大流动度超高强钢纤维混凝土力学性能研究.pdf
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1、第 1 3 卷第 1 期 2 0 1 0 年 2 月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG MATE RI AL S Vo1 1 3NO 1 Fe b。 2 01 0 文章编号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 0 1 0 6 大流动度超高强钢纤维混凝土力学性 能研究 杨 久俊 , 刘俊 霞 , 韩静 宜。 , 张 磊 ( 1 郑州 大学 材料科 学 与工程 学 院 ,河南 郑 州 4 5 0 0 5 2 ;2 天津 城市 建设学 院 材料 工程 系 , 天 津 3 0 0 3 8 4 ; 3 河南鑫安利安全评价有限公司,河南
2、郑州 4 5 0 0 0 3 ) 摘 要 : 研 究 了钢 纤维体积 分数 对 大流动 度超 高强钢 纤 维混凝 土 流动性 、 力学性 能 的影 响 ; 以 单位体 积 混凝 土极 限应 力 时单位 强度 消耗 的应 变能 为指标 , 对 比 了超 高强钢 纤维 混凝 土、 超 高强混 凝土和 普通 混凝 土的相 对韧 性 ; 通 过 三点 弯曲 梁试 验研 究 了钢 纤维 对超 高强 混凝 土断裂 能 的影响 结果表 明 : 超 高强钢 纤 维混凝 土的 流动性 随 着钢 纤维体 积分数 的增加 而显 著 降低 , 当钢 纤维体积 分数 不 大 于 0 7 5 时 , 其坍 落度 可维持在
3、 2 0 0 mm 以上 ;与超 高 强混凝 土相 比 , 超 高强钢 纤维混凝 土 的相对 韧 性和 断裂 能可分 别提 高 1 倍 和 3 4倍 , 显 示 出 了其在 结构 工程 中的应 用前景 关 键词 : 超 高强 混凝 土 ; 超 高强钢 纤维 混凝 土 ;相对韧 性 ;断裂试验 ;断 裂能 中图分 类号 : TU5 2 8 5 7 2 文献标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 0 0 1 0 0 1 S t u d i e s o n M e c ha ni c a l Pr o pe r t y
4、 o f Hi g h Fl ui d i t y S t e e l Fi b e r Re i nf o r c e d Ul t r a - h i g h S t r e ng t h Co n c r e t e y ANG Ji u - j u n , LI U J u n xi a , HAN Ji n g y i 。 , ZHANG Le i ( 1 Sc h oo l of M a t e r i a l s Sc i e nc e a nd En gi ne e r i ng,Zhe ngz hou Uni v e r s i t y,Zhe n gz h ou 45 0
5、05 2,Ch i n a; 2 De p a r t me n t o f Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g,Ti a n j i n I n s t i t u t e o f Ur b a n C o n s t r u c t i o n ,Ti a n j i n 3 0 0 3 8 4 ,Ch i n a ; 3 S a f e t y As s e s s me n t o f H e n a n Xi n a n l i C o ,L t d,Zh e n g z h o u 4 5 0 0 5 2 ,Ch i n a ) Ab s t
6、 r a c t :I n f l u e n c e o f v o l u me f r a c t i o n o f s t e e l f i b e r O n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t y a n d f l u i d i t y o f h i g h f l u i d i t y s t e e l f i b e r r e i n f o r c e d ul t r a hi g h s t r e n gt h c o nc r e t e we r e s t u di e d The r e l a t i
7、v e t ou gh ne s s,d e f i n e d a s s t r a i n e n e r g y o f uni t v o l ume c o nc r e t e c o ns u m e d b y u ni t s t r e n gt h a t t he p o i n t o f t h e pe a k c o mpr e s s i ve s t r e ng t h, wa s c ompa r e d be t we e n t he ul t r a hi gh s t r e n gt h c o nc r e t e,s t e e l f
8、i be r r e i n f o r c e d ul t r a hi g h s t r e n gt h c o nc r e t e a n d p l a i n c on c r e t e M or e ov e r ,t he e f f e c t o f s t e e l f i b e r o n f r a c t u r e e ne r g y o f u l t r a - hi g h s t r e ng t h c o nc r e t e wa s s t ud i e d b y t h r e e po i n t b e nd i n g b
9、e a m t e s t The r e s ul t s s ho w t h a t t h e f l u i di t y o f s t e e l f i b e r r e i nf or c e d ul t r a hi g h s t r e ng t h c o nc r e t e s i g ni f i c a nt l y r e du c e s wi t h t he i nc r e a s e of v o l ume f r a c t i on of s t e e l f i b e r , a nd s l u mp ma i n t a i n
10、 s o v e r 2 0 0 mm wh e n v o l u me f r a c t i o n o f s t e e I f i b e r i S n o t mo r e t h a n 0 7 5 Co mp a r e d wi t h ul t r a h i gh s t r e n gt h c o nc r e t e,t he r e l a t i v e t ou gh ne s s a n d f r a c t ur e e n e r g y o f s t e e l f i b e r r e i nf o r c e d u l t r a h
11、i g h s t r e n gt h c on c r e t e i nc r e a s e 1 a nd 3 4 t i me s r e s p e c t i v e l y whi c h ma n i f e s t s t he e xc e l l e n t a p pl i c a t i on p r os p e c t i n ma j O r s t r u c t u r e Ke y wo r d s:u l t r a hi g h s t r e ng t h c o nc r e t e;s t e e l f i b e r r e i nf o
12、r c e d ul t r a h i gh s t r e n gt h c on c r e t e;r e l at i v e t ou gh ne s s;f r a c t u r e t e s t i n g;f r a c t u r e e ne r gy 为满足超高层 、 超大跨、 超重载工程建设对材料 性能 的要求 , 混凝 土作 为主 要的结 构材 料 , 高强 化是 其必然 的发展趋势 但混凝土是一种脆性材料 , 高强 化后其 脆 性问题 更 为 突 出 把 钢纤 维 加入 到 高强 混 收稿 日期 : 2 0 0 9 0 3 2 4 ; 修订 日期 : 2 0
13、0 9 0 7 2 2 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 7 7 2 0 7 1 ) 第一作者 : 杨久俊( 1 9 5 5 一) , 男 , 河南邓州人 , 郑州大学教授 , 博士生导师 , 博 士 主要从事 高性能水 泥基复合 材料的研究 E - ma i l : y a n g ij u n Z Z U e d u C I l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 建筑材料学报 第 1 3 卷 凝土 中, 发挥钢纤维对高强混凝土的阻裂、 增强和增 韧作用 , 是 改善高 强混凝 土脆性 的有效 方法 , 因而 成 为近年 来 的研 究热
14、点 P i e r r e 等口 于 1 9 9 4年成 功研 制出活性粉末混凝土 , 并通过掺人微细钢纤维使 其 抗折强度达到 1 4 0 MP a 沈蒲生等在高温养护条件 下获得 了 2 0 0 MP a以上 的超 高强 钢纤 维 混凝 土_ 2 B a n t h i a等 的研究结果显示 , 钢纤维混凝土的抗 冲 击 断裂 能 提 高至 基准 混凝 土 的 4倍 焦 楚杰 等 的 研究 表 明 , 钢纤 维对 高强混凝 土抗 拉 、 抗 弯强度 起着 显著的增强作用, 压缩韧度指数和弯曲韧度指数分 别达 到 了基 体 的 6倍 和 2 2 8 倍 张廷 毅 等_ 5 用三 点 弯 曲梁
15、试 验研究 了钢纤 维掺 量对混 凝土 断裂韧度 的 影 响 , 结果 显示 随着钢 纤维体 积分数 的增 加 , 高强 钢 纤 维混凝 土断 裂韧 度增 益 比呈线 性 增 加 上述 研 究 结果表明, 钢纤维的掺入 可以显著提高混凝土 的弯 拉性 能 和韧性 , 这为其 工程应 用奠定 了理论 基础 然 而 , 有 关文献 均显 示 , 随 着 钢纤 维 的 引入 , 混 凝 土 的 工作性均明显降低 , 这给混凝土的施工带来了一定 困难 , 尤其无 法实 现混凝 土 的泵送浇 筑成 型_ 6 本文采 用 5 2 5 级 硅酸盐水 泥 、 超 细掺 和料 以及 高效减 水剂 等常规 原料
16、和传统 搅拌振 动工 艺配制 出 坍落 度为 2 3 0 mm 的超 高强混 凝 土 , 在 此基础 上 , 配 制 ( 大 流动度 ) 超 高强 钢 纤 维 混凝 土 , 并 研究 钢 纤 维 掺量对 超 高强钢纤 维 混 凝 土 流动 性 、 力 学性 能 的 影 响 ; 通 过应力 一 应 变 曲线和 应变 能 的测 试计 算 , 对 比 超高强混凝土和超高强钢纤维混凝土在轴压条件下 的变 形 特 征 ; 根据 三 点 弯 曲梁 试 验所 得 荷 载 一挠 度 全曲线计算并对比相应的断裂能 , 研究钢纤维体积 分数对超高强钢纤维混凝土断裂性能的影响 1 试验原料与方法 1 1 原 料 硅
17、 酸盐 水 泥 : 河 南 天 瑞水 泥集 团汝州 水 泥分 公 司生产 , 8 0 m 筛 余 为 3 ”, 比表 面积 为 4 2 6 0 e m。 g , 密 度 为 3 1 1 g e m。 , 标 准 稠 度 用 水 量 为 2 6 2 , 其 技 术 性 能 指 标 见 表 1 ; 矿 渣 : 平 均 粒 径 5 m, 比表 面积为 8 0 0 0 c m g , 密度 为 2 7 7 g c m。 ; 硅灰 : 郑州火 电厂生产 的超 细硅灰粉 , s i O 含量大 于 9 0 , 颗 粒 粒 径 为 0 1 0 3 m, 比表 面积 为 1 3 1 0 1 8 1 0 c m
18、。 g , 密 度 为 2 2 6 g c m。 ; 减 水 剂 : 洛 阳方 佳 高 分 子 材 料 有 限 责 任 公 司 生 产 的 F J P C E型 聚羧 酸 盐减 水 剂 , 固含 量 为 4 O , 减 水 率为 3 0 ; 粗 集 料 : 5 1 6 mm 连 续 级 配 石 灰 石 碎 石 , 堆积 密 度 为 1 5 8 g c m。 , 表 观 密 度 为 2 7 2 g cm。 ,压碎指标为 8 3 , 水洗; 细集料: 河砂, 细度模 数 为 2 6 , 堆积 密度为 1 6 6 g c m。 , 表观 密度为 2 6 4 g c m。 , 水洗 ; 钢纤 维 :
19、浙 江 省嘉 兴 市 经 纬 钢 纤 维 有 限公 司生 产的 D W一 2 0波 纹形 钢纤维 , 其基本 性能 参 数见 表 2 表 1 硅酸盐水泥性能指标 Ta b l e 1 Pr o p e r t i e s o f s i l i c a t e c e me n t 表 2钢纤维基本性能参数 T a b l e 2 P r o p e r t y p a r a m e t e r o f s t e e l f i b e r 1 2试 验方 法 ( 1 ) 强 度测 试 普 通 混 凝 土 ( P C ) 和基 准 超 高 强 混凝土( UHC ) 的配合 比见表 3 抗压
20、强度和劈裂抗 拉强度 试验试 块 尺 寸均 为 1 0 0 mm1 0 0 mmx 1 0 0 mm, 抗折 强 度 试验 试 块 尺 寸 为 1 0 0 mm x 1 0 0 mm 4 0 0 mm 试 验参 照 C E C S I 3 : 8 9 钢纤 维混 凝 土试 验方法 相关规定进行 , 每组试块数量均为 3个 ( 2 ) 应力 一 应 变 试 验 试 块 尺 寸 为 1 0 0 mm 表 3混凝 土 配 合 比 Ta b l e 3 M i x p r o p o r t i o n o f c o n c r e t e 1 )文 中涉及的筛余、 标 准稠度用水量等除特别说 明外
21、均为质量分数 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 杨久俊 , 等 : 大 流动度超高强钢纤维混凝土力学性能研究 1 0 0 mi l l x 1 0 0 m13 1 , 每组 3块 试 块 晾干后 在 相邻 的 2 个侧 面粘 贴标 距为 5 0 mm 的电 阻应 变计 试 块 连 续 均匀 地加荷 到轴 15 抗压 强 度值 的 4 O 9 6 , 即 达到 弹 性 模量试 验 的控制荷 载值 加荷速 度 为 0 1 MP a s , 然后以同样的速度卸荷至零如此反复预压 3次 以上述 同样速度 进 行第 4次 加 荷 先 加荷 到 应 力 为 0 5
22、 MP a的初始荷载值 , 保持 3 0 S 后分别读取试块 两侧 纵 向应变 的初 始读 数 , 然 后 继 续增 加 荷 载 直 至 试块破坏 , 每增加 0 5 MP a时保持荷载并记录对应 的纵 向应变 两侧读数值的平均值即为对应荷载下 的纵 向变 形值 ( 3 ) 三 点 弯 曲 梁 试 验 参 照 R I L E M 试 验 标 准 ( 1 9 8 5 ) 的相 关规定 进 行 三 点 弯 曲梁 试 验 三 点 弯 曲 梁试验 示 意 图见 图 1 , 试块 尺 寸 z b h 一5 1 5 mm x 1 0 0 mm 1 0 0 mm, 跨 中 预 留 裂 缝 高 ( a 。 )
23、 为 4 O mm, 裂 纹宽 3 mm, 跨距 s 一4 0 0 ml T 1 考虑 试 块制 作 误差 和试 验结 果 的离散 性 , 本试 验每 组取 5个试 块 试 验采用 2 0 0 0 k N 压力试 验机 , 用 4个均 布在试 块 周 围 的油 压 千斤顶 为辅 助 架 以提 高 试 验机 的刚 度 , 加荷速率 9 0 N s , 手动控制; 电子百分表、 压力传感 器和数据 采 录仪与 电子 计算 机 连 接 , 采集 记 录荷 载 和 挠度数 据 图 1 三点弯曲粱试验示意 图 Fi g 1 Sc he me of t hr e e - p oi nt b e nd i
24、n g be a m t e s t 2 试验 结果与分析 2 1 钢 纤维体 积 分数对 混凝 土流 动性的 影晌 钢 纤 维 体 积 分 数 对 混 凝 土 流 动 性 的影 响 见 表 4 由表 4可见 : ( i ) 超 高强 钢纤维 混 凝 土 ( S UHC) 的 流动性 随钢 纤维 掺量 的增 加而 降低 ; ( 2 ) 当钢 纤维 体 积分数大于 0 7 5 时 , 混凝 土坍落度 急剧下 降, 说 明该 值 是该混 凝 土体 系中钢纤 维 掺量 的临界值 ; ( 3 ) 当钢纤 维体 积分数 为 1 2 5 时 , 超高 强 钢纤 维 混凝 土坍落度较基准超高强混凝土下降 了
25、 1 1 0 mm 这 是由于超高强混凝土 中掺入钢纤维后, 钢纤维就会 乱向而又互相搭接地分布于其 中, 水泥浆体需要浸 润的表面积增加 随着钢纤维体积分数增加 , 其在混 凝 土 中 的根 数增 多 , 钢 纤 维 之 间相 互 搭 接 的程 度 增 强, 表现出显著的“ 棚架” 效应 ; 当混凝土中用于包 裹集料和纤维以外 的 自由砂浆含量过少时 , 各组分 间的摩擦力大幅增加 在“ 棚架” 效应显著提高和组 分间摩擦力大幅增加 的情况下, 混凝土 的工作性急 剧 降低 表 4 钢纤维体积分数对 混凝土流动性的影响 T a b l e 4 I n flu e n c e o f s t
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- 关 键 词:
- 流动 超高 纤维 混凝土 力学性能 研究
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