钢纤维和膨胀剂复合效应对喷射混凝土弯曲韧性的影响分析.pdf

2 0 1 2年 第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C0NC RE T E AND C E ME NT P RO DUC T S 2 01 2 No 2 F e b r u a r y 钢纤维和膨胀剂复合效应对喷射混凝土 弯 曲韧性的影响分析 赵 晓晶， 马芹永 ( 安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心 ， 淮南 2 3 2 0 0 1 ) 摘要 ： 基 于韧 性在 混凝 土结构 中的重要性 ， 采用 三分点加 载的方式 ， 探讨 了膨胀 荆和 钢纤维的复合 效应对喷 射混凝土弯 曲韧性的影响规律 。 结果表 明， 当钢纤维和膨胀剂的掺量分别 为 1 2 和 8 时 ， 喷射补偿收 缩钢 纤维混凝 土的荷载一 挠度 曲线最为饱 满； 弯曲韧度指数和承载能力 变化 系数均 大于理 想弹性材料 的相应值 。 关键词 ： 膨胀 剂 ； 钢纤维 ； 喷射 补偿 收缩钢纤维混凝土 ； 弯曲韧性 Ab s t r a c t ： B a s e d o n t h e i mp o r t a n c e o f t o u g h n e s s i n c o n c r e t e s t r u c t u r e ，u s i n g t h e me t h o d o f t h r e e - p o i n t l o a d i n g ，t h e e f f e c t i n g l a w s o f t h e c o mb i n e d e f f e c t o f e x p a n s i v e a g e n t a n d s t e e l fi b e r o n fl e x u r al t o u g h n e s s o f s h o t c r e t e a r e d i s c u s s e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t山e l o a d d e fl e c t i o n C H I V e o f s h r i n k a g e c o mp e n s a t i n g s t e e l fi b e r r e i n f o r e e d s h o t c r e t e i s fi n e s t w h e n the s t e e l fi b e r c o n t e n t i s 1 2 a n d e x p a n s i v e a g e n t c o n t e n t i s 8 An d t h e fl e x u r a l t o u g h n e s s i n d e x a n d t h e c o e ff i c i e n t o f l o a d i n g c a p a c i t y v a r i a t i o n a r e b o t h b i g g e r t h a n t h e v a l u e s o f i d e a l e l a s t i c ma t e ri a l s Ke y wo r d s ： E x p a n s i v e a g e n t ； S t e e l fi b e r ； S h ri n k a g e c o mp e n s a t i n g s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d s h o t c r e t e ； F l e x u r a l t o u g h n e s s 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 2) 0 2 4 5 0 4 0前 言 在煤矿建设与支护 中， 喷射混凝土是一种应用 很多的材料 。普通混凝土的脆性显著 ， 安全性低， 为 克服这一 缺点 ， 在深部 软岩巷道支护中 ， 钢纤维混 凝土的应用广泛 1 。利用现代喷射技术 ， 在普通喷射 混凝土 中掺入适量的钢纤维， 用膨胀剂等量取代水 泥 ， 利用物理化学共 同作用 ， 可避免或减 少开裂 ， 使 混凝土的破坏模式 由脆性转为延性囱 。 钢纤维喷射混凝 土的韧性 是指钢纤维 喷混凝 土在承载过程中承受变形的能力 ， 亦 即材料开裂产 生较大变形 的仍可保持材料强度不明显 降低 ， 这是 钢纤维喷混凝土的一个重要特性 3 】 。但评价弯曲韧 性的方法并没有统一 的标准 ， 目前最具代表性的方 法是美 国的 A S T M C 1 0 1 8韧度指数法 ， 我国在 J G J T 2 2 1 2 0 1 0 纤维混凝 土应用技术规程 中所采用 的 弯 曲韧度指数法 即是 以此为基础的。马芹永等4 1 在 早龄期钢纤维混凝土弯曲韧性试验与分析 中得出 ， 随着钢纤维掺量 的增加 ， 韧性指数及剩余强度系数 有较大提高 ； 赵顺波 等5 J 对高强钢纤维混凝土 的弯 曲韧性进行了研究 ， 认 为带弯钩的弓形钢纤维与混 凝土基体有更好 的粘结锚 固作用 ， 增强增韧效果非 常明显。国内外虽对钢纤维混凝土的弯曲韧性有较 基金 项 目： 高校博 士学 科点 专项基 金 ( 2 0 0 9 3 4 1 5 1 1 0 0 0 1 ) ； 安 徽省高校省级 自然科学研 究项 目( K J 2 0 1 0 A1 0 3 ) 。 为深入 的研究 ， 但对于喷射补偿收缩钢纤维混凝土 这种新型复合材料 的研究却很少见。本课题组崔朋 勃得出嘲 ， 与膨胀剂掺量为 0 、 6 、 8 、 1 0 的喷射补 偿收缩混凝土相 比， 钢纤维掺量为 1 2 的喷射补偿 收缩钢纤维混凝土 2 8 d劈裂抗拉强度分 别提高 了 3 2 8 、 3 7 0 、 6 3 1 和 5 6 6 。说明这种新 型建筑 复合材料的基本力学性能 良好 ， 但为 了更好地应用 于实际工程中 ， 需要从韧性 的角度对其继续做较为 深入的研究。因此 ， 本文以喷射素混凝土为基体 ， 掺 入膨胀剂 和钢纤维 制成 喷射补偿 收缩钢纤维 混凝 土 ， 研究 了膨胀剂和钢纤维的复合效应对混凝土弯 曲韧性的影响 ， 为其在煤矿巷道工程应用提供理论 基础 。 1 试验 概 况 1 1 原材料 水泥 ： P 0 4 2 5级普通硅酸盐水泥 细骨料 ： 中砂 粗 骨料 ： 粒径 为 5 - 1 0 mm 的碎石 速凝剂 ： 淮南某厂产 D型速凝剂 膨胀剂 ： 天津某公司产 H C S A高性能? 昆凝土膨 胀 剂 钢纤维 ：上海某厂生产的剪切端钩型钢纤维 ， 长径比 4 5 ， 长 2 5 m m， 抗拉强度大于 8 0 0 MP a 水 ： 日常饮用水 45 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 1 9 0期 1 2 配合 比设计 根据试验研究 目的进行正交试验 。混凝土强度 按 C 3 0进行设计 ， 水灰 比采用 0 4 8 ， 砂率取 4 5 ， 基 准配 合 比如 表 1 所 示 。 表 1 混凝 土基 准配合 比 k r C m。 其中， 钢纤维采用外掺法 ， 体积掺量为 0 、 1 2 ； D型速凝剂和 H C S A膨胀剂均采用 内掺法 ，即速凝 剂等量取代水泥 2 ，膨胀剂等量取代水泥 0 、 6 、 8 、 1 0 。 1 3 试 验 方法 依据 J G J T 2 2 1 2 0 1 07 1 ，本试 验采 用尺 寸为 1 0 0 mmx 1 0 0 m mx 4 O O mm 的小梁 试件 ，跨 度 为 3 0 0 l n m， 每组 4根 ， 共 6 4个试件。 混合料经搅拌 、 振捣成 型后 ， 放人标准养护室内养护 7 d 、 2 8 d ， 试验前 1 d拿 出试件进行弯曲韧性测试 。仪器采用 WA W一 6 0 0型 微机控制 电液伺服万能试验机 ，位移 闭环控制 ， 速 率取 0 0 5 0 1 mm mi n ， 一次加载时间至少为 1 5 mi n ， 采用三分点加载， 加载示意图如图 1 所示。 图 1弯 曲韧 性 试 验 不 意 图 2试 验结 果 与分 析 2 1 荷载一 挠度曲线 图 2为钢纤维体积率为 1 2 时 ，掺入 0 、 6 、 8 、 1 0 膨胀剂的喷射补偿 收缩钢纤维混凝土弯 曲 韧性试验 中的荷载一 挠度 曲线 。钢纤维体积率为 0 时的 喷射补偿收缩 混凝 土 的荷 载一 挠 度 曲线未 列 出 ， 是 因为其破坏模式体现为一裂即断 ， 如 图 3 ( a ) 所示 。 从图 2中可 以看出 ， 单掺钢纤维 已使普通混凝 土 由脆性转为延性 ， 这是因为钢纤维在混凝 中形成 均 匀的三维约束 ， 对混凝土有增强增韧和阻裂 的效 46 0 U 5 1 U 1 5 2 0 挠度 ram 图 2荷载一 挠度曲线 应 ， 但其强度并不高 ， 从第一峰值到第 二峰值 的过 程缓慢 ， 承载力不高 ， 韧性也不显著 ， 且试验破坏现 象表现为钢纤维拔出， 说 明钢纤维与混凝土基体的 粘结力不好 。双掺钢纤维和膨胀剂的情 况下 ， 当膨 胀剂掺量为 6 时 ，喷射补偿收缩钢纤维混凝土的 抗弯极限荷载提高 ， 第一峰值后承载力下降幅度不 大 ， 韧性也有一定程度 的提 高 ， 但在 承受荷 载的后 期 ， 荷 载一 挠度曲线不饱满 ， 说明少量的膨胀剂所充 当的粘 结剂并不能使钢纤维与基体有很好 的粘结 力 。当膨胀剂掺量为 8 时 ， 混凝土的抗弯极限荷载 和初裂荷载均有很大程度的提高 ， 在承受荷载 的过 程中， 韧性显著提高 ， 混凝土宏观裂缝 出现后 ， 承载 力下降幅度较小 ， 从破坏形态来看【 图 3 ( b ) 】 ， 混凝土 延性较 好 ， 在破 坏前有 一定的预兆 ， 从 曲线 3可 以 看出 ， 荷载一 挠度 曲线饱满 ， 此时 ， 混凝 土 的变形和 强度 同步发展 ， 膨胀剂和钢纤维 的复合效应 达到了 最佳状态旧 。当膨胀剂掺量为 1 0 时 ， 喷射补偿收缩 钢纤维混凝土的抗弯极 限荷载明显 降低 ， 自从混凝 土 由微观裂缝转为宏观裂缝 ， 混凝土裂缝宽度迅速 增大 ， 承受荷载的能力逐渐下 降 ， 这是 因为膨胀剂 经水化后产生 的膨胀源过 多 ， 块体过大 ， 非但混凝 土原有 的裂缝 、 孑 L 洞 中未填实 ， 反而在缺 陷处产 生 过大 的膨胀压 ， 使裂缝更 为迅速 的延 伸 ， 混凝 土结 构 内部缺 陷过多 ， 表现 出一定 的脆性 ， 弯 曲韧性很 低 ， 且从断裂面可 以观察 到小部分颜 色较深 、 纤 维 ( a )普通喷射补偿收缩混凝土 ( b ) 钢纤维 喷射补偿 收缩混凝土 图 3 弯 曲韧性试验破坏模式 对比 6 4 2 O 8 6 4 2 O z 挺 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 赵晓晶， 马芹永 钢纤维和膨胀剂复合效应对喷射混凝土弯曲韧性的影响分析 结 团、 孔洞大且多的现象。 2 2 弯 曲韧度指数和承载能力变化系数 根据 J G J 仃 2 2 1 2 0 1 0 n和 C E C S 3 8： 2 0 0 4 纤 维混凝土结构技术规程 3 计算得 出的喷射钢纤维 混 凝土和喷射补偿收缩钢纤维混凝 土的弯 曲韧 性 各参数如表 2和表 3所示。 根据美 国 A S T M C1 0 1 8韧度指数法 嘲 ，对于理 想弹性 材料 ，弯 曲韧性指数 I s 、 I l o I 加 、 I 3 0 分别 为 5 、 1 0 、 2 0 、 3 0 。根据 弯曲韧性指数 的计算方法 ， 喷射素 混凝土和喷射补偿收缩混凝土的 I 5 = I 。 0 ： = I 2 0 = I 3 0 = 1 。由 表 2和表 3可 以看出 ，以喷射钢纤 维混凝土为基 体 ， 当掺 人一定量 的膨胀剂 时。 ， 可提高混凝土 的弯 表 2 膨胀剂和钢纤维共 同作 用下混凝 土弯曲韧性各 参数( 7 d龄期 ) 注 ： 表 中仅列 出各参数 的平 均值 ； P G 一 1 代 表喷射钢纤维混凝 土 ， 其 中， 钢纤维体积率为 1 2 ， 膨胀剂掺量为 0 ； P B G代表钢 纤 维体 积率为 1 2 的喷射补偿收缩钢 纤维混凝土 ，其 中 ， P B G 一 1 的膨胀剂掺量 为 6 ， P B G 一 2的膨 胀剂掺量为 8 ， P B G 一 3的 膨 胀剂掺量为 l O 。 表 3 膨胀剂和钢纤维共同作用下混凝土弯 曲韧性各参数 ( 2 8 d龄期 ) 注 ： 同表 2 。 曲韧性指数 。膨胀剂掺量为 8 时 ， 各弯 曲韧性指数 均大于理想 弹性材料的相应值 ， 而其余各量都有低 于此值 的现象 。以普通混凝土为参照， 标养 2 8 d后 ， I 5 、I i 0 、1 2 o 、I 3 0 分别 提高 了 5 1 o 、 9 8 6 、 1 9 2 2 o 和 3 0 1 6 0 ， 韧性表现的相当明显。 对于理想弹性材料 ， 其 承载能力变化系数 l ，适量的膨胀剂可 以提高 混凝土的承载能力变化系数。表中得 出， 7 d龄期的 混凝土 ， 考 一般在 0 2 5 1 0 2之间变化 ， 2 8 d龄期 的 考 ，3 o 一般为 0 3 9 1 1 0 ，均小于 毫 m 5 和 m , 1 0 的 变化范 围 ， 说 明随着荷 载强度 的增大 ， 混凝 土后期 的承载能力下降 ， 并逐渐接近于破 坏。混凝土 养护 7 d后 ，膨胀剂掺量从 0增加到 8 ，弯 曲韧度 比由 0 6 9增大到 0 9 3 ， 提高 了 3 4 7 8 ； 混 凝土养护 2 8 d 后 ， 膨胀 剂掺量从 0增加到 1 0 ， 弯 曲韧度 比则下 降了 3 2 3 5 。综合弯曲韧性各参数 ， 喷射补偿收缩 钢纤维混凝 土的最佳匹配掺量是 1 2 的钢纤 维和 8 的膨胀剂。 2 3 极限荷载和初裂韧性 图 4和 图 5分别为各类 型喷 射混凝 土的 7 d 、 2 8 d抗弯极限荷载和初裂韧性与膨胀剂掺量的关 系 Z 糖 醛 辎 静 l 犀 屦 图 4 抗弯极限荷载和膨胀剂掺量的关系 图 5 初裂 韧性 和膨 胀剂掺量 的关 系 4 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 1 9 0期 曲线 。 从图 4、 图 5的 1 、 2曲线可以看 出， 在钢纤维掺 量一定的条件下 ，喷射补偿收缩钢纤维混凝土 7 d 、 2 8 d抗弯极限荷载和初裂韧性与膨胀剂掺量的关 系 趋势体现 了一致性 。随着膨胀剂掺量 的增加 ， 抗弯 极限荷载和初裂韧性均是先增大后减小。相对于喷 射素混凝土 ， 喷射补偿收缩钢纤维混凝土 的 7 d 、 2 8 d 极限抗弯强度最大 ， 能够提高 2 9 2 7 、 1 7 0 5 ； 相对 于喷射钢纤维混凝土 ，膨胀剂掺量为 8 的喷射补 偿收缩钢纤维混凝土养护 7 d后 的抗弯极限荷载增 加 了 7 5 6 ， 2 8 d增加 了 9 3 3 ； 7 d 、 2 8 d的初裂韧性 分别提高了 9 9 1 、 1 3 8 9 。由图可见 ， 在膨胀剂掺 量为 8 时 ， 抗弯极限荷载和初裂韧性达到峰值 。 从 图 4中的 3 、 4曲线可 以看 出 ，掺人一定量 ( 6 )的膨胀剂可以使普通混凝土的强度提高 ， 7 d 、 2 8 d极限抗弯强度最大能够提高 7 7 3 和 3 2 8 。 众 所周知 ， 水泥在水化硬化 时能够生成一种名为水化 硅酸钙凝胶( C S H) 的物质， 其结晶不完整 ， 且排列 错综复杂 ， 形成蜂窝型的网状结构。在膨胀剂掺量 合适的条件下 ， 水化过程 中形成的钙矾石能够切断 和堵塞 毛细孔缝 ， 降低 总孔 隙率 ， 使混凝 土更 加密 实 ， 从而提高混凝土的强度。但 当膨胀剂掺量过大 ( 1 0 ) 时 ， 喷射补偿收缩混凝土 的抗弯极限荷载出 现 了急 剧 下 降 的现象 。这 是 因为 掺 量 过 大 时 ， 膨 胀 剂经水化硬化后产生大量 的 C a ( O H) ： 等结晶体 ， 在 混凝土 中局部聚集 ， 使该部分应力过大而产生膨胀 开裂 ， 无法起到对混凝土补偿收缩的作用。 可见 ， 混凝土基体 中约束力的存在直接影 响着 膨胀剂作用效果的发挥。喷射补偿收缩钢纤维混凝 土 中， 膨胀 剂充 当粘结剂的角色 ， 钢纤维有微筋 的 作用 。单掺膨胀剂时 ， 混凝土强度提高并不明显 ， 且 依旧一裂即断。单掺钢纤维时 ， 虽对强度有一定 的 提高也使得混凝土有一定 的韧性 ，但 提高并不显 著 。双掺膨胀剂和钢纤维时， 钢纤维在混凝 土基体 中的三维约束限制 了混凝土的膨胀和收缩 ， 其乱 向 分布 的特性又 能有效 阻止裂缝 的继续延伸和新裂 缝的形成 。由以上分析也可看出 ， 钢纤维的最 大作 用不在于对混凝土的极限强度有很大的提高 ， 最重 要的在于其对混凝土有明显的增韧作用 ， 而膨胀剂 水化后会在混凝 土基体 中形成微膨胀 ， 有效地补偿 了收缩 ， 使钢纤维与基体之 间的粘结力提 高 ， 而钢 纤维又对膨胀剂的微膨胀有一定的约束 ， 两者取长 补短 、 相辅相成 ， 使得喷射补偿 收缩钢纤维混凝 土 的弯曲韧性各性能均 比普通混凝土优越 。 3结论 4 8 ( 1 ) 单掺膨胀剂的喷射混凝土和素混凝土一样 具有很大的脆性 ， 但适量掺入膨胀剂 可以提高混凝 土的极限抗弯强度 ； 单掺钢纤维的混凝土虽有一定 的延性 ， 但其韧性并 不高 ， 且部分 钢纤维拔 出使混 凝土破坏 ， 说明钢纤维本身的性质是其对 喷射钢纤 维混凝土增强增韧的一个重要因素 ， 但钢纤维与混 凝土基体之间的粘结与强度具有一定的匹配关系。 ( 2 ) 钢纤 维和膨胀剂的复合效应使得喷射混凝 土的弯 曲韧度指数均大于理想弹性材料各数值 ， 承 载能力显著提高。当膨胀剂掺量 为 8 时 ，养护 7 d 后 ， 喷射补偿收缩钢纤维混凝土 的弯曲韧度提高 了 3 4 7 8 ， 且荷载一 挠度 曲线饱满 ； 但继续增加膨胀剂 的量 ， 则使混凝 土的弯 曲韧度呈下降趋势。 ( 3 ) 在混凝 中掺人适量的钢纤维 和膨胀剂 ， 对 其抗弯极限荷载 、 初裂韧性和弯 曲韧度 比的提高较 为明显 ， 荷载一 挠度曲线最饱满。当钢纤维和膨胀剂 的掺量分别为 1 2 和 8 时 ，喷射补偿收缩钢纤维 混凝土养护 2 8 d后 ， 其抗 弯极 限荷载和初裂韧性分 别提高了 9 3 3 、 1 3 8 9 。 在基本力学性能优良的基 础上 ， 证 实其弯 曲韧性性能优越 ， 如在煤矿建设 与 支护中应用 ， 可提高安全系数 。 参考文献 ： 1 马芹永 ， 葛祥 钢纤 维混凝 土及其在 矿 山上 的应用 J 东 北煤炭技术 ， 1 9 9 9 ( 1 ) ： 2 7 2 9 【 2 J We i S u n ， H u i s u C h e n ， X i n L u o ，e t a 1 T h e e f f e c t o f h y b ri d fib e r s a n d e x p a n s i v e a g e n t o i l t h e s h rin k a g e a n d p e r me a bi l i t y o f h i g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e 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 ， 2 0 0 1 ( 31 ) ： 5 9 5 6 0 1 3 中 国工程建 设标准 化协会 标准 纤维 混凝土结 构技 术规 程 ( C E C S 3 8 ： 2 0 0 4 ) S 4 马芹永 ， 袁文华 ， 付传 清 ， 等 早龄期钢纤维混凝 土弯 曲韧 性试验 与分 析【 J 1 特种结构 ， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 4 ) ： 5 3 - 5 5 5 】 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 6 崔朋勃 ， 马芹 永 膨胀剂对喷 射补偿收缩钢 纤维混凝 土力 学性 能的影响I J 1 混凝 土与水 泥制品 ， 2 O L O ( 5 ) ： 4 5 4 7 【 7 】中国工程 建设 标准 化 纤维 混凝 土应 用技术 规程 ( J G J T 2 2 1 - 2 0 1 0 ) 【 s 】 8 】 A S T M C 1 0 1 8- 8 5 S t a n d a r d t e s t m e t h o d f o r fl e x u r a l t o u g h n e s s a n d fi rst c r a c k s t r e n g t h of fi b e r r e i n f o r c e d e o n e r e t e ( u s i n g b e a m w i t h t h i r d p o i n t l o a d i n g ) S 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 1 2 - 2 8 作者简 介 ： 赵晓晶 ( 1 9 8 5 一 ) 女 ， 硕 士研 究生。 通讯地 址 ： 安徽理工大学土木建筑学 院 联 系 电话 ： 1 5 1 5 6 6 4 O 8 6 5 E - ma i l ： x j z h a o a u s t e d u o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m