仿钢纤维增强轻骨料混凝土性能研究.pdf

全 国中文核心期刊 x l # 斩癯 建魄 中 国 科 技 核 心 期 刊 仿钢纤维增强轻骨料混凝士性能研究 张荣辉， 李健 ( 广东工业大学 土木与交通工程学院 ， 广东 广州5 1 0 0 0 6 ) 摘要 ： 在轻骨料混凝土中掺入不同量的仿钢纤维， 研究仿钢纤维轻骨料混凝土的表观密度、 弹性模量、 抗压强度、 劈裂强度、 抗 折强度、 韧性等物理力学性能 以及对 比钢纤维混凝土 的力学性能 ， 结果表 明， 仿钢 纤维的掺入能提高轻 骨料混凝土力学性 能， 显著 改善轻骨料混凝土的弯 曲韧性， 在实际工程 中应用， 仿钢纤维可取代钢纤维作为混凝土的增强增韧材料 ， 并可较大 降低成本。 关键词 ： 轻骨料混凝土； 仿钢纤维； 钢纤维 力学性能； 弯曲韧性 中图分类号： T U 5 2 8 2 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 6 9 0 4 M e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f s t e e l - - wi r e - - l i k e fi b e r - r e i n f o r c e d l i g h t we i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e Z HANG Ro n g h u i ， L I 帆 ( F a c u l t y o f Ci v i l T r a f fic En g i n e e r i n g ， Gu a n g d o n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y， Gu a n g z h o u 51 0 0 0 6， Gu a n g d o n g， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： T h r o u g h i n c o r p o r a t i n g d i f f e r e n t p e r c e n t a g e o f s t e e l - w i r e - l i k e fi b e r i n a l i g h t w e i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e ， t h e a p p a r e n t d e n s i t y， mo d u l u s o f e l a s t i c i t y， c o mp r e s s i v e s t r e n g t h， s p l i t t i n g s t r e n gth ， fle x u r al s t r e n gth， b e n d i n g t o u g h n e s s o f t h e c o nc r e t e are r e s e arc he d ，a n d t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e are c o mp are d Re s u l t s s h o we d t h a t s t e e l wi r e l i k e fi b e r c a n i mp r o v e t h e me c h a n i c a l p r o p e r t y a n d b e n d i n g t o u g h n e s s S t e e l wi r e l i k e fi b e r c a n r e p l a c e s t e e l fi b e r a s r e i nfo mi n g a nd t o u g h e n i n g ma t e r i al f o r c o n c r e t e in p r a c t i c al e n g i n e e rin g a p p l i c a t i o n s a n d c a n g r e a tl y r e d u c e t h e c o s t Ke y wo r d s ： l i g h t w e i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e ： s t e e l wi r e - l i k e fi b e r ； s t e e l fi b e r ： me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ； b e n d i n g t o u ghn e s s 0 引言 轻骨料混凝土( L W A C ) 由轻骨料( 天然轻骨料、 工业废料 轻骨料、 人造轻骨料) 、 轻砂( 或普通砂) 、 胶凝材料和水配制 而成， 干表观密度不大于 1 9 5 0 k g m 。 与普通混凝土相比，轻 骨料混凝土具有轻质、 保温、 耐火隔声、 抗震性能好等特点， 在现代建筑中得到应用。 但轻骨料混凝土的抗拉强度和脆性 问题比普通混凝土更为突出，提高轻骨料混凝土的抗拉强 度、 改善脆性、 增强韧性的要求也越来越迫切。 以纤维轻骨料混凝土为代表， 能有效改善轻骨料混凝土 的脆性， 提高混凝土的抗拉强度、 抗开裂性和韧性， 其中发展 最为迅速的是钢纤维轻骨料混凝土，但钢纤维的造价较高、 易腐蚀、 易结团、 磨损机械、 运输及施工困难等问题， 尤其在 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 9 2 6 作 者简介： 张荣辉 ， 男 ， 1 9 5 2年生 ， 广西平南人 ， 教授 ， 主要从事道 路 工程。 地址： 广州大学城外环西路 1 0 0号广东工业大学土木与交通工 程 学院， E ma l l ： 9 8 4 3 1 5 1 8 7 q q c o n。 潮湿工况下的海港工程、 易于出现渗水的隧道工程、 接触腐 蚀气体等恶劣环境中， 减少了安全运行寿命。近几年来用仿 钢纤维掺于混凝土中以提高混凝土的抗裂、 韧性和抗疲劳等 性能，从而解决钢纤维应用中存在的诸多问题， 已引起工程 界的关注【1 。 本文研究仿钢纤维对轻骨料混凝土基体的增强效果、 强 度发展规律以及弯曲韧性的影响， 探索有机仿钢纤维的最佳 掺量， 探讨仿钢纤维部分取代钢纤维的可能性。 1 试验 1 1 原料 水泥： P O 4 2 5 R普通硅酸盐水泥， 其性能指标见表 1 。 表 1 水泥的主要性能指标 粗骨料： 选用页岩陶粒， 其物理性能如表2 所示。 N E W BUI L DI NG M ATE Rl AL S 6 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张荣辉， 等： 仿钢纤维增强轻骨料混凝土性能研究 表 2 页岩陶粒的主要性能指标 细骨料： 河沙， 细度模数 2 4 ， 堆积密度 1 4 6 5 k g m ， ， 表观 密度2 6 5 0 k g m ， 含泥量2 ， 颗粒级配良 好。 钢纤维： 采用波纹型钢纤维， 规格为3 0 m m ， 长径比5 0 ， 抗拉强度不低于7 0 0 M P a 。 仿钢纤维( 又称波形聚丙烯纤维) ： 以聚丙烯为原料经过 独特纺丝工艺加工而成， 本身具有强度高、 耐酸碱性强、 与混 凝土握裹力强等特点。使用该纤维可明显改善混凝土的抗弯 强度和弯曲韧性， 增加混凝土的抗冲击和抗疲劳性能， 降低喷 射混凝土的回弹率、克服塑性收缩裂缝。该纤维施工操作容 易， 克服了钢纤维腐蚀生锈、 易结团、 磨损机械、 运输困难、 反 弹伤人等缺陷，而且对混凝土的增韧、抗裂作用与钢纤维相 当。材料的主要性能如表3 所示。 表 3 仿钢纤维 的 陛能参数 长度 断裂 强度 密度 初始模量断裂伸耐酸性、 ram k 75 -3 MP a ( g e m 3 ) G P a 长率， 耐碱性 3 2 白色 I4 5 0 0 9 1 0 9 3 8 3 0 极高 矿物掺合料： I 级粉煤灰。 外加剂： J S 一 3 型萘系磺酸盐高效减水剂。 1 2 配合比设计 纤维增强轻骨料混凝土的配合比设计分2 步进行。首先 按照J G J 5 1 2 0 o 2 轻骨料混凝土技术规程 ， 采用松散体积 法对素轻骨料混凝土进行配合比设计， 水灰比为0 4 2 ， 砂率为 4 0 。然后在素轻骨料混凝土中分别掺入体积率为0 、 0 3 、 0 5 、 0 7 、 0 9 的仿钢纤维， 为对比， 在轻骨料混凝土掺入质 量为 1 0 钢纤维囝 ， 试验共6 组， 对每一组混凝土拌合物按照 C E C S 1 3 ： 1 9 8 9 钢纤维混凝土试验方法进行表观密度、 抗 压、 抗折、 劈裂、 弹性模量以及韧性试验。 所得纤维增强轻骨料 混凝土的具体配合比见表4 。 表 4 轻骨料混凝+m E 合比及材料用量 k g m 7 0 新型建筑材料 2 0 1 2 5 2 试验结果与分析 各组纤维轻骨料混凝土2 8 d 的性能测试结果见表5 。 表 5 轻骨料混凝土试验结果 2 1 纤维对轻骨料混凝土表观密度的影响 在一些情形下，混凝土的表观密度常常比其强度显得更 为重要， 对于有着同样强度等级的混凝土而言， 表观密度降低 可以对结构设计和基础设计等方面起到重要的作用。在混凝 土结构所承受的荷载中，混凝土的自重占了很大的比例， 因 此，减小混凝土的表观密度意味着在相同的强度水平下可提 高结构的承载能力，或减少对基础的投入。轻质骨料混凝土 与普通混凝土最显著的区别在于密度小， 由表5 可知， 素轻骨 料混凝土的 干表观密度为1 8 4 4 k g m 3 。 对于掺 仿钢纤维的轻 骨料混凝土， 由于仿钢纤维自 身密度低， 其表观密度随仿钢纤 维掺量的提高而缓慢增大。当仿钢纤维体积率达到0 9 时， 其干表观密度达到1 8 6 2 k g m 。 对于掺钢纤维体积率1 0 的 轻骨料混凝土， 比素轻骨料混凝土表观密度增加了3 ， 由于 钢纤维密度大， 对轻骨料混凝土的表观密度有较大的影响。 因 此，相比于钢纤维，仿钢纤维的掺入对轻骨料表观密度影响 甚微。 2 2 仿钢纤维对轻骨料混凝土力学性能的影响 从表5 可以看出： ( 1 ) 混凝土的弹性模量、 抗压强度和劈 裂强度随着仿钢纤维掺量的增加都出现了较为明显的先增后 减的趋势。在纤维掺量为0 0 7 时， 抗压强度均有一定幅度 的提高，这是由于纤维的掺入相当于在轻骨料颗粒周围形成 了坚实的“ 套箍” ， 形成致密、 具有整体性的网格结构，协同轻 骨料受力，当应力自基体传递给纤维时，纤维因变形而消耗 能量，使得轻骨料混凝土的强度均有所提高12 。当纤维量为 0 7 0 9 时， 由于纤维掺量偏大， 使纤维混凝土成型试件的 密实度变差， 因而出现下降趋势。 ( 2 ) 抗折强度随着仿钢纤维掺量从0 增加到0 7 时明显 提高，当纤维掺量为0 7 时， 轻骨料混凝土的抗折强度提高 了4 5 。其原因由于仿钢纤维具有较好的延性， 混凝土一经 开裂，将荷载传递给仿钢纤维，而仿钢纤维可以约束裂缝的 延伸和横贯裂缝传递内力，这时仿钢纤维与基体作为整体共 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张荣辉， 等： 仿钢纤维增强轻骨料混凝土性能研究 同承担荷载， 使承载能力显著提高。 当仿钢纤维与混凝土基体 之间的界面粘结强度达到极限时，此时仿钢纤维从纤维锚固 最短、 受力最大的裂缝处开始， 依次从基体中拔出， 仿钢纤维 混凝土的承载能力逐渐降低直至破坏。 因此， 仿钢纤维的掺量 增大， 对裂缝的约束作用和传递内力的作用越强， 所以增强效 果越好。但是，当纤维掺量超过 0 7 时，由于纤维掺量过 大， 出现分布不均匀的现象， 降低了混凝土的密实度， 轻骨料 混凝土的强度并没有继续提高， 而出现下降的趋势l3 J。 从表5 可以得出， 仿钢纤维掺量0 7 的轻骨料混凝土与 掺 l 钢纤维的轻骨料混凝土相比， 2 8 d 抗压强度可提高 1 0 以上， 仿钢纤维轻骨料混凝土 2 8 d 抗折强度、 劈裂强度 分别提高2 、 5 ， 而弹性模量略有下降， 二者的力学性能相 当。 2 _ 3 仿钢纤维对轻骨料混凝土弯曲韧性的影响 混凝土在受弯开裂后， 能继续承受一定的弯曲荷载， 这种 特性称为弯曲韧性。 纤维混凝土的弯曲韧性计算方法有很多， 各国标准也不尽相同。 本文按照C E C S l 3 8 9 中的韧度指数 法来计算仿钢纤维轻骨料混凝土的弯曲韧度指数 ， ， k， 其 分别表示3 、 5 5 、 1 5 5 倍初裂挠度所对应的荷载一 挠度 ( P ) 关系曲线下的面积与初裂挠度所对应的荷载一 挠度关系曲线 下的面积之比， 计算方法类似于A S T M C 1 0 1 8 韧性指数法。 表6是仿钢纤维轻骨料混凝土韧性试验结果，其对应的荷 载一 挠度曲线如图1 所示。 表 6 轻骨料混凝 土韧性指数 3 5 3 O 2 5 2 0 1 5 1 0 5 0 1 O 1 5 2 0 挠度 m m 图 1 荷载一 挠度关系曲线 从图 l 可以看出，未加纤维时荷载一 挠度曲线只有上升 段， 初裂强度即是抗折极限强度， 表现为一裂即坏。而掺仿钢 纤维体积率越大，其荷载一 位移曲线的上升段曲线的斜率总 体趋势越大， 反映了仿钢纤维在复合材料开裂前的阻裂作用。 当荷载较小时， 基体通过界面粘结力将荷载传至纤维， 仿钢纤 维与轻骨料混凝土基体作为一个整体共同承担荷载，二者变 形协调处于弹性阶段， 故荷载一 挠度曲线呈直线。当荷载继续 增大， 轻骨料混凝土基体挠度增大， 直至变形达到仿钢纤维轻 骨料混凝土初裂应变时， 混凝土基体出现裂缝， 跨越裂缝的纤 维通过界面传递应力， 使试件截面受力保持平衡， 而不像轻骨 料混凝土那样， 一旦裂缝扩展便很快导致试件的断裂， 随着荷 载的增大， 基体内 部微裂缝稳定扩展成为宏观裂缝， 荷载一 挠 度曲线逐渐呈非线性变化。 在此阶段， 钢纤维通过界面粘结横 贯裂缝传递应力，仿钢纤维轻骨料混凝土仍能承受更大的荷 载。随荷载的增长， 混凝土基体的裂缝继续扩展， 仿钢纤维轻 骨料混凝土处于弹塑性阶段。 此后， 仿钢纤维在逐渐拨出的过 程中， 横跨裂缝连接混凝土， 使仿钢纤维轻骨料混凝土的承载 能力仍有一定提高， 且随 的增大而增大。 仿钢纤维轻骨料 混凝土达到其极限承载能力的临界值后， 裂缝失稳扩展， 因仿 钢纤维与基体问界面粘结强度逐步达到极限，仿钢纤维不断 被拔出或被拉断， 承载能力下降， 裂缝两端的混凝土几乎变成 刚体转动， 跨中挠度增长很快。在此过程中， 由于数目 越来越 多的仿钢纤维脱粘、拔出或拉断，需要吸收很多能量，故荷 载一 度曲线缓慢下降，呈现出良 好的韧性，并有裂而不断的 特征。 由图1 还可以看出： 仿钢纤维体积率越大， 荷载一 挠度曲 线的下降段越丰满，仿钢纤维轻骨料混凝土表现出更高的韧 性。另外， 仿钢纤维比钢纤维韧性略有降低， 由于纤维弹性模 量较高， 对裂缝扩展的控制能力强 。 仿钢纤维不仅具有较好的增韧效果，有效抑制了轻骨料 的上浮、 并提高了轻骨料混凝土的均匀化， 其较高的弹性模量 和抗拉强度使得其可协同轻骨料受拉、 抑制裂纹的扩展， 从而 提高了轻骨料混凝土的弯曲韧性。根据A S T M C 1 0 1 8 8 5 , 对 于理想弹塑性体的 、 、 应为5 、 1 0 、 3 0 ，由表6 可以看出， 当仿钢纤维掺量0 0 7 时， 随着仿钢纤维掺量的增大， 混凝 土韧性指数达到或接近弹性材料韧性指数值，这表明仿钢纤 维混凝土具有良好的弯曲韧性， 与钢纤维混凝土相当； 当仿钢 纤维体积率较大时，仿钢纤维混凝土弯曲 韧性指数已经超过 理想弹塑性材料值， 说明当仿钢纤维掺量达到一定数值后， 再 继续增大掺量对轻骨料混凝土韧性改善的效果就不很明显 了。 2 4 仿钢纤维轻骨料混凝土技术经济性分析 仿钢纤维是一种独特的新型纤维， 其形状类似于钢纤维， 是针对钢纤维而研制的替代产品，同时兼顾合成细纤维的一 些特点。 仿钢纤维具有类似于钢纤维强度高的优点， 同时耐酸 N E W B UI L DI NG MAT E RI A L S 71 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张荣辉， 等： 仿钢纤维增强轻骨料混凝土性能研究 碱性强、 易分散和握裹力强。 其与钢纤维的 技术经济性见 表 7。 表 7 仿钢纤维与钢纤维技术经济性对 比 有机仿钢纤维截面形状及比表面积和钢纤维相似，因此 在比较2 种材料的经济性时， 可假设它们比表面积相同， 由表 7 可知， 有机仿钢纤维的密度为0 9 2 g c m ， 钢的密度为7 8 g e m ，同 样体积掺量下，钢纤维的质量是有机仿钢纤维的8 0 倍左右。 相比于钢纤维轻骨料混凝土， 将有机仿钢纤维加入轻 骨料中， 其干密度变化比较平缓， 影响较小。在仿钢纤维与钢 纤维各自 最佳掺量下，仿钢纤维轻骨料混凝土与钢纤维轻骨 料混凝土韧性以及力学性能效果相当。素轻骨料混凝土价格 为4 9 0元 m ， 钢纤维的掺入对轻骨料混凝土的材料成本影响 很大， 在 1 0 的掺量下， 轻骨料混凝土费用为1 0 1 9 8 7 元钿， ， 已经是素轻骨料混凝土的2 倍左右， 而仿钢纤维掺量为0 7 轻骨料混凝土费用为5 1 2 5 4 元 m 3 ， 比钢纤维轻骨料混凝土便 宜5 0 7 3 3 元 m ， ， 费用减少近1 倍。故采用仿钢纤维代替钢纤 维在实际工程中应用， 能达到钢纤维增强增韧的效果， 且可较 大幅度降低成本。 3 结论 ( 1 ) 在轻骨料混凝土中掺入仿钢纤维能提高其抗压强度、 劈裂抗拉强度、 抗折强度， 其力学性能随着钢纤维掺量的增加 呈先升后降的趋势。当仿钢纤维掺量为0 7 时， 仿钢纤维轻 骨料混凝土的力学性能达到最大值，当掺量超过0 7 时， 其 力学性能略有下降。 仿钢纤维的掺入， 对轻骨料混凝土的表观 密度、 弹性模量影响不大。 ( 2 ) 仿钢纤维的 掺入改变了轻骨 料混凝土的 破坏形态， 能 够降低脆性， 有效提高了轻骨料混凝土的韧性。 ( 3 ) 仿钢纤维化学稳定性优于钢纤维， 在各自最佳掺量 下， 仿钢纤维轻骨料混凝土与钢纤维混凝土的力学性能相当， 且每立方仿钢纤维轻骨料混凝土比钢纤维轻骨料混凝土便宜 5 0 7 3 3 元 m 3 ， 费用减少近 1 倍， 可取代钢纤维作为轻骨料混 凝土的增强增韧材料。 参考文献： 1 龚洛书， 柳春圃 轻集料混凝 土 M】 北京： 中国铁道出版社， 1 9 9 6 ： 3 -4 2 霍俊芳 ， 李金帅 ， 申向东 ， 等 纤维混合对轻骨料混凝土力学性能 的影响【 J 1 内蒙古工业大学学报， 2 0 0 8 ， 3 1 ( 1 ) ： 2 6 2 7 3 李志龙 有机仿钢纤维增强混凝土试 验研 究【 J 】 桥梁检测与加固 ， 2 0 09( 1 )： 4 3 -4 5 4 孙艳秋 纤维轻骨料 混凝土基本力 学性能 的试验研 究 D J 厦 门： 华侨大学， 2 0 0 6 ； 6 5 6 6 A 道康宁宣布推出新一代硅基材料， 用于高性能建筑的高新硅基解决方案 道康宁公司在 2 0 1 2 年 3 月 2 9 3 1 日于北京举办的国际绿色建筑与建筑节能大会上推出了新一代有机硅材料， 旨 在 满足高性能建筑 日益增长的需求， 改进其总体能源管理、 健康与安全性、 耐久性， 并降低建筑的碳排放。 “ 全球节能及能效的法规和市场趋势促使今天的现代建筑设计遵循更为严苛的要求。” 道康宁高性能建筑解决方案 全球建筑条例及法规战略总监刘沁涛说。道康宁正在开发可用于建筑楼宇的真空隔热保温材料 ( V I P ) ， 其可实现最优的 空 间与性能 比， 而且 比传 统保温材料的热导率低 5 1 0倍。 眨 “ 道康宁的高效真空隔热保温材料( V I P ) 及其它创新解决方案可提高高性能建筑的能效、 耐久性和可持续性， ” 道康宁 高性能建筑解决方案全球市场总监贺德凯( J e a n P a u l H a u t e k e e r ) 评论说， “ 这一开发成果是我们硅基解决方案组合中的一 员， 可帮助我们客户应对新一代建筑带来的挑战， 实现更可持续、 更高效、 更安全以及更优的成本效益。” 晓 自2 0 0 6 年起， 道康宁便与优秀的幕墙公司和施工单位合作推出Q u a l i t y B o n d 项目， 确保依照最佳实践标准使用优 等产品。该项目汇聚了房地产商和投资商、 建筑师、 幕墙顾问和工程师、 系统供应商及幕墙公司， 分享了道康宁在结构性 装配及其它硅酮粘结应用领域的丰富技术知识。由此， 道康宁经全球认可的技术知识支持各种服务， 通过严格控制系统 实现每个项 目的成功运转。同时， 该公司还提供标准和定制服务包， 其中包括蓝图审核、 结构和耐候密封接口的设计计 算、 项目审计、 培训和质保。 今天， 道康宁Q u a l i t y B o n d已引入中国， 为当地客户提供支持。 高新硅基材料可提供强化的耐 用性、 柔性、 粘合性和更高的防水、 防火性。 4 0多年来， 道康宁为中国建筑行业提供整体有机硅解决方案、 值得信赖的产 品和先进的技术， 如国家大剧院、 上海世博会中国馆和主题馆以及广州塔。目前， 有机硅解决方案包括从无机和可再生材 料到使用低 V O C( 挥发性有机化合物) 防水剂的混凝土处理， 以及可实现混凝土再生骨料的有机硅技术。 它们广泛应用于 高性能建筑中， 以延长建筑生命周期， 确保建筑安全性并创造健康的居住环境。 ( 雪) 7 2 新型建筑材料 2 0 1 2 5 * “ “ n 女 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m