钢纤维混凝土的力学特性及机理解释.pdf

第 5 0卷 第 9期 2 01 4年 9月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 GA NS U WAT E R R E S 0U RC E S A ND H Y DROP OW E R T E C HN0L O GY Vo 1 ． 5 0． No ． 9 Se p． ， 2 01 4 设计与研 究 钢纤维混凝土的力学特性及机理解释 王俊 鑫 ． 蒋正波 ( 成都理工大学 环境与土木工程学院， 四川 成都6 1 0 0 5 9 ) 摘要 ： 钢纤维混凝 土是现代工程 中应用广泛的 高性能混凝土材料 ， 补 充了普通混凝土在抗拉性能、 抗剪性能、 抗 弯性能 等方面的不足， 且工艺较为简单， 易于普遍推广使用。阐述了钢纤维混凝土的性质特点， 并对其机理进行了分析。 关键词： 钢纤维混凝土； 力学特性； 机理解释 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． 5 7 2 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 2 0 9 5 — 0 1 4 4 ( 2 0 1 4 ) 0 9 — 0 0 0 9 — 0 2 1 前 言 钢 纤 维 混凝 土 在 工 程结 构 方 面 的 应 用 ， 国外 运 起 步 比较 早 ， 且 较为 成熟 。 如 ： 1 9 9 2年 完 工 的挪威 西 海岸 B y f j o r d隧道是 当时世界上最长 ，也是最深的 海底 二 车 道 隧 道 。 全 长 5 8 3 0 m． 隧道 的支 护 采 用 锚 杆 加钢 纤 维 喷 混凝 土 作 为永 久 衬 砌 支 护 ， 喷 射 混 凝 土 中的钢纤维直径为 0 ． 2 5 mm。 掺量 为 5 5 k g ／ m ， ， 喷 层 厚 度 仅 为 6 0 ～ 8 0 m i l l 。2 0 0 1年 建 成 的西 班 牙 P a r a c u e l l o s 隧道为高速公路双车道 ，长 4 6 7 2 m． 洞 身段采用喷层厚度 5 ～ 2 0 c m的钢纤维混凝土作为隧 道的单层永久支护衬砌。 我 国近 年来 对 于钢 纤维 喷射 混凝 土 作为 隧道 工 程 的单 层 永 久 衬砌 及 初 期 支护 ．己 在 Ⅱ～ V级 围岩 中进行过试验研究 ， 并取得了成功。如 ： 西康铁路秦 岭 特长 隧 道 全 长 1 8 ． 5 k m，最 大埋 深 1 6 0 0 m 左右 。 隧 道通 过岩 层 为 以混 合 片麻 岩 和混合 花 岗岩 为 主的 硬岩地段 ， 洞 身褶皱断裂发育 ， 设计选择 Ⅱ～ Ⅲ级围 岩地段采用钢纤维喷混凝土作为单层永久支护 ． 钢 纤维掺量 4 0 k g ／ m 。 ，现场喷射试验得 出抗压强度为 3 4 MP a 左右 ， 等效抗弯强度为 2 ． 1 ～ 4 ． 4 MP a [ 大量工程的实践经验 ， 以及试验数据 的积累和 研 究 ， 显 示 出钢 纤 维混 凝 土 结 构 弥 补 了不 同混 凝 土 在一 些 特性 上 的不 足 2 钢 纤维 混 凝土 的基 本 力学特 性 2 ． 1 钢 纤维 混凝 土 的抗压 性 能 钢 纤 维 混凝 土 与 普 通混 凝 土在 压 应 力一 应 变 曲 线 ( 图 1 ) 表明 ， 钢纤维 喷混凝土试件随着裂缝发展 程度的不 同， 其全过程可分为 4阶段 ： 弹性 阶段 、 裂 缝稳 定 扩 展 阶段 、 裂缝 失 稳 扩 展 阶段 和纤 维 拔 出 破 坏 阶段 塞 ＼ b 应变8／ ％ 图 1 钢 纤维喷混凝土破坏过程 根据《 单轴受压状态下钢纤维混凝土损伤本构 模型研究》 中的实验测定值 ( 表 1 ) ， 表现出钢纤维 的加入 ，并没有提高混凝土的单轴抗压强度 。但随 钢纤维体积率的增大，钢纤维混凝土单轴受压峰值 应 力 、 峰荷 应变 均有 不 同程度 的提 高 。 表 1 单轴受压下参数测定值 2 _ 2 钢纤维混凝土抗压、 抗剪性能及其韧性比较 钢纤维混凝土的静态力学性能，东南大学蒋金 洋等 曾对 C 4 0 ， C 6 0钢纤维混凝土 ( 纤维体积率为 1 ％、 2 ％、 3 ％) 进 行 了实验 ， 实 验结果 见 表 2 、 图 2 。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 — 0 8 — 3 l 作者简介 ： 王俊 鑫( 1 9 9 0 一 ) ， 男 ， 四川 阆中人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向 ： 结构工程 ， E — ma i l ： 5 2 9 9 4 2 1 4 7 @q q ．t o m． 9 2 0 1 4年第 9期 甘肃水利水 电技术 第 5 O卷 J 6 U ■ 6 0 ／ 4 0 ． 酗 2 0 -， O 0 日 0 n ■ 一 r 6 o 4 o 2 0 ▲ 一 ▲ 一． O T r C 4 O C 4 0 C 4 0 C 4 0 C 6 0 C 6 0 C 6 0 C 6 0 ( 1 ％) ( 2 ％) ( 3 ％) ( 1 ％) ( 2 ％) ( 3 ％) - 一 _ I 抗压 0 ． 4 6 ．6 1 2 ．4 4 ． 8 7 ． 5 l 5 3 +抗剪 8 9 ． 8 1 ( )7 1 2 0 9 l I 3 l 1 6 l 6 6 图2 钢纤维掺量对基体 C 4 0 、 C6 0钢纤维 混凝 土抗压 、 抗剪强度提高 比率分析 由表 2 、 图 2可 以看 出 ： ( 1 )随着钢 纤 维含 量 的增 大 ，在 基 体 C 4 0 、 C 6 0 中抗压强度提高率较低 。但基体 C 6 0表现出比 C 4 0 的提高百分比稍高。 ( 2 ) 抗剪强度测试 中， 随着 钢纤维含量在基体 C 4 0 、 C 6 0中的增高， 抗剪强度同步增高， 且趋势十分明 显。同样 ， 基体 C 6 0表现出比基体 C 4 0增高幅度大。 ( 3 ) 在表 2中， 钢纤维混凝土韧性测试 中， 阻裂 系数也随着钢纤维在基体 中的含量增高而同比增大 的趋 势 。 2 ． 3钢纤 维混凝 土 的断裂 性 能 河 海 大 学 的杨 勇 、 任 青 文 _ 4 对钢 纤 维 混 凝 土 的 断裂性能做 了实验研究 ， 得出普通混凝土与钢纤维 混凝 土 ( 1 5 k g ／ m 。 ) 的断 裂能 与位移 关 系 曲线 ( 图 3 ) 。 l 0 - 8 ／ mm 图 3 断裂能与位移关系 曲线 试件变形位移较小时．混凝土中掺加钢纤维并 不 能增加 断裂 能 的数值 ；只 有 当试 件 变形位 移较 大 时 ，混凝 土 中掺加 钢纤 维才 能有效 地增 加 断裂 能的 数值 ，且抗断裂能力较普通混凝土有很大提高。这 说明钢纤维对混凝土的起裂限制作用不明显 。 3 钢 纤维 混凝 土基本 力学 性质 的分 析 根 据上 述 的钢 纤 维 混凝 土 的 基本 力 学 性 质 ， 对 其力学性能的特征状况做 以下分析 ： ( 1 ) 钢纤维抗压强度并不会随着纤维量的曾大 而表现出强度的有效提高。这主要 因为钢纤维作为 一 种复合材料 ， 不仅受制于钢纤维的掺人量及强度 ， 也受 制 于 混凝 土本 身 的强度 。且 与钢 纤维 一 水 泥 基 界 面黏结 性状 和界 面黏 结强 度有关 。 ( 2 ) 从对表 2的分析来看 ．高等级的混凝土在 钢纤维掺入量加大后 ． 强度提高虽不明显 ， 但在同等 情况下相对于较低等级混凝土 ，强度提高率要大 。 这也 可 以解释 为 ， 由于材 料 的不 同 ， 钢 材 的力学性 能 明显 优 于混凝 土 的力学性 能 ，随着 混凝 土强 度 的提 升 ． 混凝土对钢纤维的握裹力增强 ， 使得裂缝开展处 钢纤维能更大程度上与混凝土协同工作。对裂缝 的 进一步发展起到一定限制作用。 ( 3 ) 受压条件下 ．钢纤维在混凝土中提供的抗 压 能力非 常微 小 ． 其 主要 功效 是在 试件 产生 裂缝 时 ， 对裂缝进一步发展的限制作用 。且大量文献标明 ， 钢纤 维混 凝 土的破 坏是 以钢 纤维 的拔 出或 混凝 土 的 破 坏为 主 。所 以 ，提高 混凝 土 的强度 对提 高钢纤 维 混凝土的力学性能指标是有效的。 ( 4 )钢纤维混凝土在抗剪强度与断裂性能上有 优异的表现。这方面可由纤维间距理论进行扩展解 释 。 由于基体在受到剪切应力作用下 ，钢纤维 首先 直接参与提供抗力 ； 再者随着剪切应力的增大 ， 使钢 纤 维混 凝 土 产生 微 裂缝 ，微裂 缝 处 发 生应 力 集 中 ， 由于应力集 中的影响区域 ， 杂乱分布着 的钢纤维与 混凝土协 同工作 ， 防治裂缝进一步 ( 下转 第 5 6页) 0 0 0 0 O O O O O O 吣 砌 ∞ ∞ 如 加 m 2 0 1 4年第 9 期 甘肃水利水电技术 第 5 0卷 碍洪水渲泻 ， 在填方渠段 ， 要设置适 当标准规模的渠 下涵， 保证冲沟及低洼地的洪水畅通。③改造和整 修老化渠段 ， 减轻衬砌的破坏和增加必要的调蓄工 程 。 首先 ， 为 防止 衬砌破 坏 ， 可调整 渠线 和渠 道断 面 ， 采用弧 形 渠底 切线 边坡 、 平底 弧 角直 线边 坡 ． “ U” 形 断面大块板浇筑等形式。衬砌过程 中采取抗冻措施 是关键 ， 在干渠下部适当坡面的范围内铺设憎水珍 珠岩保温板 ， 或换填非冻胀性土等方式 ． 或减缓坡 面， 增加衬砌与坡面的摩擦力等结构形式 ， 防止衬砌 破坏； 其次是为防止渠道冲淤 ， 可调整渠线或在人 口 密集的渠段增设岸坡平台围栏等措施来防护渠道 ． 防止垃圾倾倒 。再次是在灌溉系统 中增加蓄水调节 物 ， 使渠道流量能够在小范围内调节 ， 使上游控制系 统 转 变为 下游 控 制 系统 ， 增 加 调水 的机动 性 。可在 适当的位置设置备用蓄水池 ， 或增加部分渠道断面。 利用渠道上的节制闸建立 以渠道容积为基础的调节 库 容 。 ( 2 ) 政府主导 ， 群众参与 ， 对渠系进行整修加固。 政府应该是工程建设 的投资者 ． 农 民应该是该项工 程建设投资的积极参与者之一 。政府调动农民参与 建设投资， 建议村内工程按照“ 量力而行 、 群众受益 、 事前预算 、 上限控制” 的原则 。 实行“ 一事一议” ； 跨村 镇 工程 ， 实行 ‘ ‘ 一渠 一议 ” ． 还 可 以按 照工 程 的受益 范 围组建用水合作组织 。 由用水合作组织负责农民出 工出资事宜 ， 来完成金川渠系工程的整修加固。 ( 3 ) 严控施工 ， 确保工程质量。建立健全施工质 量控制 、 保证体系 ， 严格按 “ 四” 制进行建设 。严格按 相应的技术规范与标准进行施工。现场检测要有章 可循 ， 有据可依 ， 检测 、 检查要现场填写 ， 真实有效。 严格检测管理． 认真验收， 采用现场人工检查和仪器 检测相结合的办法， 确定工程的合格率， 尤其是渠坡 基土的夯筑 、 建筑物基础工程 、 砌体接缝处理等关键 环节 ， 一定要严格把关， 确保质量。 ( 4 ) 加强管理 ， 确保渠系安全运行。①改善渠道 控制方式 ， 以节约灌溉用水为 目标 ， 改“ 供水主导型” 调配方式为“ 需求主导型” ， 提高供水 的安全性 、 可靠 行和适时性。这就要求加大协调力度 ，或应用上述 新增设的蓄水工程进行调节 。 尽可能做到按需配水 。 ②对于西干渠等有垃圾淤积的渠道 ， 采用“ 高水位 、 大流量 、 速灌速停” 的引水方案 ， 既可以减轻干旱淤 积 ． 达到分散沉沙的 目的， 又可以缩短灌溉周期 ， 使 灌水用工减少 ， 灌溉时间得以保证 ： 由于输水时间的 缩短 ， 渠道的渗漏损失也减少了， 提高了灌溉水的利 用率 ， 同时， 相应地可增加灌 区的用水保证率 ， 扩大 灌溉面积， 促进整体管理水平的提高。③改革水费， 加大 征缴 力度 ．做 到财 务上 自我维 持 。对 于 渠系应 进行分段承包 。 水主管部门给承包单位 ( 承包人 ) 按 期划拨年修经费， 进行正常的维护 、 整修。同时提高 管理人员生活待遇 ， 改善工作条件 ， 稳定队伍 ， 维护 好灌溉基础设施 。 保证渠系工程正常发挥作用 ， 促进 整个 区域经 济 的发展 。 4结 语 综上所述 ．金川灌区输水渠系现状存 的问题是 多方面的 ， 但主要表现为工程老化 、 磨损 ， 渠基变形 破坏 ， 冻胀破坏。通过分析存在问题产生的原因， 从 优化设计 、 加大投入 、 严控施工 、 加强管理等方面提 出了输水渠系改造对策．以期从根本上解决金川灌 区输 水渠 系现状 存 的问题 。 ( 上接 第 1 o页 ) 扩展 ， 大大缩小 了剪应力集中的区 域 ． 从 而 起到 了 良好 的抗 剪效果 。同样 ， 在断 裂性 能 表 现上 ， 也 可 由纤 维 间距 理论 解 释 。在 阻 止 微 裂缝 的进一步扩展和由于此处钢纤维所提供的抗力 。 起 到了降低应力集中区域的效果 。 不仅 如此 ． 钢纤维的添加 ， 使得基体 的脆性 降 低 ， 大大改善了在结构受力方面的延展性 。 4结 论 钢纤维混凝 土的基本力学性质研究方面较为广 泛 ，但对力学机制研究和阐述方面仍有许多不足。 在混凝土材料与钢纤维 的协 同工作 的微观原理方 面 ，仍有不足之处。能够针对材料 围观结构的协同 56 工作 原理 ， 找 出钢纤维 混凝 土 的短板 ， 通过 改善 钢纤 维形状， 混凝土各项的材料配比， 钢纤维的掺人量等 材料参数 ， 增添外加剂等措施 ， 使钢纤维混凝土结构 具有更 为广 泛 的适用性 。 参考 文献 ： [ 1 ]祝云华．钢纤维混凝土力学特性及在隧道单层衬砌中的 应用研究[ D] ． 重庆： 重庆大学， 2 0 0 9 ． [ 2 ]王春来， 徐必根． 单轴受压状态下钢纤维混凝土损伤本构 模型研究[ J ] ． 岩土力学， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 1 ) ： 1 5 1 — 1 5 4 ． [ 3 ]黄伟， 徐桂丽， 钟毅． 钢纤维混凝土的特性极其在井壁结 构中的应用[ J ] ． 露天采矿技术， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 1 ) ： 5 6 — 5 8 ． [ 4 ]杨勇， 任青文． 钢纤维混凝土力学性能试验研究[ J l1 ． 河海 大学学报： 自然科学版， 2 0 0 6 ， 3 2 ( 1 ) ： 9 2 — 9 4 ．