低掺量钢纤维混凝土静压弹性模量影响因素.pdf

第 3 5卷第 8期 2 0 1 3年 8月 人民黄河 YEL LOW RI VER Vo 1 3 5 No 8 Au g ， 2 01 3 【 水利水 电工程 】 低掺量钢纤维混凝土静压弹性模量影响因素 袁健松 ， 庞育阳 ， 尤培波 ( 1 郑州大学 水利与环境学院， 河南 郑州 4 5 0 0 0 0 ； 2 河南城建学院， 河南 平顶山4 6 7 0 3 6 ) 摘要： 通过尺寸为 1 5 0 m m1 5 0 m m 3 0 0 m m的低掺量钢纤维混凝土试块试验， 探讨了低钢纤维体积含量、 纤维种类、 基体强度对低掺量钢纤维混凝土静压弹性模量的影响。结果表明： 钢纤维的体积含量对低掺量钢纤维混凝土的弹性模 量基本没有影响， 钢纤维的强度与长径比对弹性模量有一定的影响。提高混凝土的基体强度可以提 高低掺量钢纤维混 凝土的静压弹性模量， 并且进一步提出了弹性模量与长径比及钢纤维强度的拟合关系式。 关键词： 钢纤维混凝土；低掺量；静压弹性模量；影响因素 中图分类号 ：T U 5 2 8 5 7 2 文献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 3 0 8 0 4 3 I n nu e n c e F a c t o r s o f Lo w F i b e r Vo l u me Fr a c ti o n 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 S t a ti c El a s t i c M o d ul u s YUAN J i a n s o n g ，P AN G Yu y a n g ，Yo u P e i b o 。 ( 1 Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 0，C h i n a ； 2 He n a n U n i v e r s i t y o f U r b a n C o n s t r u c ti o n ， P i n g d i n g s h a n 4 6 7 0 3 6 ，C h i n a ) Ab s t r a c t：Ba s e d O i l t h e 1 5 0 mm 1 5 0 mm 3 0 0 mm o f l o w c o n t e n t o f s t e e l fi b e r c o n c r e t e t e s t b l o c k s ，t h e s t a t i c e l a s t i c mo d u l u s We re a n a l y z e d Th e c o n c l u s i o n c a n b e d r a wn t h a t t h e l o w c o n t e n t o f s t e e l f i b e r c o n c r e t e s t a t i c e l ast i c n U I U S i s i n fl u e n c e d b y v o l u me c o n t e n t o f s t e e l fi b e r ，the k i n d s o f fib e r a n d ma t rix s t r e n g t hEx p e rime n t a l r e s u l t s s h o w t h a t ：t h e s t e e l fi b e r v o l u me c o n t e n t a l mo s t h a s n o t h i n g t o d o wi t h t h e l o w c o n t e n t o f s t e e l fi b e r c o n c r e t e e l a s t i c mod u l u s ，t h e s t r e n gth a n d l e n g t h d i a me t e r r a t io o f s te e l fi b e r h as s o me e f f e c t t o a c e r t a i n e x t e n t En h a n c i n g t h e c o n c ret e s t r e n gth o f t h e s u b s t r a t e C an b e g r e a t l y i n c r e ase t h e s t a t i c mod u l u s o f e l a s t ic i t y o f t h e l O W c o n t e n t o f s t e e l fi be r c o n c r e t e Ke y wo r d s ：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 ；l o w fi b e r v o lume f r a c t i o n；e l a s t i c s t a t i c mod u l u s ；i nfl u e n c e f a c t o r 钢纤维混凝土是由短钢纤维、 水泥、 砂 、 石和水以及必要的 外加剂按一定比例配制 ， 经凝结硬化后形成的复合材料。弹性 模量作为反映混凝土应力与应变的重要指标， 对研究钢纤维混 凝土的性能具有重要意义。笔者通过试验对低掺量钢纤维混 凝土静压弹性模量进行了分析， 并研究了各种因素对弹性模量 的影响程度 。 l 试验概况 试验采用河南荥阳生产的长城牌 P 0 3 2 5和 P 0 4 2 5普 通硅酸盐水泥 ； 细骨料为河砂， 粒径为0 1 55 0 0 mm， 级配曲 线位于区， 细度模数为2 6 ， 属中砂 ； 粗骨料为粒径 5 2 0 m m 的石灰岩碎石， 连续级配； 钢纤维的种类以及规格见表 1 ， 试块 尺寸 1 5 0 m i l l 1 5 0 mm 3 0 0 mm， 与轴心抗压强度试验试块尺 寸相同。 表 1 各钢纤维类型 与参数 1 3 4 2 试验方法与设计 2 1 试验方法 钢纤维混凝土弹性模量是指压应力为轴心抗压强度 的 4 0 时的割线模量， 其测定方法与普通混凝土弹性模量基本相 同。试验采用与轴心抗压强度试验相同尺寸的试件， 取初始应 力值为0 5 MP a ， 按规定的加荷速度( 试件强度不低于 3 0 M P a 时， 取0 3 0 5 M P a s ； 试件强度等于或者高于3 0 MP a时， 取 0 5 0 8 MP a s ) 对试件连续 、 均匀加荷到与轴心抗压强度的 4 0 对应的控制荷载； 然后以同样的速度卸荷至零， 如此反复 加压 3次； 再以同样的速度进行第 4次加荷 ， 先加荷到应力为 0 5 M P a 对应的初始荷载值， 保持3 0 S 后读取两侧仪表的初始 读数； 然后加荷到控制荷载 ， 保持 3 0 S 后读取两侧仪表读数 ， 两 侧读数增值的平均值即为该次试验的变形值； 按上述速度卸荷 到初始荷载， 保持 3 0 S 后读取两侧仪表读数， 如此进行第 5 次 加荷、 持荷 、 读 数并计 算 出该 次试 验的 变形值 ； 最后 卸除 收稿 日期 ： 2 0 1 2 一l 0 - 2 5 基金项目： 国家自然科学基金资助项目( 5 1 1 7 8 4 3 4 ) 。 作者简介： 袁健松( 1 9 8 7 一) ， 男， 河南新乡人， 硕士研究生， 研究方向为钢纤维 混凝 土以及 F R P加 固。 E - ma il ：1 3 9 0 2 0 0 6 9 8 7 1 6 3 c o m 人 民 黄 河2 0 1 3年第 8期 仪表， 以同样速度加荷至试件破坏， 取得该试件的轴心抗压强 度值。 鉴于钢纤维混凝土的非弹性性质， 经过上述多次加卸荷的 循环后， 变形已基本趋于稳定 ， 应力应变关系接近直线， 该直线 的斜率为钢纤维混凝土弹性模量的取值， 即 F F ， E = ( 1 ) 式中： 为纤维混凝土静压弹性模量， MP a ； F o 为应力为 4 0 轴心抗压强度时的控制荷载 ， N； F i 为应力为 0 5 b l P a时的初 始荷载， N； A为试件承压面积， m m ， A= 2 2 5 0 0 mm ； Z 为变形测 量标距， mm， z =1 5 0 m m； u 为最后一次从 F 到 时试件的变 形 值 - 3 ， mm。 2 2 试验设计 根据已有的试验结论 了解到， 在钢纤维含量相同的情况 下， 静压弹性模量随着应变速率的提高而增大 J ， 并且随着龄 期的增加而增大 j ， 因此本次试验所有的试块龄期相同、 试验 条件相同， 减小了早期弹性模量较低 以及其他可能存在的影 响因素。本次试验分别从钢纤维的含量 、 钢纤维的种类以及基 体强度 3个方面对低掺量钢纤维混凝土的静压弹性模量进行 测试与分析 ， 因此在试验设计时分别从这 3个方面设计了参照 组试块， 试验按 照 纤维 混凝土试验 方法标 准( c E c s l 3 2 0 0 9 ) 的各项规定进行 。 3 静压弹性模量的影响因素 3 1 钢纤维含量对弹性模量的影响 作为影响钢纤维混凝土的一个重要因素， 部分文献中提出 了钢纤维体积含量与弹性模量的回归方程， 并且指出弹性模量 随着钢纤维含 量 的增加 而增大， 但是未 能给 出低 掺量 ( 0 7 ) 情况下更多的研究结论 ， 本次试验得出了更加详细的结 论。不同钢纤维体积含量下的静压弹性模量见表 2 ， 在钢纤维 掺量较低的情况下， 钢纤维体积含量的微小变化并没有对静压 弹性模量产生非常大的影响， 只有当体积含量为 0 5 时， 弹性 模量有0 7 3 的增加 ， 在 0 2 、 0 4 及 0 7 的含量下 ， 弹性 模量出现了一定程度的减小， 增加或减小的幅度均不超过 5 。 可见， 在低掺量( G0 7 ) 的钢纤维混凝土当中， 钢纤维的体积 含量对弹性模量基本上没有太大影响。 表2 不同钢纤维体积含量的静压弹性模量 王茹 通过试验曾得出如下拟合公式： Y=2 6 6 0 0 x 一3 7 4 x+3 9 3 7 2 ( 2 ) 经过检验， 其与本次试验数据误差较小， 基本吻合， 验证了 本次试验的结论。 3 2 钢纤维种类对弹性模量的影响 在一般情况下 ， 短纤维在纤维复合材料中具有纤维取向的 三维分布以及纤维长度分布的特点， 使短纤维的增强效应低于 长纤维， 因此短纤维复合材料的等效弹性模量比较低 J 。但是 鉴于问题的复杂性 ， 对短纤维复合材料弹性性能的研究还没有 令人满意的结果 ， 在部分文献中单向短纤维的情况曾经被讨论 过 ， 但是系统的理论还没有被提出。本次试验重点测试了低掺 量标准试块在相同的基体强度以及养护条件下， 不同纤维类型 对静压弹性模量的影响， 所有的钢纤维体积含量均为 3 0 ， 不 同钢纤维类型下的静压弹性模量见表 3 。 表3 不同钢纤维类型的静压弹性模量 钢纤维类 型编号 A B C D E F A+D C+D 静压弹性模量 G P a 4 0 9 4 1 7 4 2 8 40 7 40 6 柏 9 4 0 7 4 1 6 A与 B两种类型的纤维长度、 直径以及长径 比均不同， 但 是 B纤维的试块弹性模量高于A纤维试块 ， 而 B纤维只有抗拉 强度高于 A， 可见抗拉强度的提高有助于静压弹性模量的提 高。D、 E、 F 、 A+D与 c+D纤维的试块弹性模量相差不大， 说 明混杂纤维对其作用并不明显。在所有不同的纤维中， c纤维 的标准试块静压弹性模量最大， 而 C纤维的最大特点是长径比 l f d 比较大， 说明长径比对弹性模量的增大有明显的作用。在 钢纤维混凝土设计与应用 中提到， 钢纤维的长径比 z r 越大， 对混凝 土的增强效果越好， 从理论上验证了本次试验 结论。 在本次试验条件下， 根据已有数据， 拟合出了静压弹性模 量与两个 自变量即钢纤维长径比( ) 与钢纤维的抗拉强度 ( ) 之间的数学关系： Y =3 5 8 1 4+0 0 3 0 6 X 1+0 0 0 3 4 X 2 ( 3 ) 拟合公式的残差杠杆见图 1 ， 可以看出， 所有残差都在0点 附近均匀分布， 没有发现高杠杆点， 也就是说 ， 数据 中没有强影 响点、 异常观测点。综合起来看， 以上回归结果合理。 l 5 1 0 5 0 5 1 0 1 5 T T 1 I L L 日 变量 图 1 残差杠杆 3 3 混凝土基体强度对弹性模量的影响 在研究混凝土基体强度对低掺量钢纤维静压弹性模量的 影响时， 设计了0 4 纤维掺量的标准试块以及参照组试块， 并 且采用了 C 2 0 、 C 3 0、 C 4 0和 C 5 0四种混凝土基体。不同混凝土 基体强度以及钢纤维含量下的静压弹性模量见表4 。对数据进 行二元方差分析 ， 结果见表5 ( 其中因子 l 代表钢纤维含量对静 压弹性模量的影响， 因子 2代表基体强度对静压弹性模量的影 响) 。给定显著性水平 ： 5 ， 查 F分布上侧分位数表可得 0 5( 1 ， 3 )=1 0 1 3 ， r o 0 5 ( 3 ， 3 )：9 2 8 。由二元方差的性质可 以得出以下结论 ， F 因 子 1 = 0 9 6 0 F o ( 3 ， 3 ) ， 表明基体强度对低掺量钢纤维混 凝土静压弹性模量的影响非常大， 比起增加钢纤维的体积含量 来说， 增加混凝土基体强度对弹性模量的增大作用更加明显。 1 3 5 人 民 黄 河2 0 1 3年第 8期 表 4 不同混凝土基体强度下的静压弹性模量 表 5 静压弹性模量二元方差分析结果 另外， 由试验数据可以得出， 混凝土基体强度从 C 2 0提高 至 C 3 0时， 两种纤维含量的混凝土静压弹性模量增加平均值为 1 1 3 0 ， 从 C 3 0提高至 C 4 0时增加的平均值为 7 4 5 ， 从 C 4 0 提高至 C 5 0时增加的平均值为 4 8 8 ， 由此可知， 随着混凝土 基体强度的提高， 其对弹性模量的增强作用逐渐降低。 4 结论 通过试验， 分析了钢纤维含量 、 钢纤维种类以及混凝土基 体强度对低掺量钢纤维混凝土静压弹性模量的影响 ， 最终得出 以下结论。 ( 1 ) 钢纤维的体积含量对低掺量( 0 7 ) 钢纤维静压弹 性模量基本没有影响。 ( 2 ) 适当的钢纤维长径比以及抗拉强度对低掺量钢纤维混 凝土静压弹性模量有一定的影响， 基于试验得出拟合公式 Y： 3 5 8 1 4+ 0 0 3 0 6 X， +0 0 0 3 4 X 2 ， 明确了钢纤维的性能与低掺 量钢纤维混凝土试块静压弹性模量之间的函数关系。 ( 3 ) 混凝土的基体强度对低掺量钢纤维混凝土静压弹性模 量有很大的影响， 与改变钢纤维体积含量相比， 提高混凝土的 基体强度对其增大效果更加明显 ， 但随着基体强度的提高、 这 种对静压弹性模量的增大作用逐渐减弱。 参考文献 ： 1 高丹盈 ， 赵军 ， 朱海堂 钢纤维混凝土设计与应用 M 北京 ： 中国建筑工 业 出版社 2 0 0 2 2 王茹 钢纤维混凝土的力学试验研究及其破坏过程的数值模拟 D 沈阳： 东北大学 。 2 0 0 4 3 高丹 ， 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， l 9 9 4 4 姜袁， 郝景宏， 戚永乐 钢纤维混凝土应变速率敏感性及本构模型研究 J 新型建筑材料 ， 2 0 1 0 ， 3 7 ( 2 ) ： 5 8 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， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 9 29 4 6 邱玲， 朱为玄 钢纤维混凝土早期弹性模量研究 J 试验技术与试验机， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 3 23 5 【 责任编辑张华岩】 _ _- - _-_ -一- -一 一一-* - - + ( 上接第 1 3 3页) 左侧岩面贴壁而下， 对此处河床造成较为严重 的淘刷。试验测得校核洪水位溢洪道出口水流的水舌挑距见 表5 ， 试验测得校核洪水位溢洪道挑流冲刷坑深度见表 6 。优 化后试验测得挑流冲刷坑内靠近坝脚侧的旋流淘刷最大流速 约为 1 7 m s ， 比原设计冲刷坑内淘刷流速小， 有利于右岸边坡 稳定， 对其产生较小冲刷， 使挑射水流不影响后坡脚。 表 5 校核洪水位溢洪道出口水舌挑距 4 结语 针对某水库溢洪道原设计方案中挑流水舌落在海漫平台 上造成严重冲刷破坏的问题， 对溢洪道末端的挑流鼻坎进行优 化。将其向左侧旋转一角度 ， 延长反弧段一扇形圆弧面， 改变 反弧段右边墙的圆弧面边墙以及末端边墙高度， 得到简化了的 l 3 6 扭曲鼻坎， 将下泄水流挑向海漫平台后的河道中。试验结果表 明： 优化方案合理， 能较好地解决挑射水流直接 冲刷海漫平台 的问题， 可为类似工程设计提供借鉴。 参考文献： 1 邸国平 涝河水库溢洪道水工模型试验 J 山西水利科技， 2 0 0 8 ( 3 ) ： 1 2一 l 3 2 张明义， 戚印鑫， 高建新 乌拉泊水库溢洪道消能防冲模型试验研究 J 人 民黄河 ， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 3 ) ： 8 3 8 5 3 王峰， 杜海波， 郑永波， 等 赤峰市三座店水利枢纽泄洪冲沙洞挑流消能坎 的优化与选择 J 内蒙古水利， 2 0 1 1 ( 4 ) ： 1 3 1 4 4 周丽丽， 郭维东， 闫滨， 等 弯曲溢洪道挑流消能冲刷坑的研究 J 沈阳农 业大学学报 ， 2 0 0 8， 3 9( 3 )： 3 3 63 3 9 5 王红霞 陵川上郊水库溢洪道水工模型的试验 J 科技情报开发与经济， 2 0 0 7 ， 1 7 ( 5) ： 2 9 42 9 5 6 钟勇明， 黄智敏 惠来县镇北水库溢洪道水工模型试验研究 J 广东水利 水电 ， 2 0 0 8 ( 1 ) ： 2 9 3 1 7 何晓敏， 包中进， 屠兴刚， 等 四川省仙女堡水利枢纽工程水工模型试验研 究 J 浙江水利科技， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 1 5 1 7 8 杨名玖， 王军， 宋长虹 鸡西市青龙山水库挑流消能时雾化范围的预估 J 黑龙江水利科技， 2 0 0 7 ( 5 ) ： 3 5 3 6 【 责任编辑吕艳梅】