新型端勾型钢纤维对混凝土性能的提升.pdf

斩癯 建蟓 中 国 科 技 核 心 期 刊 新型端勾型钢纤维对混凝土性链硇提升 吕进 “ ， 林磊 。 ( 1 高性 能土木工程材料 国家重点实验室， 江苏省建筑 科学研 究院有 限公司 ， 江苏 南京2 1 0 0 0 8 2 江苏博特新材料有限公司， 江嚣 南京2 1 0 0 0 8 ； 3 南京地铁建设有限责任公司， 江 苏 南京2 1 0 0 0 8 ) 摘要： 为研究钢纤维形态对混凝土力学性能的影响， 将 2 种外形的钢纤维分别掺入混凝土中进行对比试验和分析。试验研究 结果表明： 新型端勾型钢纤维与混凝土的粘结强度和弓型钢纤维相比增长2 倍以上； 掺入新型端勾型钢纤维与弓型钢纤维相比， 钢 纤维混凝土的抗折 强度提 高约 9 ； 端勾型钢纤维对混凝土的增韧作用 明显优于 弓型钢纤维。 关键词： 钢纤维； 粘结强度； 抗折强度： 弯曲韧性 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 1 7 0 2 X( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 1 9 0 4 Up g r a d i n g e ffe c t o f n e w e n d h o o k e d s t e e l fib e r o n p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e LV n ， L I N L e i ( 1 S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Hi g h P e r f o r ma n c e Ci v i l En g i n e e r i n g Ma t e ria l s ， J i a n g s u R e s e a r c h I n s t i t u t e o f B u i l d i n g S c i e n c e C o L t d ， N a mi n g 2 1 0 0 0 8 ， J i a n g s u ， C h i n a ； 2 J i a n g s u B o t e Ne w Ma t e ri a l s C o L t d ， N a mi n g 2 1 0 0 0 8 ， J i a n g s u ， C h i n a ： 3 N a n j i n g Me t r o C o L t d ， N a mi n g 2 1 0 0 0 8 ， J i a n g s u ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o s t u d y t h e e f f e c t o f s t e e l fi b e r s h a p e o n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e ， t w o s h a p e s o f g l a s s fi b e r s we r e a d d e d i n t o t h e c o n c r e t e f o r c o mp a r a t i v e t e s t a n d a n aly s i s T h e r e s u l t s s h o w t ha t c o mp are d wi t h e n d- h o o k e d 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 ， t h e b o n d s t r e n g t h o f n e w e n dh o o k e 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 i s i n c r e a s e d b y mo r e t h a n 2 t i me s ， a n d t h e fle x u r al s t mn gth i s e nh a n c e d a p p r o x i ma t e l y b y 9 An d t h e y a l s o i n d i c a t e t h a t t h e fle x u r al t o u g h r t e s s o f n e w e n d h o o k e d 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 i s b e t t e r t h an e n d -h o o k e d s t e e l fib e r r e i nfo r c e d c o n c r e t e o b v i o u s l y Ke y wo r d s ： s t e e l fi b e r ； b o n d s t r e n gth ； fl e x u r a l s t r e n gth ； fl e x u r al t o u g h n e s s 自2 0 世纪6 0 年代美国R o m u a l d i 的纤维阻裂、 增强理 论发表以来， 钢纤维混凝土的研究与应用有了较快的发展。我 国在2 0 世纪7 0 年代中 期开始了研究， 8 0 年代起，钢纤维混凝 土已在道路、 桥梁、 水工、 隧道等工程中得到日益广泛的应用 。 钢纤维大致分为4 类： 冷拉钢丝切断型、 冷轧钢板剪切型、 钢锭 铣削型和钢水熔抽型。在我国， 钢纤维混凝土在应用中以剪切 型和冷拉钢丝切断型钢纤维为主。 冷拉钢丝切断型钢纤维因自 身的高抗拉强度在现代高性能混凝土应用中受到更多的重视， 目 前冷拉钢丝切断型钢纤维中以弓型钢纤维的性能最优。 许多 专家、 学者对其开展了深入的研究： C h a n v i l l a r d 、 S u i i v o r a k u l 等 蚂 、 许碧 莞等【7l、 董振英等 吗 、 陈 应波等啊 弓 型钢纤维 与水泥基 体的 界面粘结与 拔出 过程 进行了 模拟、 建立了 模型； 胡晓波 、 王志等叫 、 刘冬等 则对弓型钢纤维混凝土的力学性能开展了 试 验研究， 并得出了弓型钢纤维优于其它类型钢纤维的结论。 本研究采用特制的成型设备对弓型钢纤维的两端作了改 进， 在两端平直的部份增加了圆弧段， 制备出新型的端勾型钢 纤维。 通 过对钢纤维 混凝 土的 试验 分析发 现， 新 型的 端勾型 钢 纤维与混凝土基体的粘绪眭能、 纤维混凝土的抗折强度及对混 凝土的增韧效果都优于弓型钢纤维， 尤其是增韧效果得到了明 显改善。本文关于新型端勾型纤维混凝土的综合性能改善原 因的研究与分析，对钢纤维混凝土工程的推广和实际应用具 有一定的意义。 收稿日期 2 0 1 3 _ 0 7 _ l 2 1 试验概况 作者简介： 吕 进， 男， 1 9 6 8 年生， 浙江新昌人， 工程师， 研究方向为 纤 1 一 试验材料 维 混 凝 土。 地 址 ： 2 1 1 1 0 3 南 京 市 江 宁 区 上 坊 镇 醴 泉 路1 1 8 号， 电 话： 水泥： P I1 5 2 5 级硅酸盐水泥； 粉煤灰： 镇江谏壁I 级灰； 0 2 5 5 2 7 0 5 9 1 2 ， E m a il ： lv j i u 1 2 6 。 硅灰： 粒径0 1 0 0 2 2 5 m ； 细骨料： 细度模数为2 5 的中 砂； N E W B UI L DI NG MATE RI AL S 1 9 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 吕进， 等： 新型端勾型钢纤维对混凝土性能的提升 表 3 钢纤维不同外形和掺量时混凝土的坍落度 维 对混 凝土坍落度的 影响比弓 型 钢纤维的 稍大， 但完全能满 足商品混凝土的泵送要求( 1 6 e ra ) 。 2 3 端勾型钢纤维对混凝土抗裂性能的影响 分别掺加0 6 体积掺量的不同外形钢纤维， 并与未掺钢 纤维的素砂浆进行对比， 砂浆的开裂面积见表4 。 表 4 钢纤维外形对砂浆开裂面积的影响 从 表4 可见， 分别掺加O 6 体积掺量的平直型、 弓 型、 端 勾型钢纤维后， 砂浆的开裂面积较未掺钢纤维的素砂浆分别 下降了3 6 、 5 6 和6 4 ， 钢纤维的 掺加不仅减小了 裂 缝宽 度， 也延迟了开裂时间。 弓型与端勾型钢纤维对砂浆的抗裂效果好 于平直型是因为异型钢纤维与水泥浆体的粘结强度大于平直 型钢纤维，端勾型钢纤维从水泥浆体中脱粘拔出所需克服的 阻力高于弓型钢纤维， 因此， 曲折度更高的异型钢纤维( 端勾 型) 对砂浆的抗裂性能的提升更有优势。 2 4 端勾型钢纤维对混凝土抗折、 抗压强度的影响 端勾型钢纤维与混凝土基体的粘结强度与弓型钢纤维相 比 成倍提升， 也使得混凝土的抗压、 抗折强度有了 不同幅 度的 提高。不同外形钢纤维掺量对混凝土强度的影响见表5 。 表 5 钢纤维不 同外形和掺量时混凝土的强度 项目 蒜 弓 型 钢 纤 维 掺 量 ， 端 勾 型 钢 纤 维 掺 量 ， 抗折 强度， MP a 5 5 7 5 8 5 8 2 2 6 2 1 8 9 5 抗压 强度 MP a 5 9 7 9 6 3 3 6 6 7 5 0 6 7 8 O 6 9 4 8 由表5 可见， 随钢纤维掺量的增加， 混凝土的抗压、 抗折 强度也逐步提高， 抗折强度的提升幅度尤其明显。 钢纤维掺量 为O 5 时， 弓型、 端勾型钢纤维混凝土的抗折强度分别比基 准混凝土提高5 0 、 1 1 5 ； 钢纤维掺量为 1 0 时， 弓型、 端 勾型钢纤维混凝土的抗折强度比基准混凝土分别提高了 4 7 6 、 6 0 7 。当端勾型钢纤维掺量由0 5 增加至 1 O ， 混 凝土的抗折强度 增幅 较大， 应用效果 较好。 异形 钢纤维 对混凝 土抗折强度的 提高主要是通过纤维的桥接作用传递界面应 力， 限制裂缝的产生与 扩展， 在抗折强度的试验中发 现， 混凝 土 试块断 面上拔出的弓 形、 端勾型钢纤维都发生 变形( 都变为 圆弧线型， 弯折部份消失) ， 而端勾型 钢纤维因为两端增加的 圆弧段增大了纤维从基体拔出的阻力，能分担因裂缝扩展和 由界面传递来的更大应力， 故对抗折强度提高的贡献更大。 2 5 端勾型钢纤维对混凝土弯曲韧性的影响 端勾型钢纤维 对于 混凝土的 增韧作用非常明显，弓 型 和 端勾型钢纤维体积掺量分别为0 5 、 1 0 时， 混凝土的荷载一 挠度曲线见图4 。 2 4 6 挠度 Jm 图4 钢纤维不同外形和掺量时混凝土的荷载一 挠度曲线 由图4 可知， 钢纤维体积掺量为0 5 时， 端勾型与弓型 钢纤维增韧混凝土的 峰值荷载分别为1 2 9 6 、 1 7 5 6 M P a ； 钢纤 维体积掺量为1 0 时， 端勾型与弓型钢纤维增韧混凝土的峰 值荷载分别为2 1 5 0 、 2 9 3 5 M P a 。在相同掺量下， 改进型端勾 钢纤维混凝土的峰值荷载均明显大于弓型钢纤维混凝土， 增 幅达3 6 左右。 由图4 还可以看出，端勾型钢纤维比弓型钢纤维混凝土 的荷载一 挠度曲线更加饱满， 并且峰值后的曲线更趋平缓， 表 明 端勾型 钢纤 维混凝土试件的 承受抗弯荷载的能力 较弓 型钢 纤维增强， 从而混凝土试件的延性增大， 充分体现了端勾型纤 维在混凝土中更好的 增韧性能。 在其它条件相同的前提下， 钢纤维的外观形态对增韧效 果更显著。 端勾型钢纤维由于其两端部弯钩的粘结锚固作用， 与混凝土基体的机械咬合力大于弓型钢纤维与混凝土基体的 粘结锚固作用。 试验中可见： 纤维被拔出后端部的弯钩趋于平 直， 端部增加的弯钩不仅急剧增大了拔出荷载， 也增加了拉直 变形与摩擦所耗的能量，使得混凝土持续承受荷载的能力增 加， 端勾型钢纤维对于混凝土的增韧作用得以充分发挥， 较弓 型钢纤维明显提升了钢纤维混凝土的弯曲韧性。 3 结语 通过以上 2 种钢纤维在混凝土中的应用试验与分析， 可 得出以下结论： ( 1 ) 新型端勾型钢纤维与混凝土基体的粘结强度较弓型钢 纤维增长2 倍以上。 ( 2 ) 端勾型钢纤维对 混凝土的 坍落度略有影响， 但不影响 其施工性能。 ( 3 ) 端勾型钢纤维对混凝土抗裂性能的提升优于弓型钢纤 NE W B UI L Dl N G MAT E R I AI S 21 0 8 O 4 2 0 8 6 4 n O 8 b 4 2 O 0 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 吕 进， 等： 新型端勾型钢纤维对混凝土性能的提升 维。 ( 4 ) 体积掺量为1 0 时， 端勾型钢纤维混凝土的抗折强 度比弓 型钢纤维混凝土提高约9 ， 对混凝土抗压强度的 提 升幅度较小。 ( 5 ) 在钢纤维体积掺量相同的情况下， 端勾型钢纤维相对 弓型钢纤维混凝土的荷载一 挠度曲线更加饱满，并且峰值后 的曲线更趋平缓，端勾型钢纤维对混凝土的增韧作用较弓型 钢纤维明显提升。 参考文献： 【 1 】 黄承逵 钢纤维混凝 土结构【 M】 E 京： 机械 工业出版社， 2 0 0 5 2 】 沈荣熹 ， 王璋水 崔玉忠 纤维增强水泥与 纤维增强混凝 土【 M 北 京 ： 化学工业 出版社 ， 2 0 0 6 【 3 】 赵 国藩 ， 彭 少 民， 黄承 逵 钢纤维混 凝土结构 M 北 京： 中 国建筑 工业 出版社 ， 1 9 9 9 I 4 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 【 5 】 C h a n v i l l a r d N Mo d e l i n g t h e p u l l o u t o f t h e w i r e - d r a w n s t e e l f i b e r 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 ( 3 ) ： 1 0 2 7 6 S u j i v o r a k u l G， Wa a s A M， N a a m a n A E P u l l o u t r e s p o n s e o f a s m o o t h fi b e r w i t h a l l e n d a n c h o r a g e f J 1 J o u r n a l o f E n g in e e r i n g Me c h a n i c s ， 2 0 0 0， 1 2 6( 9 )： 9 8 6 9 9 3 许 碧莞， 施惠 生， J U J i a n n w e n Wo o d y 水泥基体 中弓形钢纤维拔 出耗能模 J l _ 同济大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 0( 8 ) ： 1 1 9 4 1 1 9 9 董振英 ， 李庆斌 异型钢纤维拉拔界 面模 型 J 1 工程力 学， 2 0 0 4 ， 2 1 ( 6 )： 1 0 2 陈应波， 梅华东， 范小春 非直钢纤维拔出过程的数值模拟 J 武 汉理工大学学报 ， 2 0 0 6( 7 ) ： 7 8 8 1 胡晓波 _异形钢纤维改善混凝土性能研究们 工业建筑， 2 0 0 6( 9 ) ： 6 2 6 7 王志 ， 胡晓波 ， 鲍 光玉， 等 异形钢 纤维混凝土性 能试 验研究 j J _ 混凝土， 2 0 0 3( 1 1 ) ： 2 5 2 6 ， 5 0 刘冬 ， 黄 真， 伏俊杰 ， 等 不 同几何尺寸及 弹性模 量混合纤 维混 凝土力学性能试验研究与机理分析 混凝土与水泥制 品， 2 0 1 0 ( 1 )： 3 7 3 9 ， 42 李长风 ， 刘加平 ， 刘 建忠， 等 钢 纤维砂浆 抗裂性 能的定量 评价 与机理 J J 硅酸盐学报 ， 2 0 01 ( 3 ) ： 5 3 1 5 3 6 董振 英， 李庆斌 纤维 增强脆性复 合材料细观力 学若干进展 【 J 】 力学进展， 2 0 0 1 ， 3 l ( 4 ) ： 5 5 5 5 8 2 A ( 上接第 1 5页) 的聚合活性。研究发现， 聚合物分子质量不宜过大或过小， 只 有分子质量适中的减水剂产品才具有最佳的分散效果，对于 M P E G系高性能减水剂，最佳的分子质量为 1 8 0 0 0 2 5 0 0 0 ： 另外，较高的大单体转化率相当于提高了聚羧酸产品的有效 掺量， 有利于提升聚 羧酸 减水 剂的 分散性能。 3 结论 ( 1 ) 采用红外光谱对目标产物进行了结构表征， 该产物分 子结构上含有羧基、 聚氧乙烯基、 酯基等基团， 与所设计减水 剂分子结构相符。 ( 2 ) P E O侧链长度和侧链接枝密度与水泥颗粒分散性有 很大的关系。对于不同P E O侧链长度的减水剂， 侧链接枝密 度适中时，减水剂表现出较高的分散能力以及分散性保持能 力。 ( 3 ) 聚合物分子质量不宜过大或过小， 对于M P E G系高性 能减水剂， 最佳的分子质量为 1 8 0 0 0 2 5 0 0 0 ； 较高的大单体 2 2 新型建筑材料 2 0 1 4 2 转化率相当于提高了聚羧酸产品的有效掺量，有利于提升聚 羧酸减水剂的分散性能。 参考文献： 【 1 1 朱俊林 ， 石 小斌， 戴文杰 对国 内外 聚羧酸减 水剂研究 进展 的探 讨f J 商品混凝土 ， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 5 - 9 Ya ma d a K， Ta k a h a s h i T E f f e c t s o f t h e c h e mi c a l s t r u c t u r e o n t h e p r o p e i e s o f p o l y c a r b o x y l a t e - t y p e s u p e r p l a s t i c i z e r J C e me n t a n d Co n c r e t e Re s e a r c h ， 2 o ( )o， 3 O： 1 9 7 2 0 7 Hi r a t a T， Ta n a k a H， Yu a s a T Me t h o d f o r p r o du c t i o n of e s t e r i fie s p r o d u c t a n d a p p a r a t u s ： U S ， 6 3 6 2 3 6 4 P 2 0 0 2 3 2 6 F e r r a r i L， B e ma r d L， De s c h n e r F， e t a 1 Ch a r a c t e r i z a t i o n o f p o l y e a r b o x y l a t e e t h e r b a s e d s u p e r p l a s t i c i z e r o n c e me n t c l i n k e r s u r f a c e s I J J o u r n a l o f t h e A m e ri c a n C e r a mi c S o c i e t y ， 2 0 1 2( 7 ) ： 21 8 9 2 1 95 方云辉 聚羧酸分子设计在预应力高强混凝土管桩的应用l J 1 新 型建筑材料， 2 0 1 2 ( 8 ) ： 3 2 3 5 A 寸_ 2 3 4 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m