钢纤维再生混凝土劈拉强度试验研究.pdf
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1、第 3 4卷第 1 期 2 0 1 3年 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 C o 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 we r Vo 1 3 4 No 1 Fe b20l 3 DOI : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 25 6 3 4 2 0 1 3 01 0 0 7 钢 纤维再生混凝土劈拉强度试 验研 究 张丽娟 ,高丹盈 ,朱海堂 , 楼 志辉 ( 郑州大学 新
2、型建材与结构研究 中心 , 河南 郑州 4 5 0 0 0 2 ) 摘要 : 通过钢纤维再生混凝土立方体试件 的劈拉强度试验 , 研究 了钢纤维体积分数 ( 0 0 2 0 ) 、 3种钢 纤维类型 ( MF , S F , B F ) 、 再生粗骨料处理方式以及试件尺寸变化对再生 混凝 土劈拉性 能的影 响 结果 表明 : 钢纤维的加入显著提高了再生混凝土 的劈 拉强度 , 当纤 维体积 分数超 过 1 5 后 , 钢纤 维再生 混凝土的劈拉强度接近甚至 超过 天然 钢纤维 混凝 土 ; 钢 纤维 类 型对再 生骨 料钢 纤维 混凝 土影 响显 著 , 钢纤 维对再生 混凝 土和天然 混凝
3、土 的增 强效果 比较接 近 , 其 中 B F钢纤 维增 强效果最好 ; 尺寸效 应对钢纤维再生混凝土 的影响 比天然钢纤维混凝土 显著 ; 再 生骨料处理 方法对钢纤 维再生混凝 土 的 劈拉强度也有一定 的影 响; 现行钢纤维混凝土劈拉强度计算公式仍适用于钢纤维再生混凝土 关键词 : 钢纤维再生混凝土 ; 劈 拉强度 ; 尺寸效应 ; 骨料 预处理方式 中图分 类号 : T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 5 6 3 4 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 2 70 5 目前 , 我 国对 建筑物拆 除和施工过程 中产生 的废 弃混凝土采
4、取的处理措施是简单的遗弃和填埋 , 需占 用大量空 地且污染环境 ” 再 生混凝 土是 指使用 经过 破碎加工的废弃混凝土为骨料而配制的混凝土 该处 理技术不 仅可 以从根 本上 解 决废 弃混 凝 土 的处 理 问 题 , 还可节 约天然骨料资 源 , 具 有显 著 的社 会 、 经 济和 环境效益 但 是再 生混 凝 土骨 料 的棱 角过 多 , 针状 物所 占材料 面积过大 , 而且 在废 弃混凝 土 的破碎 过程 中会产生大量 的 内部横 向裂纹 , 再生 骨料表 面往 往包 裹着一层水泥砂浆 , 这些都影响再生混凝土的强度 目前 , 国内外对再生混凝土的劈拉强度 已做了 大量 的研
5、究 由 于再 生 骨 料 比天 然 骨料 有更 多 的先 天缺 陷 , 混 凝 土 的受 拉 破 坏 源 自材 料 内部 的 先 天缺 陷处 发生裂 纹 扩 展 , 受 拉破 坏对 裂 纹 扩 展 的 敏 感程度较高, 使得再生骨料混凝 土的抗拉强度较天 然混凝土有不同程度的降低 而在混凝土中加入钢 纤维可提高其抗拉 、 抗弯 、 抗剪等性能 为提高再生 混 凝土 的抗 拉强 度 , 笔 者 将 钢纤 维 加 入 再 生 混凝 土 中, 试验研究 了钢纤维类型和体积分数、 再生粗骨料 处理方式及尺寸效应对混凝土劈拉强度 的影 响, 验 证 了钢纤维再生混凝土抗拉强度的计算公式 1 试验设计与试
6、验方法 试验主要研究钢纤维体积分数和钢纤维类型、 试件 尺寸 、 再生骨料 预处理方式对 钢纤维 再生混 凝土 劈拉强 度 的影 响 再 生 粗骨 料 是将 强 度 3 04 0 MP a 的实验室废弃混凝土构件破碎筛分而成, 连续级配 , 粒 径 5 2 0 m m, 实 测 级 配 见表 1 天 然 粗 骨 料 为 石 灰石 碎石 , 粒 径 5 2 0 m m 连续 级 配 ; 细 骨料 为 天然 河砂 ; F D N一1型高效减水 剂, 掺 量为水 泥用量 的 1 0 ; 试验采用铣削型( MF ) 、 剪切波纹型( S F ) 、 切 断 弓型 ( B F ) 3种类 型钢 纤维 ,
7、 其特 征参数 见表 2 表 1再生粗骨料级配 钢纤维类型 收稿 日期 : 2 0 1 2 0 92 0 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 6 7 8 1 5 9 ) 作者简介 : 张丽娟( 1 9 8 1 一 ) , 女 , 河南三 门峡人 , 博 士研究生 , 主要从事新型复合建筑材料及其结构性能方面 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 2 8 华 北水利 水 电 学 院学报 2 0 1 3年 2月 再 生骨 料 比天 然 骨 料 内 部 裂 纹 多 ,
8、吸 水 率 大 , 其 品质好坏 直接 影 响再 生 混凝 土强 度 目前关 于 改 进再 生骨料 性 能 的研 究 很 多 。 , 再 生 骨 料 的 预处 理方式会对它的性能产生较大影响 结合前人方法 , 采用 较为方 便 的 3种 处 理 方 式 , 即预湿 水 再生 粗 骨 料 R ( 浇筑前预 先 吸水 达 到饱 和 面干 状态 ) 、 未 处 理 再生骨料 R 、 水 泥浆 预包 裹 再生 骨料 R ( 搅拌 前 用 设计水 泥浆 对再生 粗骨 料进 行预裹 浆 ) 为 了研究 再 生骨料处理 方式 对再生骨料混凝 土劈拉 强度 的影 响 , 采用 MF钢纤维 , 体积分数 P 为
9、 1 0 , 使用 R , R , R 再生骨料 , 制作边长为 1 5 0 m m的立方体试件 研 究纤 维体 积 分 数 对钢 纤 维 混 凝 土 劈 拉 强度 的影 响时 , 采 用再 生 骨 料 R 和 M F钢纤 维 , 钢 纤 维 体积 分数 P 分别 取 为 0 0 , 0 5 , 1 0 , 1 5 , 2 0 , 制作边长为 1 5 0 m m 的立方体试件 研 究钢 纤维类型对劈拉强度的影响时, 采用再生骨料 R , 使用 3种 不同类 型 的纤维 , 体 积 分数 都取 1 0 , 制 作边 长 为1 5 0 m m的立方体 试 件 研 究 试 件 尺寸 效应 的影 响
10、时 , 同样 采 用再 生 骨 料 R 和 MF钢纤 维 , 钢 纤 维体 积分数 P , 取 为 1 O , 制作边 长 为 1 0 0 m m 和 2 0 0 m m的立方体非标准试件 试 验方法参照 钢纤 维混凝土试验方法( C E C S 1 3 : 2 0 0 9 ) , 每组 3个试 件 , 共 3 8组 , 共 计成 型 1 1 4个 试件 钢纤 维混 凝土立 方体 劈裂 拉强度计 算公 式为 0_ 6 3 7等 ( 1 ) 式 中 : 为钢纤 维混 凝 土劈 裂抗 拉 强度 , M P a ; F 为 最大荷载, N; A为试件劈裂面面积 , mm 劈 拉强度 试验 结果 见表
11、 3和表 4 表 3标准试件劈拉 强度试验结果 试 件 编 号 劈拉强度 试件编号 劈拉强度 MPa MPa NCO O 3 77 MFNC2 00 3 2 3 R CO O 3 1l MFR C2 0 5 71 MFNC 0 5 3 81 MF R C2 0 0 3 3 2 MFNC0 5一O 3 69 BF NC1 O 5 61 MFR CO 5 3 28 BFNC1 O一0 3 6 5 MFR C O 5一O 3 22 BFR C1 0 4 61 MFNC1 0 5 06 BFR C1 00 2 5 2 MFNC1 0 0 3 8l S FNC1 0 4 5 9 MFR C1 0 4 1
12、 2 S FNC1 OO 3 7 0 MFR C1 00 3 2 2 S FR C1 0 2 9 4 MFNC1 5 5 4 3 S FR C1 00 2 4 4 MFNC1 5一O 3 9 4 MFR CI 0 4 45 M F R 。 C1 5 5 4 4 M FR C1 0 0 3 47 MFR C1 50 3 71 MFR C1 0 3 81 MFNC2 O 5 6 7 MFR C1 00 3 0 7 注 : N为天然骨料; R为再生粗 骨料 ; 后 面的数字 表示纤维 体积分数 ; “一 0 ” 表示与钢纤维混凝土对应 的素混凝 土基体 表 4非标准立方体试 件劈拉 强度 的试验结果
13、 2 劈拉强度 的影响因素与分析 在 研 究钢 纤 维对 混凝 土 劈 拉强 度 的影 响 时 , 为 了消 除基体 混凝土 的影 响 , 引人 劈拉 强度增 强 比 , 即 钢纤维 混凝 土与对 应配合 比素 混凝 土的劈拉 强度 的 比值 下面分析钢纤维体积分数及类型、 再生粗骨料 处理方 式 和试 件尺 寸对钢 纤维 再生混 凝土劈 拉强 度 及其增 强 比的影 响 2 1 钢纤 维体积 分数对 劈拉 强度 的影响 MF钢纤 维 预 湿水 再 生 骨 料 混 凝 土 ( MF R C) 与 MF钢纤 维天 然骨料 混凝 土 ( MF N C)的劈 拉强 度 与纤 维体 积分数 的关 系如
14、 图 1所示 由图 1可知 , 两 种混 凝土 的劈 拉 强 度 都 随钢 纤 维 体 积 分 数 P 的增 加 而增大 , 且 MF R C劈拉强 度增 幅较大 当纤 维体 积 分数 P 分别为 0 0 和 2 O 时, M F R C的劈拉强度 分别为 3 1 1 MP a和 5 7 1 MP a , 增 幅 为 8 4 ; MF N C 的劈拉强 度为 3 7 7 MP a和 5 6 7 MP a , 增 幅为 5 0 当纤维体积分数 P 小于 1 0 时, MF R C的劈拉强 度 较 MF N C要 小 , 但 是 当 钢 纤 维 体 积 分 数 增 加 到 1 5 , 2 0 的
15、时候 , M F R C的 劈 拉强 度 接 近甚 至 超 过 M F N C的劈 拉 强 度 数 据 表 明 , 随 着 钢 纤 维 体 积 分数 的增加 , 钢纤 维 对 再生 混 凝 土劈 拉 强 度 的增 强 效果更 好 慧 敞 图 1 劈拉强度与钢纤维体 积分数 的关 系 劈拉强度增强比随纤维体积分数 的变化规律如 图2所示 当纤维体积分数为 0 5 , 1 0 , 1 5 , 第 3 4卷第 1 期 张丽娟 , 等 : 钢纤维再生混凝 土劈拉强度试 验研 究 2 9 2 0 时 , MF R C的劈拉强度增 强 比分别 为 1 0 2 , 1 2 8 , 1 5 0 , 1 6 8
16、 ; 同等条件下 , MF N C的劈拉强度增 强比分别为 1 0 3 , 1 3 3 , 1 3 8 , 1 7 5 显然, 随纤维体 积分数增大 , M F R C和 MF N C的劈拉强度增强 比均 呈明显上升趋势 , 且在相同的纤维体积分数时 , 两者 值较 为接 近 丑 跫 想 蔷 R 图 2 劈拉 强度增 强比与钢 纤维体 积分数的关系 由 图 1和 图 2还 可 以看 出 , 当 P 较 小 ( P = 0 5 一1 0 ) 时 , MF R C的劈 拉 强 度及 其 增 强 比 都低 于 MF N C, 而 当 P , 较 大 ( P =1 5 2 0 ) 时 , MF R。
17、C劈拉 强度 及其 增强 比与 MF N C相近 预湿 水再 生混 凝 土劈拉 强度值 低 于天然 混凝 土 劈拉 强度 , 约 为 天 然 混 凝 土 劈 拉 强 度 的 8 2 5 9 4 2 而对 于钢 纤 维预 湿 水再 生 混 凝 土 MF R C, 当纤维体积分数为 0 5 , 1 0 , 1 5 , 2 O 时, 其 劈拉 强 度 分 别 为 天 然 混 凝 土 劈 拉 强 度 的 8 6 1 , 8 1 4 , 1 0 0 2 , 1 0 0 8 随着纤维体 积分数 的增 加 , 钢纤 维再 生混 凝 土 的劈 拉 强 度 会 逐渐 接 近 甚 至 超过天然混凝土的劈拉强度 纤
18、维 间距 理论认 为要 想 增强 混 凝 土 ( 尤 其 是 再 生混凝土 ) 这样本身带有缺陷的脆性材料 的抗拉强 度 , 必须尽可 能地减 小缺陷 的尺寸 , 提高材料 的韧 性 , 减小裂 缝尖 端应 力场 强度 因子 通过 增加 单位 面 积 内的纤 维数 , 即减 小纤 维 间距 , 可 以很 好地 提高抗 拉强度 在钢纤维体积分数较小时, 单位面积 内的纤 维数 也较 少 , 钢 纤维 不 能 有 效 缓 和再 生 骨 料 先 天 缺 陷处的应力集 中和有效抑制裂缝 的发展 , 使得钢纤 维 的增 强效 果小 于 因再生 骨料 先天 缺 陷而引起 的强 度 降低 , 最终再生骨料混
19、凝土的立 方体劈拉强度低 于钢纤 维 天然混 凝 土 的 劈拉 强 度 而钢 纤 维 体 积 分 数较大时 , 钢纤维的增强作用起主导地位, 故钢纤维 再生混凝土的立方体劈拉强度与钢纤维天然混凝土 的相近 所以对于再生骨料混凝土 , 要想通过钢纤维 的增强作用弥补再生骨料缺 陷造成强度的降低 , 需 要使用较大的纤维体积分数 由于试验数据所限, 对 于纤维体积分数大于 2 以后 的钢纤维再生骨料混 凝土的劈 拉强度 未做研 究 , 所 以变化趋 势 还不能 确 定 2 2钢 纤维 类型 对劈 拉强 度 的影响 研究纤维类 型对 混凝 土劈拉强度的影响时 , 3 种类型钢纤维 的体积分数都取为
20、1 0 , 再生粗骨 料 通过 预湿 水方式 处 理 表 5和表 6分 别 列 出 了不 同钢纤 维类 型 的再 生 混凝 土和 天然骨 料混 凝土 的劈 拉强度 以及劈拉强度增强 比的试验值 表 5再生混凝土和天然骨料 混凝土劈拉强度MP a 表 6再生混凝土和天然骨料混凝土劈拉强度增强 比 由表 5可知 : 当纤维体积分数为 1 0 时, 由于 纤 维体 积 分 数 较 低 , 3种类 型 的钢 纤 维 预湿 水 再 生 混 凝土 的劈 裂抗 拉强 度均低 于 同等条 件下 的钢 纤维 天然混凝土的劈裂抗拉强度 ; 无论是对于再生混凝 土还是普通混凝土来说, 3种纤维对其强度影 响趋 势基
21、本一致 ; 以 B F钢纤维对 混凝土劈拉强度 的增 强效果最为显著 , 其次是 MF钢纤维 , 增强效果最低 的是 S F钢 纤 维 ; 对 天 然 骨 料 混 凝 土 掺 加 B F钢 纤 维 , 相 比 S F钢 纤 维 , 其 劈 拉 强度 增 加 了 2 2 ; 对 再 生骨料混凝土掺加 B F钢纤维 , 相 比 s F钢纤 维, 其 劈拉强度增加 了 5 7 由此可见 , 不同纤维类型对 纤 维混凝 土劈 拉 强度 影 响较 大 , 尤 其 是再 生 骨 料 混 凝 土 , 对 纤维 类型 的影 响更 为敏感 由表 6可知 , M F钢 纤 维 和 S F钢纤 维 对 天 然 骨
22、料混凝土和再生骨料混凝土的增 强效果较为相近, 而 B F钢纤维对再生骨料混凝土的增强效果远大于 其对天然骨料混凝土的增强效果 这是 因为 B F钢 纤 维 的两头存 在端 弯钩 , 在混 凝土 中起 了锚 固作用 , 使得 B F钢纤维与混凝土之间 的黏结力增加 , 共 同 工作的性能进一步增强 此外 , 对于内部存在更多缺 陷的再生骨料混凝土 , 如果钢纤维与混凝土之间的 黏 结力增 加 , 则在 受 力 时钢 纤 维 与 混凝 土 之 间 能 够 更好地实现力的传递 , 在很大程度上减少 了应力集 中 在 3种类型钢纤维 中, B F钢纤维与混凝 土之间 黏结最好 , 所以它对再生骨料混
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- 纤维 再生 混凝土 强度 试验 研究
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