钢纤维对混凝土强度和韧性的影响.pdf

第 3 3卷第 6期 2 0 1 2年 1 2月 华北水利水 电学院学报 J o u r n a l o f No r t h C h i n a I n s t i t u t e o f W a t e r Co n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o w e r V0 1 3 3 No 6 De c2O1 2 文章编号 ： 1 0 0 25 6 3 4 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 2 9 0 4 钢纤维对混凝土 强度 和韧性 的影响 赵 亮平 ，高丹盈 ，朱海堂 ( 郑州 大学 教 育部纤维复合建筑材料 与结构工程研究 中心 ， 河 南 郑州 4 5 0 0 0 2 ) 摘要 ： 通过对 2 3 4个钢纤维混凝土试件 的力学性能试验 ， 系统研究 了钢纤维类 型 、 体积分数 、 长径 比和混凝 土基体强度对 钢纤 维混凝土抗压强度 、 劈 拉强度 和弯 曲韧性 的影响 结果 表 明： 钢纤维对 混凝 土抗压 强度影 响不大 ， 但改变 了受压破坏 时的破坏形态 ； 随钢纤 维体积分数增 大 ， 混 凝土劈拉 强度和弯 曲韧性显著 提高 ， 高 强钢丝切断 型钢纤 维的改善效果最好 ， 长径 比越大 ， 改善效果越明显 关键词 ： 钢纤维体积分数 ； 钢纤维类型 ； 钢纤维长径 比； 强度 ； 弯 曲韧性 钢纤维加入混凝土 中能够延缓混凝土内部微裂 缝的扩展 ， 阻滞宏观裂缝 的发生和发展 ， 有效提高混 凝土的抗拉强度和变形能力 ， 改善混凝土的韧性和 延性， 避免混凝土结构无征兆 的脆性破坏 因此钢纤 维 混凝 土 ( S t e e l F i 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) 越 来越广泛地应用于工程建设的各个领域 目前 ， 国内 外对 S F R C的强度和韧性的研究大多是针对某一个 方面， 或考虑的因素 比较单一 ， 主要侧重于中高掺量 钢纤 维 和 中高 强度 混凝 土 的研 究 笔 者 通 过 大 量试验 ， 系统研究 了钢纤维类型 、 体积分数 、 长径 比 和混凝土基体强度对 S F R C强度和韧性的影响 ， 并 归纳 出各 因素对 S F R C的增强 、 增韧规律 1 试 验概况 采用 3 2 5 ( 仅用于配制 C 2 0混凝土) 和 4 2 5普 通硅 酸盐 水 泥 ； 粒 径 0 1 5 5 mm， 级 配 良好 的 中砂 ； 粒径 5 2 0 m m， 连 续级 配 的碎 石 ； J K H 一1 型 粉状 高 效减水剂 ， 减水 率 1 8 2 5 ； 拌合水为普通 自来 水 钢纤维共有 6种， 主要特征参数见表 1 试 验 按 C 2 0， C 3 0 ， C 4 0 ， C 5 0 ， C 6 0 ， C 7 0 6个 强 度 等级进行配合 比设计 ， 基体混凝土配合比见表 2 抗压和劈拉试验主要考虑混凝土基体强度等级 和钢纤维体积分数 的影响 ， 试件 尺寸为 1 5 0 m m 1 5 0 m m x 1 5 0 m m C 2 0 ， C 4 0 ， C 6 0 ， C 7 0 4个强度等级 混凝土中均掺人体积分数为 0 4 和 1 0 的 D型 钢纤维 ； C 3 0掺人体积分数为 0 2 ， 0 4 ， 0 5 ， 0 7 ， 1 0 ， 1 5 ， 2 0 ， 2 5 ， 3 0 的 D型 钢 纤维 ； C 5 0掺人 体积分 数 为 0 2 ， 0 4 ， 0 5 ， O 7 ， 1 0 ， 1 5 ， 2 0 的 D型钢纤 维 表 l 钢 纤维特征 参数表 弯 曲韧 性 试验 主 要 考虑 钢 纤 维类 型 、 体 积 分数 和长径 比的影 响 ， 试 件 尺 寸 为 1 0 0 mm 1 0 0 m m 4 0 0 m m 以 C 3 0混凝土为基本组， 分别掺入 B型、 c 型、 E型 、 F型钢 纤维 ， 掺人体积 分数 均为 0 4 和 1 0 两 种 ； 掺人 D型钢纤 维体 积分 数为 0 2 ， 0 4 ， 05 ， 07 ， 1 0 ， 1 5 ， 20 ， 2 5 ， 3 0 比较 掺 人 D 型 钢 纤 维 不 同 体 积 分 数 下 的 S F R C荷载 一挠度 曲线 ， 研究体积分数 对弯 曲韧性 收稿 日期 ： 2 0 1 21 01 0 基金项 目 ： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 1 7 8 4 3 4 ) 作者简介 ： 赵亮平 ( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 河南鹤壁人 ， 博 士研究生 ， 主要从事 纤维混凝土及其结构性能方面 的研究 高丹盈 ( 1 9 6 2 一 ) ， 男 ， 河 南三门峡人 ， 教授 ， 博导 ， 博士 ， 主要从 事新 型复合材料结构理论及其应用方面的研究 第 3 3卷第 6期 赵亮平 ， 等 ： 钢纤维对混凝土强度和韧性 的影 响 3 1 著改善混凝土的劈拉强度 ， 在 实际工程 中可 以通过 在受拉 区掺入钢纤维来改善混凝土抗拉强度 日CF 3 0 ： E 重 匡 l 重 l 2C F 5I ) 圉 匡 匡 。 1 0 0 2 0 4 0 5 0 7 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 钢纤维体积分数 图 4 不同钢纤维体积分数 下 S F R C劈拉强度 2 3 劈拉 强 度与 抗压 强度 的关 系 C F 2 0 -C F 7 0混凝土 的实测抗压强度及其相应 的劈拉强度如图 5所示 随混凝土强度等级的提高， 普通混凝土和 S F R C的劈拉强度均不 断提高， 且劈 拉强度与抗压强度有着 良好 的线性关系 对普通混 凝土 ， 二者相关 系数 R = 0 9 1 9 3 ； 钢纤维掺人体积 分数为 0 4 时 ， 相关 系数 R = 0 9 5 7 6 ； 钢纤维掺 人体积分数为 1 0 时 ， 相关系数 R = 0 9 1 9 6 同 时， 图 5还反映出钢纤维 的加入能显著提高各强度 等级混凝土的劈拉强度 ， 随钢纤维体积分数的增大 ， 混凝土劈拉强度相对于抗压强度提高的幅度越来越 大 ， 表现为 由图示公式 回归所得直线 的斜率越来越 大 说明钢纤维对以主拉应力控制 的破坏模式具有 更 显著 的改善 效果 图 5 S F RC劈拉 强度与抗压强度的关 系 3 钢纤维混凝土弯曲韧性 3 1 钢纤维体积分数对 S F R C弯曲韧性的影响 不同钢纤维体积分数下 S F R C小梁的荷载 一挠 度曲线如图 6所示 S F R C荷载峰值随着纤维体积分 数 的增大而提高 ， 荷载挠度曲线 随着钢纤维体积分 数 的增大而愈加丰满 这是 因为 ： 随荷载作用增大， 混凝土内部微裂缝稳定扩展成为宏观裂缝 ， 在这一 过程中， 跨越裂缝 的钢纤维通过 与混凝土基体 的黏 结横贯裂缝传递应力 ， 使 S F R C表现出较好 的韧性 ， 钢纤维体积分数越 大， 这一 特征越明显 峰值荷载 后 ， 钢纤维与混凝土基体间界面黏结逐步达到极限 ， 越来越多的钢纤维被拔 出或拉断， 随钢纤维体积分 数增大 ， S F R C软化段下降速率逐渐变缓 ， 甚至没有 明显的下降段 ， 并呈现出裂而不断的特征 值得注意 的是 ， 图 6中钢纤维体积分数为 3 0 不如为 2 5 时的增韧效果 ， 说明钢纤维体积分数过高时 ， 由于钢 纤维易结团等影响， 其对混凝土韧性的改善作用反 而会有所降低 4 0 3 0 1 O 0 o 05 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 挠度， m m 图 6 不 同钢 纤维体 积分数下 S F R C荷载 一挠度 曲线 3 2 钢 纤维 类型 对 S F R C弯 曲韧性 的影 响 不同钢纤维类型下 S F R C小梁的荷载 一挠度 曲 线 如 图 7所示 2 5 2 0 蚤 5 藕 框 1 0 5 0 0 0 5 1 o 1 5 2 0 2 5 3 0 挠度 n u n 图 7不 同钢纤维 类型 下 S F R C荷载 一挠度 曲线 在钢纤维体积分数相同的情况下， 高强钢丝切 断型钢纤维的增强效果显著高于剪切波纹型和铣削 型钢纤维 其中， 铣削型钢纤维的增韧效果最差 ， 体 积分数为 1 0 时的增韧效果仅与切断型钢纤维体 积分数为 0 4 时 的增韧效果相近 这 可以从钢纤 维本身的特征参数及其与混凝土的界面黏结性能两 方面来解释 随着裂缝 的扩展与延伸 ， 试件变形逐渐 增大 ， 并逐渐达到其极 限承载力 在此受力过程 中， 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 日 d H 骥辅躲 蚤 赫 挺 3 2 华北水利水 电学 院学报 2 0 1 2年 1 2月 切断型钢纤维端钩 的锚 固作用得到了较好发挥 ， 混 凝土的界面黏结力得到提高 ， 应力集中程度则得 以 降低 ， 从 而 延缓 了混 凝 土 中的 裂缝 发展 ， 提高 了 S F R C弯 曲韧性 并且 ， 当界 面黏结强度 足够高时 ， 由于切断型钢纤维本身的抗拉强度要高于铣削型和 剪 切 型钢纤 维 ， 故 试件 破坏 时 ， 切 断型 钢纤 维基 本上 是被拔 出， 而铣削型和剪切型钢纤维则是部分被拔 出， 部分被拉断 钢纤 维在被拉拔直 至破 坏 的过程 中 ， 切断型钢纤维能做 出更大 的功 ， 吸收更多 的能 量 ， 从而产生更好的增强和增韧效果 3 3钢 纤维 长径 比对 S F R C弯 曲韧性 的影 响 不同钢纤维长径比下 S F R C小梁的荷载 一挠度 曲线如图 8所示 在钢纤维类型和体积分数相 同的 情 况下 ， 长 径 比越 大 ， 增韧效 果越 好 长 径 比为 6 5的 钢纤维 ， 在体积分数为 0 4 时就有很好的增韧效 果 ， 接近于长径 比4 5的钢纤维在体积分数为 1 0 时的增韧作用 这是 因为： 长径 比越大 ， 钢纤维与t 昆 凝土基体的锚固长度也越大 跨越裂缝 的钢纤 维能 够传递更大应力 ， 更好地抑制了主裂缝 的扩展 ， 并影 响了次裂缝产生的位置 ， 使受拉区应力分布更为均 2 5 2 。 嘉 耀 。 5 O O 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 挠度 mm 图 8 不 同钢纤维长径 b 下 S F RC荷载 一挠度 曲线 匀 、 合理 同时， 由于锚固长度更大 ， 极限状态下钢纤 维被拔出所做的功也更大， 更多的钢纤维被拉断， 充 分发挥了钢纤维增强 、 增韧效果 4 结语 1 ) 加人 钢 纤 维 对 混 凝 土抗 压 强 度 没 有 明显 改 善 ， 但却使试件的破坏形态从脆性破坏转变为塑性 破坏 2 ) 钢纤维大幅提高 了混凝土 的劈拉强度， 较低 掺量的钢纤维有明显的增强作用 3 ) 加入钢纤维对混凝土 的弯 曲韧性有显 著改 善 ， 钢纤维体积分数为 2 5 时的增韧效果最好 ， 超 过 2 5 以后 ， 增韧效果有所下降 4 ) 钢纤维类型是影响混凝土弯曲韧性的重要因 素 在相同钢纤维体积分数下 ， 高强钢丝切断型钢纤 维的增韧效果显著高于剪切波纹型和铣削型钢纤维 5 ) 钢纤 维长径 比对混 凝土弯 曲韧性有 明显影 响 在相同钢纤维类型和体积分数下 ， 钢纤维长径 比 越大 ， 增韧效果越好 参 考 文 献 1 黄承 逵 纤 维 混 凝 士 结 构 M 北 京 ： 机 械 工 业 出版 社 ， 2 0 0 4 2 赵顺波 ， 孙晓燕 ， 李长永 ， 等 高 强钢纤维 混凝土 弯曲韧 性试验研究 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 3 ， 6 ( 1 ) ： 9 5 9 9 3 朱 海堂 ， 高丹盈 ， 谢丽 ， 等 钢纤 维高强混 凝土弯 曲韧性 的试验研究 J 硅酸盐学 报 ， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 5 ) ： 6 5 66 6 0 4 中国工程建设标准化协会 C E C S 1 3 ： 2 0 0 9纤维混凝土 试验方法标准 s 北京 ： 中国计划 出版社 ， 2 0 1 0 I nflue nc e s of S t e e l Fi b e r o n S t r e n g t h a nd To ug hn e s s o f Co nc r e t e Z HAO Li a n g pi n g，GAO Da n - y i n g，ZHU Ha i t a n g ( E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r o f F i b e r C o m p o s i t e Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e ， Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ， 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 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t：Th r o u g h t h e me c ha ni c a l p r o p e r t y t e s t s o f 23 4 s a mpl e s，t he e f f e c t s o f t y p e s，v o l ume f r a c t i o n s a nd a s p e c t r a t i o s o f s t e e l fib e r a s we l l a s c e me n t ma t r i x s t r e ng t h o n t he c o mp r e s s i v e s t r e n g t h，s p l i t t i ng t e n s i l e s t r e ng t h a nd fle x u r a l t o u g h ne s s o f s t e e l fibe r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s( S F R C )w e r e i n v e s t i g a t e d T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t s t e e l f i b e r h a d l i m i t e d i m p a c t o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ， b u t a l t e r e d t he c o mp r e s s i v e f a i l ur e pa t t e r n o f c o nc r e t e s The s p l i t t i n g t e ns i l e s t r e n g t h a n d f l e x ur a l t o ug h n e s s o f c o n c r e t e s we r e i mp r o v e d o b v i o us l y b y t h e i n c r e a s e o f v o l ume f r a c t i o n o f s t e e l fib e r Th e i mp r o v e me n t o f s t e e l wi r e c ut s t e e l f i b e r wa s t he b e s t ，t h e g r e a t e r t he a s p e c t r a t i o wa s，t h e mo r e o b v i o u s o f t he i mp r o v e me n t a p p e a r e d Ke y wo r ds：v o l ume f r a c t i o n o f s t e e l fib e r ；t y p e o f s t e e l fib e r ；a s p e c t r a t i o o f s t e e l fib e r ；s t r e n g t h；fle x ur a l t o ug h n e s s ( 责任编辑 ： 蔡洪涛 )