水工钢纤维混凝土力学性能应用研究.pdf

水利科研 东北水利水电 2 0 1 4 年第 1 0 期 【 文章编号】 1 O 0 2 一O 6 2 4 ( 2 O 1 4 ) 1 O O O 4 0 一O 3 水工钢纤维混凝土力学性能应用研究 夏海江 2 ， 梁力 1 ( 1 东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 1 1 0 8 1 9 ； 2 辽宁省水利水电科学研究院， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 3 ) 【 摘 要 】 纤维混凝土是一项新型复合材料 ， 在混凝土工程界得到广泛关注。 文章结合辽宁省大 伙房水库输水工程( 一期) 钢纤维混凝土配合比设计项 目， 开展 了钢纤维混凝土系列技术试验 研 究。 分析比对了铜纤维混凝土不 同体积率的力学性能变化趋势， 为该技术应用提供试验与 理论基础 。 关键词】钢纤维混凝土； 力学性能； 试验研究 中图分类号 T V 4 3 1 【 文献标识码 】 B 关于钢纤维混凝土技术，早在 1 9 1 0 年美国有相关研 究报告 ， 英、 法、 德等国在 1 9 4 0年也开始研究 ， 并于 1 9 6 3 年有了关于钢纤维约束混凝土裂缝开裂机理的文献 ， 至此 进入了这种新型复合材料的开发研究应用阶段。 2 0世纪 7 0年代， 我国展开了钢纤维混凝土基本性能 与机理研究。研究表明钢纤维混凝土具有截面小、 强度高、 韧性好、 施工简便等多方面优点 ， 在隧洞衬砌 、 矿山井巷衬 砌、 房屋建筑、 公路桥梁等工程建设中广泛应用 ， 取得很好 效果。 1工程背景 辽宁省某大型输水工程( 一期) 采用自流无压引水 ， 输 水隧洞全长近百公里 ， 向中部地区 6 座城市提供工业和生 活用水的一项大型跨流域引水工程。输水隧洞开挖洞径 8 0 m， 成洞洞径 7 1 6 m， 设计调水流量为 6 0 m V s ， 多年平 均调水量 1 8 4 3 亿 m 3 。 总投资 5 7 1 2 亿元。 该工程输水隧洞部分段采用了钢纤维混凝土衬砌， 为 开展钢纤维混凝土技术应用研究提供了基础条件 。 2 材料与方法 2 1 材料 1 ) 钢纤维： 特征参数主要有钢纤维长度、 直径( 或等效 直径 ) 、 长径比及体积率1 4 1 。采用鞍山市昌宏钢纤维有限公 4 0 司生产的螺纹型和超细型两种。 2 ) 水泥 ： 浑河牌 P O4 2 5 。 3 ) 粉煤灰 ： 沈海热电厂 I 级粉煤灰。 4 ) 细骨料： 抚顺章京 1 2 号料场的天然河砂 ， 中砂。 5 ) 粗骨料 ： 抚顺章京 1 2号料场 的卵石 ， 二级配 ( 5 - 1 0 ， l O - 2 O mm) 。 6 ) C h i n 剂： 上海麦斯特高效减水剂 ， 属聚羧酸盐类。 7 ) 水 ： 自来水。 2 2 基本参数 1 ) 基准混凝土配合比粉煤灰掺量为 1 0 。 2 ) 最优砂率为 4 5 。 3 ) -级粗骨料重量比 1 ： 1 。 4 ) 初始坍落度控制为 1 9 0 3 0 r n l n 。 5 ) 混凝土设计强度等级为 C F 3 0 F 1 0 0 W8 ， 配制抗压强 度按 G B 5 0 2 0 4 ( 混凝土结构工程施工及验收规范) 的规定 ， 计算为 3 8 2 MP a 。 6 ) 水灰比按j G j 5 5 - 2 o o ( 普通混凝土配合比设计规程 及混凝土配制强度 、水泥 2 8 d实测强度值初算 。根据 C E C S 3 8 ： 2 0 0 4 ( 纤维混凝土结构技术规程 ， 对于以耐久性 为主要要求的混凝土 ， 水灰比不得大于 O 4 5 ； 根据 泵送混 凝土施工技术规程) F G J T 1 0 9 5 ，泵送混凝土的水灰比宜 为O 4 - 0 6 ， 试验中使用的外加剂具有高效减水作用。因此， 2 0 1 4 年第 l 0 东北水利水电 水利科研 确定基准混凝土配合比水灰比为 W ( C + F ) = O 4 0 。 7 ) 基准混凝土单位用水量为 1 6 8 l c g 。 8 ) 槭已 有资料及卫匿 l 经验， 选择钢纤维体积率为 0 5 0 ， 对应掺量为 4 0 k g m 3 。其他体积率的对应掺量按此等比例 计算。 2 3 方法 基准混凝土配合比分别掺入 2 种钢纤维 ， 钢纤维体积 率分另 U 为 0 ， 0 2 5 ， O 5 ， o 7 5 ， 1 O 。 1 2 5 ， 1 5 ， 1 7 5 ， 2 0 ， 进行混凝土拌合 ， 测试抗压强度、 抗折强度 、 劈裂抗 拉强度、 初裂强度、 韧度指数。 3 结果 3 1抗压强度 随着钢纤维体积率增加 ，混凝土抗压强度逐渐降低； 在相同钢纤维体积率时 ， 超细型钢纤维混凝土抗压强度普 遍大于螺纹型钢纤维混凝土抗压强度 O 5 5 5 MP a ，高出 比例为 1 2 - 1 7 O 。当钢纤维体积率为 0 时 ( 即素混凝 土 ) ， 钢纤维混凝土抗压强度最高， 掺超细型和螺纹型两种 钢纤维的混凝土抗压强度均为 4 2 4 MP a ； 当钢纤维体积率 为 2 0 时， 掺两种钢纤维的抗压强度均达到较小值 ， 抗压 强度分别为 3 1 9 MP a 和 3 0 1 MP a ，相当于素混凝土抗压 强度的 7 5 和 7 1 。混凝土抗压强度与钢纤维体积率变化 过程曲线见图 1 。 同时 ， 钢纤维混凝土抗压试验过程中 ， 试件破坏面较 素混凝土的粗糙 ， 与水平面夹角达到 6 0 o 7 0 o ， 近似与加载 方向平行 。 且混凝土破碎现象不明显。说明钢纤维混凝土 抗剪切能力增强。 3 2 抗折强度 随着钢纤维体积率 由O O 增大到 1 5 ， 混凝土抗折 强度缓慢逐渐增大 ； 由 1 5 增大到 2 O ， 混凝土抗折强度 逐渐降低。在相同钢纤维体积率时， 超细型钢纤维混凝土抗 折强度普遍大于螺纹型钢纤维混凝土抗折强度 o 1 O 0 5 3 MP a ，高出比例为 2 2 1 2 6 。当钢纤维体积率 为 1 5 时， 钢纤维混凝土抗折强度最高 ， 掺超细型和螺纹型两种钢 纤维的混凝土抗折强度分别为 5 0 5 MP a 和 4 6 2 MP a 。 3 3 劈裂抗拉强度 随着钢纤维体积率 p ， 由 O O 增大到 1 7 5 ， 混凝土劈 裂抗拉强度缓慢逐渐增大； 由1 7 5 增大到2 0 ， 混凝土 劈裂抗拉强度逐渐降低。在相同钢纤维体积率时 ， 超细型 钢纤维混凝土劈裂抗拉强度普遍大于螺纹型钢纤维混凝 土劈裂抗拉强度 0 O 6 o 5 5 MP a ， 高出比例为 1 6 - 1 3 3 。 当钢纤维体积率p ， 为 1 7 5 时，钢纤维混凝土劈裂抗拉强 度最高， 掺超细型和螺纹型两种钢纤维的混凝土劈裂抗拉 4 5 4 0 3 5 3 O 2 5 2 O 1 5 1 O 0 O 0 0 2 5 0 5 0 0 7 5 1 O 0 1 2 5 1 5 O 1 7 5 2 0 0 体积率 图 1混凝土抗压强度与钢纤维体积率变化过程曲线 强度分别为4 9 9 MP a 和 4 9 1 MP a 。 3 4 初裂强度和韧度指数 钢纤维混凝土试件的初裂强度、 韧度指数计算过程为： 1 ) 将直尺与荷载 毫 度曲线的线性部分重叠放置 ， 重叠 段端点 A为初裂点 ， A点的纵坐标为初裂荷载 F 堋 ， 横坐标 为初裂挠度 ， 面积 O A B为初裂韧度。 2 ) 以 0 为原点 ， 按横坐标为 1 0 ， 3 0 ， 5 5 和1 0 5 初裂挠 度 的倍数， 在横轴上确定 B， D， F和 日点， 用求积仪测得 O AB， O A C D， O A E F和 O AG H的面积。分别记 1作 ， 5 ， Q 喵， Q 。 嗡。按下列公式计算不同变形幅度的弯 曲韧度指 数 ， ，5 鲁， ， 1。 ， 馨 ， 以 4 个 试 件 的 算 术 平 均 值作为该组的韧度指数。 3 算蹶蚺渡。 铡 封 斛吐的 栅 醴 = ， 6 其中： 为试验梁支座间的跨距 ， 6 和 h分别为试件的平均 宽度和高度。以每组 4 个试件的算术平均值作为该组试件 的初裂强度。 4 ) 选取基准配合比编号为 1 2 - 2 4 8 的混凝土拌合物试 验结果 ， 绘制钢纤维混凝土( 以超细型钢纤维= O 5 时) 的荷 载 度曲线， 计算初裂强度及韧度指数， 计算结果见表 1 。 5 ) 不同类型钢纤维混凝土初裂强度和韧度指数比对 分析。 当钢纤维体积率为 O 5 时， 6 次重复试验， 两种钢纤维 混凝土的初裂强度、 韧度指数比对， 初裂强度相等 ， 韧度指 数基本相当， 差异幅度在 0 2 1 8 以内。统计结果见表 2 。 3 5 荷载与挠度关系曲线比对 绘制基准混凝土及 2 种钢纤维混凝土 ( 钢纤维体积 率= 0 5 时 ) 的荷载 弩 度曲线见图2 。 由曲线变化过程， 可以得出钢纤维混凝土较基准混凝 土的荷载 挠度直线性过程延长； 钢纤维混凝土的极大荷载 大于基准混凝土的极大荷载； 极大荷载之后 ， 混凝土承载能 力均在减少， 基准混凝土承载能力减少速度更快， 钢纤维混 凝土承载能力始终大于基准混凝土的承载能力； 超细型钢 纤维混凝土的极大荷载大于螺纹型钢纤维混凝土的极大荷 载， 极大荷载之后 ， 超细型钢纤维混凝土承载能力始终大于 4】 曹 l 幽 水利科研 东北水利水电 2 0 1 4 年第 l O 期 裹 I 初裂强度及韧度指数计算结果 表 2不同类型钢纤维混凝土初裂强度和韧度指数比对分析 螺纹型钢纤维混凝土的承载能力。 4 结语 学性能的作用。当钢纤维 体积率由 O O 增大到 2 O ， 混凝土抗压强度逐渐降低； 当 由 O O 增大到 1 5 口石 混凝土抗折强度逐渐增大 ， 由 1 5 增 大到 2 0 。混凝土抗折强度逐渐降低 ；当由 O O 增大到 4 2 1 5 熹 。 柱 0 0 3 挠 度 l姗 图2 基准混凝土及钢纤维混凝土的荷载 度曲线 1 7 5 ， 混凝土劈裂抗拉强度缓慢逐渐增大， 由1 7 5 增大 到 2 0 ， 混凝土劈裂抗拉强度逐渐降低。相 同体积率的超 细型钢纤维混凝土抗压强度 、 抗折强度 、 劈裂抗拉强度均 大于螺纹型钢纤维混凝土的相应指标数值。 2 ) 当钢纤维体积率为 O 5 时 ， 超细型和螺纹型两种 钢纤维混凝土的初裂强度相等， 韧度指数基本相 当， 6 次重 复试验结果差异幅度在 0 2 1 8 以内。钢纤维混凝土的 荷载砘亳 度直线性过程延长 ；钢纤维混凝土的极大荷载大 于基准混凝土的极大荷载 ； 极大荷载之后 ， 混凝土承载能 力均在减少 ， 基准混凝土承载能力减少速度更快， 钢纤维 混凝土承载能力始终大于基准混凝土的承载能力； 超细型 钢纤维混凝土承载能力始终大于螺纹型钢纤维混凝土的 承载能力。 【 参 考 文 献 】 1 O K a y a li ， M N Ha q u e ， B Z h u S o m e c h a r a c t e r i s ti c s o f h i g h s t r e n g t h fi b err e i n f o r c e d l i g h t w e i g h t a g g re g a t e c o n c r e t e J J Ce me n t & Co n c r e t e Co mp o s i t c s ， 2 0 0 3， 2 5： 2 0 7 2 1 3 2 2 R a m j H H a d d a d ， Mo h a m me d M S m a d i R o l e o f fi b e I s i n c o n t r o l l i n g u mt r a i n e d e x p a n s i o n a n d a r r e s d n g c mc n g in P o r t l a n d c e me n t c o n c r e t e u n d e r g o i n g a l k a l i s i l i c a rea c t i o n J C e m e n t an d C o n c re t e K e se a r c h ， 2 0 0 4 ， 4 0 ： 1 0 3 - 1 0 8 3 吴成三 钢纤维混凝土技术的研究 J 铁道工程学报 ， 1 9 9 4 。 9 ( 3 ) ： 1 0 6 1 1 1 4 C E C S 1 3 ： 2 0 0 9 ， 钢纤维混凝土试验方法I s 5 G B 5 0 2 0 4 ， 混凝土结构工程施工及验收规范I s 6 j G j S 5 2 0 0 0 ， 普通混凝土配合比设计规程I s 7 C E C S 3 8 ： 2 0 0 4 ， 纤维混凝土结构技术要求I s 8 G J T I O 一 9 5 ， 混凝土泵送施工技术规程I s 【 收稿日期】 2 O 1 4 0 2 1 9