（岩土工程专业论文）钢纤维混凝土配比、制作工艺及其力学性能的试验研究.pdf

摘要 y 弓7 7 0 s ：i 摘要 混凝土中钢纤维掺量越大，就越能提高混凝土的各项性能指标，因 此高含量钢纤维混凝土是目前国内外研究的热点，本文把纤维掺量3 8 的钢纤维混凝土作为研究对象。 论文主要做了以下工作：对高含量钢纤维混凝土的制作工艺进行厂 研究，采用本文提出的混凝土配和比，拌制钢纤维混凝土时未出现纤维 结团现象，在试验室内成功地手工制作出了高含量钢纤维混凝土；对高 含量钢纤维混凝土进行了压缩和弯堕童量殓，通过其静力压缩和弯曲荷载 一变形曲线变化规律，得知离含量铡纤维混凝土的力学性能有j ，较大的 改善。 论文的主要结论： l 影响钢纤维混凝土成型的主要因素有：水灰比：砂率、钢纤维体 积掺量v t 。 2 有端面摩擦4 6 纤维含量的钢纤维混凝土立方体抗压强度是 其相应素混凝土的14 1 14 9 倍。 3 无端面摩擦6 纤维含量的钢纤维混凝土立方体抗压强度是其相 应素混凝土的24 5 倍。 4 纤维含量6 钢纤维混凝土梁的抗弯强度是其相应素混凝土梁的 44 倍。 关键词：钢纤维混凝土、力学性能、制作工艺 。7 a b s 仃a c t a b s t r a c t i t saf a c tt h a tt h emorot h ea d d i t io no ft h es t e e lf ih r e i nt h ec o n c r e t eis ，t h eb i g g e rt h en u m b e ro fa l1p r o p e r t y in d ic e sw il1b e t h e r e f o r e t h es t u d y in go ft h ec o n c r e t e w i t hh i g hs t e e lf i b r ec o n t e n tisv e r yp o p u l a ra th o m ea n d a b r o a d a n dt h ec o n e r e t ew i t h3 - 8 a d d i t i 6 no ft h es t e e l tib r eist h es u b j e c to ft h ist h e s is h e r ea r et h em a i nw o r ka b o u tit f i r s t h a y i n gas t u d yo nt h em a n u f a c t u r ec r a f to ft h e h i g hc o n t e n ts f r c m i x i n gh i g hc o n t e n ts f r cs u c c e s s f u l l y b yh a n di n t h el a b o r a t o r yw i t h o u t c o n 9 1 0 m e r a t i o nb y a d o p in gt h em ix i n gr a t i or a is e di nt h ist h e s i s s e c o n d ，f i n d i n go u tt h a tt h em e c h a n i c sp r o p e r t yo ft h e h ig hc o n t e n ts f r ch a sb e e ng r e a t lyi m p r o v e db yd o i n gt h e c o m p r e s s iv ea n df l e x u r a le x p e r i m e n t sa n da n a ly z i n gt h e d a t eo ft h e m t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i st h e s i sa r e ， 1 i n f l u e n c i n g6 a c t o r so fs h a p i n gm a i n l yi n c l u d e w a t e r c e m e n tr a t i o ，s a n d a g g r e g a t er a t i oa n df i b r ev 0 1 u m e a d d it i o n 2 c o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h e4 一6 c o n t e n tc u b i cs f r c isi 4 l 1 4 9l i i l l ( j sl h al o i - p l “i nconcrel u w il hi l r icl io n 3 c o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h e6 e o n t e n tc u b i cs f r c is2 4 5t i m e st h a to fp 1 a i nc o n c r e t w i t h o u tf r i c t i o n 4 f l e x u r a ls t r e n g t ho ft h eb e a mw i t h6 c o n t e n ts f r c is4 4t i m e st h a t o fp 1 a i nc o n c r e t eb e a m k e y * o r d s s t e e l f i b r e r e i n f o r c e dc o n c r e t e ( s f r c ) ，m e c h a n i c sp e r f o r m a n c e ，m a n u f a c t u r ec r a f t i i 1 研究背景及意义 1 研究背景及主要内容 1 1 研究背景及意义 1 9 世纪2 0 年代出现波特兰水泥后，混凝土作为一种新型建 筑材料，以其骨料可以就地取材、构件易于成型等突出优点， 曰益广泛应用与土建工程。宄其是1 9 世纪中叶以后，钢铁生产 发展，随之出现了钢筋混凝土这种新的复合建筑材料，其中钢 筋承受拉力、混凝土承受压力，发挥了各自的优势，初步克服 了混凝土抗拉强度低、用途受限制的弱点。2 0 世纪3 0 年代开始 出现了预应力混凝土，其结构的抗裂性能、刚度和承载能力大 大超过了钢筋混凝土结构，从而显著扩大了混凝土的应用范围， 拓展了许多新的应用领域，使土木工程进入了钢筋混凝士和预 应力混凝土占统治地位的历史时期，促使土木工程产生了新的 结构设计计算理论和新的施工工艺技术，在土木建筑工程技术 发展史上完成了一次新的飞跃。 尽管钢筋混凝土和预应力混凝土取得了长足的进步，但是混 凝土作为建筑材料存在的固有弱点一抗拉强度低( 一般仅为抗 压强度的1 1 0 左右) 、韧性差等却依然限制着它的优势的充分 发挥，并且随着混凝土强度的提高，这一弱点也愈突出。因此， 长期以来许多专家学者不断探索改善混凝土性能( 主要是提高 抗拉性能、增强韧性和延性) 的各种方法和途径。纤维增强混 凝土就是近年来研究和应用最广的重要途径之一。 纤维增强混凝土或称纤维混凝土，是以水泥浆、砂浆或混凝 土为基材，以金属材料、无机纤维或有机纤维为增强材料组成 的一种复合材料。水泥石、砂浆与混凝土的主要缺点是抗拉强 度低，极限延伸率小、性脆，掺加抗拉强度高、极限延伸率大、 抗碱性好的纤维可以克服上述缺点。土建工程中应用的纤维增 强复合材料大部分是钢纤维和玻璃纤维混凝土。钢纤维混凝土 的应用日益广泛。一般钢纤维增强效果随纤维体积含量v ，的增 大而增大，但纤维体积含量太大施工时纤维会结团，影响纤维 北方交通大学工程硕士专业学位论文 的分散均匀。本文正是在这种背景卜产生的。 增强、增韧是包括混凝土在内的材料科学的发展方向。对于 工程中应用的乱向短纤维来说，纤维体积率、长径比、几何形 状、分布与取向以及纤维与混凝土之间的粘结强度都是影响钢 纤维混凝土力学性能的主要因素，其中钢纤维掺量受到钢纤维 形状、长度等因素的影响。一般将钢纤维掺量为1 3 的混凝 土称为普通钢纤维混凝土，这类混凝土在我国已有设计规范和 施工规范：钢纤维掺量为6 及以上的混凝土称为高含量钢纤维 混凝土，由于钢纤维掺量大能大幅度提高混凝土的各项性能指 标，所以高含量钢纤维混凝土是目前国内外研究的热点：将钢纤 维掺量为3 6 的混凝土称为中含量钢纤维混凝土，所用钢纤 维可用剪切法批量生产，对混凝土的各项性能也有大幅度提高。 中含量钢纤维混凝土中钢纤维掺量适中、原材料易得、价格适 中、效果较好，适合我国国情。目前，应用的纤维体积率一般在 1 2 之间，太大会使施工拌合更加困难，纤维拌合时易结团， 使纤维难以均匀分布和配向良好，从而影响了钢纤维混凝土的 强度和韧性的提高。因此研究高含量钢纤维混凝土材料的配比、 制作工艺来提高纤维混凝土材料的力学性能有着其重要的意 义。 i 2 研究现状 1 2 1 钢纤维混凝土的发展 钢纤维混凝土的研究始于1 9 l o 年，由美国的p o r t e r 首创， 1 9 1 1 年美国的g r a h a m 正式将钢纤维掺入到混凝土中，初步验证 了它在增强混凝土方面的优越性。1 9 4 0 年前后，美、英、法、 德等国先后获取了一系列有关专利。在二次世界大战中，日本 1 郑娟荣林小松中含量钢纤维高强混凝土流动性的试验研究，混凝土与水泥制 品，19 9 81 p 4 2 4 3 2 1 周建伟钢纤维高强渑凝土轴拉疲劳性能的实验研究，清华大学土术工程系， 19 9 36 2 i 研究背景及意义 曾把它用于抗爆结构。1 9 6 3 年美国学者r o m u l d i 从理论上阐明 了钢纤维的增强作用和机理，从而为钢纤维混凝土的进一步开 发奠定了理论基础；1 9 6 9 年，美国批准了“混凝土和钢材组成 的二相相材料”专利，奠定了现今钢纤维混凝土技术的基础； 2 0 世纪7 0 年代，美国b a t t e l l e 公司开发了熔抽技术，制造出廉 价钢纤维，为这种复合材料的实际应用创造了物质基础，使它 从小规模的探索试验阶段，跃进到大面积开发的新阶段。表1l 【2 综合反映了钢纤维混凝土的基本性能。 19 6 6 年，美国混凝土学会( a ct ) 设置了钢纤维混凝土专门 委员会( a c i 一5 4 4 ) 。该委员会于1 9 7 7 年在加拿大召开了有关 钢纤维混凝土的首次国际会议。 表11 钢纤维混凝土的各种特性( v 严2 ) 各项指标 同普通混凝土的对比 初期裂纹强度15 2 0 倍 拉伸及弯曲强度15 1 8 倍 伸长能力约2 倍 压缩强度1o 13 倍 抗剪强度2 5 3 0 倍 韧性4 0 2 0 0 倍 疲劳强度得到改善 耐冲击性5 1 0 倍 耐热性 显著改善 抗冻融性 显著改善 八十年代以来，随着高强和超高强混凝土研究和应用日益增 加，人们不断地寻找在高强和超高强混凝土基体中掺入高含量 钢纤维的方法。 理论研究表明，钢纤维掺量越大，混凝土基体被改善程度越 好，但是，大量的实践表明：当纤维掺量超过2 ( 最多3 ) ， 采用普通方法搅拌制作时，钢纤维会弯折，叉插成球，无法在 基体中比较均匀的分布。 北方交通大学工程硕士专业学位论文 l9 8 2 年，美国l a n k a r d 材料实验室研制出一种高纤维含量 的钢纤维混凝土，其钢纤维含量在l2 以上，最高可达2 3 ， 甚至更多。由于它制作时，必须先在模板内铺好钢纤维，然后 再灌注水泥浆，因此，它被称为s i f c o n ( s l u r r yi n f i l t r a t e d f i b r er e i n f o f c e dc o n c r e t e ，意即“注浆的纤维增强混凝土”) 1 9 8 6 年，丹麦奥尔堡波特兰水泥厂研制成一种高含量钢纤维 混凝土，其钢纤维的体积含量_ 般为6 ，钢纤维是表面镀铜， 短而细( 直径0 15 m m ，长度o m m ) 的特制纤维，当在这种材料 中配入钢筋制成构件时，便成了配筋钢纤维混凝土复合材料的 构件，由于一般配入钢筋的配筋率高达1 0 一l2 ，所以，他 们把这样的材料称为c r c ( c o m p a c tr e i n f o r c e dc o m p o s i t e ，意 为“密实配筋复合材料) 而称这种材料的基体d s p ( d e n s i f i e d s ys t e mc o n t a i n i n gh e m o g o n e o u l y a r r a n 9 9 d u 1t r a f i i r e p a r t i c le s ，意即“均布超细微粒密实体) 我国从7 0 年代后期开始钢纤维混凝土的研究，虽然起步较 晚，但发展速度较快。近年来，钢纤维的年用量在五百吨以上。 从应用的情况上看，以在公路路面，桥面，隧洞支护修补工程 中用的较多，并已经逐步推广到建筑、水利水电、港口、矿山、 铁路轨枕、机场跑道等工程。还先后在大连( 1 9 8 6 ) 、哈尔滨 ( 1 9 8 8 ) 、武汉( 1 9 9 0 ) 、南京( 1 9 9 2 ) 、重庆( 1 9 9 4 ) 广东南海 ( 1 9 9 6 ) 、井岗l 【j ( 1 9 9 8 ) 、济南( 2 0 0 0 ) 举行过八次全国性纤 维水泥制品及纤维混凝土学术会议。编制了我国第一本钢纤 维混凝土结构设计与施工规程，成立了中国土木工程学会混凝 土及预应力混凝土学会纤维混凝土委员会( 1 9 9 1 1 0 8 日，大 连) 。 国内的高含量钢纤维混凝土的研究已初见端倪“1 ：湖南大学 采用丹麦的方法，利用国产材料，已经试制纤维的体积含量为6 ，抗压强度为2 0 0 m p a 的高含量钢纤维超高强混凝土：大连理 萄勇高含量钢纤维混凝土材料力学性能及其三桩承台的试验研究，湖南大学结 构工程系，19 9 61 4 研究背景及意义 工大学也利用国产材料，采用美国的方法制成纤维含量12 的 高含量s i f c o n 钢纤维混凝土。由于丹麦的方法需采用表面镀铜 的钢纤维，这种纤维成本较高，不便于大量推广；美国的方法 虽然不采用特殊的材料，但是，他们不是采用传统的搅拌方法 制作混凝土，而是采用先铺设纲纤维，然后再注浆的方法制作 混凝1 二，制作工艺复杂，推广和使用也有定困难。能否寻找 搅拌方便，而又不需特制纤维的高含量铡纤维混凝土制作方法， 正是本文所要讨论的问题。 1 2 2 钢纤维混凝土增强机理 钢纤维混凝土增强机理，是其所表现出的一切物理力学性能 的内在本质，有关增强机理的研究主要发展了两种理论”1 ：。复合 力学理论和纤维问距理论。 a 复合力学理沦( 混合率法则) 这一理论将复合材料视为多相体系，对s f r c 的简化是以纤 维为一相，以混凝土为一相的两相复合材料，如图1 1 所示。 复合榭料的性能为各相性能的加和值。 假定纤维与基体不产生横向变形，在复合材料开裂前，纤维 与基体粘结良好，并有相等的弹性变形。当沿纤维的分布方向 施加拉力时，复合材料的拉力应为基体与纤维承担的拉力之和， 即： l 鳘l1 1 复台材料受力情况 2 1 向丹斑 钢纤维混凝t 捧奉理论科学技术文献出版礼1 9 9 4 p 1 。 5 北方交通人学i 科硕十专业学位论文 离h 一 6 i 研究背景及意义 上述两个理论是从不同角度解释了纤维增强机理，但二者 之间存在着内在的统一性，从纤维间距理论的基本公式k = k 。一k r k 。出发，运用断裂力学理论能导出与复合力学理论相一致的 ， 结果，即j ，j = ( 3 - 。，( 1 一) + 叩0 f 。 “ 1 3 主要内容 。 本文试图研究高含量钢纤维混凝土、改进纤维混凝土制造 工艺从而来改善混凝土的抗压、抗弯性能，增强其韧性。 本文研究的主要内容包括： i 配制便于常规搅拌，取材方便的高含量纤维混凝土，研究 它们的配比，搅拌及养护方法。 2 高含量钢纤维混凝土的静力压缩变形规律的试验研究，包 括强度增k 和i ；l ：j 性性能。 3 高含量钢纤维混凝土的静力弯曲变形规律的试验研究，包 括强度增长和韧性性能及其不同纤维含量的影响。 7 2 试验方法及内容 2 试验方法及内容 2 1 概述 本文主要进行了钢纤维混凝土的单轴压缩和弯曲试验。测得了荷 载一变形曲线，进行了抗压、抗弯强度和抗压、抗弯韧性提高结果分 析，阐述了纤维含量对抗弯强度。韧性的影响规律。 2 2 试验的设计 据所参考的文献资料，认为影响纤维混凝土性能的主要因素有：混 凝土基体性能、纤维体积含量、长径比、几何形状、分布和配向等。 本文主要研究钢纤维含量对混凝土的影响作用。纤维体积含量主 要为4 8 。纤维种类为剪切型。 试件设计为两种：1 0 0 1 0 0 1 0 0 立方体( 有端面摩擦) 、1 0 0 1 0 0 1 0 0 立方体( 无端面摩擦) 和1 0 0 x1 0 0 x 4 0 0 小梁。 无端面摩擦为在立方体试件侧面抹一层黄油粘贴一层塑料布直至 三层为止的情况；有端面摩擦即对试件侧面不作处理的情况。 2 3 试件的制作 本次试验混凝土的原料为： 粗骨料：碎石，最大粒径2 0 m m 。 细骨料：经过筛过的河砂，中砂。 水泥：邯郸5 2 5 普通硅酸盐水泥。三天实测抗压强度为3 8 0 m p a , 抗折强度68 0 m p a 。 减水剂：f d n 高效减水剂，掺量为水泥重的l 。 钢纤维：剪切型，l f = 3 0 m m ，l g d f = 4 3 ，南昌长城钢纤维有限公司生 产。 水；普通自来水。 本次试验所采用的钢纤维混凝土的配合比及试件的分组编号情况 列于表21 中： 钢纤维混凝土的成型必须严加控制，素混凝土在搅拌机中进行搅 拌，将搅拌好的素混凝土倾倒在拌板上，手工掺入钢纤维并用拌铲、 北方交通大学工程硕士专业学位论文 三齿翻拌均匀，拌和时间在1 0 分钟内完毕。 表21 钢纤维混凝土的配合比及试件分组编号( k g m 3 ) 水灰外加钢纤 试件 【水泥水 砂子石子砂率 v f 比剂维组号 4 0 01 7 004 37 8 47 8 45 0 400 a o 4 0 01 7 00 4 37 8 47 8 45 0 43 1 24 a 1 4 】5】8 3o4 48 9 36 4 75 8 41 5oo b 0 4 1 51 9 30 4 49 9 36 4 75 9 4 1 53 1 24 b - 1 4 i 5j8 304 49 2 46 l76 0 41 5 o o c 0 4 l5l8 304 49 2 46 1 76 0 41 54 6 86 c i 4 1 5 1 8 3 0 4 49 2 46 1 76 0 4 1 57 8l c 2 4 1 51 8 30 4 49 2 46 1 76 0 4 1 5 1 5 62 c 3 试模浇注，振动台振捣至混凝土表面呈现浮浆和不再沉落时止。 抗压试验和抗弯试验以同时制作同样养护同一龄期的三块试件为 一组。 混凝土浇注后第二天编号拆模，拆模后的试件立即放入不流动水 中进行标准养护( 温度为2 0 3 0 c ，相对湿度9 0 以上) 。水的p h 值 大于7 。养护2 8 天取出，置于试验室内风干，准备实验。 2 4 试验方法 试验设备：抗压试验：油压摆锤式压力试验机儇大负荷2 0 0 0 9 3 , 0 i 抗弯试验：油压摆锤式万能试验机。( 最大负荷1 0 0 k n ) 2 4 1 准备工作； 处理试件表面裸露纤维，在梁的中部粘贴玻璃条以便量测梁跨中 挠度。在立方体试件承压面上抹黄油粘贴塑料布以消除压力机压板与 立方体试件承压面之间的摩擦。在试验机上安置百分表。 2 4 2 试验 抗压试验：将试件安放在下承压板上，试件的承压面应与成型时 的顶而垂直。试件的中心应与试验机下压板中心对准。开动试验机， 2 试验方法及内容 当压机与试件刚刚接触时百分表调零。加压时：连续而均匀，加荷 速度为每秒钟05 o8 m p a 。当试件接近破坏而开始迅速变形时停止 调整试验机油门。加载的同时每5 0 k n 记录荷载与变形的数值。 抗弯试验：试件尺寸为1 0 0 m m 1 0 0 m m 4 0 0 m m ，试验小梁的中 央对称安置两块百分表，记录每级荷载的跨中挠度变化，直到挠度超 过3 m m 为止。试验采用四点弯曲加载，试验布置图如图2l 所示： b 丁b 丁j o o t 一 5 1n n1nn。1nnp 5 j ：! 一! ! ! ! !一二= i 三二j 图2 1 抗弯试验布置图 l o 3 试验结果分析 3 试验结果分析 3 1 抗压试验 抗压试验1 0 0 1 0 0 1 0 0 m m 3 立方试件( 有端面摩擦) 结果表见本 章附表31 和附表32 抗压试验力与变形的关系曲线见附录图21 26 9 。 3 1 1 抗压强度提高结果分析 表3l立方体抗压最大荷载( k n ) 平均值结果 试件编号 a 0a 1b ob 1c 0 c 1 有瑞面 强度平3 5 94 6 82 5 63 8 24 6 l6 5 2 摩擦 均值 无端面 ( k n ) 2 6 83 7 01 8 42 7 21 4 63 5 9 摩擦 表32 立方体抗压强度提高倍数 试件编号 a 1b 1 c 1 立方体( 有端面摩擦) 12 7l4 914 l 立方体( 无端面摩擦) l3 814 824 5 由表3 2 结果可看出： ( 1 ) 4 纤维5 8 砂率钢纤维混凝土立方体( 有端面摩擦) 抗压强 度是素混凝土的1 4 9 倍( 普通钢纤维混凝土抗压强度提高o 2 5 ) 。 ( 2 ) 6 纤维掺量混凝土立方体( 无端面摩擦) 抗压强度是素混凝 土立方体的24 5 倍。 赵国藩、彭少民、黄呈逵钢纤维混凝土结构，中国建筑工业出版社，1 9 9 91 1 北方交通大学工程硕士专业学位论文 ( 3 ) 就抗压强度的提高倍数而言，无端面摩擦情况比有端面摩擦 提高幅度人。 ( 4 ) 从表中数据可知，只要钢纤维混凝土配比得当，则其抗压强度 比索混凝土将有较大幅度的提高。 3 1 2 抗压韧性提高结果分析 韧性是材料延性和强度的综合。一般从宏观角度，韧性可以定义 为材料或结构从荷载作用到失效为止吸收能量的能力。富有韧性的材 料一般具有较高的强度和延性。判断材料韧性的高低的方法之是能 量法，即用应力一应变曲线或荷载一位移曲线下包围的面积表示，本 文采用荷载一位移曲线下包围的面积来表示钢纤维混凝土的韧性( 变 n = 8 m m ) 。本文钢纤维混凝土立方体抗压韧性提高结果如表33 表3 3立方体抗压韧性提高倍数 试件编号a 1b 1c 1 l 立方体( 有端面摩擦)26 258 350 5 l 立方体( 无端面摩擦)4576 85o l 由表33 中结果可看出： ( 1 ) 有端面摩擦中含量钢纤维混凝土立方体抗压韧性提高倍数低 于无端面摩擦情况。 ( 2 ) 木次试验中4 纤维5 8 砂率配比情况下的抗压韧性提高倍数 较其他配比情况好，提高倍数为7 6 8 倍。 3 1 3 钢纤维混凝土立方体试件受压破坏形态和机理 在混凝土中加入钢纤维改善了试件的破坏方式：对于有端面摩擦 的紊混凝土立方体试件来说，素混凝土立方体试件受压破坏时先从试 件的高度之半的位置上混凝土有表皮剥落的迹象，最后由于试件端面 受到约束混凝土立方体试件残骸呈现为两个对顶的角锥形( 图31 ) ； 对于无端面摩擦的素混凝土立方体试件来说，破坏现象为几条纵向裂 缝纵向贯穿试件，如图3 2 所示。 2 3 试验结果分析 图3 1 有端面摩擦素混凝土图3 2 无端面摩擦素混凝土 立方体受压破坏形态立方体受压破坏形态 对于有端面摩擦的钢纤维混凝土立方体试件来说，试件破坏时先 从试件四角部位出现裂缝、表皮剥落，最后试件破坏现象与素混凝土 立方体试件破坏现象相差不多，如图3 3 所示，但钢纤维立方体试件 破坏后仍能保持整体外形，而素混凝土立方体试件破坏后只剩下两个 对顶的角锥残骸；对于无端面摩擦的钢纤维混凝土立方体试件来说， 试件破坏现象为几条纵向裂缝贯穿试件，如图3 4 所示，其破坏形态 与素混凝土大致相同，不同的是钢纤维混凝士试件破坏后仍能保持原 形而素混凝土试解刚不能再保持立方体原形。 图3 3 懈纤维穗凝土立方体( 有i l 箍摩攘) 受压麓坏形态 图3 4 钢纤t i t i l i l 土立方体( 无麓萄摩攘) 受压礁坏形态 北方交通大学工程硕士专业学位论文 近三十年来，国内外的混凝土科学工作者们对混凝土受压破损 的过程己取得了趋于致的见解。认为混凝土的强度的丧失是一个由 于内部结构在荷载作用下失去连续性，并由量变到质变的过程。表现 为由内部的微量破坏扩展到整体的完全破坏。无数试验资料通过超 声，声发射。x 射线、光弹、激光与电子扫描，显微观察等测试手段 表明，混凝土在拌制与成型过程中，已有一定数量的孔隙与微裂缝存 在于混凝土的内部中，意味着混凝土材料内部远在承受荷载前己存在 着内在的强度缺陷，随着荷载作用的增大，混凝土中原有的内在微裂 缝隙将不断扩展，当其达到一定数值后，混凝土丧失承载能力而破坏。 混凝土中存在的内部微裂缝在荷载作用下的扩展大体可分为以下 p q 个阶段：i 舟；分裂绁的微闭合；2 裂缝的受力引发；3 稳定的裂缝 扩展；4 不稳定的裂缝扩展。 许多学者认为混凝土在轴向受压后内部裂缝扩展到最终破坏的力 学特征，是由于在作用荷载相平行的混凝土断面上存在着一个拉伸破 坏面，此拉伸破坏面由于混凝土内在的微裂缝在轴压荷载作用下不断 扩展所产生的拉伸变形或应力达到了极限所致。目前，国际上出现了 以横向极限拉伸应变作为混凝土在轴向压力作用下破损准则的观点， 更深刻的探讨了混凝士抗压强度的本质。 从以往的混凝土受压破损的过程，本质以及变形与破损的关系的 研究，我们可以知道，如果能够限制或约束混凝土在轴向荷载作用下 产生的横向拉伸变形，亦即限制或约束了混凝土在承受轴压过程中内 部微裂缝的扩展或延伸，使混凝土的内部结构在较高的轴压荷载作用 下仍能保持连续性，则必将能提高混凝土的抗压承载力( 如图3 5 ) 。 这便是高含量纤维混凝土立方体较普通混凝土抗压强度增大的原因， 也是有端面摩擦情况下混凝土立方体抗压强度高于无端面摩擦情况 的原因( 如图3 6 所示) 。 1 4 3 试验结果分析 由i i 2 0 0 1 0 0 i ( ) ) m p a ol o o2 0 03 0 04 0 0 5 0 06 0 07 0 08 0 09 0 0 心变( 1 0 “) | 兰i3 5a 0 和a 1 压缩变形应力一应变曲线 心力( x 1 0 “) m p a 3 0 0 2 5 0 2 0 0 ls 0 10 0 s 0 0 05 010 01 5 02 0 02 5 03 0 0 庸变( x 1 0 4 ) 幽36 端血胯擦对立a 体胝缩变彤鹰力一虑变曲线的影响 北方交通大学工程硕士专业学位论文 高含量钢纤维混凝土立方体( 无端面摩擦) 抗压强度提高幅度较 大，首先是由于消除了试件端面约束的影响。试件端面部位和中部都 处于单向受力状态，而不象有端面摩擦那样试件端面部位处于三向受 力状态，中部处于单向受力状态；其次是在混凝土基体中掺入了大量 的钢纤维，有效约束了混凝土在纵向受压时的横向变形；再有，由于 钢纤维含量的提高，使得中含量钢纤维混凝士中不仅纤维与基体间有 粘结力，而且水泥浆将钢纤维连接在一起，纤维间呈现很强的“联锁 增强”效应( 如图3 7 所示) ，另外钢纤维能承受很大的摩阻力。所以， 高含量钢纤维混凝土( 无端面摩擦) 抗压强度提高幅度较大，其中6 纤维含量情况下的提高倍数达到了1 4 5 倍。 圈3 7 纤维阗。袭曩增强。示意翻 3 2 抗弯试验 抗弯试验结果见本章附表3 3 梁弯曲变形稽载曲线见舅 录匿2 1 2 3 2 1 抗弯强度摄赢靖祭分析 表3 4抗鸯强度平均值结果 试件糖 c - oc - 2c - 3 1 3 - 0b 1 c - o c - l 号 强度平 均值 1 6 63 2 61 6 64 0 11 44 蔓，1 6 6 7 3 ( k n ) 3 试验结果分析 表35抗弯强度提高结果 试件编号 c 2c 3b 1 c 1 纤维含量1 2 4 6 提高倍数 2 0 2 。 24 932 6 4 3 9 8 由表3 5 看出： ( 1 ) 6 纤维掺量钢纤维混凝土受弯试件的抗弯强度是索混凝土受 弯试件的43 9 8 倍，由于掺入大量钢纤维，使得混凝土粱的抗弯强度 提高很大。( 纤维掺量在l 2 范围内时，抗弯强度提高4 0 8 0 ( 2 ) 高含量钢纤维混凝土受弯试件的抗弯强度较普通钢纤维混凝 土试件抗弯强度有大幅度的提高。 ( 3 ) 由图38 可以看出，钢纤维混凝土抗弯强度提高倍数随着纤维 掺量的增加而增大，而且纤维掺量越大，提离倍数增长幅度越大。 ( 4 ) 由图3 9 看出，钢纤维混凝土的抗弯强度随着纤维掺量的增加 而提高。 国藩、彭少民、黄星逵钢纤维混凝土结构，中国建筑工业出版社，1 9 9 9l l 7 北方交通大学工程硕士专业学位论文 5 4 _ 5 4 3 5 藿 。 篓2 5 鬟 z l - 5 1 o 5 o 8 0 7 0 一6 0 弓5 0 搭4 0 撂- k 3 0 嘣2 0 10 0 ol234567 纤维掺量( ) 图3 8 粱弯曲强度提高倍数与纤维掺量关系曲线 02 468 钢纤维掺量( ) 图3 9 钢纤维掺量对抗弯强度的影响 3 2 2 抗弯韧性提高结果分析 1 8 3 试验结果分析 表36 抗弯韧性提高结果 畎仆编l j c 2c 3b ic 1 纤维掺量l 2 4 6 提高倍数( 挠 2 6 - 3 87 0 8 6 度= 3 r a m ) 提高倍数( 挠 2 22 84 65 6 度= 2 r a m ) 由表36 看出： ( 1 ) 高含量钢纤维混凝土受弯试件的抗弯韧性比相应的素混凝土 提高幅度较大，6 纤维掺量混凝土梁弯曲韧性提高了5 6 倍。 ( 2 ) 由图3 1 0 可看出，钢纤维混凝土抗弯韧性指数随着纤维掺量的 增加而增大，而且，纤维掺量越大韧性指数增长越快。 6 0 5 0 4 0 瓤 耋3 0 犀 2 0 1 0 0 5 纤维含量( ) 图3 1 0 纤维含量对抗弯韧性指数的影响 3 2 3 钢纤维混凝土梁受弯破坏形态和机理 l9 北方交通大学i ：程硕十专业学位论文 钢纤维混凝土受荷破坏过程分为四个层次：第1 个层次是混凝 的破坏，刚裂纹沿砂浆和粗骨利结合i | i 稳定、缓慢的发展，或裂纹 贯穿耜骨料。由于粗骨料对钢纤维有边壁效应，钢纤维平行于骨料边 壁分布，与界面裂纹和贯穿裂缝平行，起不到阻裂增强作用。第2 层 次是砂浆的破坏，当裂纹进入砂浆，砂和硬化水泥浆的结合面发生解 体破坏，从而导致裂纹扩展即将进入硬化的水泥浆。在此阶段，跨越 裂缝的钢纤维丌始起增强作用，使裂缝的扩展速度减慢。第3 层次是 硬化水泥浆的解体破坏，此时裂缝迅速失稳扩展，宏观裂纹随之增长， 横过裂缝的钢纤维有效地阻止裂缝的发展，使试件的韧性增加。第4 层次是纤维的拔出破坏，随宏观裂纹宽度的增大，钢纤维克服与基体 的粘结力，逐渐从基体中被拔出( 图3 1 1 ) 。 | 圣| 311 制纤维混凝十粱巧| f f | 试验破坏形态小惑幽 由抗弯试验的结果可直观地看出，掺入钢纤维后，混凝土的抗弯 强度明显提高，韧性指数也大幅度增加( 图3 1 2 ) 。这是由于混凝土 试件初裂后，受拉区裂缝宽度随荷载的增大而增加，达到极限强度后， 普通混凝土梁的承载能力直线下降，直至较低的应力水平依靠粗骨料 的机械咬合和摩擦作用爿表现有限的延性，呈现较大的脆性破坏特征， 即一裂就断( 图3 1 3 ) ，破坏很突然。而钢纤维混凝士梁由于纤维的 连接和桥连作用，限制了宏观裂纹的失稳扩展，使得混凝土梁的承载 能力随裂缝宽度的不断增大而缓慢下降，并且试件最终破坏时的挠度 年裂缝张丌度也比普通混凝土大幅增加，肉眼可见裂缝只有一条( 图 3 1 4 ) ，断裂过程c p 消耗了更多的能量，体现延性破坏的特征。 3 试验结果分析 5 0 昌 粥 。4 0 横 恒 3 0 1 0 2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 1 2 0 01 4 0 01 6 0 。 挠度( m ) 削3 1 2 纤维含鬣v f 对梁抗弯强度、韧性的影响 2 北方交通大学工程硕士专业学位论文 图3 1 3 素漏凝士巢弯曲试验破坏形态 3 试验结果分析 本章附表 附表31抗压试验结果表( 有端面摩擦) 试 荷载 大荷 5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 3 5 03 5 3 ( k n ) 垃 件 变形2 44 5 6 48 09 5l l o 1 3 3 1 6 3 1 3 5 3 ( m m 、5 2 83 4 22 7 32 3 92 1 31 9 l 付绒 ， 试 5 0 1 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 03 8 0 a o件 ( k n ) 3 8 0 变形 2 23 9 5 26 67 79 21 l l1 3 2 2 ( t a m o l o )5 0 1 )3 5 32 9 02 3 51 9 81 7 51 5 0 试 荷载 5 01 0 0 1 5 02 0 0 2 5 0 3 0 03 5 03 7 5 ( k n ) 件 3 7 5 变形2 03 54 25 87 28 71 1 51 5 2 3 ( m m )4 6 7 3 1 22 7 3 2 4 5 2 2 l 1 9 2 1 7 0 试 荷载 5 01 0 0 1 5 02 0 02 5 0 2 7 0 ( k n ) 件2 7 0 变形 851 652 6 3 655 58 8 l ( m m )1 5 72 1 81 7 51 3 7 l l o 荷载 试5 01 0 01 5 0 2 0 02 5 0 ( k n ) b o件2 5 0 变形 1 7 53 755 l6 951 0 4 2 ( m m )3 3 02 2 3 1 7 8 1 4 4 试 荷载 5 01 0 01 5 0 2 0 02 5 0 ( k n ) 件 2 5 0 变形 l l 2 33 54 97 2 5 3 ( m m o o )2 8 61 9 81 5 21 1 4 a 1试 荷载 5 0 1 0 01 5 0 2 0 0 2 5 03 0 0 3 5 04 0 04 5 05 0 05 0 7 ( k n ) 件5 0 7 变形 2 5 3 94 95 76 67 58 39 2 1 0 61 3 51 8 0 l ( n u n 、 8 5 5 6 1 54 9 44 l l3 4 l2 9 l2 4 52 1 0 北方交通大学工程硕士专业学位论文 试 荷载 5 01 0 0 1 5 02 0 02 5 0 3 0 03 5 04 0 04 4 7 件 ( k n ) 4 4 7 变形 1 52 83 84 75 56 07 7 9 0 1 8 2 2 ( m m ) 8 1 5 7 7 85 0 33 5 02 8 32 2 5 试 荷载 5 01 0 01 5 02 0 0 2 5 0 3 0 03 5 04 0 04 5 04 5 1 件 ( k n ) o 4 5 l 变形 2 23 24 6 5 7 6 8 7 89 01 0 51 3 92 0 3 3 ( n l m )7 6 06 3 84 8 03 9 03 1 52 5 5 试 荷载 5 0 1 0 0 1 5 02 0 02 5 02 7 6， ( k n ) 件 2 7 6 变形 2 44 88 01 1 21 5 02 3 7 1 ( m m ) 2 8 7 试 荷载 5 01 0 0 1 5 02 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 03 9 5 ( k n ) b 1件 3 9 5 变形 4 45 87 l8 39 71 1 4 1 4 52 5 4 2 ( m m 、 1 2 4 5 6 6 84 9 03 5 7 试 荷载 5 0 1 0 01 5 1 2 0 02 5 0 3 0 03 5 03 8 2 ( k n ) 件3 8 2 变形 7 51 1 8 1 5 l1 6 91 8 6 2 0 32 3 23 2 2 3 ( m m v o )1 9 0 01 0 2 55 5 0 c 0试 荷载 5 0 1 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 04 8 0 ( 田 件 4 8 0 变形 2 03 0 3 84 55 05 76 2 7 0 8 0 1 0 4 1 ( m m )4 0 32 6 7 z 1 2 1 8 8 1 6 51 5 01 3 61 2 3l l l 试 荷载 5 0 1 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 3 5 04 0 04 2 4 ( k n ) 件4 2 4 变形 3 04 65 66 67 28 59 4 1 0 0u 6 2 ( m m o o )3 2 8 2 2 61 9 11 6 9 1 4 71 3 l1 2 71 2 0 试 荷载 5 01 0 0 1 5 02 0 02 5 0 3 0 03 5 04 0 04 5 04 8 04 8 0 件 ( k n ) 3 试验结果分析 3 变形 2 2 4 1 4 85 56 26 8 7 48 31 0 4 ( n u n 、4 3 62 6 42 2 5 2 0 41 9 01 7 3 1 5 2 1 3 l 1 1 5 荷载 5 0 1 0 0 1 5 02 0 0 2 5 03 0 0 3 5 04 0 04 5 05 0 05 5 0 6 0 0 ( k n ) 变形 2 5 3 8 9 5 06 17 79 2 1 0 41 1 81 3 l1 4 4 1 6 01 7 6 试 ( m m )8 1 66 0 85 1 24 4 23 8 63 5 2 3 1 62 6 7 件 6 1 2 荷载 1 6 1 2 ( k n ) 变形 2 5 5 ( m m 、 c 1 试 荷载 5 0 2 0 0 2 5 03 0 0 3 5 0 4 0 04 5 05 0 05 5 06 0 06 5 0 6 5 4 ( k n ) 件6 5 4 变形 3 69 3 1 0 51 2 11 3 51 4 71 5 71 6 1 8 11 9 62 2 0 2 ( m m 、8 0 2 6 6 75 5 94 7 74 2 23 7 73 2 2 试 衙绒 5 02 0 02 5 03 0 0 3 5 0 4 0 04 5 05 0 05 5 06 0 06 5 06 9 0 件 ( k n ) 6 9 ( ) 变形 2 35 0 5 76 26 87 37 8 8 49 l1 0 01 1 62 4 5 3 ( m m ) 7 0 66 l o5 5 55 0 34 3 83 7 33 0 6 附表3 2抗压试验结果表( 无端面摩擦) a 0试 荷载 5 01 0 01 2 51 5 01 7 52 0 02 2 52 5 02 7 52 9 6大葡戴 ( k n ) 件 1 变形 4 76 47 17 68 18 68 99 49 91 1 1 2 9 6 ( m m )1 9 81 5 01 4 21 3 31 2 41 2 31 1 7 试 荷载 5 0l o o 1 5 02 0 02 5 02 5 8 ( k n ) 件2 5 8 变形 2 63 95 l6 17 49 2 2 ( m m 、 2 2 01 2 81 1 61 0 79 5 北方交通大学工程硕士专业学位论文 试 荷载 5 01 0 015 0 2 0 02 5 0 ( k n ) 件 2 5 0 变形 2 64 35 7 7 0 1 0 1 3 ( m m )1 1 61 2 9 1 4 91 2 9 荷载 5 0 1 0 01 5 01 9 0 试( k n ) 件 1 3 5l l o1 9 0 变形 1 f i 】m ) 试 荷载 5 01 0 01 5 01 8 0 b o ( k n ) 件 1 8 0 变形 4 0 7 51 3 5 1 3 7 2 ( m m )1 8 0 1 6 81 4 8 试 荷载 5 01 0 01 5 01 8 3 ( k n ) 件 1 8 3 变形 4 07 01 0 41 2 3 3 ( r a m )1 7 3 1 5 21 3 8 试 荷载 5 01 0 0l5 02 0 02 5 03 0 03 4 6 ( k n ) 件 3 4 6 变形 1 93 24 55 66 67 81 0 5 l ( m m 呦7 2 55 0 52 3 51 9 01 6 0 1 3 5 试 荷载 5 01 0 01 5 02 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 3 7 0 ( k n ) a 1件3 7 0 变形 6 3 9 01 0 81 2 31 3 81 5 21 6 9 2 0 9 2 ( m m )8 7 8 4 3 83 2 92 8 5 2 5 82 3 62 1 6 试 荷载 5 06 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 ( k n ) 件 4 5 l 变形 3 3 6 9 9 l1 1 0 1 2 51 4 l 1 9 6 3 ( m m ) 1 6 8 04 4 6 3 3 42 8 l2 4 31 1 3 3 试验结果分析 试 荷载 5 05 56 07 08 0l o o1 5 02 0 0 2 5 02 6