钢纤维混凝土抗裂性能的试验研究.pdf

2 0 1 1年 第 7 期 (总 第 2 6 1 期 ) N u mb e r 7 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 1 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AI ，AND ADM I NI CL E d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 7 0 2 0 钢纤维混凝土抗裂性能的试验研究 尚建 丽，邢琳琳 ，梁航 ，田景云 ( 西安建筑科技大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ) 摘要： 按照某公路路面接缝设计要求， 以设计强度等级 C 5 0 作为混凝土的设计强度等级 ， 分别对钢纤维混凝土和普通混凝土进行配 制。 对比了两种混凝土的和易性和力学性能， 结果表明： 钢纤维掺入后 ， 混凝土拌合物的坍落度有所降低， 混凝土的抗压强度有较小幅度的 提高， 混凝土的抗劈拉强度和抗折强度提高幅度较大， 显著改善了混凝土的力学性能。 关键词： 钢纤维混凝土；配合比；和易性；力学性能 中图分类号 ： T U5 2 8 5 7 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 7 0 0 5 9 0 3 Exp er i men t a l r es e ar c h on a n t i c r a c k i n g p er f o r m a nc e o f s t e el f i be r c on cr e t e S HANG J i a n l i ， XI NG Li n 一 1 i n， LI ANG Ha n g， T I AN J i n g - y u n ( Ma t e r i a l s S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n gC o l l e g e ， Xi a nU n i v e r s i t yo f Ar c h i t e c t u r a l T e c h n o l o g y ， Xi a n 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： R e f e r r i n g t o a h i g h w a y p a v e m e n t j o i n t d e s i g n r e q u ir e m e n t ， i n o r d e r t o d e s i gn s t r e n g t h g r a d e o f c o n c r e t e C 5 0 a s d e s i gn s t r e n g t h gr a d e r e s p e c t i v e l y， t h e s t e e l fi b e r c o n c r e t e a n d o r d i n a r y c o n c r e t e c o nfi g u r a t i o n Co mp a r e s t h e t wo k i n d s o f c o n c r e t e wo r k a b i l i t y a n d me c h ani c a l p r o p e r t i e s ， the r e s u l t s h o ws tha t t h e s t e e l fi b e r c o n c r e t e r e g a r d i n g mi x p r o p o r t i o n i mp e r me a b i l i ty， a ft e r wh i c h s l u mp d e c r e a s e ， c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s tr e n g t h h a s s ma l l e r a mp l i t u d e i n c r e a s e ， c o n c r e t e a n t i s p l i t t e n s i l e s tr e n gth a n d fl e x u r a l s t r e n g t h i mp r o v e d t o a l a r g e r e x t e n t ， a n d i mp r o v e the me c h an i c a l p r o pe r t y o f c o n c r e t e K e y wo r d s ： s t e e l fi b e r c o n c r e t e ； mi x p r o p o r t i o n ； w o r k a b i l i ty； me c h a n i c a l p r o p e r t y 0 引言 公路路面用接缝既要承受来 自路面荷载的剪应力， 又要承受 由于混凝土热胀冷缩所引起的变形， 所以接缝材料应具有黏结能 力强 、 脆性好、 力学性能优良等特点。 路用混凝土是当代工程建 设中最为重要的结构材料， 本身具有成型简单 、 耗能低、 耐久性 好、 价格便宜等特点， 但因其是脆性材料 ， 存在抗拉强度低、 易开 可有效地改善混凝土的性能 ， 较普通混凝土而言 ， 钢纤维混凝 土具有优良的抗压强度 、 抗拉强度、 抗弯曲韧性 、 抗冲击性能 、 抗裂缝性能等， 因此， 钢纤维混凝土材料已被广泛的应用于道 路、 桥面、 隧道支撑、 水利等工程中。 本研究从实际中的某公路 路面接缝出发， 展开对钢纤维的抗裂性能的研究。 1 试验原材料 裂等缺陷， 若单独使用混凝土将会降低公路路面的使用寿命。 钢纤维： 钢纤维采用陕西群彬科技发展有限公司生产的剪 钢纤维混凝土是 由水泥、 骨料 、 水以及乱向掺入的钢纤维 切型钢纤维 ， 长径比为 5 0 。 组成的一种复合材料。 钢纤维的加入， 增强了混凝土的整体性， 水泥 ： 采用 P O 5 2 5级水泥。 其主要性能指标见表 1 。 表 1 水泥主要性能指标 细骨料： 采用泾阳产天然河砂， 经试验测试为中砂， 其主要性 能： 级配为0 1 6 5 mm； 细度模数为 2 6 ； 表观密度为 2 4 3 5 k g m3 ； 堆积密度为 1 3 8 3 k g m ； 含泥量为 2 4 。 粗骨料： 采用最大粒径为 2 0 ml n碎石。 碎石的物理指标： 级配 为 5 - 2 0 m m； 表观密度为 2 6 8 0 k g m ； 堆积密度 为 1 6 5 0 k g m ； 压 碎指标为 5 8 ； 含泥量为 0 3 。 水： 采用普通用 自来水。 外加剂 ： 采用由西安聚能特种工程有限责任公司生产的萘 系高效减水剂。 收稿 日期 ：2 0 1 1 _ o l 一 0 5 基金项目：陕西省重点学科建设专项奖金资助项 目 2 钢 纤维配合 比设 计 ( 1 ) 确定钢纤维混凝土试配强度。 抗压强度 ： 设计强度 C 5 0 的钢纤维混凝土的配制强度可由强度保证率取为 9 5 ， 对应的 保证率系数 1 6 4 5 ， 按强度标准差取值 6 0 MP a 考虑， 则钢纤维 混凝土试配抗压强度为： + 1 6 4 5 c r = 5 9 8 4 MP a 。 抗折强度： 试配抗折强度可由设计抗折强度乘以提高系数 1 1 计算， 所以， 该试配抗折强度为： 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m _， 8 O x 1 I = 8 8 MP a ( 2 ) 确定水灰比。 钢纤维混凝土水灰比为： ， R ( C W一 口) = 0 4 6 x 6 0 1 x ( C W一 0 0 7 ) 得 ： W C = O 4 ( 3 ) 确定钢纤维体积率和单位体积用量。 将 W C = O 4 ， R ,n - 8 x 1 1 3 ， O 6 2 ， l f d u 5 0 代人计算钢纤维体积率： ， 尺 ( 0 1 2 C W+ O 3 6 P f ) 得 ：p f= 1 则钢纤维单位体积用量 F o = 0 0 1 x 7 8 0 0 = 7 8 k g m3 。 ( 4 ) 确定单位体积用水量和水泥用量。 拌合物中有外加剂 ， 根据其减水效果选取单位体积用水量为 Wo = 1 8 0 k g ， 则 C o = 4 5 0 k g 。 ( 5 ) 确定砂率。 钢纤维体积率为 1 ， 增加 0 5 ， 砂率增加 3 ； 水灰 比减少 0 1 ， 砂率减少 1 ； 细度模数 2 5 ， 减少 0 5 ， 砂 率应减少 5 。 合计砂率为 4 6 。 ( 6 ) 确定单位体积砂、 石用量。 按绝对体积法计算得 G 0 = 9 3 1 k g ， S 7 9 5 k g 。 由此可得钢纤维混凝土配合 比为 1 1 1 1 中水泥 4 5 0 k g ， 水 1 8 0 k g ， 钢纤维 7 8 k g ， 砂 7 9 5 k g ， 石 9 3 1 k g 。 本研究以C 5 0 设计强度等级为基准， 进行了普通混凝土的 配合比设计 ， 试验配合比为： C： S ： G： W = 4 3 6 ： 6 8 2 ： 1 1 3 9 ： 1 7 0 =1 ： 1 5 6 ： 2 6 2 ： 0 3 9 3 试验 结果及 分析 3 1 和易性 和易性是指混凝土拌合物在拌合、 运输 、 浇灌和振捣的施工 中， 易于操作， 并且能获取质量均匀， 成型密实的性能。 它是一项 综合技术性质， 包括流动性、 黏聚性和保水性三方面的含义。 目前，尚无完全反应混凝土拌合物和易性的测定方法， 通 常是测定混凝土拌合物的流动性， 作为和易性的一个评价指标 ， 并辅以直观经验观察黏聚J 生和保水性 ， 以此综合判定混凝土拌 合物和易性的优劣。 本次试验采用坍落度法测定混凝土拌合物的流动度 ， 对于 钢纤维 昆 凝土， 经量测筒高与坍落后? 昆 凝土试体最高点之间的 距离为 8 2 mm， 即坍落度值为 8 2 mm， 拌合物流动性好。 经观察 钢纤维混凝土拌合物没有出现石子离析和泌水等不 良现象， 说 明其黏聚性和保水性良好 ； 对于普通混凝土 ， 测得其坍落度值 为 8 5 mm， 拌合物流动性好， 没有出现石子离析和泌水等现象， 其黏聚性和保水性 良好。 3 - 2 抗压强度的结果及其分析 从表 2可以看出， 钢纤维的掺入对于混凝土抗压强度几乎 没有影响， 相对于同等级的普通混凝土， 钢纤维混凝土 7 d抗压 强度仅比普通混凝土提高了 2 8 ， 2 8 d抗压强度提高了 4 7 ， 这可能是因为钢纤维掺入后， 缺乏足够的水泥浆体包裹骨料， 从 而对混凝土抗压强度的提高影响不大。 从破坏形态上分析， 普 通混凝土呈现出典型的倒四角锥形状 ， 而钢纤维的加入 ， 使得 试件上只是出现细小的竖向裂缝， 仍然保持试件的完整性。 表 2 抗压强度对 比表 ( a ) 抗 压破 坏 ( b ) 劈 拉破 坏 图 1 钢纤维混凝土抗压破坏 3 _ 3 抗劈拉强度的结果及其分析 结果表明， 钢纤维掺人后 ， 7 d龄期时， 钢纤维混凝土较普 通混凝土的的抗劈拉强度提高了 2 3 7 ； 龄期 2 8 d时， 钢纤维 混凝土较普通混凝土的的抗劈拉强度提高了 3 9 3 。 不难看出， 钢纤维对混凝土抗劈拉强度的增强效果要比对抗压强度的增 强效果显著许多， 这是因为钢纤维具有传递应力的作用 ， 能长 时间的承受外力 ， 这在一定程度上限制了变形的发展， 进而使 抗劈拉强度得到提高。 通过普通混凝土和钢纤维混凝土的抗压强度和抗劈拉强度 试验可以得出， 普通混凝土 7 d 拉压比为 0 0 7 7 ， 2 8 d的拉压比为 0 0 4 5 ； 钢纤维混凝土 7 d拉压比为 0 0 9 3 ， 2 8 d拉压比为 0 0 6 。 由 此可知， 钢纤维的掺人， 很大程度上改善了普通混凝土的脆性。 普通混凝土的破坏形态为脆性劈裂断裂， 试件加压破坏后， 分开为两半。 钢纤维的加入， 使得试件的整体性加强， 破坏裂缝 表 3 劈拉强度对 比表 6 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 4 抗 折强度对 比表 细小 ， 试件直到破坏后依然保持为一个整体。 3 4 抗折强度的结果及其分析 结果表明， 钢纤维混凝土较普通混凝土 7 d抗折强度提高 了 2 5 4 ， 2 8 d 抗折强度提高了 3 2 1 ， 由此可见 ， 钢纤维的掺 入对混凝土的抗折强度影响较为显著。 从破坏形态上看， 普通 混凝土为脆性折断， 一旦出现裂缝后便迅速扩展至破坏 ， 试件 立即失去承载能力， 所以在裂缝很小 的时候就不能继续承受 荷载。 加入钢纤维后 ， 试件的整体性增强 ， 钢纤维与基体有一 定的黏结力， 当试件发生破坏时， 黏结力会承担部分弯拉应力 ， 就能有效阻止混凝土裂缝 的产生和发展。 这就使钢纤维混凝 土的抗折强度明显高于普通混凝土的抗折强度， 显著提高试件 的承载能力。 4 钢 纤维的增强机 理 4 1 钢 纤维 的增 强理论 钢纤维混凝土是 由两种不同的基体组成的一种新型的复 合材料。 钢纤维本身的抗拉强度要比混凝土高得多， 且纤维间距 越小， 对强度提高的效果就越明显 ， 既能显著提高钢纤维混凝 土的抗拉强度 、 抗裂性能及抗弯曲韧性等一系列力学指标。 另外 ， 钢纤维对混凝土的增强效果主要是靠钢纤维和混凝 土界面间的黏结力实现的。 混凝土基体和钢纤维时紧密的黏结 在一起 的， 当荷载作用于钢纤维混凝土基体上时 ， 这种界面黏 结力会把受到的应力传递给钢纤维， 从而消散混凝土自身的应 力。 也就相当于在混凝土受到破坏的过程中， 钢纤维吸收了大部 分的能量作用， 从而改善了混凝土的性能。 由于钢纤维的弹性模量大于水泥基体的弹性模量， 在承受 荷载作用时， 钢纤维会限制水泥基体的变形 ， 水泥基体和钢纤 维的界面上出现的剪应力会将荷载有效的分配到钢纤维和水 泥基体上 ， 有效地阻止了混凝土的破坏和开裂 ， 大大提高了混 凝土各项力学指标。 4 2 钢纤维混凝土的裂缝理论 钢纤维对混凝土有很明显的阻裂作用， 在钢纤维混凝土内 部存在阻止裂纹扩展的纤维跨接区， 钢纤维起到连接纤维和基 体的作用。 钢纤维混凝土在破坏之前能够较大的阻止裂纹的扩展。 由于钢纤维的阻裂增强作用， 使得钢纤维混凝土在破坏之 前有一个缓慢裂纹扩展的区域 ， 一些学者认为 ： 钢纤维混凝土 承受荷载时， 当形成的裂纹扩展到钢纤维附近时， 裂纹会受到 它的阻挡而缓慢发展或是绕过纤维在比较通过的区域内通过， 而后会被别的纤维阻挡这样就增加了裂纹开裂途径的曲折性， 呈现出裂纹缓慢增长的现象。 形成裂纹后 ， 裂纹附近存在使裂纹 表面张开的区域， 可以用这个张开量评定混凝土的开裂情况， 随 着裂纹缓慢的增长， 扩展裂纹需要的能量也会相应的增加， 直至 达到临界值时而发生破裂。 5结论 ( 1 ) 钢纤维的掺入对混凝土拌合物的坍落度有一定的影响， 比同配合 比的普通混凝土拌合物坍落度小 3 m i l l 。 ( 2 ) 钢纤维的掺人对混凝土的抗压强度影响很小， 7 d 龄期 时仅提高 2 8 ， 2 8 d龄期也仅提高了4 7 。 但钢纤维的掺人 ， 对混凝土的抗劈拉强度有显著的提高 ， 7 d 龄期提高了2 3 7 ， 2 8 d龄期提高幅度达到 3 9 3 。 同时钢纤维混凝土的抗折强度 较普通混凝土提高很多 ， 7 d龄期时提高了 2 5 4 ， 2 8 d龄期时 提高了3 2 1 。 ( 3 ) 钢纤维的掺人可以显著改善混凝土的工作性和力学性 能， 是一种值得在建筑材料行业中应用的材料。 参考文献： 1 1赵国藩， 彭少民， 黄承魁， 等 钢纤维混凝土结构 M E 京 ： 中国建筑 工业出版社， 2 0 0 0 f 2 】潘慧敏， 闰国亮 层布式钢纤维混凝土力学性能试验研究 J 硅酸盐 通报， 2 0 1 0 ( 8 ) ： 2 9 ( 4 ) 【 3 】焦楚杰， 孙伟， 高培正 ， 等 钢纤维高强混凝土力学性能研究 J J 混凝 土与水泥制品， 2 0 0 5 ( 6 ) ： 3 4 Xi n L u o ， We i S u n ， S a m my Y N C h a n C h a r a c t e r i s t i c s o f h i g h p e r f r ma n c e 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 s u b j e c t t o h i g h v e l o c i t y i mp a c t J 2 0 0 0 ， 3 0 ( 6 ) ： 9 0 7 9 1 7 【 5 Z h a n g J u n ， S T A NG H， L i V i c t o r C E x p e r i me n t a l s t u d y o n c r a c k b ri d g i n g i n F R C u n d e r u n i a x i a l f a t i g u e t e n s i o n J J o u rna l o f Ma t e ri a l s i n C i v i l E n - gi n e e r i n g ， 2 0 0 0 ， 1 2 ( 1 ) ： 6 6 - 2 7 3 【 6 】杨勇， 任青文 钢纤维混凝土力学性能试验研究 河海大学学报 ， 2 0 0 6 ： 3 4 ( 1 ) 7 】高丹盈 ， 刘建秀 钢纤维混凝土基本理论【 M 】 北京： 北京科学技术文 献出版社 ， 1 9 9 4 【 8 杜修力， 田予东， 田瑞俊， 等钢纤维超高强混凝土的力学性能试验叽 北京工业大学学报， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 9 ) 9 陈景， 蒋林华 钢纤维增强高性能混凝土力学性能研究 J 混凝土与 水泥制品， 2 0 0 6 ( 1 ) 3 7 3 9 1 0 申淑荣 ， 徐锡权 钢纤维增强混凝土力学性能研究 J 山西建筑 ， 2 0 0 7 3 3 ( 3 0 ) ： 1 8 5 1 8 6 作者简介 联 系地址 联 系电话 尚建丽( 1 9 5 7 一 ) ， 女， 教授， 博士， 主要从事结构与节能材料 研究。 陕西省西安市雁塔路 1 3 号 西安建筑科技大学( 7 1 0 0 5 5 ) 1 31 8 6 0 O1 1 1 3 61 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m