钢纤维形状对混凝土力学性能的影响.pdf

4 低温建筑技术 2 0 1 2年第 1 O期( 总第 1 7 2 期) 钢 纤维形状对混凝土力学性能的影响 金永泰 ( 黑龙江省建筑设计研究院 ． 哈尔滨1 5 0 0 0 1 ) 【 摘要】 研究了钢纤维形状对 C 3 0 、 C 4 0和 C 5 0 三个强度等级混凝土抗压强度、 抗折强度、 劈拉强度和粘 结强度的影响。结果表明： 钢纤维形状对混凝土抗压强度影响不大， 但对抗折强度、 劈拉强度和抗拔出性能均有 不同程度的影响， 哑铃型钢纤维所配制混凝土的各项性能最优， 平直形最差。 【 关键词l 钢纤维； 混凝土； 力学性能 【 中图分类号】 T U 5 2 8 ． 5 7 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 — 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 1 0— 0 0 0 4 — 0 2 0 引言 普通混凝土属于典型的脆性材料， 其抗压强度较 高， 而抗拉强度相对较低， 而纤维混凝土则具有较高 的抗折、 抗拉、 抗裂性能和较好的韧性、 延性等， 同时， 对混凝土抗渗、 抗冻、 等耐久性能也具有一定 的改善 效果 ， 因此 ， 近年来在公路、 桥梁、 水工等建筑工程领 域得 到了大量 的应用 ⋯。 钢纤维混凝土是指在普通混凝土中掺入一定量 的低碳钢、 不锈钢或者玻璃钢纤维后， 所形成的一种 多向配筋混凝土。钢纤维具有不同的材质、 生产工艺 和形状， 其 中， 钢纤维的外形和截面形状是影响其与 水泥砂浆基体粘结强度的最主要因素， 而钢纤维与水 泥砂浆基体的粘结强度是影响钢纤维混凝土抗拉、 抗 裂等性能的重要指标 j 】 。钢纤维 自身的弹性模量较 高 ， 抗拉强度亦高出混凝土数倍， 钢纤维混凝土的破 坏形式通常为钢纤维被拔出， 因此， 为提高钢纤维混 凝土整体性能 ， 钢纤维形状的选取至关重要。 钢纤维按外形可分为长直形、 波浪形、 哑铃形、 弯 钩形、 压痕形和扭曲形 其截面形状主要有圆形、 矩 形 、 月牙形及不规则形 。文 中主要研究 相 同掺 量条件 下， 钢纤维外形、 对不同强度等级混凝土力学性能的 影 响。 1原材料及配合 比 试验采用 P0 4 2 ． 5普通硅酸盐水泥； I 级粉煤 灰 ， 需水量 比9 4 ％ ； 细度模数 2 ． 8的中砂 ； 5～ 2 0 ra m连 续级配碎石； 减水率 2 0 ％的萘系高效减水； 选低碳钢 纤维， 形状分别为长直形、 扭 曲形、 弯钩形和哑铃型， 长度为 3 0 ra m， 当量直径 0 ． 5 m m， 掺量均为8 0 k g ／ m 。 混 凝土设计强度等级 C 3 0 、 C A 0和 C 5 0 ， 考虑到钢纤维混 凝土拌合较困难， 将砂率确定为4 0 ％， 在计算的基础 上， 结合经验确定水泥用量及水灰 比， 混凝土配合 比 见表 1 。 钢纤维易结团、 钢纤维混凝土流动性较差、 成型 时不易捣实， 因此， 须严格控制搅拌和振捣工艺。混 凝土拌合时， 为防止钢纤维结团而影响混凝土的均匀 性， 首先将粗集料和钢纤维倒人搅拌机干拌 I m i n ， 然 后加入细集料和水泥， 继续干拌 l ra i n ， 之后边加入溶 有减水剂的水搅拌 3 m i n 。装模成型时， 先用捣棒均匀 插捣， 边角处尤其重要， 之后置于振 动台上振动、 抹 平。面层抹平过程中， 需注意将直立、 高于表面的钢 纤维清除或二次抹平。 表 1 混凝土配合比 水泥 水 粉煤灰 砂 石 钢纤维减水剂 ／ k g m 一 ／ k gm一 ／ k g m 一 ／ k g m 一 ／ k g- m 一 ／ k gm一 ／ ％ 抗压强度和劈拉强度试验试件尺寸为 1 0 0 m m 1 0 0 m m1 0 0 m m， 抗折强度试验试件尺寸为 1 0 0 m m 1 0 0mm 4 0 0n l n l o 粘结强度采用拔出试验法， 基体采用与上述混凝 土相 同水胶 比的水 泥胶 砂 ， 采 用 “ 8 ” 字形 试模 。成 型 时 ， 在试 模最 小 截 面处 预 先 放 置垂 直 于 底 板 和侧 壁 的、 带 有四个 圆孔 的隔板 ， 用 于固定钢纤 维 ， 钢 纤维埋 人端 长度为 1 0 ra m。 2试验 结果与分析 2 ． 1 钢纤维形状对混凝土抗压强度影响 钢纤维形状对混凝土2 8 d 龄期抗压强度影响的试 验结果见图 1 。 由图 1 可见 ， 钢纤维形 状对混凝 土抗 压强 度 的影 响不甚明显。对于低强度等级的 C 3 0混凝土而言， 哑 铃型钢纤维混凝土抗压强度略高， 而长直形钢纤维混 凝土抗压强度略低， 对于高强度等级的 C 5 0混凝土则 刚好相反。这是由于高强度等级混凝 土拌合物粘度 较大 ， 而哑铃型钢纤维较平直形更难于分散， 使得哑 铃型钢纤维 的匀质性 较平直形 钢纤维 混凝 土差 ， 从 而 金永泰 ： 钢 纤维形状对混凝土力 学性 能的影 响 5 引起了混凝土抗压强 度 的差异 ， 但二 者之 间 的强度 差 不大。 日 6 O 皇 毯4 O 暖 爨2 0 O 钢纤维形状 图1 钢纤维对混凝土抗压强度 的影响 2 ． 2 钢纤维形状对混凝土抗折强度的影响 钢纤维形状对混凝土 2 8 d龄期抗折强度影响的试 验结果见 图 2 。 钢纤维形状 图2 钢纤维对混凝土抗折强度的影响 由图 2可见 ， 钢纤 维形 状对 混凝 土抗折 强度 具有 明显影响， 且对高强度等级混凝土抗折强度的影响程 度高于低强度等级混凝土， 表现为哑铃型钢纤维混凝 土的抗折强度最高， 而长直形钢纤维混凝土抗折强度 最低， 扭曲形和弯钩形钢纤维混凝土强度介于二者之 间。对于 C 5 0混凝土而言， 扭 曲形、 弯钩形和哑铃型 钢纤维混凝土较长直形钢纤维混凝土抗折强度分别 高出3 ％、 9 ％和 1 5 ％。 2 ． 3 钢纤维形状对混凝土劈拉强度的影响 钢纤维形状对混凝土2 8 d 龄期劈拉强度影响的试 验结果见图 3 。 8 垂 6 簧4 2 O 图3 钢纤维形状 的影响 由图3可见， 钢纤维形状对混凝土劈拉强度的影 响规律与抗折强度类似 ， 同样为为哑铃型钢纤维混凝 土的劈拉强度最高， 而长直形钢纤维混凝土最低。 2 ． 4钢纤维形状对混凝土粘结强度的影响 首先测得不同钢纤维与水泥胶砂基体之间的拔 出力， 然后， 根据公式( 1 ) 计算钢纤维与基体之间的平 均粘结强度。试验结果见图4 。 Ⅳ ， ，、 m L J 式中， Ⅳ为拔出力； 厶为纤维埋人的长度。 2 O 1 6 螽1 2 罂s 婆4 O 钢 纤 维形 状 图4 钢纤维对混凝土粘结强度的影响 由图4可见， 钢纤维形状对混凝土粘结强度的影 响最为显著。哑铃型钢纤维与基体之间的粘结强度 最好， 弯钩形次之， 长直形最差。这是由于， 当纤维的 形状为变截面时， 纤维与基体之间呈现嵌固式结构， 拔出阻力最大； 弯钩的形状使其分布方向与拉应力方 向形成一定的角度， 使其具有一定 的嵌 固力 ； 而长直 形钢纤维的分布方 向与拉应力水平， 且表面光滑， 因 此 ， 与基体间的粘结强度最小。 3结语 ( 1 ) 钢纤维形状对混凝土抗压强度略有影响， 对于低强度等级混凝土， 哑铃型钢纤维混凝土抗压强 度略高 ， 而长直形钢纤维混凝土抗压强度略低 ， 对于 高强度等级的 C 5 0混凝土则刚好相反， 但二者之间的 强度 差异不甚明显。 ( 2 ) 钢纤维形状对混凝土的抗折强度、 劈拉强 度、 粘结强度具有显著影响， 表现为哑铃型钢纤维混 凝土性能最优， 弯钩形次之， 长直形最差。 参考文献 [ 1 ] 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 ( 自然科学版)， 2 0 0 6 ， ( 1 ) ： 9 2—9 4 ． [ 2 ] 刘永胜， 王肖钧， 金挺， 劳俊． 钢纤维混凝土力学性能和本构关 系研究[ J ] ． 中国科学技术大学学报， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 7 ) ． [ 3 ] 焦楚杰， 孙伟， 高墙正， 蒋金洋． 钢纤维高强混凝土力学性能研 究[ J ] ． 混凝土与水泥制品， 2 O 0 5 ， ( 3 ) ： 3 5 - 3 8 ． 【 收稿 日期】 2 0 1 2— 0 7— 2 5 【 作者简介】 金永泰( 1 9 7 3一) ， 男， 哈尔滨人， 高级工程师， 从 事建筑结构设计与研究工作。 8 4 O W， 毯酸鞲