ( ) ) ， 素混凝 土与钢纤维混 凝土均为硬化水泥浆体的解体破坏 。此时裂缝扩展 变的不稳定 ， 有一个加速的过程导致逐渐连接贯通 ， 宏观裂缝随之增长。在此阶段 ， 即使荷载保持不变 ， 素混凝土的宏观裂缝也会急剧扩展 ， 导致最终破坏 ； 而钢纤维混凝土中钢纤维从混凝土基体间拔出时需 消耗大量 的能量 ， 有效地阻止裂缝的发展 ， 使材料韧 性增加 ， 仍然具备承载能力 ； 第四阶段 ( 见图 1 ( ) ) ， 钢纤维混凝土纤维拔 出破坏。随宏观裂缝 的增 大， 钢纤维逐渐拔 出， 其 中， 钢纤维拔出阻力与钢纤维在混凝土基体中的长 度成正 比 一 引。 综上分析可知， 钢纤维混凝土与素混凝土 的破 坏机理 ， 从形态上大致一样 ， 但是却有着本质上的区 别。钢纤维对阻止混凝土裂缝 的扩展、 贯通作用很 明显 ， 而对混凝土一开始产生的不可避免的微裂缝 的限制作用不明显 ； 钢纤维的加人 ， 使混凝土的破坏 形式 由脆性破坏转变为塑性变形的破坏。钢纤维掺 人后对抗拉、 韧性提高很大的原 因， 是 由于即使构件 已经产生微小裂缝 ， 横跨裂缝的钢纤维继续抗拔 ， 使 之仍然具备强度， 但是， 如果钢纤维的长度小于粗骨 料的粒径 ， 将起不到增强作用。 2 试验 的必要性 测定钢纤维喷射混凝土立方体 的抗压强度 ， 用 以检验材料的质量 ， 确定 、 校核配合 比， 可以为控制 施工质量提供依据。然而 ， 立方体抗压强度试验试 件的尺寸较短 ， 试件承压面上的摩擦约束较大 ， 为了 消除该影响尽可能得到理想 的单轴受压应力状态 ， 试验中还采用 了棱柱体试件。根据圣维南原理 ， 试 件加压面上的垂直压应力和合力为零的水平约束力 只对端面附近试件高度约等于觅度的范 围内的应力 状态产生显著影响 ， 试件 的中间部 分则接近于均匀 的单轴受压应力状态。因此 ， 我国混凝土结构设计 规范中所取用的轴心抗压强度指标主要是依据棱柱 体的轴心抗压强度。 抗拉强度是较能直接反应混凝土抗裂强度的重 要指标 ， 也是间接地衡量其他力学性能 ， 诸如混凝土 的冲切强度 、 抗剪强度 等的指标。我 国常常把轴 向 抗拉强度作为混凝土结构设计规范的指标 ， 但是采 用直接受拉试验存在诸多因素， 如： 试件 的几何、 物 理对 中问题较难保证 ， 可能出现偏拉导致破坏 ， 从而 影响试验结果的准确性。因此采用劈拉试验间接确 定混凝土的抗拉强度是一个很必要的手段。 3 力学性能试验 本试验依托于云南某地下矿山 ， 进行深部开采 掘进无轨运输巷道时 ， 遇到松散破碎 、 较易风化的花 岗岩岩性时， 所采用的湿喷钢纤维混凝土新型支护 手段进行巷道围岩支护工程 。进行现场喷射大板取 样 ， 参照标准 钢纤维混凝 土试 验方法( C E C S 1 3 ： 8 9 ) 进行力学性能试验 ， 试验包括立方体抗压强度、 轴心抗压强度和劈拉强度。 3 1 原材料及配合比 水泥 ： 采用的是 4 2 5普通硅酸盐水泥， 细度、 凝 结时间和体积安定性等常规测定均合格 。砂、 石集 料： 瓜子石 ， 最 大粒径为 1 5 m m； 砂子 ， 细度模数 为 2 6 。外加剂 ： S M I I型高效 减水 剂 ， 减水 率 2 0 。 钢纤维 ： 采用的是 S F B剪切型波纹形钢纤维 ， 长径 比为 3 0 。所用原材料配合 比见表 1 。 表 1 原材料配合比 Ta b l e】 Ra t i 0 o f r a w ma t e r i a l s 名称 堡 巫王 互 塑 塑 堑堡 40 0 8 3 2 5 4 4 1 68 9 9 3 0 l：2 0 8 ：1 3 8 ： 0 4 2 ： 0 0 2 5 ： 0 0 7 5 Kg m 配合 比 3 2 试件及模具制备 参照标准 ， 钢纤维喷射混凝土试块需采用现场 喷射大板制作 ， 大板用厚 2 0 mm木头制作 ， 尺寸为 6 0 0 mmx 6 0 0 m m 1 5 0 mm。待喷射的时候 ， 将模具 以 4 5 。 斜放在巷道边墙处 ， 不 要一开始就往模 具里 喷， 应该在附近边墙上试喷 ， 待操作 正常后 ， 将喷头 移至模具位置， 向模具内由下而上逐层喷满。 由于钢纤维长度不大于 4 0 mm， 因此从大板中 切割 1 0 0 m inx 1 0 0 m m 1 0 0 m l T l 试件 6个 ， 立方体抗 压强度和劈裂抗拉强度各 3个 ， 1 0 0 m m1 0 0 m m 8 O 矿产综合利用 2 0 1 5在 3 0 0 mm试件 3个用以澳 4 定轴心抗压强度。试验 时 对试件连续、 均匀加荷 ， 测定立方体抗压强度和轴心 抗压强度时加荷速度取 0 3 MP a s ， 测定劈裂抗拉 强度时加荷速度取 0 0 3 MP a s 。 劈拉试验劈条 的形状和尺寸对试验结果有很大 的影响 ， 因此根据规范要求制作两个直径 1 0 0 mm， 高 2 0 mm的钢垫条 ， 见图 2所示 。 1 试验机上、 下板； 2 钢制弧形垫条； 3 木质垫条 ； 4 试件 图2劈拉试验钢垫条 Fi g 2 s p l i t t i n g t e n s i l e t e s t o f s t e e l s t e p p i n g ba r 3 3 试验 结果 试验分析 中， 一般采用其试验值的平均值作为 衡量试件性能 的指标 ， 但并不是唯一指标。试验结 果的可靠性越来越受到人们的重视 ， 因此在试验分 析中导人标准差 系数 ( 离散 系数 ) 对试验数据的可 信度进行评价。由于试验采用 的是非标试件 ， 试验 结果乘换算系数 0 9得到标准试件数据 ， 结果见表 2。 表 2 试验结果 T a b l e 2 T e s t r e s u i t s 立方体 劈裂 轴心 平均强度 MP a 抗压强度 抗拉强度 抗压强度立方体 劈裂 轴心 MP a MP a MP a 抗压强度抗拉强度抗压强度 4 试验结果分析 表2中列出了每一组数据中的3 个试件的离散 系数 ， 可以看 出， 离散系数最大的也 只有 8 9 6 ， 由 于抗压、 抗拉力学性能试验的试验方法都 比较简单 ， 因此其受试验条件影响较小 ， 离散系数也都较小 ， 可 信度较好 。 4 1 抗 压强 度 试件受压破坏时 ， 随着发出的嘶嘶和嘈杂的撕 裂声更密集 ， 接着最后一声沉闷的声响而最终破坏。 破坏后试件并没有飞屑 ， 只是表面有许多裂缝 和脱 落的细小碎屑 ， 基本可 以还原原来 的规则形状。水 泥基体硬化形成强度的过程中， 水分急剧蒸发 ， 极易 产生大量的微裂缝 ， 在受力状态下 ， 裂缝端部出现应 力集 中， 使得裂缝进一步扩展 ， 这是导致混凝土破坏 的主要原因。而掺入钢纤维后 ， 起桥梁作用 的钢纤 维能够缓和甚至消除应力集 中起到阻裂的效果 。 从试验结果可 以看 出， 立方体抗压强度要高于 轴心抗压强度 ， 这是 由于立方体试件受压时上下受 到的摩擦力 比棱柱 体试件 的要 大。与 C 2 0素混凝 土比较 ， 抗压强度提高 1 0 一 2 0 左右。 4 2劈拉强度 掰开破坏的试件 ， 并未发现有断裂的钢纤维， 说 明钢纤维喷射混凝土的破坏并非是纤维的折断或拉 断 ， 而是纤维从基体 中拔 出而破坏。因此改善钢纤 维与基体的粘结强度是增强钢纤维喷射混凝土支护 巷道能力的重要 因素。 与 C 2 0素混凝 土 比较 ， 抗拉强度 提高 7 0 9 0 左右 ， 较抗压强度提升的幅度更大 ， 说明钢纤维 混凝土的抗拉性能是其优越性的表现。 5 结 语 本文通过对钢纤维喷射混凝土的大板力学性能 试验及其破坏机理研究 ， 得出如下结论。 ( 1 ) 钢纤维的掺人改变 了混凝土 的破坏形式 ， 由 脆l生 破坏变为塑性变形破坏， 提高了混凝土的韧性。 ( 2 ) 钢纤 维掺量太少 或太多都 起不 到增 强作 用 ， 一般在 3 0 5 0 k g m ； ( 3 ) 钢纤维在一定程度上能提高基体混凝土的 抗压强度 ， 能较大程度的提高抗拉强度； ( 4 ) 钢纤维喷射混凝土这种新型复合材料可作 为巷道围岩永久支护手段 ， 符合新奥法对围岩承载 能力的要求 。 ( 下转 7 7页) 第 3期 李灿华等： 半刚性钢渣基层材料性能试验研究 7 7 6 中华人民共和国交通部 J T G E 5 1 - 2 0 0 9 ， 公路工程无机 结合料稳定材料试验规程 S 2 0 0 9 7 李淑明， 许志鸿 水泥稳定碎石基层 的最低劈裂强度和 抗压强度 J 建筑材料学报， 2 0 0 7， 1 0 ( 2 ) ： 1 7 7 - 1 8 2 8 朱唐亮， 谈至明 周玉民 水泥稳定类基层材料抗冲刷性能 的试验研究 J 建筑材料学报， 2 0 1 2 ， 1 5 ( 4 ) ： 5 6 5 - 5 6 8 9 孙兆辉 水泥稳定碎石基层的抗裂稳定性研究 J 建筑 材料学报 ， 2 0 0 7， 1 0 ( 1 ) ： 5 9 6 5 1 0 中华人民共和国交通部 1 0 8 5 4 - 2 0 0 9 ， 无机结合料稳定 材料干缩试验方法 S 2 0 0 9 Ex p e r i me nt a l Re s e a r c h o n t h e Ba s i c Pe r f o r m a n c e o f t he S e mi - r i g i d Ba s e M a t e r i a l wi t h Li Ca n h u a ， Xi a n g Xi a o d o n g ， Li u St e e l - s l a g S i ， Hu a Z h o u l i a n ， J i a o L i x i n ( 1 H u b e i K e y L a b o r a t o r y f o r E ffic i e n t U t i l i z a t i o n a n d A g g l o m e r a t i o n o f Me t a l l u r g i c Mi n e r a l R e s o u r c e s W u h a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， W u h a n， Hu be i ， Ch i n a 2 Me t a l R e s o u r c e s C o ， L t d ， o f Wu h a n I r o n a n d S t e e l ( g r o u p ) C o r p ， Wu h a n ， H u b e i ， C h i n a ) Abs t r a c t ： A n e w wa y t o ma k e s e mi rig i d b a s e ma t e ria l wi t h s t e e l s l a g wa s p u t for wa r d Th e o p t i ma l mo i s t u r e c o n t e n t s we r e d e t e r mi n e d w h e n t h e 7 d u n c o n fi n e d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h s me t t h e Ch i n e s e r e g u l a t o ry r e q u i r e me n t s T h e s e mi rig i d ba s e ma t e ria l u s i n g s t e e l s l a g a s t h e o n l y a g gre g a t e h a s o b t a i n e d h i g h e r c o mp r e s s i v e s t r e ng t h， s pl i t t i n g s t r e n gth a n d c o mp r e s s i v e mo d u l u s a f t e r a l o n g e r t i me h y d r a t i o n B y s i o n r e s i s t a n c e ， a n d c r a c k r e s i s t a n c e o f t h e s e mi rig i d b a s e ma t e r i a l s tic r e gu l a t i o n s Ke y wo r d s ： S t e e l s l a g ； S e mi ri g i d b a s e ； R o a d p e r f o r ma n c e S t a b i l i t y t e s t ， i t wa s f o u n d t h a t t h e s t a b i l i t y， e ro wi t h s t e e l s l a g we r e a l l s u p e rio r t o Ch i n a S t r a f - ( 上接 8 O页) 参考文献： 1 刘新荣， 祝云华， 李晓红， 等 隧道钢纤维喷射混凝土单 层衬砌试验研究 J 岩土力学 ， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 8 ) ： 2 3 2 0 2 刘竹风 钢纤维一新型喷射混凝土加强材料 J 国外公 路， 1 9 9 6 ， 1 6 ( 4 ) ： 5 0 3 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 4 C E C S 1 3 ： 8 9 ， 钢纤维混凝土试验方法 S 哈尔滨： 哈尔滨 建筑工程学院 ， 1 9 8 9 5 吴中伟 纤维增强一水泥基材料的未来 J 混凝土与水 泥制品， 1 9 9 9 ( 1 ) ： 5 - 6 6 杜国平 ， 刘新荣 隧道钢纤维喷射混凝土性能试验及其 工程应用 J 岩石力学与工程学报， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 7 ) ： 7 7 赵春孝 喷射钢纤维混凝土性能试验研究 J 煤炭工 程 ， 2 0 1 1 ( 6 ) ： 9 2 8 刘红燕 应用能量守恒原理设计钢纤维喷射混凝土衬砌 厚度的方法 J 岩石力学与工程学报， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 4 2 4 Ex pe r i m e nt s o n Fa i l ur e M e c ha n i s m a nd M e c h a n i c a l Pr o p e r t i e s o f S t e e l F i b e r Re i n f o r c e d Co n c r e t e Z h e Y a l e i ， H o u K e p e n g ， Y a n g Z h i q u a n ， Q u Ma o x u a n ( F a c u l t y o f Lan d R e s o u r c e E n gi n e e r i n g ， K u n m i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy ， K u n mi n g ， Y u n n a n ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h r o u g h t h e a n a l y s i s a n d c o mp a ris o n o f t h e f a i l u r e me c h a n i s m b e t we e n c o n c r e t e a n d 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 t h e e f f e c t o f t h e a d d i t i o n o f s t e e l fi b e r o n t h e wh o l e f a i l u r e p r o c e s s o f c o n c r e t e a n d t h e me c h a n i s m o f r e i n f o r c i n g t h e ma t rix a n d t h e c o n s t r a i n t e f f e c t o f s t e e 1 fi b e r a c r o s s c r a c k s o n t h e d e v e l o p me n t o f c r a c k s we r e d i s c u s s e d T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t 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 o f o b v i o u s f u n c t i o n i n c r a c k r e t a r d a t i o n， b u t t h e r e i S n o o b v i o u s f un c t i o n i n t h e a v o i d a n c e o f c r a c k i n g Ex pe rime n t s o n t h e me c h a ni c a l p r o p e r t i e s o f s p e c i me n s c u t f r o m s p r a y e d p l a t e s wi t h t h e q u a n t i t y o f s t e e l fi b e r o f 3 0 k g m we r e c o n d u c t e d t o s t u d y t h e c u b e c o mp r e s s i v e s t r e n gth， a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e n gth a n d s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n gth a n d s t a n d a r d d e v i a t i o n c o e ffic i e n t w a s i n t rod u c e d i n t o t h e e x p e r i me n t a l a l l aly s i s t o e v a l u a t e t h e c r e d i b i l i t y o f t h e t e s t d a t a Ke y wo r d s ： 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 ； F a i l u r e me c h a n i s m； C o mp r e s s i v e s t r e n gth； S p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n gth