混合钢纤维对快硬自密实混凝土弯曲协同效能研究.pdf

0前言硬化后的自密实混凝土同普通混凝土一样是一种脆性材料袁而且难以抵抗裂缝的生长遥 许多学者研究指出袁在自密实混凝土中掺入纤维可以解决上述问题1-5遥 超细纤维能够阻止细微裂缝的产生袁减少混凝土的收缩袁提高混凝土抗拉强度6曰长纤维能够提高混凝土的抗弯能力7遥 理论上说袁纤维混掺可以在混凝土中发挥各自优势袁 通过协同效能袁使混凝土的力学性能得到提升8遥 然而袁随着各种纤维掺量的变化袁 纤维之间的协同效能也会发生改变袁进而影响混凝土的力学性能9遥 为了达到纤维增强的最大效能袁纤维的各个尺寸和掺量必须在一个合理的范围内遥 本试验以低碱度硫铝酸盐水泥为基材袁 通过调整配合比和外加剂袁 不掺或少掺矿物掺合料袁配制快硬自密实混凝土遥 配制出快硬自密实混凝土的 2h 抗压强度即可达 30MPa 以上袁7d 抗压强度为 28d 的 80%左右袁并且与普通 42.5 级水泥配制的混凝土 28d 抗压强度相当袁在工程抢修抢建中具有重要的应用价值遥直钢纤维尧端钩钢纤维尧双异形钢纤维和波浪钢纤维等是工程领域中常见的几种钢纤维10遥 本文选取的端钩钢纤维为 Macro-fibre袁 直钢纤维为 Mi鄄cro-fibre袁通过改变纤维的种类和掺量袁研究快硬自密实混凝土在两种纤维不同掺量下的弯曲性能和协同效能袁可为优化混合纤维掺量设计袁进一步降低钢纤维混凝土成本和施工难度提供参考遥1试验方案1.1原材料与配合比设计为了对钢纤维增强快硬自密实混凝土进行更好的研究袁 允许对混凝土配合比进行细微的调整袁来获取所需的和易性和稳定性遥本试验快硬自密实混凝土配合比见表 1遥 固定配合比消除了混凝土强度变化对纤维增强快硬自密实混凝土的力学性能的影响遥 所用水泥为 42.5 级低碱度硫铝酸盐水泥遥 细骨料为洞庭湖砂袁细度模数 2.6袁含水率 2.7%遥 粗骨料为粒径 1014mm 的碎石遥 外加剂为聚羧酸高效减水剂袁消泡剂为聚羧酸减水剂专用消泡剂袁减水剂尧缓凝剂和早强剂的掺量均以胶凝材料质量的百分比计算遥 钢纤维采用直钢纤维和端钩钢纤维二种袁其几何形状和参数见表2遥 本试验钢纤维的体积分数分别采用 0.3%尧0.5%尧0.8%袁两种钢纤维的掺量及试验代号见表 3遥1.2试件制备拌制快硬自密实混凝土加料的顺序和搅拌时邓安仲1袁刘奎2袁 戎翔2袁陈科2渊1.后勤工程学院军事工程管理系袁重庆 401311曰2.后勤工程学院化学材料与工程系袁重庆 401311冤摘要院参照 ASTMC 1609 和 JSCE SF-4 评价方法袁研究了混合端钩钢纤维和直钢纤维增强快硬自密实混凝土的弯曲性能遥 与同等掺量的单掺钢纤维相比袁掺入混合钢纤维袁可显著改善混凝土的力学性能袁提高混凝土的弯曲韧性和抗弯强度遥 推导的混合钢纤维混凝土的抗弯强度公式袁可用于调整端钩钢纤维和直钢纤维的掺量遥 比较混掺不同掺量的钢纤维混凝土的协同效能表明袁掺 0.3%直钢纤维和 0.5%端钩钢纤维的协同效能最好遥关键词院混合钢纤维曰快硬自密实混凝土;弯曲性能曰协同效能Abstract: Flexural behavior of hybrid hooked-end steel fiber and straight steel fiber reinforced rapid hardening selfcompacting concrete is investigated by evaluation method of ASTMC 1609 and JSCE SF-4. Compared with same amountof single doped steel fiber, mechanical properties of concrete can be improved significantly by adding hybrid steel fiber,which can also enhance flexural toughness and flexural strength of concrete. Volume of hooked-end steel fiber and straightsteel fiber is adjusted by flexural strength formula of hybrid steel fiber reinforced concrete. Compared with cooperative en鄄ergy of steel fiber reinforced concrete with different dosage, cooperative energy of adding 0.3% straight steel fiber and0.5% hooked-end steel fiber is the best.Key words: Hybrid steel fiber; Rapid hardening self-compacting concrete; Flexural properties; Cooperative energy中图分类号院TU528.572文献标识码院A文章编号院1000-4637渊2016冤06-55-06混合钢纤维对快硬自密实混凝土弯曲协同效能研究基金项目院军队后勤重点科研计划项目渊BY215J009冤遥圆园16 年第 6 期混 凝 土 与 水 泥 制 品圆园16 晕燥.66 月悦匀陨晕粤 悦韵晕悦砸耘栽耘 粤晕阅 悦耘酝耘晕栽 孕砸韵阅哉悦栽杂June55-间如图 1 所示遥 按投料顺序拌合完成后袁进行坍落扩展度和 T500渊s冤测试袁达到自密实混凝土标准后浇筑成型遥 本试验成型二种尺寸的试件袁100mm伊100mm伊350mm 的棱柱体试件用于抗弯强度 fflex和弯曲韧性系数的测定曰100mm伊100mm伊100mm 的立方体试件用于抗压强度的测定曰 每组测试 3 个试件遥 所有试件成型 24h 后脱模袁脱模后放入常温养护箱养护 6d袁测试方法按相应标准进行遥1.3试验过程1.3.1流动性和抗压强度测试纤维增强快硬自密实混凝土坍落扩展度按JGJ/T 283要2012 叶自密实混凝土应用技术规程曳进行测定遥 使用秒表测定扩展度达 500mm 的时间渊T500冤遥抗压强度测试采用 1000kN 液压试验机袁依照GB 50010要2010 叶混凝土结构设计规范曳尧GB/T50107要2010 叶混凝土强度检验评定标准曳尧GB50204要2015叶混凝土结构工程施工质量验收规范曳和 GB/T 50081要2002叶普通混凝土力学性能试验方法标准曳规定测试遥1.3.2弯曲韧性试验本试验试件的弯曲韧性测试参照 ASTMC1609袁不同之处在于测量梁中跨下面挠度的位移传感器用百分表代替袁 其它加载速度和试验装置不变遥 由于本试验的目的是不同掺量钢纤维之间的比较袁对精度要求不是很高袁用百分表代替位移传感器记录荷载-挠度所导致的机械误差和人工误差可以忽略不计遥 为了克服初裂点人为误差大的缺点袁本试验引入 JSCE SF-4 评价方法11遥 弯曲韧性系数FT啄可由式渊1冤表示12院FT啄=Tb袁啄L啄bh2渊1冤式中院FT啄为梁跨中挠度 啄 的弯曲韧性系数曰Tb袁啄为荷载-挠度曲线对应 啄 下的面积曰L 为跨度曰b 为梁的宽度曰h 为梁的高度遥抗弯强度取决于破坏荷载袁 也就是荷载-挠度曲线的峰值袁由式渊2冤表示院fflex=PLbh2渊2冤式中院fflex为抗弯强度袁MPa曰P 为破坏荷载袁N曰L为跨度曰b 为梁的宽度曰h 为梁横截面的高度遥 本试验取 L=300mm袁b=10mm袁h=10mm遥2结果与讨论2.1新拌混凝土的流动性能尧抗压强度和抗弯强度新拌混凝土的流动性能尧7d 抗压强度和抗弯强度测试结果见表 4遥表 1混凝土配合比水泥渊C冤/渊kg/m3冤砂渊S冤/渊kg/m3冤石渊G冤/渊kg/m3冤水渊W冤/渊kg/m3冤减水剂渊SP冤/%缓凝剂渊RT冤/%早强剂渊ESA冤/%消泡剂渊SF冤/%5827958481660.02表 2钢纤维参数纤维类型长度/mm直径/mm长径比密度/渊kg/m3冤抗拉强度/MPa直钢纤维渊S冤端钩钢纤维渊HE冤12.030.10.200.7960.038.1785078501215686表 3纤维掺量及试件代号编号试件代号纤维体积分数/%直钢纤维渊S冤 端钩钢纤维渊HE冤12345678910空白0.3S0.3HE0.3S+0.3HE0.5HE0.3S+0.5HE0.5S0.5S+0.3HE0.8HE0.5S+0.8HE00.300.300.30.50.500.5000.30.30.50.500.30.80.8S+GC0.7W+RT 0.2W+SPSF0.1W+ESA01234567时间/min图 1投料顺序及搅拌时间表 4钢纤维混凝土流动性尧抗压强度和抗弯强度试验结果试件代号T50/s坍落度/mm密度/渊kg/m3冤抗压强度/MPa抗压弯度/MPa空白0.3S0.3HE0.3S+0.3HE0.5HE0.3S+0.5HE0.5S0.5S+0.3HE0.8HE0.5S+0.8HE222.5333.52.53.534620600600580600580600590590560238724022414242624302455242824372463247648.851.153.452.351.953.654.154.855.456.25.456.26.58.47.49.56.88.68.811圆园16 年第 6 期混凝土与水泥制品总第 242 期56-2.1.1流动性能和抗压强度由表 4 的试验结果可以看出袁掺加适量的钢纤维但未加矿物掺合料对快硬自密实混凝土的流动性影响不大遥 钢纤维可以适度提高混凝土的抗压强度袁但其掺量对抗压强度的影响较小遥 随着纤维掺量的增加袁混凝土的流动性有所降低袁密度则有所提高遥 相同掺量下袁掺端钩钢纤维的混凝土密度和抗压强度比直钢纤维大曰混掺钢纤维的抗压强度较单掺钢纤维大袁且在总掺量一定下袁混掺端钩钢纤维比直钢纤维的抗压强度大遥 这是由于掺入钢纤维可以降低混凝土硬化后的收缩和减少孔径遥 端钩钢纤维的直径渊0.79冤较直钢纤维的直径渊0.2冤大许多袁有助于微米级水泥颗粒和毫米级砂的更好包裹袁减少孔隙的产生袁使混凝土更加密实遥2.1.2抗弯强度掺入钢纤维可以明显提高混凝土的抗弯强度袁形状尧长度和直径不同的钢纤维对混凝土的抗弯强度影响较大遥 在相同体积掺量下袁单掺端钩钢纤维混凝土的抗弯强度比单掺直钢纤维高袁 混掺渊0.3%S+0.5%HE冤较单掺钢纤维渊0.8%HE冤混凝土的抗弯强度高遥 在混掺钢纤维中袁端钩钢纤维与直钢纤维的比重不同袁 混凝土的抗弯强度也不同袁 例如袁渊0.3%S+0.5%HE冤比渊0.5%S+0.3%HE冤的抗弯强度高约 10.5%遥这说明混掺纤维在相同体积掺量下袁端钩钢纤维和直钢纤维的比重不同袁对混凝土的弯曲强度影响较大袁主要在于两种纤维的协同效能遥试验结果表明袁随着纤维掺量的增加袁混凝土的抗弯强度也在增加遥 由于抗弯强度近似一条直线袁文献13给出式渊3冤计算抗弯强度:滓cc=滓mu渊1-Vf冤+琢子Vflfdf渊3冤式中院l 和 d 分别为纤维的长度和直径曰滓mu为素混凝土的抗弯强度曰Vf为纤维的体积分数曰子 为纤维与混凝土的平均黏结强度曰琢 为系数遥文献14对公式渊3冤进行了简化院滓cc=k1滓mu+k2Vflfdf渊4冤显然袁式渊3冤和式渊4冤适用于单掺纤维的情况袁从纤维增强混凝土机理可知袁纤维含量特征值 姿f=Vflfdf对基体增强起到很大的作用遥 考虑混合钢纤维共同对混凝土弯曲协同作用袁本文构造了式渊5冤院滓cc=渊1+k1姿f1+k2姿f2冤滓mu渊5冤式中院姿f1为端钩钢纤维含量特征值袁姿f1=Vf1l1d1曰姿f2为直钢纤维含量特征值袁姿f2=Vf2l2d2曰k1为端钩钢纤维增强系数曰k2为直钢纤维增强系数遥渊1冤端钩钢纤维增强系数 k1的推导首先考虑端钩钢纤维混凝土的增强效果袁由于未掺直纤维袁式渊5冤可改写为院滓cc=渊1+k1姿f1冤滓mu渊6冤以 0.3HE 为例袁 将 滓mu=5.45MPa袁滓cc=6.5MPa袁姿f1=Vf1l1d1=0.3%伊38.1=0.11 代入式渊6冤袁得 k1=1.69遥同理袁 求得 0.5HE 的 k1=1.88. 求得 0.8HE 的 k1=2.02曰取三组试件的平均值 k1=1.9遥渊2冤直钢纤维增强系数 k2的推导在端钩钢纤维混凝土的基础上再掺加直纤维袁变为混杂纤维混凝土遥 由于掺加了直钢纤维袁式渊5冤改写为院滓cc=渊1+1.9姿f1+k2姿f2冤滓mu渊7冤以 渊0.3S+0.3HE冤 为例袁 将 滓mu=5.45MPa袁滓cc=8.4MPa袁姿f2=Vf2l2d2=0.3%伊60=0.18 代入式渊7冤袁求得k2=1.82遥 同理袁求得渊0.3S+0.5HE冤的 k2=2.17曰渊0.5S+0.3HE冤的 k2=1.23曰取三组试件的平均值 k2=1.7遥故混掺钢纤维混凝土抗弯强度计算公式为院滓cc=渊1+1.9姿f1+1.7姿f2冤滓mu渊8冤将各已知参数代入式渊8冤袁计算出的混掺钢纤维混凝土抗弯强度值见表 5袁 直钢纤维和端钩钢纤维混凝土弯曲强度随纤维掺量的变化曲线见图 2遥从表 5 可以看出袁 计算值和试验值的误差在10%左右袁可以满足实际工程的计算精度要求遥但由于试验数据相对较少袁公式渊8冤中的系数 k1和 k2的取值可能还存在偏差袁需要更多的试验数据回归处表 5滓cc计算值和试验值的对比试件代号计算值试验值相对误差/%0.3S+0.3HE0.3S+0.5HE0.5S+0.3HE0.5S+0.8HE8.39.19.511.38.49.58.611-1.2-4.210.42.7图 2试件弯曲强度随纤维掺量变化情况钢纤维体积分数/%滓cc=滓mu+0.12Vfl/dR2=0.944滓cc=滓mu+0.05Vfl/dR2=0.936掺直钢纤维混凝土掺端钩钢纤维混凝土拟合线邓安仲袁刘奎袁 戎翔袁等混合钢纤维对快硬自密实混凝土弯曲协同效能研究57-理才能得到较稳定可靠的数值遥 此外袁由于存在混掺纤维对混凝土的协同作用袁 求得的系数 k1和 k2不适用于单掺纤维的情况袁公式渊8冤只适用于求混掺纤维混凝土的弯曲强度遥经验证袁渊0.5%S+0.3%HE冤 试件抗弯强度计算值为 8.5MPa袁 试验值为 8.4MPa曰渊0.5%S+0.8%HE冤的计算值为 11.2MPa袁试验值为 11.0MPa袁吻合度较高遥 由式渊7冤可知袁混掺端钩钢纤维和直钢纤维混凝土袁其抗弯强度由端钩钢纤维起主要作用袁也就是说袁在通过提高纤维掺量来提升混凝土的抗弯强度上袁端钩钢纤维的效果要比直钢纤维好遥2.2荷载-挠度关系不同掺量钢纤维的荷载-挠度曲线见图 3 和图4袁荷载-挠度曲线为三个试件的平均值遥 由图 3 可以看出袁掺入端钩钢纤维的混凝土渊0.8%HE冤表现出挠度硬化曰 直钢纤维对混凝土的弯曲韧性贡献大遥这是因为相比端钩钢纤维袁 直钢纤维的直径较小,在掺量相同的情况下, 其纤维根数要多些袁因此袁它们的表面积更大袁在裂缝生长过程中表现出更好的抗拔能力15遥 混掺两种钢纤维后袁随着掺量的增加袁混凝土挠度硬化和弯曲韧性都有较大提升袁 如图 4和图 5 所示遥 其中以渊0.5%S+0.8%HE冤最好袁渊0.3%挠度/mm图 3单掺不同钢纤维混凝土的平均荷载-挠度曲线挠度/mm图 4混掺不同钢纤维混凝土的平均荷载-挠度曲线图 5单掺和混掺钢纤维混凝土的平均荷载-挠度曲线对比挠度/mm挠度/mm挠度/mm挠度/mm渊a冤渊b冤渊c冤渊d冤圆园16 年第 6 期混凝土与水泥制品总第 242 期58-S+0.5%HE冤比渊0.5%S+0.3%HE冤和渊0.8%HE冤表现要好袁极限弯曲荷载分别提高了约 10.6%和 8%遥 根据复合材料力学理论袁纤维的形状及界面特性对纤维和基体的黏结强度影响很大袁纤维与基体间的黏结和咬合作用强袁则黏结力高袁端钩钢纤维较直钢纤维而言袁增加了钢纤维与基体的咬合力袁进而提高了极限弯曲荷载遥2.3弯曲韧性系数由公式渊1冤可得袁弯曲韧性系数对于相同大小的试件具有弯曲韧性相同的趋势遥 为进一步分析荷载-挠度曲线和混合纤维的协同效能袁 掺量不同的混合纤维弯曲韧性系数 FT啄在梁跨中挠度 渊啄冤为0.5mm尧1mm 和 2mm 的比较见图 6遥 值得注意的是袁素混凝土具有很低韧性袁甚至当挠度较大时可以忽略不计遥 弯曲韧性系数的数值可以应用到下面混合钢纤维的协同效能计算中遥3协同效能评估混合纤维的掺量不同在混凝土的协同效能也不同遥 文献16指出袁不能简单地把混合物的规定来预测混合物的韧性尧断裂机理和每种纤维在混凝土中的相互影响遥 本试验中袁混掺纤维的协同效能用式渊9冤描述院Synergy=PCThybrid袁a+bPCTa+PCTb-1渊9冤PCT渊Post Crack Toughness Factor冤在本试验中为挠度 啄 下的弯曲韧性系数渊FT啄冤减去素混凝土的弯曲韧性系数遥 结果数值跃0 代表积极的协同袁即此混掺纤维的产生的总体性能要比单掺纤维好曰数值为零表示缺少协同效能曰数值为负数代表混掺与其各部分的总和相比表现较差遥本试验试件弯曲条件下的协同效能见图 7遥由图 7 可见袁在裂缝初期渊啄约0.5mm冤袁随着混掺纤维的增加袁 纤维的协同效能减弱袁渊0.3%S+0.3%HE冤的协同效能最强袁渊0.5%S+0.8%HE冤最弱遥 总体来看袁随着挠度的变大袁端钩钢纤维和直钢纤维的协同效能逐渐增强渊除 0.5%S+0.3%HE冤袁上升幅度最大的为渊0.3%S+0.5%HE冤袁较初期渊啄=0.5mm冤增加了 187.5%遥这说明端钩钢纤维和直钢纤维协同效能随挠度的变化而变化袁混掺钢纤维在大的裂缝中协同更有效遥 两种纤维的比例对协同效能影响很大袁如渊0.3%S+0.5%HE冤和渊0.5%S+0.3%HE冤遥 在本试验中袁 掺量端钩钢纤维比直钢纤维多 0.2%渊0.3%S+0.5%HE冤协同效能最好遥 混合纤维在高掺量的情况下袁两种纤维之间的协同效能未见增强袁反而下降很多袁如渊0.5%S+0.8%HE冤遥上述结果表明袁两种纤维在提高协同效能中存在最优比例袁并非掺量越多协同效能越好遥 这对减少纤维用量袁降低构件成本和施工难度具有重要的参考价值遥4结论渊1冤在一定掺量下袁端钩钢纤维和直钢纤维对未掺矿物掺合料的快硬自密实混凝土的流动性影响较小曰对快硬自密实混凝土而言袁钢纤维可以适度提高混凝土的抗压强度袁但其掺量对混凝土的强度影响不大遥渊2冤在相同掺量下袁端钩钢纤维和直钢纤维以一定的比例混掺较单掺可以增强混凝土的弯曲韧性和抗弯强度袁直钢纤维对混凝土抗弯强度影响较小袁可以增强混凝土的弯曲韧性曰在提高混合钢纤维混凝土的抗弯强度上袁提高端钩钢纤维掺量要比直钢纤维有效得多遥 本试验中袁渊0.3%S+0.5%HE冤比渊0.5%S+0.3%HE冤和渊0.8%HE冤的抗弯强度分别高约10.5%和 8%袁弯曲韧性系数渊啄=2mm冤分别提高了约11%和 35%遥渊3冤混合钢纤维增强混凝土的弯曲协同效能随着挠度的增加而增加袁这因为直钢纤维在出现裂缝0.51.02.0跨中挠度/mm0.01图 6从图 5 计算出的弯曲韧性系数ADCB图 7根据 JSCE 标准 FT啄值的协同效能0.51.02.0计算梁挠度时的弯曲挠度系数/mm0.200.150.100.050.00-0.05-0.10-0.15-0.20-0.25ABCDEFGHIJ邓安仲袁刘奎袁 戎翔袁等混合钢纤维对快硬自密实混凝土弯曲协同效能研究59-后袁阻止裂缝继续扩大的作用逐渐增强曰端钩钢纤维和直钢纤维在提高协同效能中存在最优比例袁并非掺量越多协同效能越好遥参考文献院1 T.H. 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