钢纤维增强混凝土（精选10篇）
钢纤维增强混凝土 第1篇
超声回弹综合法是超声法检测和回弹仪测量的综合,是先利用超声仪测定超声波在混凝土构件中的传播时间t并计算出超声波在混凝土中的声速值v,然后利用回弹法测定混凝土表面硬度即回弹值R,同时根据回弹值R和声速值v来推定混凝土强度fcu。由于超声声速值反映了混凝土的内部密实度,而且混凝土强度的不同,其结构密实度也不同,鉴于混凝土的强度与超声声速v和混凝土的表面硬度(表面硬度可由回弹锤的反弹高度即回弹值R反映)具有相关性,因此完全可以建立回弹值和超声声速值与混凝土抗压强度之间的相关关系式fcu-v-R。由于声速值与回弹值综合后,原来对超声声速和回弹值有影响的因素,没有原来单一方法时那么显著,这就扩大了超声回弹综合法的适用范围,提高了测试精度。
该文运用超声回弹检测技术,对3种不同钢纤维掺量的钢纤维增强橡胶高强混凝土试件进行超声波、回弹测试和抗压强度试验,得出钢纤维橡胶高强混凝土的超声回弹综合法的专用测强曲线,为利用超声回弹检测技术对钢纤维增强橡胶高强混凝土的强度测试提供技术参考。
1 原材料
1)水泥:
本地生产的PSA矿渣硅酸盐水泥,强度等级为32.5R;
2)细骨料:
河砂,细度模数2.91;
3)粗骨料:
连续级配碎石,最大粒径25 mm;
4)水:
日常饮用自来水;
5)矿物质超细粉:
硅粉,平均粒径在0.1～0.3 μm,比表面积为20～28 m2/g,其细度和比表面积约为水泥的80～100倍;
6)减水剂:
QL-5高效减水剂,浓度30%;
7)橡胶粉:
方达环宇环保科技有限公司生产的15、40、60目橡胶粉;
8)钢纤维:
型号LHF-35混凝土用钢纤维,剪切平直形,长径比为55,抗拉强度为380～500 MPa。
2 配合比
按照普通混凝土配合比设计方法对基体高强混凝土(HSC)、钢纤维增强橡胶高强混凝土(SFRHSC)进行配合比设计。基体高强混凝土的配合比见表1。
钢纤维橡胶高强混凝土(SFRHSC)是在基体混凝土
kg/m3
中掺入胶凝材料质量3%(即15.6 kg/m3)的15目、40目、60目橡胶粉和体积率为1%、1.2%、1.5%(分别为78.5 kg/m3、94.2 kg/m3、117.7kg/m3)的钢纤维进行复合得到。
3 试验方法
该试验使用强制式混凝土搅拌机搅拌,共浇注了10组共30个150 mm150 mm150 mm立方体试件,其中高强混凝土(HSC)试件1组,钢纤维橡胶高强混凝土(SFRHSC)9组。振动台振捣密实,24 h拆模,标准养护28 d后取出。先进行超声测试,再进行回弹测试,最后进行抗压强度试验。试验方法均按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[1]和CECS13:89《钢纤维混凝土试验方法》[2]的要求。
3.1 试验结果与分析
试验得到超声值、回弹值和抗压强度值见表2。
3.2 超声回弹测强曲线的建立
当所有的试块全部测试完成后,每组试块都可得到一组数据:声速值v、回弹代表值R、和试件抗压强度实测值fccu。
根据《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS02:2005)中规定,高强混凝土抗压强度与超声波声速及回弹值的关系采用其对建立地区或专用测强曲线推荐使用的非线性回归模型
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式中,fccu为混凝土试件抗压强度换算值,MPa;v为试件声速值,km/s;R为回弹值;a为常数项;b,c为回归系数。
采用二元非线性回归分析方法[3],通过试验结果分析求出a,b,c,从而得出超声回弹综合法的专用测强曲线。
由于选用的幂函数方程是非线性方程,所以在进行回归分析时,通过对数变换转化为线性回归模型,利用最小二乘法进行参数拟合。该文利用Microsoft公司的MS-Excel程序对研究数据的回归拟合及其可靠性进行自动计算,建立了专用测强曲线的标准快捷模块,极大地提高数据处理的准确性和便捷性[4]。在Excel表格中分别输入原始数据:vi、Ri、fundefined,建立了钢纤维增强橡胶高强混凝土的超声回弹综合法测强曲线
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下面对回归方程进行误差分析:
回归相关系数R主要用于判断方程拟合的优劣程度,它表达了回归方程的几个变量之间回归关系的密切程度,其数值在0和1之间,越靠近于1,变量的回归关系就越为密切,回归方程也就越有效。根据相关公式计算得到回归系数R=0.035,说明声速值,回弹值与抗压强度的线性相关关系不明显。
计算得到实测抗压强度平均值为74.2 MPa,回归方程的强度平均值为74.4 MPa,钢纤维橡胶高强混凝土的抗压强度实测值与拟合结果值见图1。
由图1可以看出,实测结果与拟合结果误差不大,但计算得到实测值的方差为35.0,回归方程方差为17.6,两者方差差距较大,说明回归方程离散型较大,不能作为工程上计算混凝土强度的公式。
4 结 论
通过试验得出钢纤维橡胶高强混凝土的超声回弹综合法的专用测强曲线为fccu=0.021 7v0.401 5R1.999 6。
参考文献
[1]吴惠敏.新编混凝土无损检测技术[M].北京:中国环境出版社,2001.
[2]中华人民共和国标准.GB/T50081-2002,普通混凝土力学性能试验方法标准[S].北京:建筑工业出版社,2003.
[3]中国工程建设标准化协会标准.CECS13:89,钢纤维混凝土试验方法[S].北京:人民交通出版社,1996.
[4]张显军.超声回弹综合法评定构件混凝土强度的研究[D].哈尔滨:东北林业大学,2007.
玻璃纤维增强水泥研究进展 第2篇
【关键词】玻璃纤维增强水泥；耐久性；最佳配合比
0.前言
GRC是玻璃纤维增强水泥的英文名称Glass fiber Reinforced Cement的缩写，在GB/T16309—1996《纤维增强水泥及其制品名词述语》中的定义为：用玻璃纤维作增强材料，水泥净浆或砂浆作基体组合而成的一种复合材料[1-12]。它不但具有优良的抗拉、抗弯、抗冲击性能，还具有抗裂性好、重量轻、易模性好、加工方便、不怕潮、不燃烧等优点。上世纪40年代，欧洲就开始研究玻璃纤维混凝土（以下简称GRC）。60年代初，德国专家进行了早期的试验研究工作。随后英国、奥地利、瑞典等国也相继从事玻璃纤维增强水泥的研究，从而产生了一系列的GRC产品。目前国内外关于GRC的研究主要集中在如何提高其性能和适用范围这两大板块。本文对玻璃纤维增强水泥的耐久性和相关实验成果作了简要介绍，并对其应用和发展前景作了概述。
1.玻璃纤维增强水泥的耐久性
国内外学者曾对GRC长期性能下降的机理提出了许多学说。归纳起来，GRC长期性能下降的机理主要包括以下几点[2]：（1）水泥水化后孔溶液中的OH-离子对玻璃纤维硅氧骨架（-Si-O-Si-）的侵蚀，即典型的化学侵蚀机理；（2）由于界面区Ca（OH）2晶体生长所产生的压力造成的破坏；（3）玻璃单丝与水泥水化产物胶结处形成的应力集中原因；（4）水泥水化物填充了玻璃纤维间的空隙，使玻璃纤维的变形自由度下降，导致GRC的破坏。曹巨辉，汪宏涛两人[2]通过多个实验得出耐久性的改善主要有以下几个方面：（1）改变玻璃纤维化学成分；（2）基体的改性；（3）玻璃纤维表面涂覆处理；（4）界面改善。
2.玻璃纤维增强水泥的相关实验研究
2.1纳米SiO2对GRC性能的影响研究
曹巨辉等[4]利用水、粉煤灰、硅灰、纳米SiO2、玻璃纤维、砂、减水剂等材料。通过流动性试验：按CB/T2419-94《水泥胶砂流动度测定方法》，胶砂比为1：2，玻璃纤维掺量为试件体积的2%，水胶比为0.5。得出实验结论：（1）纳米SiO2适量掺入GRC体系中，可以提高GRC的流动性及强度；随着纳米SiO2掺量的增加，GRC的流动性降低；采用纳米SiO2与减水剂、水先混合均匀后再与水泥一起混合搅拌，有利于GRC的强度发挥。（2）纳米SiO2作为高活性掺合料，可改善GRC的耐久性能。
2.2粉煤灰硅灰改善GRC加速老化条件下的力学性能
曹巨辉[5]利用42.5R普通硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰等材料通过试验研究了GRC加速老化条件下的力学性能，此方法通常分为50℃和80℃热水两种方法，得出实验结论：用粉煤灰、硅灰等活性掺合料改善普通硅酸盐水泥GRC 的耐久性是有效的。粉煤灰掺量50%、硅灰掺量10%的GRC试件在50℃热水中加速老化56d强度仍保持增长，在80℃热水中加速老化11d强度保持继续增长。将粉煤灰磨细，加入硅灰以及使用硫酸钠早强剂可提高GRC早期强度， 但硫酸钠会降低GRC老化后期的强度。有关粉煤灰、硅灰改善GRC耐久性的微观机理及加速老化试验方法的适用性还需做进一步研究。
2.3玻璃纤维对GRC复合材料耐久性的影响
汪宏涛等[6]选用42.5R普通硅酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、玻璃纤维、中砂、减水剂等材料，用GRC加速老化法，即50℃和80℃热水加热两种方法。得出以下结论：（1）玻璃纤维束通常由许多玻璃纤维单丝粘结在一起，其分散成玻璃纤维单丝的速率及存在状态对GRC的性能有着非常重要的影响。（2）加速老化条件下，以预混型短切玻璃纤维为增强材料的GRC比以水分散型短切玻璃纤维为增强材料的GRC表现出更好的耐久性；而ZrO2质量分数为16.7%的耐碱玻璃纤维要比ZrO2质量分数为14.5%的玻璃纤维表现出更好的耐腐蚀性。（3）与长度为20mm的玻璃纤维相比，以长度为12mm的玻璃纤维配制的GRC表现出更好的耐久性。（4）玻璃纤维掺量体积分数为2%和4%的GRC加速老化抗折强度变化曲线基本一致，但掺量体积分数为4%的玻璃纤维GRC强度要低于2%时同条件下GRC强度，其原因主要在于纤维掺量偏大会造成玻璃纤维分散不均匀，GRC密实度低。
2.4玻璃纤维增强水泥基复合材料耐水性能的研究
赵帅等[7]利用水泥；玻璃纤维等材料。按照一定的配比配置玻璃纤维增强水泥基复合材料试样C0～C3，测试其抗压软化系数和孔隙率。其中试样抗压软化系数的测试方法：制得尺寸为40mm×40mm×160mm 的标准试样，放在温度为20±0.5℃，相对湿度大于90%的养护室内，养护7d，接着在40±2℃烘箱内烘至干，测得绝干强度。然后泡水24h测得饱水强度。软化系数分为抗压软化系数和抗折软化系数。得出如下结论：掺加外加剂A或聚合物乳液K，在一定程度上提高了玻璃纤维增强水泥基复合材料的耐水性能，同时掺加外加剂A和聚合物乳液K，可以进一步的提高玻璃纤维增强水泥基复合材料的耐水性能。结语：提高玻璃纤维增强水泥基复合材料的耐水性能，可以通过一些改性方法得以实现，同时掺加适量的外加剂A和聚合物乳液K就是方法之一。
2.5玻璃纤维增强水泥的最佳配合比研究
王红霞[8]等通过实验研究了：GRC中玻璃纤维掺量P的增大，抗压强度基本上呈降低趋势 在P不太大时，随着P的增加.抗拉强度、抗弯强度 和弹性阶段抗拉弹性模量呈上升趋势，但当P增大到一定程度（约为1.5%）后，抗拉增加不明显，抗弯与弹性阶段抗拉弹性模量则明显开始下降。可以得出，当采用拌台法制作GRC时，玻璃纤维掺量应控制在1.5%左右，此时的抗压强度降低不多，而抗拉、抗弯强度与抗拉弹性模量均较高，施工也较方便。
2.6 GRC（FRP）模板与硅复合梁的试验研究
王红霞和向忠两人[9]探讨了GRC（玻璃纤维增强水泥）与FRP（玻璃钢）作为永久性模板的可行性，即利用GRC和FRP具有易成型、较高的抗拉强度特点、形成模板/ 混凝土复合结构。通过拉伸、弯曲等试验对比，论证了GRC和FRP永久性模板各自的特点及对混凝土梁起到结构增强作用。主要证明了：（1）不论GRC或FRP均能大幅度地提高混凝土梁的抗弯强度，永久性模板对混凝土起到了增强作用。（2）GRC与混凝土的界面复合性能要优于玻璃钢与混凝土的结合，但GRC模板的塑性不如FRP 模板。（3）通过对FRP 模板内表面采取措施后，能改善其与混凝土的界面结合强度。
2.7玻璃纤维增强水泥在加固砌体抗剪中的研究
王红霞等[10]在研究GRC在对砖砌体墙的开裂进行加固修复的抗剪强度和阻裂性能时，通过实验得到以下结论：（1）在水泥砂浆中掺加少量的耐碱玻璃纤维形成GRC材料的抗拉强度和阻裂性能大大提高。用GRC加固砖砌体可显著提高其抗剪强度、改善受力性能。（2）用GRC加固的墙体在水平力作用下根据加固层厚度的不同可发生粘结面剪坏和加固层剪坏两种破坏形态，在工程应用的范围内加固层厚度大于20mm时均能发生粘结面剪坏的破坏形态。
3.GRC的应用及其发展前景
3.1玻璃纤维增强混凝土的应用
马景峰和陈立君两人[11]总结出玻璃纤维增强混凝土的施工技术：（1）预拌成型法；（2）压制成型法；（3）注模成型法；（4）直接喷涂法；（5）喷射抽吸法；（6）铺网一喷桨法；（7）缠绕法。并发现了玻璃纤维增强混凝土在应用中存在的问题：1）在生产过程中玻璃纤维不易在混凝土中均匀分散而易缠绕成团，不仅影响了混凝土的性能，而且还影响了新拌混凝土的和易性。2）具有较好的增强效果的一些玻璃纤维价格较贵，增加了混凝土的成本。
3.2 GRC制品在建筑工程上的应用及其发展前景
崔玉忠[1]总结出建筑工程中常用的GRC制品，包括以下几种类型：（1）GRC轻质多孔内隔墙条板（2）GRC外墙保温板（3）GRC通风管道（4）GRC外墙外装饰制品。除了上述几种GRC制品之外，近年来在建筑工程上使用的其它GRC材料制做而且也取得较好效果的建筑构件有阳台栏板，阳台隔板，网架屋面板，雨蓬板等。在轰轰烈烈发展的同时也出现了一些不好的现象，有些单位或者是不了解GRC材料的实质和基本技术要求，或者是为了贪图眼前利益，随便用普通水泥和普通玻璃纤维混合起来就称之为GRC材料。一是材料的选用错误，给长期使用留下了隐患；二是纤维的掺量不够，掺量太低就得不到所期望的增强增韧效果；三是连续玻璃纤维的配放位置不正确，当构件受到外加荷载时，纤维难以发挥增强作用。这些不正当的做法，造成了GRC产品的市场混乱，直接损害了玻璃纤维增强水泥这种新型材料的声誉。
根据建设部《关于推广应用住宅建设新技术新产品的公告》中，首批住宅技术“外墙保温隔热技术”和“厨房烟气排放系统”中可分别使用GRC外墙保温板和GRC通风管道，首批住宅产品中将“耐碱玻纤低碱水泥隔墙板”列为非承重内墙材料；八部委局《关于推进住宅产业现代化提高住宅质量的若干意见》中指出：“积极发展各种新型砌块、轻质板材和高效保温材料，推行复合墙体和屋面术，......”、“积极发展通用部品，逐步形成系列开发、规模生产、配套供应的标准住宅部品体系。重点推广并进一步完善已开发的新型墙体材料、防水保温隔热材料、轻质隔断......”。GRC制品良好的性能和有关政策的颁布，为建筑工程用GRC制品提供了发展机遇，相信GRC建筑制品会有更加广阔的发展前景。
4.结论
纵观GRC的发展历史和如今的各项相关研究，我们不难看出GRC的耐久性和相关力学性能相当出色，但是其发展的脚步却无法跟上高速发展的建筑技术，原因在于GRC作为一种新型材料还未被人们所熟知和接受。但是GRC也有很多问题急待解决，如GRC的配比需要有更简便易行的施工方法；GRC材料的使用需要有更便捷的流通渠道；GRC材料的使用范围需要更深入到建筑的各个部分；GRC材料的经济性需要更趋向于合理化；相信解决了这些问题之后的GRC作为一种新型建筑材料定能发挥出他应有的价值。 [科]
【参考文献】
[1]崔玉忠.GRC制品在建筑工程上的应用及其发展前景[J].混凝土与水泥制品，2000 （z1）：108-110.
[2]曹巨辉，汪宏涛.玻璃纤维增强水泥耐久性研究的进展[J].建筑技术，2004（4）：266-269.
[3]韩静云，蒋家奋.欧洲玻璃纤维增强水泥（GRC）的回顾与展望[J].混凝土与水泥制品，2003（6）：33-38.
[4]曹巨辉，蒲心诚.纳米SiO2对GRC性能的影响研究[J].新型建筑材料，2004（8）：12-15.
[5]曹巨辉.粉煤灰硅灰改善GRC加速老化条件下力学性能的研究[J].粉煤灰综合利用，2003（5）：27-29.
[6]汪宏涛，曹巨辉.玻璃纤维对GRC复合材料耐久性的影响[J].后勤工程学院学报，2009（2）：1-4.
[7]赵帅，田颖.玻璃纤维增强水泥基复合材料耐水性能的研究[J].江苏建材，2008（2）：20-21.
[8]王红霞，向忠.基于玻璃纤维增强水泥（混凝土）材料性能分析的最佳配合比的研究[J].四川建筑科学研究，2001（3）：57-59.
[9]张巨松，牛锡泉，曾尤，杨合.GRC（FRP）模板与砼复合梁的试验研究[J].混凝土与水泥制品，2000（z1）：178-179.
[10]王红霞，向忠.玻璃纤维增强水泥在加固砌体抗剪中的研究[J].工业建筑，2000（4）：50-53.
[11]马景峰，陈立君.玻璃纤维增强混凝土的应用[J].玻璃纤维，2005（3）：24-27.
仿钢纤维增强轻骨料混凝土性能研究 第3篇
轻骨料混凝土(LWAC)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1950 kg/m3。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:PO 42.5R普通硅酸盐水泥,其性能指标见表1。
粗骨料:选用页岩陶粒,其物理性能如表2所示。
细骨料:河沙,细度模数2.4,堆积密度1465 kg/m3,表观密度2650 kg/m3,含泥量2%,颗粒级配良好。
钢纤维:采用波纹型钢纤维,规格为30 mm,长径比50,抗拉强度不低于700 MPa。
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。
矿物掺合料:Ⅰ级粉煤灰。
外加剂:JS-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JGJ 512002《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0.42,砂率为40%。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[2],试验共6组,对每一组混凝土拌合物按照CECS 13:1989《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。
kg/m3
2 试验结果与分析
各组纤维轻骨料混凝土28 d的性能测试结果见表5。
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1844 kg/m3。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1862 kg/m3。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[2]。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45%。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[3]。
从表5可以得出,仿钢纤维掺量0.7%的轻骨料混凝土与掺1%钢纤维的轻骨料混凝土相比,28 d抗压强度可提高10%以上,仿钢纤维轻骨料混凝土28 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CECS 1389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I5,I10,I30,其分别表示3、5.5、15.5倍初裂挠度所对应的荷载-挠度(P-δ)关系曲线下的面积与初裂挠度所对应的荷载-挠度关系曲线下的面积之比,计算方法类似于ASTM C 1018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-挠度曲线如图1所示。
从图1可以看出,未加纤维时荷载-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-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-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-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Vf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,因仿钢纤维与基体间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-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-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[4]。
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ASTM C1018-85,对于理想弹塑性体的I5、I10、I30应为5、10、30,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。
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0.92 g/cm3,钢的密度为7.8 g/cm3,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490元/m3,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1019.87元/m3,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512.54元/m3,比钢纤维轻骨料混凝土便宜507.33元/m3,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507.33元/m3,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,1996:3-4.
[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].内蒙古工业大学学报,2008,31(1):26-27.
[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,2009(1):43-45.
钢纤维增强混凝土 第4篇
关键词：增强体；复合材料；结构加固
1 纤维增强复合材料特点
纤维增强复合材料（FRP）就是将纤维作为增强体与传统的工程材料复合应用。在土木工程领域中常用的纤维主要是：玻璃纤维（GFRP）、碳纤维（CFRP）和芳纶纤维（AFRP）。与钢材相比FRP材料可大大减轻结构自重，而且，在某些工程有特殊需要时FRP由于具有较强耐腐蚀性，可取代或部分取代传统的建筑材料，来满足其特殊设计要求。此外，FRP材料的弹性性能好，如在外力作用下发生变形后仍然可以恢复成原来的形状。这种特性使其非常适用于加固承受大的动荷载或冲击荷载情况下的结构构件。另外，FRP材料还具有很多传统材料所不具有的优势和特点，例如，较好的绝缘性并能隔热、抗电磁波而且热膨胀系数小等。因此在工程中有很大的灵活性，可设计性强。
2 FRP结构加固技术的发展
欧美一些发达国家在早20世纪80年代时就将FRP应用在了土木工程的结构加固方面，而国内在这方面的应用研究起步比较晚。但自从相关研究得到关注以来，国内各知名高校的专家学者也一直致力于FRP加固技术、设计理论、工程实践等方面的研究，并且也取得了一系列的创新成果。极大推进了FRP材料在我国工程结构中的应用。同时，为了更好的进行学者间的沟通交流、彼此提高技术水平，中国土木学会相关分会专门召开有关FRP应用研究的学术交流会和主题会议，并且在FRP加固规范的制定方面我国已编制并颁发了相关技术规程和施工标准，这些标准规程的使用对FRP的实际应用起到了较好的规范和指导作用。
3 FRP加固技术的实际应用
关于FRP对混凝土结构进行加固方面，国内外学者进行了大量的试验研究和相关工程实践，并已形成了一系列较为成熟的设计理论。一些成果资料显示，FRP片材应用到混凝土的梁、板加固中时可以很好的改善其抗弯、抗剪承载力，并且对于裂缝的开展有明显的控制效果；同时，在混凝土柱的加固过程中可使其的变形和滞回耗能能力得到明显提高，并且可显著改善混凝土柱的抗震性能。在不断的研究和实践中也发现了一些值得注意的问题，同时也对一些FRP加固新方法进行了研究和尝试。
3.1 在实验研究中发现了一个非常值得关注的问题，就是FRP与混凝土界面的粘结性能的问题。在工程实践中我们发现，采用非预应力抗弯加固时，FRP的有关性能得不到很好的利用。因此，破坏形态多为脆性破坏，因此在应力水平很低的情况下FRP片材也很容易与混凝土发生剥离，导致FRP无法有效发挥其强度高的优势，对于加固的效果产生了很大的影响。国外也有学者对于这个问题做了相关研究并提出了界面粘结强度模型和相关公式。但我们仍需要在这个问题上做更多的研究和尝试，找到更好的解决办法，使FRP的性能得到最大的发挥并取得更好的加固效果。
3.2 预应力FRP加固时的工作原理与预应力钢筋混凝土的原理相似，是用粘结材料将事先张拉好的FRP片材粘结到混凝土梁的受拉面上，使原混凝土结构与粘贴的FRP片材一同工作。有关FRP 片材加固的试验结果表明采用预应力碳纤维布（CFRP）时加固效果较好，因为碳纤维布（CFRP）在加固过程中充分利用了FRP轻质、高强的特点，并且结果显示，从开裂荷载、屈服荷载、极限荷载的提高幅度来看采用预应力加固的效果都要比非预应力情况下加固效果好，而且预加应力也缓解了碳纤维布（CFRP）的应力滞后问题。
3.3 碳纤维布（CFRP）和外包钢复合加固技术。为了充分发挥碳纤维布和钢材这两种材料各自不同的优势，有学者提出将碳纤维布（CFRP）和外包钢同时用于混凝土柱的加固中，使其共同作用来改善结构的抗弯性，且构件的刚度衰减慢，其破坏性与单独加固的构件相比更有预测性，对构件的抗震设计非常重要。复合加固可发挥材料各自的优势，使加固柱在极限应变、延性和耗能能力方面都有较大改善。
3.4 采用混杂纤维布（HFRP）进行结构加固。混杂纤维布是将各种不同的纤维混合在一起，使它们同时作为增强体的复合材料，这样可以将不同纤维各自的优点聚集在一起，共同发挥作用。关于采用混杂纤维布（HFRP）对构件进行加固的方法最早是由汕头大学的熊光晶教授提出的，熊教授在这方面和他的学生们做了大量的试验研究。相关数据表明，采用混杂纤维布（HFRP）加固混凝土梁，不仅可以使构件的承载力和延性有所提高，还可明显降低加固成本。因此，混杂纤维在FRP加固技术的应用中有很好的发展前景。
3.5 将FRP嵌入式加固。这种方法是用粘结材料将FRP粘结在原构件表面上事先留好的槽中，使FRP与原构件形成一个共同工作的整体，以此来改善原结构的各项力学性能。这种方法与原来直接在结构表面粘贴FRP的方法相比，嵌入式加固方法的FRP材料与原结构的粘接性更好，这样可以有效防止火灾对FRP材料的破坏，同时又充分利用了FRP材料的强度，实现有效提高构件承载力的目标。尤其在构件的负弯矩区加固具有极大的优势。这种嵌入式加固可以取得较好的加固效果，非常值得在相关应用研究中做更多的工作使方法可以更好地得到应用和推广。
4 结语
综上，凭借其质量轻、强度高、耐腐蚀等多种优势，FRP材料逐步在结构加固领域取得了一席之地，得到了广泛关注和认可，未来将通过更多的研究和探索争取使FRP材料在结构加固方面发挥更大的优势。然后，需要关注的是我们对FRP加固技术的研究虽然在理论和工程实践中都取得了一些成果，但距工程实际还有更多的问题需要研究和解决。关于材料的生产工艺、成本的降低和新性能的开发，相关技术规范与标准的制订等方面，都仍需要做大量的研究工作，努力加快工程实际应用的总结，使研究成果尽早转化为工程应用。
参考文献：
[1]王宗昌.建筑工程质量控制与防治[M].北京：化学工业出版社，2012.
钢纤维增强混凝土 第5篇
关键词：长期变形,膨胀,钢纤维,混凝土
0前言
在普通钢筋混凝土中掺入一定量的膨胀剂, 使得混凝土发生膨胀变形补偿收缩并能有一定自应力产生 (一般在1MPa以下) , 即通常称的微膨胀混凝土 (或补偿收缩混凝土) 。将钢纤维乱向分布到膨胀混凝土中, 可以使钢纤维的增强增韧效应与膨胀混凝土的补偿收缩作用耦合, 从而制造出抗裂性和韧性均优良的复合材料。对于钢纤维增强补偿收缩混凝土而言, 要保证其良好的力学性能, 膨胀变形的稳定性是重要的环节。也就是混凝土发生膨胀后随时间变化, 变形没有明显地回缩, 或者即使回缩但数值不是很大并最终能处于一个稳定的变形范围。已有的研究表明, 钢纤维膨胀混凝土在早龄期具有很好的性能, 但是对其长期性能的研究目前较少。对于钢纤维增强膨胀混凝土构件来说, 材料的长期性能至关重要, 如果其长期性能得不到保证, 就会导致结构实际受力状态与设计受力状态不符, 从而危及结构的安全。
本文通过试验, 分别对3年和5年龄期的钢纤维膨胀混凝土试件进行了变形测定, 给出了微膨胀混凝土的长期变形性能, 为此种结构的设计提供了依据, 也为微膨胀混凝土的推广与应用奠定了一定的基础。
1 3年龄期的试件变形试验研究
3年龄期微膨胀混凝土试件共28组, 136个。试验从混凝土脱模后开始计算龄期, 记录了1~992d试件的变形值。
1.1 试验原材料
水泥:52.5级普通硅酸盐水泥。
膨胀剂:UEA膨胀剂。
钢纤维:鞍山产剪切平直型 (简称P型) 、上海产哈瑞克斯型 (简称H型) 、比利时产佳密克丝牌 (简称B型) 。
骨料:细骨料为河砂 (中砂) , 粗骨料为石灰岩碎石, 粒径5~15mm。
钢筋:覫12Ⅱ级螺纹钢。
1.2 试件尺寸
膨胀混凝土变形测量目前国内外还没有统一的标准, 本文试验采用100mm100mm550mm棱柱体试件。微膨胀混凝土试件一般分为两种:一种为不配钢筋形式 (见图1) , 一种为配筋形式 (见图2) 。通过测量试件两端铜端头之间距离的变化, 来观察试件的变形情况。对于配筋形式的试件, 为使钢筋充分发挥作用, 在试件两端用厚钢板进行限制, 以使钢筋的拉应力充分传递到混凝土试件上。
1.3 混凝土配合比
本次试验的膨胀混凝土试件考虑的可变因素包括:2种不同的配筋率ρs (0%、1.13%) ;4种不同的UEA掺量 (0%、8%、12%、16%) ;4种钢纤维体积率ρf (0%、1%、2%、3%) ;3种钢纤维类型 (P型、B型、H型) 。水泥用量400kg/m3, 水灰比0.45, 减水剂掺量1%。
1.4 试件测量
试件成型24h后脱模, 开始测量, 并由此计算龄期。本次试验的试件变形测量分为两种, 一种是没有钢筋限制的自由端试件, 另外一种是有钢筋约束的限制试件。对于如图1所示的第一种试件, 通过游标卡尺直接测量两端的膨胀伸长值;而对于图2所示的第二种试件, 采用游标卡尺测量试件中的钢筋的伸长量, 以脱模后的两个铜触头间的长度作为初始长度 (原长) , 每到一个龄期测量3次两触头之间的距离, 计算伸长量和伸长率, 伸长率即为钢筋的平均拉伸应变。
1.5 结果分析
3年龄期掺加UEA膨胀剂的试件, 是在水中养护28d后, 放置在室内环境, 观察其变形的变化。下面以P型纤维的试件进行试验结果分析。
1.5.1 钢纤维体积率ρf为一定值, 配筋率ρs、UEA掺量变化时的膨胀变形
图3所示的是钢纤维含量ρf为一定值, 配筋率ρs、UEA掺量改变时试件的变形曲线。从图3可以看出, 对于配有钢筋的试件, 当不掺加钢纤维时, 3年龄期变形有所下降, 数值基本保持在零左右;对于纤维掺量稍高的试件, 配筋率为零的试件3年龄期变形有所下降, 但是对有配有钢筋的试件, 在3年左右时间时, 试件基本不再回缩。
比较这些曲线可以发现, 对掺有膨胀剂的试件, 尽管有钢纤维或者钢筋的存在, 其3年龄期后的有效变形已经很小。所以, 对于掺有UEA膨胀剂的混凝土, 补偿收缩应该是其应有的作用, 而不是产生自应力。
1.5.2 配筋率ρs、UEA掺量为一定值, 钢纤维含量ρf变化时的膨胀变形
图4为配筋率ρs与UEA掺量为一定值, 钢纤维体积率变化时试件的变形曲线。从图4可看出, 对于UEA掺量较低的试件, 其3年期的变形出现了回缩现象, 也就是说早期的膨胀变形要小于后期的收缩与徐变变形;当UEA掺量达到16%时, 3年期的变形回缩较小, 可以达到补偿收缩的效果。无论配筋与不配筋的试件, 随着钢纤维含量的增加, 试件变形量均下降, 但对于3年期的变形, 钢纤维含量越高的试件, 其后期的回缩量越小, 尤其对于配筋试件而言。
1.5.3 钢纤维种类不同对膨胀变形的影响
对于掺有UEA膨胀剂的试件, 考虑了四种不同的钢纤维类型, 试验结果见图5。从图5可以看出, 钢纤维种类不同, 其变形曲线稍有不同, 但变化规律基本相同。相比较而言, H型钢纤维的约束能力稍强一些。
2 5年龄期的试件变形试验研究
5年龄期微膨胀混凝土试件共28组, 120个。试验从混凝土脱模后开始计算龄期, 记录了1~1777d试件的膨胀变形值。
2.1 原材料与配合比
水泥:52.5级普通硅酸盐水泥。
钢纤维:鞍山产剪切平直型。
钢筋:覫12Ⅱ级螺纹钢。
外加剂:UEA膨胀剂、DK-5型减水剂。
骨料:细骨料为河砂 (中砂) , 粗骨料为石灰岩碎石, 粒径5~15mm。
试件的形式和尺寸与3年龄期一样, 水泥用量为400kg/m3, 水泥:砂:石=1:1.98:2.42, 水灰比0.45, 减水剂掺量1%。
本次试验的膨胀混凝土试件考虑的可变因素包括:2种不同的配筋率ρs (0%、1.13%) ;4种不同的UEA掺量 (%、8%、12%、16%) ;4种钢纤维体积率ρf (0%、1%、1.5%、2%) 。
2.2 试验结果分析
2.2.1 钢筋配筋率ρs与UEA掺量一定时, 不同钢纤维体积率ρf下膨胀变形随时间的变化规律
图6为UEA含量为12%, ρf变化的配筋与不配筋试件的变形曲线。从图6可以看出, 随着钢纤维含量的增加, 试件的变形减小。5年龄期时, 试件均出现明显的收缩现象。
对于配筋率为1.13%的试件, 其5年龄期时的变形与钢纤维的含量相关性较小, 与半年时测试结果相比有明显的收缩, 不过钢纤维含量高的试件收缩量较小, 且试件最终变形基本维持在某一近似水平。
图7为当试件的UEA掺量为16%, 其配筋率与钢纤维含量变化时试件的变形曲线。从图7可以看出, 配有钢筋的试件变形量显著下降。从5年龄期时的变形上看, 均出现较大的回缩, 且没有配筋的试件最终变形量要大于配筋的试件。
2.2.2当钢纤维体积率ρf一定, ρs和UEA含量变化时微膨胀混凝土限制膨胀变形随时间的变化规律
图8为试件的钢纤维掺量为1.5%, 配筋率与UEA含量变化时的曲线。从图8可以看出, UEA掺量增加, 试件的变形量增长比较明显, 从5年龄期时的变形量来看, 不配筋、UEA含量高的试件其最终变形量较大, 而一旦配有钢筋, 其最终的变形维持在较低的水平。
3结论
(1) 当UEA掺量较低时, 即使掺加钢纤维, 微膨胀混凝土试件3年龄期的变形也有明显下降, 呈现回缩的趋势;当UEA掺量较高时, 在掺有钢纤维, 尤其是配有钢筋的情况下, 其回缩量很小, 可以认为基本没有回缩, 因此可以使用三个月龄期时试件的变形量作为时间最终的变形量。
(2) 5年龄期的U型试件, 当UEA掺量较低时, 其变形量基本收缩到原长, 甚至个别试件回缩到比原长更小;但当UEA掺量较高时, 其变形已经基本稳定在较高的水平。
参考文献
[1]吴中伟, 张鸿直.膨胀混凝土.北京:中国铁道出版社, 1990.
[2]吴中伟.补偿收缩混凝土.北京:中国建筑工业出版社, 1979.
[3]薛均轩, 吴中伟.膨胀和自应力水泥及其应用.北京:中国建筑工业出版社, 1980.
[4]田稳苓.钢纤维膨胀混凝土增强机理及其应用研究[D].大连:大连理工大学, 1998.
[5]孙伟, 张召舟, 高建明.钢纤维微膨胀混凝土特性的研究.混凝土与水泥制品, 1994 (5) .
[6]Idorn.GM.Expansive mechanisms in concrete.Cement and Concrete Research, 1992 (22) :1039-1046.
钢纤维增强混凝土 第6篇
关键词：钢纤维,高强混凝土梁,疲劳,挠度
0前言
随着钢纤维的广泛应用,钢纤维混凝土在混凝土结构中的应用得到了迅速的发展,在公路、铁路、桥梁及工业与民用建筑等领域的应用也越来越广泛[1,2]。上述这些结构形式在其服务期内除了承受静载作用外,还承受疲劳荷载的作用。在疲劳荷载作用下,由于疲劳累积损伤的影响,结构功能退化及结构变形增大会影响结构的正常使用甚至安全性。因此,有必要对疲劳荷载作用下钢纤维高强混凝土构件及钢纤维部分增强高强混凝土构件的变形性能进行研究。
本研究以疲劳试验为基础,分析了钢纤维高强混凝土梁疲劳荷载作用下变形随着钢纤维掺入层高变化的发展规律,探讨了疲劳荷载作用下钢纤维部分增强高强混凝土梁的刚度与挠度的计算方法及公式。
1 试验概况
本试验共制作了1根普通高强混凝土梁和3根钢纤维高强混凝土梁。试验研究的目的主要是探求钢纤维高强混凝土梁在第一次静载试验及经历一定疲劳循环次数重复加载后的变形发展规律以及钢纤维对其的影响,在设计试验梁时主要考虑了钢纤维掺入范围的变化。
试验梁均采用跨中单点分级疲劳加载。为模拟试件实际工作情况,试验梁两端采用平板橡胶支座。安置试验梁时力求几何对中,并保持两支座等高。加载点与支座处均垫有钢板,以防止发生混凝土局部压坏。疲劳试验采用固定最大及最小应力水平的等幅正弦波加载,施加的疲劳荷载最大值为0.5Mu,最小值固定为0.15 Mu(根据试验机能够控制的最小荷载选取)。
根据混凝土结构试验方法标准[3],等幅疲劳试验加载程序包括静载试验、疲劳试验和破坏试验三个阶段:在静载试验阶段,按照静力单调加载试验的加载程序进行,首先进行预加载,检验设备是否正常后进行加载至疲劳上限、卸载的静载试验;在疲劳试验阶段,进行等幅疲劳试验,加载频率为5Hz,在保持加载频率的基础上反复调节保持荷载稳定,使误差不大于±3%。试验过程中,动载循环至1万、5万、10万、15万、20万、50万、100万、150万和200万次后停止,进行一次加载至疲劳上限的静载试验,量测各级荷载下的应变、裂缝、挠度及其发展情况;在破坏试验阶段,当试验重复荷载达到要求加载200万次后,如果试验梁仍未发生破坏,则继续进行一次试件静载试验直至试验梁破坏。
试验梁的参数设计方案详见表1。
2 试验结果分析
2.1 静载作用下挠度发展规律分析
根据试验规程的要求,在疲劳试验前要进行一次加载至疲劳上限的静载试验,试验过程中测量各级荷载下的挠度。本文结合试验参数变化,分析了钢纤维掺加范围对高强混凝土梁挠度的影响。图1为不同参数影响下第一次静载试验的梁跨中挠度发展规律。
从图1可以看出,不同参数下,钢纤维部分增强高强混凝土梁的挠度变化具有以下一些共同特征:在荷载较小时,梁基本处于弹性工作状态,荷载-挠度曲线接近线性,表现出具有匀质弹性材料梁的特性;随着荷载的逐步增大,截面开始出现裂缝后,梁的抗弯刚度下降,曲线偏离线性呈下降趋势。这和普通混凝土梁的挠度变化规律是一致的。但和普通混凝土梁相比,由于钢纤维阻止裂缝开展和直接承担拉力的作用,使得梁裂缝截面处的钢筋应变降低,裂缝宽度减小,增加了梁的整体性和刚度。所以,加入钢纤维后,荷载-挠度曲线弯曲程度减缓,在同级荷载下挠度明显降低。说明钢纤维对高强混凝土梁静载作用下的变形影响是显著的。随着钢纤维掺入梁层厚的增加,其相同荷载下的挠度减小约19.0%~69.0%,但掺加超过1/3h梁高的钢纤维后,对减小钢纤维高强混凝土梁挠度的效果并不明显,说明在高强混凝土梁内的一定范围掺加钢纤维同样能够起到限制梁的刚度衰减的效果,与文献[4]研究结果是一致的。
2.2 疲劳荷载作用下挠度发展规律分析
图2着重分析不同因素下钢纤维高强混凝土梁在疲劳上限荷载作用下的最大挠度随着循环次数的发展规律。
在重复荷载作用初期1万次内,挠度增加是比较迅速的;在5~20万次时,挠度的增大速率变缓;超过20万次后,挠度的变化基本趋于稳定。挠度的增大速率随着钢纤维掺入层高的增大而变小,但影响并不显著,钢纤维掺入范围的变化主要影响第一次静载作用下梁的跨中挠度。以往的研究结果[5,6]表明,混凝土梁疲劳荷载作用下挠度不断增大的主要原因是:在疲劳荷载作用下受拉区混凝土的疲劳裂缝宽度不断增加,钢筋和混凝土间的粘结不断破坏;受压区混凝土由于疲劳荷载作用产生的累计损伤及徐变;截面削弱导致的混凝土构件刚度的下降。其原理同样适用于钢纤维混凝土及钢纤维高强混凝土。
3 挠度的计算方法
钢筋混凝土构件和钢纤维混凝土梁构件属于带裂缝工作的受弯构件,对变形计算的主要内容就是确定构件在短期荷载作用下抗弯刚度的大小。根据材料力学的基本理论,短期荷载作用下受弯构件跨中最大挠度的计算公式为:
式中,f为跨中最大挠度;M为跨中最大弯矩;l为梁的计算跨度;S为与荷载形式、支撑条件有关的系数;Bs为截面抗弯刚度。
CECS 38:2004《纤维混凝土结构技术规程》[7],在普通混凝土受弯构件的基础上,基于刚度解析法的理论分析,考虑了钢纤维的阻裂增强效果,给出了静载作用下受拉区出现裂缝的钢纤维混凝土矩形截面受弯构件的短期刚度的计算公式:
式中,Bs为根据钢纤维混凝土的强度等级,按照混凝土结构技术规程计算的普通钢筋混凝土的抗弯刚度;βB为钢纤维对短期刚度的影响系数,对于钢纤维部分增强混凝土受弯构件βB以2φfβB代替,φf≥0.5时φf=0.5取;λf为钢纤维的特征参数。
在疲劳荷载作用下,钢筋和混凝土的应变随着循环次数的增加而变大,混凝土受弯构件的弹性模量在减小,裂缝也不断向顶部发展,所以,在计算疲劳荷载作用下的钢纤维高强混凝土梁的刚度时,应根据试验结果引入疲劳荷载作用下的刚度衰减系数来考虑疲劳荷载下的刚度折减。
从图2可以看出,虽然在疲劳荷载作用下,钢纤维掺入范围等因素对钢纤维高强混凝土梁跨中最大挠度的增长速率有一定的影响,但其挠度增大、刚度下降的主要控制因素仍然是疲劳循环次数。故高强钢纤维部分增强高强混凝土梁疲劳荷载下的刚度可写为:
式中,θn为疲劳荷载作用下跨中截面刚度的衰减系数,随着疲劳荷载的循环次数的变化而变化,Bnfs即为钢纤维高强混凝土梁的疲劳刚度。
根据本次试验结果进行回归分析,结合公式(2)可得:
式中,a=0.832,b=0.0667,则疲劳荷载作用下钢纤维高强混凝土梁的挠度计算公式可写为:
不同循环次数下,挠度试验值与计算值的比值见表2。
由表2可以看出,本试验的钢纤维高强混凝土梁,按公式(6)得到试验值与计算值的比值的平均值为0.985,变异系数0.619,试验结果与计算结果均吻合良好。
4 结论
(1)钢纤维加入高强混凝土梁对于增强梁的阻裂能力、优化变形性能,即对于减小裂缝宽度和增加截面刚度是十分有利的。
(2)在疲劳荷载作用下,钢纤维部分增强高强混凝土梁的挠度会随着循环次数的增加而增大,随着钢纤维掺入范围的增加,钢纤维高强混凝土梁的挠度增大速率会有所降低。
(3)钢纤维部分增强高强混凝土梁在静载作用下的挠度计算可以参照现行《纤维混凝土结构设计规程》进行,疲劳荷载下梁的挠度的计算可以按照本文提出的基于刚度衰减系数的计算方法进行,计算值与试验值吻合良好。
参考文献
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[3]中华人民共和国国家标.GB50152—1992混凝土结构试验方法标准[S].北京:中国建筑工业出版社,1992.
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[5]孟建伟,王海龙,钟铭.用解析刚度法求解高强钢筋混凝土梁的疲劳刚度[J].石家庄铁道学院学报,2004,
[6]汤红卫,李士彬,朱慈勉.基于刚度下降的混凝土梁疲劳累积损伤模型的研究[J].铁道学报,2007,29(3):84-88.
钢纤维增强混凝土 第7篇
我国是农业大国,农副产品十分丰富, 每年各种秸秆(麦秸、稻草、玉米杆等)的产量大约为6.5 亿t,但是秸秆的利用率在我国却很低,仅占5%左右。大量的农作物秸秆被烧掉,不但浪费大量的资源,还对自然环境造成严重的污染[1,2,3]。农作物秸秆的资源化利用已成为近年来科技界技术开发和农业、能源、建材、化工等产业界市场开发的热门领域。目前对稻草的综合利用还停留在单一使用以及简单粗糙的使用方式上,如近年来作为水泥基增强材料的稻草、麦草等天然植物纤维,使用较多的是只经过粗加工或未加工的原料,但粗加工的植物纤维存在突出的长期耐久性问题[4,5]。因此,探索稻草、麦草等植物纤维的深加工技术,提高其在建材领域的利用价值意义重大。本研究通过对稻草原料进行预处理,得到稻草纤维增强材料,以粉煤灰、石灰、水泥、稻草纤维等为原料,采用化学发气方法制备加气混凝土,探讨了稻草纤维加气混凝土的生产工艺。
1 试验
1.1 原材料
水泥:广州珠江水泥厂的粤秀牌P·O42.5 水泥。粉煤灰:南威Ⅱ级粉煤灰。生石灰:取自惠州恒丰灰粉厂,细度为0.08mm方孔筛筛余12%。铝粉膏:佛山市骏力加气铝粉膏厂生产的GLS-65 铝粉膏。石膏:广州珠江电厂生产的脱硫石膏,细度为0.08 mm方孔筛筛余14%。聚羧酸减水剂:巴斯夫公司,减水率25%,固含量22%。水泥、粉煤灰的化学成分见表1。
%
稻草纤维:对稻草原料进行叶、秆和穗的分离,将叶、秆和穗切断至2~5 cm,用50~90 ℃热水浸泡10~24 h,用碱溶液、钙盐溶液和防霉剂进行浸泡处理,液固比20∶1、温度50 ℃、压力0.1 MPa,处理时间60 min,处理完后进行磨浆,浆滤干后得到稻草纤维,平均长度1.5 cm、直径1 mm。
1.2 试验方法
(1)浆体流动度试验:将截锥圆模置于水平放置的洁净玻璃板中心,注满浆体后,匀速垂直提起截锥圆模,待浆体稳定后,测量浆体2 个互相垂直方向的扩展直径,其平均值即净浆流动度。
(2)发气试验:将120 m L料浆倒入200 ml量筒中,记录发气高度及时间。
(3)加气混凝土砌块物理与力学性能参照GB/T 11969—2008《加气混凝土性能试验方法》进行测试。
2 试验结果与讨论
2.1稻草纤维掺量对加气混凝土浆体强度的影响
未掺铝粉条件下,加气混凝土料浆配合比如表2所示。
稻草纤维按水泥、石灰、粉煤灰和石膏总质量的百分比掺入,浇注成型40 mm×40 mm×160 mm试模,浆体硬化拆模后,进行蒸养(95 ℃,蒸养48 h),稻草纤维掺量对料浆抗压强度和抗折强度的影响如表3 所示。
由表3 可以看出,随着稻草纤维掺量的增加,浆体的强度增加,当掺量超过2%时,浆体强度降低,掺量达到5%时,抗压强度降低幅度约15%,抗折强度降低幅度约25%。纤维掺量较低时,纤维在浆体中的分散性较好,起到了增强增韧的作用,而掺量超过3%后,纤维在浆体中产生缠绕、结团,在浆体中分散不均匀,反而对浆体的强度不利。
2.2 稻草纤维加气混凝土浆体的流动度
流动度直接影响到料浆的稠化与铝粉发气是否匹配,同时对加气混凝土的性能产生影响。应考虑材料的变化并通过调整用水量或掺入减水剂调整料浆达到合适的流动度,这对加气混凝土的生产控制具有重要的意义。在表2 基础上,外掺0.09%的铝粉、0.6%减水剂、0.3%稳泡剂,水固比为0.55。稻草纤维按水泥、石灰、粉煤灰和石膏总质量的百分比掺入。
2.2.1稻草纤维掺量对加气混凝土浆体初始流动度的影响(见表4)
由表4 可以发现,稻草纤维的掺入明显降低了浆体的流动度,掺量低于3%时,浆体的流动度降低幅度小于5%,而掺量达到5%时,流动度降低幅度达到11%。
2.2.2 稻草纤维掺量对加气混凝土发气高度的影响(见图1)
由图1 可以看出,随着稻草纤维掺量增加,料浆的发气高度逐渐降低,当稻草纤维掺量为5%时,料浆的发气高度仅为32 mm,稻草纤维对料浆的发气存在一定的不利影响,这可能是因为稻草纤维掺量增大会降低料浆的稠度,产生憋气;同时稻草纤维的乱向分布降低氢氧化钙与铝粉反应的速率,阻碍铝粉在初凝前完全反应生成氢气,从而降低料浆的最终发气高度。考虑到稻草纤维在加气混凝土中的增强增韧作用,因此宜将稻草纤维掺量控制在3%以内。
2.2.3 流动度对加气混凝土砌块抗折强度和密度的影响
通过调节减水剂掺量来调节加气混凝土料浆的初始流动度,稻草纤维掺量固定为2%,砌块的抗折强度和密度如表5所示。
由表5 可见,料浆的初始流动度过大或过小都会导致抗折强度的降低,当初始流动度小于150 mm时,砌块的强度较低且密度偏大。而当料浆流动度大于165 mm时,出釜强度下降较快,这是由于料浆的黏度较小,难以稳住气泡而使得其容易上升以至溢出浆体,从而导致砌块内部孔结构较差。只有当稠化速度与发气速度相匹配的情况下,才能得到孔结构大小均匀的砌块,料浆初始流动度为155~160 mm时所制备的加气混凝土砌块的强度较高,密度也较为适宜,其综合性能最佳。结合前述发气速度与稠化速度匹配的试验结果,本试验控制料浆初始流动度在155~160 mm。
2.3 预养护温度对加气混凝土发气高度的影响
预养护温度直接影响浆体的稠化时间和发气高度,预养护温度对加气混凝土浆体发气高度的影响如图2 所示。
图2 表明,预养温度过低和过高都不利于发气。预养温度为35 ℃,发气高度仅为31 mm,发气高度明显不足,发气速度与浆体的稠化速度不匹配;当温度为40~50 ℃时,料浆的稠化速度与发气速度较为适应,随着温度的升高,发气速率提高,当养护温度为45 ℃时,加气混凝土料浆的发气高度达最高。当养护温度超过45 ℃时,料浆稠度迅速降低,同时发气高度也明显降低。因此,45 ℃为最佳预养护温度。
3 结语
(1)稻草纤维掺量低于3%时,对加气混凝土的浆体起到增强增韧作用;而掺量超过3%后,稻草纤维在浆体中产生缠绕、结团,在浆体中分散不均匀,反而对浆体的强度不利。
(2)随着稻草纤维掺量的增加,加气混凝土浆体的流动度降低,料浆的发气高度逐渐降低,稻草纤维对料浆的发气存在一定的不利影响,考虑到稻草纤维在加气混凝土中增强增韧作用,稻草纤维掺量宜控制在3%以内。稻草纤维增强加气混凝土的料浆初始流动度为155~160 mm,发气速度与稠化速度匹配,制备的加气混凝土强度较高、密度较小。
(3)预养护温度过低和过高都不利于发气,当温度为40~50 ℃时,料浆的稠化速度与发气速度较为适宜,随着温度的提高,发气速率提高;45 ℃为最佳预养护温度,发气高度达最高。
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纤维增强多孔混凝土的研究及发展 第8篇
随着现代文明城市的建设, 我们的居住环境被越来越多的钢筋混凝土材料所包围, 这些钢筋混凝土在带给我们生活便利的同时也给我们带来了诸多的负面影响:热岛效应使得我们居住的环境越来越热;太多的不透水材料铺装, 导致地表径流, 使得我们的城市内涝灾害频发, 土壤湿度、温度失去了原有的自然态等等不利影响。而多孔混凝土材料的出现, 因为它的透水、透气性能使得我们在现代文明城市建设和生态居住环境之间找到了很好的平衡点, 较好地缓解了这系列问题。但是多孔混凝土和普通混凝土相比具有特殊的多孔结构, 为了减少多孔结构带来的强度损失, 扩大多孔混凝土的应用范围, 需要对其进行专门的增强增韧研究。本文回顾和总结了前人利用纤维对多孔混凝土增强增韧的研究成果, 并对其未来的发展进行了展望。
2 多孔混凝土的特点与分类
多孔混凝土有很多名称, 又叫生态混凝土、无砂大孔混凝土、透水混凝土等等, 其特点就是由单一粒径的粗骨料作为骨架, 将水泥净浆直接包裹在粗骨料表面, 粗骨料在水泥净浆的胶结作用下, 互相之间以粘结点的形式组成的具有蜂窝多孔状结构的一类混凝土材料。多孔混凝土的出现改变了传统混凝土密不透风、颜色单调的属性, 使得混凝土具有了与居住环境沟通和交流的功能。
多孔混凝土的最早分类, 来源于1995年日本混凝土协会提出的生态混凝土的分类方法, 他们对生态混凝土分为环境友好型生态混凝土和生物相容型生态混凝土两大类[1]。其中环境友好型主要体现在多孔混凝土的多孔结构可以带来低环境负荷的效果, 诸如透水、吸声、吸湿和吸收储存热量, 以及能够截留一些介质对水、大气等进行净化处理等等。生物相容型主要体现在多孔混凝土的多孔结构可以为植物、细菌微生物等的生长和栖息带来空间和场地。
3 纤维增强多孔混凝土的研究进展
20世纪60年代中期, 人们开始在水泥混凝土中掺入钢纤维形成钢纤维与混凝土的复合材料, 随着我们对纤维在混凝土材料应用机理的研究逐步加深, 越来越多的纤维材料被广泛应用到混凝土材料中。接下来, 本文将综述几种纤维在多孔混凝土中应用的研究及发展情况。
3.1 聚合物纤维增强多孔混凝土
聚合物纤维在普通混凝土中的应用十分广泛, 而且也取得了不错的应用效果, 那么, 在多孔混凝土中掺入聚合物纤维是否能够改善其性能, 众多国内外科研工作者进行了相关试验探索。
有学者[2,3]将聚丙烯纤维加入到多孔混凝土中, 发现在掺量超过每方1.5kg时, 纤维的弱界面效应表现超过了阻裂效应, 由此得出低掺量的聚丙烯纤维对多孔混凝土具有一定的力学性能改善作用, 而且不会影响到其多孔结构。有文献将刚性聚合物纤维[4,5,6]掺入到多孔混凝土中, 发现刚性聚合物纤维对透水系数的影响最大, 随着刚性聚合物纤维的掺量增加, 其透水率会有一个先增后降的过程。但是控制刚性纤维掺量在一定范围内, 就会带来透水系数的增加而不降低抗压强度的效果。同时, 刚性纤维具有抑制多孔混凝土干缩和开裂的能力。而且刚性纤维与钢纤维相比, 不会生锈, 与普通聚丙烯纤维相比, 则更容易在混凝土材料中分散, 可见, 其在多孔混凝土中具有一定的实用性。
可以看出, 聚合物纤维对多孔混凝土材料增强具有一定的效果, 只要控制好掺量, 就可以做到在不影响其透水效果的情况下, 达到对多孔混凝土材料增强增韧的力学效果。
3.2 天然纤维增强多孔混凝土
天然纤维具有其独特的经济环保性, 在混凝土中的使用比较常见的有亚麻纤维、剑麻纤维以及竹筋材料。笔者曾做过竹筋对多孔混凝土预制板力学性能的增强增韧探索工作[7], 以期获得一个大尺寸预制构件进行快速施工。竹筋的掺入能较好的分散外力对多孔混凝土预制构件的作用, 从而起到提高韧性的工程效果, 在大尺寸构件的制作中具有一定的可应用性。但是对于这类天然材料在多孔混凝土的耐久性这一方面尚缺必要的探讨, 同时, 很多文献[8,9]对其他天然纤维材料诸如亚麻、剑麻等在普通混凝土的增强效果进行了试验研究, 增强效果显著, 那么天然纤维是否对多孔混凝土也具有同样的增强增韧效果, 非常值得进一步试验研究和探索。
3.3 钢纤维增强多孔混凝土
在混凝土材料中最先使用的纤维就是钢纤维, 有学者将钢纤维、玻璃纤维和聚合物 (PPS) 纤维[10]分别掺入到多孔透水混凝土中进行相应的试验研究, 结果表明:钢纤维对多孔透水混凝土的增强效果最明显;对于所有的纤维来说, 其增强增韧效果都存在一个最佳掺量值, 一旦超过该最佳掺量就会产生相反效果。另外, 也有学者对比了在高孔隙率 (30%) 下钢纤维和聚合物 (聚丙烯腈) 纤维[11]对多孔混凝土力学性能的影响, 以期获得一个在不牺牲自身强度的前提下对孔隙率进一步提升的工程效果, 他的研究结果表明:纤维材料有助于提高多孔混凝土的抗压强度, 其中钢纤维的效果最好, 但是孔隙率一旦超过30%, 增强效果就大打折扣, 甚至会不能满足工程强度的需要。还有国外学者为了探讨钢材料在多孔混凝土内的抗碳化和耐腐蚀能力[12], 设计了普通钢筋、镀锌钢筋以及覆盖水泥净浆钢筋三种形式进行试验研究, 结果表明:钢筋表面预处理能够带来耐久性的增强;采用表面覆盖水泥净浆的形式相对于普通钢筋内置可以提高耐腐蚀能力3倍以上。
由上面的分析可以看出, 在多孔混凝土当中, 钢纤维完美地延续了其在普通混凝土中优异的增强增韧特质, 同时, 我们可以采用在相对低的孔隙率 (30%) 状态下使用钢纤维和表面预处理钢纤维的形式达到对多孔混凝土增强增韧最优化的应用效果。
3.4 新型纤维材料增强多孔混凝土
我国学者有将纤维素纤维掺入到多孔混凝土中进行增强性能的研究[13], 发现纤维素纤维不会降低多孔混凝土的抗压强度和透水能力, 但是可以显著地提高多孔混凝土抗折、抗拉强度。美国学者[14]将碳纤维掺入到透水混凝土中, 并就其表面耐磨性能、抗压、劈裂抗拉、抗碳化等性能进行了一系列的试验, 发现碳纤维能较好地对多孔混凝土的物理力学性能进行改善、增强。
以上科研工作初步给我们展示了新型纤维材料可以同样适用于多孔混凝土的增强增韧应用的概念, 但是这个过程中还有更多的性能有待进一步研究发现, 比如更多龄期的力学性能、耐久性等等, 同时新型纤维的经济性能是否适合加入到多孔混凝土材料中, 也值得我们做进一步的探讨。
4 总结与展望
多孔混凝土打破了传统混凝土给人的认知, 为我国创建海绵城市带来可能, 可以让我们城市达到人与自然和谐共处的境界, 非常符合可持续发展观的要求, 也非常值得我们做进一步的探索工作去大力研发并推广应用。从以上的总结和归纳中可以看出, 适用于普通混凝土的增强增韧方法同样也适用于多孔混凝土。针对以上国内外对多孔混凝土增强增韧的方法做进一步的总结, 笔者提出以下展望供参考:
⑴聚合物、钢纤维以及新型纤维材料对多孔混凝土增强都具有一定的实际效果, 但是在其抵抗各种介质的侵蚀性、经济性等方面有待做进一步的试验探索和工程研究, 这些工作仍是我们后续需要继续努力研究的一个方向。
⑵天然纤维属于可再生资源, 绿色环保, 而且对于有些天然纤维来说, 能就地取材的特质非常适合作为我们混凝土用原材料。多孔混凝土的多孔结构注定了其特殊的使用场合, 我们应该充分发挥天然纤维的经济性能和力学性能, 对其在增强多孔混凝土中的应用做进一步的探索和研发, 使得多孔混凝土的制备达到经济性和力学性能均优异的工艺水平。
⑶多孔混凝土具有与周边环境交流与沟通的特质, 是未来城市建设中非常需要的新型水泥基材料, 但是其力学性能限制了其使用范畴, 需要广大科技工作者和工程技术人员加大对其性能增强的试验探索, 以获得更广泛的应用前景。
摘要：多孔混凝土由于其多孔结构的存在, 会导致其力学性能相对较弱, 而纤维是一种能够改善混凝土材料的韧性和抗冲击性、防止混凝土发生脆性破坏的材料, 从而可以考虑利用纤维对多孔混凝土进行增强增韧处理。这一应用会在一定程度上拓展多孔混凝土的工程应用范围。本文分析和总结了几种纤维材料在多孔混凝土中增强增韧的试验研究进展, 并指出:适用于普通混凝土的增强增韧方法同样也适用于多孔混凝土, 其中的天然纤维具有经济性和力学性能兼具的特质, 再加上这种绿色的天然纤维非常适合循环经济和建材行业可持续发展的需求, 更加值得我们做进一步的探索并应用。
钢纤维混凝土抗冻性能试验研究 第9篇
关键词：钢纤维；混凝土；抗冻性能；冻融循环
中图分类号：TU528.572
文献标志码：A
文章编号：1674-4764（2012）04-0080-05
Experimental Analysis on the Frost Resistance of Steel Fiber Reinforced Concrete
NIU Ditao, JIANG Lei, BAI Min
（School of Civil Engineering, Xian University of Architecture and Technology, Xian 710055, P.R. China）
Abstract:The frost resistance of steel-fiber reinforced concrete (SFRC) was studied based on the fast freeze-thaw tests in water and in a 3.5% sodium chloride solution, with different mass fraction of steel fiber in concrete at 0%, 0.5%, 1.0%, 1.5% and 2.0%, respectively. The effects of the number of freeze-thaw cycles and the volume fraction of steel fiber on the mass lose rate, the splitting strength loss rate and the dynamic modulus of elasticity of SFRC were analyzed. The reinforcement mechanism of the steel fiber under the action of freeze and thaw was also discussed. Moreover, mercury intrusion method and SEM analysis were carried out to study the pore size distribution features and the performance of microstructure on the impact of frost resistance of SFRC. The results show that adding an appropriate amount of steel fiber into concrete can reduce the pore porosity and improve the compactness of concrete. Furthermore, the presence of steel fiber proves to shrink the porosity and improve evidently the frost resistance of concrete. It is also shown that the steel fiber content has a great influence on the frost-resisting property of SFRC. The best performance of SFRC can be achieved when the volume fraction of steel fiber is 1.5%.
Key words:steel fiber; concrete; frost resistance; freeze-thaw cycle
钢纤维混凝土是近年来发展起来的一种性能优良的复合材料。随着钢纤维混凝土在工程中的广泛应用，其耐久性问题将会是十分重要而迫切需要解决的问题。许多学者对钢纤维混凝土做了大量试验研究，然而多集中于力学性能方面［1-4］，钢纤维对混凝土耐久性影响则研究较少。对于寒冷地区的建筑物而言，冻融作用是导致其结构性能损伤的主要原因［5-7］。冻融循环加剧了混凝土内部初始裂纹扩展并且诱发新裂纹出现和发展，这是混凝土冻融劣化破坏的本质。但是，钢纤维的掺入有效限制了混凝土内部裂纹的形成与扩展，提高了混凝土的抗裂能力。因此，冻害地区钢纤维混凝土耐久性能引起了众多学者的广泛关注。谢晓鹏等［8］和康晶［9］研究表明，钢纤维的掺入延缓了混凝土内部裂纹的形成与扩展，增强了混凝土基体的抗冻性能。Yang等［10］认为钢纤维的掺入降低了混凝土的抗盐冻剥蚀性能，特别是引气混凝土的抗盐冻剥蚀性能。目前，钢纤维混凝土抗冻性能研究的重点主要集中在宏观层面，较少从微观层面对其性能退化规律进行研究，且对盐溶液环境下钢纤维混凝土抗冻性能研究也较少。
本文针对不同掺量的钢纤维混凝土，通过快速冻融试验，从宏观上研究了不同冻融循环次数下钢纤维混凝土质量损失、相对动弹模量变化和劈裂强度损失，并通过压汞和扫描电镜试验微观分析了冻融循环前后混凝土内部微结构变化，分析了钢纤维对混凝土增强作用原理和钢纤维混凝土冻融破坏机理，旨在为冻融环境下钢纤维混凝土耐久性设计提供基础资料。
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1 试验概况
1.1 原材料和配合比
试验中所采用的水泥为陕西秦岭水泥股份有限公司生产的秦岭牌P.O42.5R普通硅酸盐水泥。
细集料采用普通河砂，细度模数2.69，表观密度2.63 g/cm3。粗集料采用5～16 mm混合级配碎石。钢纤维采用波浪形剪切钢纤维，长度为30 mm，长径比为60，截面形状为矩形。减水剂采用高效减水剂，黄褐色、粉末状。
本次试验中，试验用混凝土的水胶比为0.45，钢纤维体积率分别为0%、0.5%、1.0%、1.5%和20%。试验用各种混凝土的配合比见表1。其中编号PC表示钢纤维掺量为零的基准混凝土，SFC表示掺有钢纤维的混凝土，“-”后面的数字表示钢纤维体积率。
1.2 试验方案
钢纤维混凝土水冻试验依据《钢纤维混凝土试验方法》中的快冻法进行，盐冻试验参考《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行。试件标养24 d后，分别在水中和氯化钠溶液中浸泡4 d，在第28 d时进行快速冻融试验。氯化钠溶液采用3.5%的浓度，与海水中盐的浓度一致［11-12］。每冻融循环25次，测试试件劈裂强度、相对动弹模量、重量损失情况。
试验中，相对动弹模量和质量损失测量采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱体，共制备10组30个试件；劈裂强度测量采用100 mm×100 mm×100 mm立方体，共制备85组共255个试件。
2 试验结果与分析
2.1 质量损失率
图1为钢纤维混凝土冻融循环后的质量损失。由图1（a）可见，PC在冻融循环作用下，质量损失明显，在未到300次凍融循环时质量损失超过5%，达到破坏。钢纤维的掺入对混凝土质量损失率有明显的抑制作用，经过300次冻融循环，SFC-1.5质量损失率只有2.28%，约为普通混凝土的一半。
但是，从图1（b）可以看出盐冻循环下的试件质量损失率明显增大，冻融循环100次后，PC的质量损失达4.2%，接近破坏，SFC-1.5为2.5%；与此相对应的水中，PC和 SFC-1.5的质量损失仅为21%和1.3%，明显小于盐冻循环。由于盐冻破坏的特殊性和严酷性［13-14］，加速了表层混凝土的解体和剥离现象，混凝土中杂乱分布的钢纤维对表层浆体拉接作用有限，因此，钢纤维混凝土在遭受盐冻破坏时，冻融剥落程度加重。
2.2 相对动弹性模量的变化
图2为钢纤维混凝土冻融循环后的相对动弹模量损失。由图可以看出，在300次冻融循环后，PC和SFC-1.5的相对动弹模量损失分别为35.2%和24.3%，PC接近破坏，而SFC-1.5冻融损伤得到明显抑制。但是当钢纤维掺量达到2.0%时，钢纤维对混凝土的增强作用降低，对抗冻性能影响不明显。总体来看，掺入钢纤维后，抑制了混凝土内部微裂缝或缺陷的不断产生，延缓了相对动弹模量的下降。
图2 钢纤维混凝土在水中冻融时的相对动弹模量损失
2.3 劈裂强度损失
图3为钢纤维混凝土冻融循环后的劈裂强度损失。从图3（a）可以看出，钢纤维的掺入提高了混凝土的劈裂强度，纤维掺量为1.5%时，劈裂强度最高，约为基准混凝土的2倍。同时，钢纤维还降低了冻融后混凝土劈裂强度下降速率。其中，PC在冻融150次时，劈裂强度降低40%，在冻融200次时，达到破坏；SFC-1.5在冻融250次时，劈裂强度降低40%，明显优于基准混凝土。从图3（b）可以看出，盐冻循环100次，PC和SFC-1.5劈裂强度分别降低34%和22%；与此相对应的水冻循环中，PC和SFC-1.5分别降低23%和9%，说明盐冻破坏削弱了钢纤维的阻裂增韧作用，加快了混凝土内部损伤，造成劈裂强度快速降低。
图3 钢纤维混凝土在溶液中冻融时的劈裂强度损失
3 微观机理分析
3.1 孔结构分析
表2和表3为标准养护28 d后，压汞法测试的钢纤维混凝土孔体积和孔径分布情况。由表2可以看出，合理掺量的钢纤维减小了混凝土孔隙率，纤维掺量在0%～1.5%范围内增加时，混凝土总孔隙率、总孔体积和总孔面积分别减少3213%、2854%和42.78%，混凝土平均孔径和最可几孔径均有下降。但是，纤维掺量达到2.0%时，钢纤维混凝土孔隙结构参数均有增大现象，孔结构表现出明显劣化。由表3可以看出，纤维掺量从在0%～15%范围内增加时，孔径为d＜20 nm、20 nm≤d＜50 nm的孔所占比例增大；孔径为50 nm≤d＜200 nm、d≥200 nm的孔所占比例减少。说明混凝土无害和少害孔增多，有害和多害孔减少，孔结构得到改善，有利于提高混凝土的抗冻性能。
3.2 扫描电镜分析
图4和图5是PC和SFC-1.5冻融前后SEM图片，可以看出，冻融前二者的各水化产物互相胶结形成连续相，整体结构均匀密实，没有微裂缝产生；50次盐冻循环后，二者均出现微裂缝，但是SFC-1.5中微裂缝数量明显少于PC；100次盐融循环后，PC中微裂缝扩展加深，并且大部分相互贯通，结构出现明显疏松，而SFC-1.5中裂缝数量和贯通程度均小于PC，没有出现组织疏松。可以看出，钢纤维限制了裂缝的发展与贯通，提高了混凝土的抗冻性能。
在冻融循环过程中，混凝土毛细孔壁同时承受膨胀压力和渗透压力［15-16］，当这两种压力所产生的拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土开裂，产生微裂缝。钢纤维的弹性模量与强度高于混凝土［17］，而且具有较大变形能力，可以发挥增韧、阻裂作用，从而减小引发裂缝与促进裂缝开展的冻融破坏力。随着钢纤维掺量增加，混凝土中钢纤维-水泥基体界面数量增多，这些界面是钢纤维混凝土中的薄弱区域。通过SEM观察发现，钢纤维-水泥基体界面存在有片状结构的Ca(OH)2（图6）和簇状结构的钙矾石晶体（AFt）（图7）。钙矾石晶体主要存在于微小孔隙中和集料表面，说明钢纤维混凝土界面区存在较大孔隙率和较为疏松的网络结构，从而成为冻融过程中微裂缝产生和发展的敏感区域。冻融循环作用下，在界面过渡区产生的裂缝呈现增多、增宽的趋势（图8）。所以钢纤维掺量较大的SFC-2.0抗冻能力反而降低。
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4 结论
1）在冻融环境中，钢纤维混凝土的质量损失率和相对动弹模量损失率明显降低，抗冻性能得到提高。而且，钢纤维的掺入不仅提高了混凝土的劈裂强度，同时还延缓了冻融损伤后混凝土劈裂强度的降低速率。
2）钢纤维对遭受盐冻破坏的混凝土表面剥蚀改善作用有限，并且盐冻破坏加快了钢纤维混凝土内部损伤，盐冻循环次数明显低于水冻循环次数。
3）钢纤维掺量对混凝土抗冻性能影响显著，随着掺量的增加，混凝土抗冻性能增强。当掺量为1.5%时，钢纤维的增强效果最好；但是当掺量增大到2.0%时，混凝土抗冻性能降低。
4）孔结构和扫描电镜分析表明，适量钢纤维掺入后，混凝土内部孔结构改性良好，微裂缝发展速度缓慢，钢纤维阻裂、增强作用明显。
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（編辑 罗 敏）
玄武岩纤维增强混凝土断裂能研究 第10篇
关键词：三点弯曲,玄武岩纤维,混凝土,断裂能
0 前言
混凝土由于其良好的施工性能和优异的力学性能等,成为当前世界上最大宗的建筑材料。近年来,随着科学技术的不断发展,现代工程界不仅对普通混凝土强度、耐久性及工作性能等方面提出了更高的要求,而且对纤维混凝土及其混凝土增强、阻裂、增韧的独特优势给予了高度关注。玄武岩具有突出的力学性能,耐高温、耐酸碱、吸湿性低,且绝缘性好、绝热隔音性能优异,并具有环保性等优点[1]。目前,广大研究者和工程技术人员对玄武岩纤维的力学性能、抗裂性能和耐久性能进行了广泛研究[2~5]。
断裂能是基于Hillerborg虚拟裂纹模型并考虑混凝土软化特性的断裂参数,是描述混凝土断裂特征的重要参数之一,常用来反映材料的韧性等力学特性。为探讨短切玄武岩纤维对混凝土的增韧性能,本文试验研究了玄武岩纤维增强混凝土的断裂能,以期为其推广应用提供试验依据。
1 试验
1.1 原材料及配合比
原材料:PC 32.5级水泥,其矿物组成及率值见表1所示;5~25mm连续级配的花岗岩质碎石;中砂,细度模数为2.7;萘系减水剂;玄武岩纤维,单丝直径7~15μm,长度20mm左右,密度2650kg/m3,弹性模量10000~11000kg/mm2,拉伸强度4150~4800MPa。
为了客观反映玄武岩纤维体积率对混凝土断裂性能的影响,制定了C、D、E、F四个系列的配比,每个系列对玄武岩纤维掺量为0、1kg/m3、3kg/m3和6kg/m3的混凝土试件进行了测试,并对每一种玄武岩纤维掺量下的混凝土断裂能进行了对比,以消除基体混凝土变异对试验结果的影响,混凝土配合比如表2所示。
1.2 试验方法
混凝土搅拌时先加砂、石,再加入水泥和纤维,干搅30s后,将外加剂混入拌合水中,边搅拌边加入,混凝土整个搅拌时间为3min。成型400mm100mm100mm试件,24h后拆模,放入温度为20℃±3℃,相对湿度>90%的标准养护室养护至1年龄期,取出试件按要求进行切口加工。每种情况取2个试块按下列三点弯曲试验方法测试断裂能,并取平均值。
kg/m3
采用玄武岩纤维混凝土三点弯曲梁试件测试混凝土断裂能[6],混凝土试件的具体要求见图1。
图1中,t与h为界面宽度和截面高度,a0为试件切割缝深度,缝高比a0/h为0.3。S=360mm为支座间距,P为跨中上部承受的外荷载。
1.3 三点弯曲试验与计算方法
成型100mm100mm400mm试件,并标准养护1年。试验前两天将试块从养护室取出并晾干,测定试件的长度L1,在试件中间切割出深度约为30mm的纵向裂缝(精确至1mm),从而求得断裂韧带面积A=a(b-h),其中a和b分别为试件的厚度和高度(本试验均为100mm),h为试件切割高度,A即断裂区在垂直于梁轴平面上的投影面积。称量试件,求出重量W0,精确至1N。用日本产电子拉伸机采用三点弯曲测试混凝土的荷载-变形曲线。加载前测定支座间距S,加载时加载速率设定为0.2mm/min。根据试验曲线,得出能量E与试件破坏时的变形δ。由G=(E+Wδ)/A求得混凝土的断裂能,其中,G为断裂能,Nm;δ为试件变形量,mm;W=(S/L1)W0;A为试件断裂面积。
2 试验结果及分析
2.1 纤维混凝土的荷载-变形曲线
对C、D、E、F四种不同系列的玄武岩纤维增强混凝土进行三点弯曲试验,荷载-位移曲线见图2。
由图2可知,各系列混凝土中纤维掺量不同,其最大变形量、最大弯曲荷载也发生相应的改变。但从总体上可以看出如下两点:(1)混凝土强度等级越小,纤维对增加混凝土变形量和强度增加越不明显;(2)混凝土强度等级提高后,纤维有效地提高了混凝土的变形能力。
2.2 纤维混凝土断裂能
根据玄武岩纤维增强混凝土的荷载-变形曲线,拟合计算获得混凝土断裂能,其结果见图3。
由图3可见,玄武岩纤维对C系列混凝土的断裂能增加效果不太明显,但当纤维掺量达到6kg/m3时,其断裂能提高了近50%。D系列混凝土随着玄武岩纤维掺量的增加,其断裂能总体上成增大趋势;E系列混凝土随着玄武岩纤维掺量的增加先减小后增大,当纤维掺量为3kg/m3时,其断裂能达到最大值;F系列混凝土随着纤维掺量的增加成增大趋势,只是其增长的速度不同。综合以上试验结果可得出如下结论:玄武岩纤维对不同系列的混凝土的断裂能影响各不相同,但都是随着玄武岩纤维掺量的增加而呈增长趋势,且增长是非线性的。
2.3 纤维混凝土的断裂能
用三点弯曲法计算断裂能,实际上忽略了试件断裂面以外混凝土吸收的能量以及试件支座、外荷载作用压头的弹性变形所吸收的能量。计算时,仅考虑作用在试件上的外荷载做的功,即试件的荷载-挠度曲线下的面积支座间试件重力做的功,而没有考虑与试验机不连但一直作用在试件上的加荷附件所做的功。同时,该方法求得的断裂能有明显的尺寸效应,所得的参数只能在相同尺寸情况下进行比较。为了消除基体混凝土强度变异的影响,在浇筑玄武岩纤维混凝土的同时浇筑纤维掺量为0的素混凝土试件作为对比试件。在分析中,用玄武岩纤维混凝土断裂能与同配比的素混凝土相应值的断裂能比值称为断裂能增益比,增益比反映了纤维对混凝土的影响。不同掺量玄武岩纤维混凝土的断裂能增益比如表3所示。
由表3可以看出,玄武岩纤维对不同系列的混凝土影响程度不同,而对同一系列的混凝土,随着纤维掺量的增加增益比的变化也不同,但总的来说增益比一般都大于1。显然,玄武岩纤维对混凝土的断裂能有增大趋势,但是非线性的。
3 结论
(1)玄武岩纤维掺量不同,混凝土最大变形量、最大弯曲荷载也发生相应的改变,同一掺量对不同系列的混凝土影响程度不同,同时,同一系列不同纤维掺量对其影响也是非线性的。
(2)随着玄武岩纤维掺量的增加,混凝土断裂能增益比均大于1,混凝土断裂能呈非线性增长。
参考文献
[1]霍冀川,雷永林,王海滨,等.玄武岩纤维的制备及其复合材料的研究进展[J].材料导报,2006,20(Ⅵ):382-385.
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