钢纤维长度与掺量对混凝土力学性能的影响

混凝土杂志2020-11-20 15:48:54

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钢纤维长度与掺量对混凝土力学性能的影响      李悦;王兴雷;丁庆军;62-65+69 

【作者】 李悦;王兴雷;丁庆军;

【摘要】 制备了两种等级的混凝土,研究了钢纤维不同掺量及长度对混凝土流动性、抗压强度、劈裂强度、弯曲韧性和抗冲击性的影响。结果表明:钢纤维混凝土的流动性随钢纤维掺量的增加而降低,且掺长钢纤维的混凝土比掺短钢纤维的混凝土降低的更多;随着钢纤维掺量的增加,钢纤维混凝土的抗压强度、劈裂强度、弯曲韧性和抗冲击性均有不同程度提高。其中,抗压强度提高幅度不大,劈裂强度、弯曲韧性和抗冲击性有明显提高,长钢纤维对混凝土性能的影响优于短钢纤维。 

【关键词】 混凝土; 钢纤维;弯曲韧性;  抗冲击性;  

混凝土材料是当今世界上最重要的建筑材料。它在全世界范围内应用最广泛、用量最多。就全球范围来说,近几年来每年混凝土用量约在50亿立方米以上[1]。但是,脆性混凝土材料存在着显著弱点——抗拉强度低、抗裂性差、抗韧性差。因此,如何提高混凝土的性能一直是许多专家学者研究的内容。其中纤维增强水泥基复合材料就是一种有效提高混凝土性能的途径。

钢纤维混凝土(SFRC)是在普通混凝土中掺入钢纤维而形成的一种新型复合材料。目前被广泛地应用于公路、铁路、桥梁、工业、民用建筑等领域[2-3]。与普通混凝土相比,钢纤维混凝土具有优良的静力和动力性能。赵军等[4]的研究表明,对于采用剪切波纹型钢纤维边长为150mm的试件,当钢纤维的体积掺量不大于2%时,其抗压强度比为1~1.26。焦楚杰[5]等的研究表明,钢纤维能显著提高混凝土的抗拉性能,当钢纤维体积掺量从1%增到3%, 钢纤维混凝土的侧向劈裂抗拉强度较素混凝土提高46. 6%109. 4%,正向劈裂抗拉强度提高49. 8%131. 6%。随钢纤维体积掺量增加,钢纤维混凝土正向、侧向劈裂抗拉强度比值增大。朱海堂[6]等的研究表明,钢纤维能提高混凝土的弯曲韧性。随着钢纤维掺量的增加,钢纤维高强混凝土的峰值荷载逐渐提高,荷载—挠度曲线愈加丰满,下降段越平缓,表现出较好的韧性。钢纤维高强混凝土的弯曲韧性指数以及承载力变化系数均随着钢纤维体积率的增大而增大。秦鸿根[7]等的研究表明,钢纤维能够有效地阻止混凝土的收缩应变,减少混凝土的收缩。当钢纤维体积掺量为1.5 %时,钢纤维混凝土7d28d90d的收缩率比素混凝土分别降低了24.5%22.7%16.8 %。黄承逵[8]等的研究表明,钢纤维混凝土具有卓越的抗冲击性能和耐疲劳性能。

综上所述,对钢纤维混凝土性能的研究有助于钢纤维混凝土的推广应用。为了进一步完善钢纤维掺量及尺寸对钢纤维混凝土综合性能的影响,本文系统研究了钢纤维对混凝土流动性、抗压强度、劈裂强度、弯曲韧性及抗冲击性能的影响。

1原材料与试验方法

1.1原材料

水泥:钻牌P·O42.5R级水泥;石子:涞水石灰岩质碎石,225mm连续级配;砂子:涞水河沙,中砂;减水剂:萘系粉末状减水剂。钢纤维:国产端钩型钢纤维(图1),35mm短纤维(D)、60mm长纤维(L),其性能参数见表1

1.2.配合比

试验采用基准混凝土等级分别为C40C60,配比如表2所示。

1.3试验方法

试验参照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13:2009)进行,试验包括坍落度、抗压强度、劈裂强度、弯曲韧性及抗冲击性五部分。其中,抗压试验和劈裂试验采用100×100×100mm的试件,弯曲韧性试验采用100×100×400mm的试件,抗冲击试验采用直径为150mm、厚度为63mm的圆饼形试件,落锤重量3kg,落锤高度850mm

2实验结果及讨论

2.1钢纤维对坍落度的影响

2.2钢纤维对混凝土抗压强度的影响

4、图5表明,随着钢纤维体积掺量的增加,混凝土的抗压强度有略微提高,但无明显规律。C40混凝土的抗压强度提高幅度为3.5%17%C60混凝土的提高幅度为5%16.7%。钢纤维对混凝土抗压强度的影响较复杂。一方面,钢纤维的加入使混凝土产生了更多初始裂缝,增加了混凝土的初始缺陷,使混凝土的抗压强度降低。另一方面,钢纤维能阻止混凝土中裂缝的开展,从而使混凝土的抗压强度提高。所以,钢纤维对混凝土的抗压强度影响不显著。但钢纤维的掺入改变了混凝土的破坏形态,使混凝土裂而不碎,表现出一定的韧性。

6表明,随着钢纤维体积掺量的增加,混凝土的劈裂强度逐渐提高。当钢纤维体积掺量为1.2%时,C40C60混凝土的劈裂强度分别提高35.6%37.2%。从图7可以看出,随钢纤维长度的增加,混凝土的劈裂强度增加。当钢纤维体积掺量相同为1.2%时,掺60mm钢纤维的C40C60混凝土的劈裂强度较掺35mm钢纤维的混凝土的劈裂强度分别提高4.2%5.8%

8、图9为混凝土劈裂破坏试件。当达到最大荷载时,素混凝土试件突然被劈裂破坏,试件只产生一条主裂缝。随着钢纤维体积掺量的增加,劈裂试件在荷载达到峰值时开裂缓慢,并且荷载—位移曲线中能形成稳定平滑的下降段,试件破坏处有多条裂缝产生。因此,钢纤维混凝土比素混凝土有较高劈裂抗拉强度,并避免了素混凝土的脆性破坏。

2.4钢纤维对混凝土弯曲韧性的影响

从表3的数据可以看出,随着钢纤维掺量的增加,混凝土的初裂强度、极限强度、弯曲韧性指数和弯曲韧性比都逐渐增加。当钢纤维体积掺量相同为1.2%时,60mm的长纤维混凝土的各项指标比35mm的短纤维混凝土进一步提高。与相应等级的素混凝土相比,提高弯曲极限强度最高的是掺量为1.2%、长度为60mm的钢纤维混凝土,C40C60混凝土分别提高了106.8%93.3%C40C60混凝土的弯曲韧性指数5、I10、I20比素混凝土提高了5.8612.9725.72倍和5.3111.9823.73倍。

从图10、图11中可以看出,素混凝土弯曲试件在达到峰值荷载时发生脆性破坏,荷载—挠度曲线没有下降段。掺入钢纤维后,混凝土的峰值荷载随钢纤维体积掺量的增加而不断增大。当钢纤维掺量较低时,弯曲试件的荷载—挠度曲线存在明显的软化段,随着钢纤维体积掺量的增加,荷载—挠度曲线变得越来越饱满,在一定挠度内没有明显的下降段,甚至出现二次峰值,呈现出良好的韧性。此外素混凝土荷载—挠度曲线的峰值挠度很小,随着钢纤维体积掺量的增加,钢纤维混凝土的荷载—挠度曲线峰值点的挠度明显增大。钢纤维混凝土呈现出裂而不断的破坏特征。

2.5钢纤维对混凝土抗冲击性的影响

由表4可以看出,随着钢纤维体积掺量的增加,混凝土的初裂冲击次数、破坏冲击次数和延性指标都显著提高。当钢纤维体积掺量相同为1.2%时,掺60mm长钢纤维的混凝土比掺35mm短钢纤维的混凝土提高幅度更大。当掺1.2%的长钢纤维时,与相应等级的素混凝土相比,C40混凝土和C60混凝土的初裂冲击次数、破坏冲击次数及延性指标分别提高了5.2倍、14.9倍、1.56倍和3.95倍、16.2倍、2.48倍。

由图12、图13可见,在破坏形态上,素混凝土表现出明显的脆性断裂,试件一断即散,断口较为整齐;而钢纤维混凝土则呈现出明显的延性破坏,在冲击荷载作用下,由于钢纤维良好的拉接作用,试件裂而不散,产生由中间向四周放射的多条裂纹,有效地吸收更多的冲击能量。

3结论

1)钢纤维混凝土的流动性随钢纤维体积掺量的增加而降低,且掺长钢纤维的混凝土比掺短钢纤维的混凝土降低的更多。

2)钢纤维对混凝土的抗压强度有略微提高。C40混凝土最高提高了17%C60混凝土最高提高了16.7%

(3)钢纤维混凝土的劈裂强度随钢纤维体积掺量的增加而逐渐提高。当掺1.2%的长钢纤维时,C40 C60混凝土的劈裂强度分别提高了39.8%43.0%

4)钢纤维混凝土的初裂强度、极限强度、峰值挠度、弯曲韧性指数和弯曲韧性比都随钢纤维体积掺量的增加而提高。

5)钢纤维混凝土的抗冲击性随钢纤维体积掺量的增加而提高。C40混凝土和C60混凝土的初裂冲击次数、破坏冲击次数及延性指标分别提高了5.2倍、14.9倍、1.56倍和3.95倍、16.2倍、2.48倍。

 [参考文献]:

[1]邓宗才. 高性能合成纤维混凝土[M]. 北京: 科学出版社, 2003

[2]高丹盈. 赵军. 朱海堂. 钢纤维混凝土设计与应用[M].北京: 中国建筑工业出版社, 2002

[3]赵国藩. 彭少民. 黄承逵. 钢纤维混凝土结构[M].北京: 中国建筑工业出版社, 1999

[4]赵军. 高丹盈. 朱海棠. 钢纤维高强混凝土抗压性能试验研究[J]. 新型建筑材料, 2005.01.

[5]焦楚杰. 孙伟. 高培正等. 钢纤维混凝土力学性能试验研究[J].广州大学学报:自然科学版, 20054.

[6]朱海堂高丹盈谢丽. 张启明钢纤维高强混凝土弯曲韧性的研究 [J].硅酸盐学报, 2004,(5). 

[7]秦鸿根刘斯凤孙伟庞超明.安平钢纤维掺量和类型对混凝土性能的影响 [J]. 建筑材料学报, 2003,(4) .

[8]黄承逵.纤维混凝土结构[ M]. 北京: 机械工业出版社,2004   




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