（材料学专业论文）泵送钢纤维混凝土的研究.pdf

西北工业走学硕士学位论文摘要 摘要 钢纤维混凝土的高强等显著优点，使其在大跨度桥梁、高层建筑、隧道等工 程应用中具有巨大的技术经济优势和突出的社会效益，正成为现代混凝土的一个 重要发展方向。 本文阐述了钢纤维混凝土的增强机理、破坏机理及特征，对钢纤维混凝土的 物理和力学性能、研究现状和应用进行了探讨，详细地叙述了各组成材料对泵送 钢纤维混凝土材料性能的影响，提出了配制泵送钢纤维混凝土的技术路线和方 法。针对钢纤维混凝土工作性能差、施工难度大等问题，提出了泵送钢纤维混凝 土可泵性的测试方法和评价体系，用正交设计试验方法试配出了可泵送的钢纤维 混凝土，并进行了泵送混凝土的配合比、抗压性能、劈拉性能等试验研究。运用 极差分析和方差分析等手段，确定了影响泵送钢纤维混凝土强度及工作性的主次 因素，推荐了配制c 5 0 泵送钢纤维混凝土的配合比。 本文还采用流行的统计学软件包s p s s 软件对试验数据如坍落度、扩展度、 强度等进行了回归分析，得出其线性回归经验公式；运用收集的样本数据，训练 b p 神经网络对泵送钢纤维混凝土坍落度和2 8 d 抗压强度进行预测，取得了较好 效果。 关键词：钢纤维混凝土泵送s p s s 正交设计神经网络 西北工业失学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh i g h e rs t r e n g t ha r et h em o s to b v i o u sc h a r a c t e r i s t i c so fs t e e l f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e( s f r c ) t h isn e wm a t e r i a lh a ss i g n i f i c a n t l y e c o n o m i ca n ds o c i a lv a i u ew h e ni t i sa p p l i e dt os o m es p e c i a lp r o j e c t s s u c ha sl a r g e s p a nb r i d g e s ，h i g hb u i l d i n ga n dr u n n e l s f r ci sb e c o m in g o n eo ft h ei m p o r t a n tt r e n d si nt h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nc o n c r e t e t h i sp a p e re l a b o r a t e sw h i c hf a c t o r a f f e c ts t e e lf i b e rc o n c r e t e s t r e n g t ha n db r e a k s t os o l v et h ep r o b l e m ss u c ha sp o o rw o r k a b i l i t yo f s f r c ，o nt h eb a s i so fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t s ，t h ea u t h o re s t a b l i s h e ss f r c w o r k a b i l i t ye v a l u a t i o ns y s t e ma n da d v a n c e st h et e s t i n gm e t h o do fp u m p i n g p e r f o r m a n c eo fs f r c t h r o u g hv a r i a n c ea n a l y s i s ，t h ei n f l u e n c eo fe v e r y f a c t o rt os l u m pu ff r e s hc o n c r e t e ，c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，s p l i t t i n g t e n s i l es t r e n g t hi sk n o w n r h i sp a p e rn o to n lyc o n f i r m ss o m em a j o rf a c t o r s w h i c ha f f e c tc o n c r e t es t r e n g t hb u tr e c o m m e n d st h em ixp r o p o r t i o no fc 5 0 p u m p i n gs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ( p s f r c ) u s n gm u ll i v a r i a b l eh n e a rr e g t e s s i0 nm o d u lei ns p s sw h i c hi sm o r e p o p u l a r is t a t i s t i c ss o f t w a r ep a c k a g e ，t h i sa r t i c l ea n a l y s e s 4f a c t o t l s a f f e c t i n gc o n c r e t ep e r f o r m a n c e s ， g i v em u l t i v a f i a b l el i n e a rr e g r e s s i o n e q u a t i o no fc e n t r e t e sc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，s l u m pa n ds l u m pf l o w g s i n g o ft h es a m p l ed a t ao f t h ec o l l e c t i o n s t h ea u t h e rt r a i nt h e b a c kp r o p a g a t i o nn e t w o r kt op s f r co fs l u m pa n d2 8 dc o m p r e s s i r es t r e n g l ，h t oc a r r yo nt h ee s t i m a t e t h er e s u l tisb e t t e r f i n a l l y ，t h ea u t h o r e x p l o r e st h ep r e p a r a t i o nt e c h n o i o g yr o u t eo fp s f r c k e y w o r d s ：s t e e lf i b e rc o n c y f f t ep u m p i n gs p s so r t h o g o n a t e sz n e u r a 2 e w o r k 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解。学校有荚保护知识产权的规定即：研究生住校攻读学位必f 目论文一作 的知识产权单协属丁柏北1 业人学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 f t - u 电子版。本人允许沦文被奇阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或h 描等复制手段保存s u r e 编本学位论文。同时本 人保，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为柏北】、j k 人。 保密论文待解密后适j 刳本声明。 学位论文作者签名：嚷塑庭指导教师签名：金当丛 j r 6 年，月，日粕年i f 月i i 目 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风平优良的科学道德本人郑重声明：所早变的学位论文，是术 人在导师的指导f 进行研究土作所取得的成果。尽我所知除文中已经注明引刚的内棒 利致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人域集体己三经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含_ ：奉= 人或其他己申请学位或其他h j 途使川过的成粜。对本文的研究做出重要贡 献的个人平集体，均己在文中以明确方，表明。 本人学位沦文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名盔盘庭 州年c 7 月，i e ! 西北工业太学硕士擘垃论文第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 自从1 8 2 4 年英国人j a s p d i n 发明波特兰水泥以来，水泥工业和混凝土材料 在不到二百年的历史中，有了突飞猛进的发展。在当代五大工程材料( 混凝土、 砌体、钢材、木材，合成材料) 中，混凝土的用量最大，应用范围最广。其原因 在于：原材料容易获得，材料成本相对较低、生产和施工相对简便、工期短，采， 用钢筋和预应力技术所构成的工程结构坚固耐用，承载力高、稳定性好，经专门 设计和采取防护措施，结构的抗震性能和耐久性也可满足要求。 混凝土材料本身就是一种复合材料，它是由粗、细骨料，胶合料和其他材料 组成的。混凝土材料本身抗拉强度低、韧性差等弱点限制了其优势的发挥。为免 服混凝土的弱点，人们一直致力于混凝土的改性研究，采用纤维增强混凝土则是 目前一种重要的混凝土改性途径“1 。现代复合材料的纤维混凝土采用的纤维种 类繁多，按其材料分为：金属纤维，如钢纤维；无机纤维，如玻璃纤维、硼纤维、 碳纤维等；合成纤维，如尼龙、聚丙烯纤维；植物纤维，如竹纤维、麻纤维等。 目前工程中以钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维应用比较广泛，本论文主要对钢纤 维混凝土进行应用研究。 1 2 国内外钢纤维混凝土发展概况 纤维混凝土( f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ，简称f r c ) ，是纤维增强混凝土 的简称，通常是以水泥净浆、砂浆或者混凝士为基体，以金属纤维、无机纤维或 有机纤维增强材料组成的一种水泥基复合材料。它是将短而细的，其有高抗拉强 度、高极限延伸率、高抗碱性等良好性能的纤维均匀的分散在混凝土基体中形成 的一种新型建筑材料。纤维在混凝土中限制混凝土早期裂缝的产生及在外力作用 下裂缝的进一步扩展“1 。在纤维混凝土受力初期，纤维与混凝上共同受力，此时 混凝土足外力的主要承担者，随着外力的不断增加或者外力持续一定时间，当裂 缝扩展到一定程度之后，混凝土退出工作，纤维成为外力的丰要承担者，横跨裂 缝的纤维极大的限制了混凝土裂缝的进一步扩展。由此可见，纤维有效地克服了 混凝土抗拉强度低、易开裂、抗疲劳性能差等固有缺陷。与普通混凝土相比，f r c 具有较高的抗拉、抗弯拉、抗冲击、抗阻裂、抗爆和韧性、延性等性能，同时对 混凝土抗渗、防水、抗冻、护筋性等方面也有很大的贡献。 西北工业j ：擘硕士擘住论文 第一章绪论 鉴于f r c 具有素混凝上小具有的优点，纤维混凝上尤其是铡纾维混凝上在实 际二 程中一益得到学术界和 枰界的关注。1 9 0 7 年原苏联专家b b e k p o c a b 开始用金属纤维增强混凝土；1 9 1 0 年，美国h f p o r t e r 发表了有关短纤维增强 混凝士的研究报告，建议把短钢纤维均匀地分散在混凝土中用以强化基体材料； 1 9 11 年，美国g r a h a m 曾把钢纤维掺入普通混凝士中得到了呵以提高混凝t 强度 和稳定性的结果；到2 0 世纪4 0 年代，美、英、法、德、f j 等国先后做了许多关 于用钢纤维来提高混凝上耐磨性和抗裂性、钢纤维混凝土制造工艺、改进钢纤维 形状以提高纤维与混凝士基体的牯结强度等方面的研究；1 9 6 3 年j p r o m u a l d i 和g b b a t s o n 发表了关于钢纤维约束混凝土裂缝开展的机理的论文，提出了钢 纤维混凝土丌裂强度是由对拉伸应力起有效作用的钢纤维平均间距所决定的结 论( 纤维间距理论) “1 ，从而开始了这种新型复合材料的实用行发阶段。到舀前， 随着钢纤维混凝土的推广应用，因纤维在混凝土中的分布情况不同，主要有四类： 钢纤维混凝土、混杂纤维混凝上、层布式钢纤维混凝i 和层布式混杂纤维混凝上。 2 0 世纪8 0 年代美国l a n d a r d 研制成一种高强度高含量钢纤维混凝士 ( s i f c o n ，s l u r r yi n f i l t r a t e df i b e rc o n c r e t e ) ，中文译作渍浆( 或砂浆渗 浇) 纤维混凝上。它的钢纡维体积率纷2 峨，最高远一2 7 。其抗愿强度为 1 0 0 2 5 0 、l p a 。受压和受拉极限应变较素混凝七可提高= 个数量级，弯曲韧性较素 混凝士提高三个数量绒。美国h a c k m a n 等近年来开发了一种砂浆钢纤维网混凝上 ( s i j _ f c 洲；s l u r r y 。l n f i l t r a t e dm a tc o n c r e t e s 。写s i ：c o 对不同的是预霄于梭一 具中的是定向分布的钢丝网而不跫乱向分布的钢纤维。其增强增韧效果比s i f c o n 成倍提高。s i f c o n 和s i m c o n 对于承受严酷的重复荷载作用和爆炸作用的结构具 有显著的优越性，可望用于军事工程、保险库、防爆仓库容器、桥面接缝等终构。 活性粉末湿凝七( r p c ，r e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e ) 也是近年来发展的一 种超高强、高韧性混凝土。它采用硅酸盐水泥、硅粉和石英粉、短细钢纤维、超 塑化和配制，成型后一般经蒸压养护，抗压强度可达2 0 0 船a 和8 0 0 m p a 等级，弯 拉强度最商分别可达6 0 和1 4 0 m p a 我困孙伟教授采用普通养护方法也获得了 2 0 0 m p a 级的r p c 。r p c 目前处于开发的初级阶段，加拿大用于在严寒地区建筑人 行桥，法国研究用于储减核废料的储罐，美国陆军工程师研究用于制管。 我囡研究和应用钢纤维混凝士开始于7 0 所代，腼近二十年来，发展异常迅 速。进入2 0 世纪8 0 年代以后，这一领域的试验研究有了迅速的进展，大连理工 大学赵国洛教授首先从断裂力学理论出发，导出了与复合材料理论相一致的乱向 分布钢纤维混凝士抗拉强度公式，并分析了钢纤维混凝t 的增强机理和破坏形 态。空军工手u 学院卷文纲、程铁生进行了单轴_ u 三荷载下钢纤维混凝上粱抗蜉性能 的试验研究。铁道部科学研究貌徐蕴贤、李启橡、吴淑o # 等在推，“钢纤维混凝上 西北i 业大学硕士擘位论文 第一幸绪论 应用于铁路路轨枕木、桥面铺装和工程加固修复的同时，开展了材料基本强度和 抗冲击、抗磨等性能的试验研究。空军工程设计研究局王璋水进行了钢纤维混凝 土抗折强度和抗折弹性模量的研究。许多高等院校、科研单位积极投入了这一领 域的科学研究工作。为了更好地推动钢纤维混凝土的研究与应用的发展，在中国 士术工程学会下专门设立了纤维混凝土委员会，积极组织开展因内外学术交流。 在赵国藩教授主持下，委员会组织了多届全国性纤维水泥与纤维混凝土学术会 议，极大地推动了钢纤维混凝土在我国的科研工作的进展。 2 0 世纪7 0 年代，美国b a t t e l l e 公司丌发了熔抽技术，制造出廉价钢纤维， 为这种复合材料的实际应用创造了有利条件。此后2 0 多年，各种钢纤维的生产 制作工艺层出不穷，钢纤维混凝土在发达国家和发展中国家的开发研究受到普遍 重视，尤以日本、美园、英国进展最快。 1 3 选题背景和意义 尽管高性能混凝土具有优越的物理力学性能，在最近的2 0 年中，国内外对 钢纤维混凝土的力学和结构性能做了大量的研究，我国近年来在研究与应用方面 也做了不少工作，钢纤维的产量与日俱增。但在泵送钢纤维混凝土研究方面资料 较少，泵送钢纤维混凝土是近年来发展较快的一种特种混凝土。泵送钢纤维混凝 土坍落度普遍偏小，要得到适用于搅拌车长时间运输并保证卸料时仍能达到施工 所需流动度，可能要以降低强度为代价。因此，以下几个问题尚待解决：( 1 ) 大坍落 度下的运输过程中可能出现钢纤维( s f ，s t e e lf i b e r ) 的沉降、分层；( 2 ) 同等 坍落度下，泵送钢纤维混凝土的可泵性比普通混凝土差；( 3 ) s f 在自动搅拌设备 中的投料方式是否能保证其分散的均匀性。为了使人们能对泵送钢纤维混凝土的 各种性能有一个比较完整的认识，推动高性能混凝土的广泛和合理应用，对泵送 钢纤维混凝土的工作性和力学行为进行全面研究，为实际工程中正确设计泵送钢 纤维混凝土的配合比和科学利用提供依据具有深远的现实意义和应用价值。 1 4 本文的主要工作 基于钢纤维混凝土( s f r c ，s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ) 的特殊性， 笔者着重从材料选择、配合比设计、生产工艺、力学性能等方面，通过试验研究 泵送s f r c 的不同材料组合对其性能的影响。纤维在混凝土中的分散性是阻碍纤 维增强混凝土应用的一个关键因素，不少学者对此提出了不同的掺入方法。但对 纤维的掺入搅拌方法还有待进一步研究，如何提高纤维在混凝土中的分散性也是 本课题的研究内容之一。 西北工业大学硕士擘位论文 第一幸绪论 论文以正交设计试验和理论分析为研究手段，在正交试验中，取钢纤维掺量、 减水剂用量、水胶比和硅灰掺量四个因素安排试验。通过极差分析和方差分析， 明确各因素对新拌混凝土坍落度、扩展度、7 d 抗压强度和7 d 劈拉强度及2 8 d 抗 压强度和2 8 d 劈拉强度等力学性能的影响，以及应用s p s s 和神经网络对试验数 据进行分析。针对钢纤维对混凝土的增强机理，对各个考核指标进行考查，寻求 泵送纤维混凝土的最优组合条件，确定泵送c 5 0 钢纤维增强混凝土的推荐配合 比。在多元线性回归中，以各显著因素为自变量，得出坍落度、2 8 d 抗压强度和 2 8 d 劈拉强度与各控制因素之间的线性表达式，用神经网络对泵送钢纤维混凝土 进行预测，并将试验配合比成功用于工程施工。最后对泵送钢纤维混凝土的应用 及发展前景做进一步的探讨。 4 西北工业走学硕士学位论文 第二章钢纤维屁凝土的工作性能和物理力学性能研究 第二章钢纤维混凝土的工作性能和物理力学性能研究 2 1 钢纤维增强水泥基复合材料 2 i i 钢纤维 钢纤维是当今世界各国普遍采用的混凝土增强材料。它具有抗裂、抗冲击性 能强、耐磨强度高、与水泥亲合性好，可增加构件强度，延长使用寿命等优点。 钢纤维在水泥制品中的应用尽管起步比较晚，但其发展速度却相当迅猛“1 。目前 钢纤维增强混凝上已广泛应用于公路路面、桥梁、隧洞、机场道面、建筑、水利、 港工、军事及各种建筑制品等混凝土领域，它有着极大的生命力。应用前景十分 广阔，并朝向高性能与超高性能方向发展。 2 i i 1 分类 钢纤维因其不同的原材料而分为普碳钢纤维和特种钢纤维。 钢纤维按长度分为：( a ) 亚短钢纤维：长度约为4 0 6 0 r a m ，( b ) 短钢纤维：长 度为2 0 3 5 r a m ，( c ) 超短钢纤维：长度在1 5 m 以下。钢纤维按外形分有：( a ) 圆 直形、( b ) 平直形、( c ) 压痕形、( d ) 波浪形、( e 、f ) 弯钩形、( g ) 墩头形、( h ) 集 束形、扭曲形等( 见图2 1 ) ；按截面形状分有：( a ) 圆形、( b ) 矩形、( c ) 槽形、 ( d ) 月牙形和( e ) 不规则形等( 见图2 2 ) ；按生产工艺分有钢丝切断法、钢板切削 法、钢锭铣削法、和熔抽法，其中熔抽法生产效率高且成本最低；按材质分有普 通低碳钢纤维( 抗拉强度一般在3 0 0 2 5 0 0 m p a ) 、不锈钢纤维( 按材质分有3 0 4 、 3 1 0 、3 3 0 、4 3 0 和4 4 6 等) 和其它金属纤维( 如铝纤维、铜纤维、钛纤维，以及各 种合金纤维) 等；按表面涂覆状态分有无涂覆层、表面涂环氧树脂，以及镀锌等， 目前大量应用的还是无涂覆的普通钢纤维。按纤维直径分类有：普通钢纤维( 直 径 o 2 0 r a m ) 和超细钢纤维( 直径0 2 0 l m ) ，超细钢纤维主要用于纤维增强塑料、 石棉摩擦材料和活性细粒混凝土等。 ( a )( b )( c ) | j唾 ( d )( e )( f ) ( g ) 图2 1 钢纤维的外形 ( h ) 西北工业大学硕士擘位静文第二幸锕纤维屁凝土的工作性能和物理力季性能研究 大量试验研究与工程实践表明，对水泥基增强、增韧与阻裂效果最好的是端 钩纤维。不仅是因端钩存在增进了锚固作用，同时也提高了界面粘结，且因端钩 平缓( 成1 2 0 。角) ，降低了应力集中程度，从而在钢纤维增强水泥基受力时，不会 因端钩的挤压对混凝土基体带来局部损伤。故国外的钢纤维产品是以不同尺度的 端钩纤维居多。与方直形纤维相比，当纤维体积率圩相同时，混凝土抗拉与抗 弯强度可进一步提高1 5 2 0 。与方直纤维相比，其它形状的纤维增强效果 也均有不同程度的改善。我国生产的纤维多数是不同尺度的方直形和扭曲形，端 钩形和波浪形纤维的产量也不断增多。 o 口瓜 ( a )( b )( c ) ( d )( e ) 图2 ，2 钢纤维的截面形状 2 1 1 2 钢纤维的生产方法 ( 1 ) 钢丝切断法 这是一种传统方法。用直径为0 2 - - - 0 5 啪的冷拔钢丝按规定长度经切断而 成。此方法生产的钢纤维抗拉强度为1 0 0 0 2 0 0 0 m p a ，但表面光滑与水泥基的粘 结强度较低为增进钢纤维与基体的界面粘结，常常采用生产异型钢纤维的办法 加以解决。改变钢纤维的外形常见的方法有：- 一是压痕法，在切断钢丝前通过压 辊在钢丝上压出菱形凹槽；二是波浪法，在切断钢丝前用进给钢丝的央送辊将钢 丝压成波形后再切断；三是端钩法，在切断钢丝前用进给钢丝的压送辊等距地压 成端钩状再切断，国外称端钩纤维为d r a m i x 。生产时用水溶性粘结剂将其集束 粘结在一起，当集束钢纤维投入搅拌机后粘结剂很快溶于水，钢纤维则均匀分散 于水泥基中。 ( 2 ) 薄钢板切削法 薄钢板切削法是将冷轧低碳薄钢板，按要求纤维长度切成带钢，然后将带钢 不断地送入旋转刀具或普通冲床切断。旋转刀具的轴与钢板迸给方向相互垂直， 原材料一般选用退火的冷轧钢板。 ( 3 ) 钢锭铣削法 将厚钢板或钢锭用旋转的平刃铣刀进行切削制成钢纤维。切削时钢纤维将具 有大的塑性变形，轴间产生扭曲，可提高与水泥基的界面粘结。若以普通低碳钢 为原料，切削成的钢纤维相当于经过了加工硬化，其强度约为母材的两倍半，成 为一种高强度、高硬度的钢纤维。 ( 4 ) 熔抽法 6 西北业大学硕士学住论文第二章铜纤维屁凝土的工作性能和物理力擘性能研究 由美国b a t t e l em e m o r i d 研究所发明。在1 6 0 0 1 5 0 0 。c 的钢液表面上，以 一个高速旋转的熔抽轮接近钢液，熔抽轮上按照所需钢纤维的尺寸与形状要求， 刻出许多槽形，当熔抽轮下降到液面时，钢液被槽刮出，并被高速旋转的熔抽轮 的离心力抛出，再经快速冷却成型。通过改变钢液的化学成分，可以生产各种材 质的钢纤维和其它金属纤维：通过改变熔抽轮上刻槽尺寸、熔抽轮的转速和浸入 深度，就可以改变钢纤维的尺寸。 上述四种钢纤维制造方法的特征比较见表2 1 。 各种钢纤维制造方法的特征表2 1 特征 制造方法 存在的问题 断面形状表面提高纤维增强效果方式 原材料成本高 钢丝切断法 圆形光滑压痕、弯钩 粘结强度较低 正方形压延面 刀具寿命短 薄钢板剪切法压痕、弯钩、扭曲 矩形切断面 枯结强度较低 切断面、皱纹化表扭曲、 刀具寿命短 钢锭铣削法三角形 面、回火色两个粗糙面一个光滑面生产效率较低 月牙形 熔抽法 氧化皮膜回火色两端较粗、表面较粗糙能耗较高 槽形 2 1 1 3 钢纤维的性能及特征参数 ( 1 ) 抗拉强度 钢纤维的抗拉强度与生产纤维所用原材料有关，也与纤维的生产工艺等因素 有关。钢纤维的抗拉强度一般在3 5 0 2 0 0 0 m p a 之间。一般用于普通钢纤维混凝 土的钢纤维抗拉强度都大于3 8 0 m p a ；对于高强与高性能混凝土，要求所用钢纤 维的抗拉强度要大于5 0 0 7 0 0 m p a ；对于r p c ，钢纤维的抗拉强度要大于1 0 0 0 m p a 。 如钢丝钢纤维的抗拉强度最高，一般在1 0 0 0 m p a 以上；对于纤维增强耐火混凝土 而言，在高温下对纤维的抗拉强度还有特殊要求。 ( 2 ) 钢纤维长度厶和长径比t ：l d ：( d ，为钢纤维的等效直径) 一 纤维长度和长径比是影响钢纤维混凝土性能的重要因素，通常黟、黟谚越大， 增强水泥基的效果越好。过大则钢纤维增强水泥基的破坏不是纤维拔出而是拉 断，同样影响增韧效果，且不易在水泥基中均匀分散，甚至造成纤维结团；z r 、 厅谚也不能太小，以免纤维增强水泥基承载能力下降，因此在确定彦和，谚时， 应该使彦 口( 一“) 或口谚 厅( 一) 谚，一般厅在2 0 3 5 舢中选取，豇谚则控制在 4 0 1 0 0 之间，通常为5 0 7 0 。这样才能使钢纤维对水泥基产生增强与增韧双重 7 西北工业大学硕士学位论之第二章钢纤维混凝土的工作性能和物理力辛性能研究 效果。但对高流态钢纤维混凝土，如s i f c o n ，因为采用了灌浆工艺，纤维长度 可在6 0 1 0 0 m m 之间，长径比可达1 0 0 2 0 0 。影响一谚的因素主要有纤维与水 泥界面粘结强度和纤维自身抗拉强度，打毋相应减小，纤维自身强度越高，谚可 相应增大。 ( 3 ) 纤维体积率 钢纤维体积率玢的大小，不仅决定了对混凝土增强增韧的程度，而且也关 系到其破坏形态，绝非在混凝土基体中只要掺入钢纤维就一定会产生增强效果。 能否有增强效果，增强效果的大小与纤维体积率的取值密切相关。常用的钢纤维 混凝土有低纤维体积率( o 5 玢 l 时，则纤维过于集中 并填充于粗集料间的砂浆中，故纤维仅局部增强了砂浆而不能增强混凝土整体， 且因纤维过度集中又不均匀分散，影响到纤维一基体间的界面粘结；当d 。f ，= 1 或d 。f ， t( c ) d 。6 “一 = ( d ) d 。j ， 4 2 图2 3d m a x 与参的关系 ( 2 ) 水泥基体和有机无机掺合料 水泥基体可用硅酸盐水泥、高铝水泥，还可在其中掺加有机，无机及其复合 掺合料。无机掺合料主要是活性混合材，如硅灰、粉煤灰和磨细矿渣等。它们可 改善钢纤维与混凝土基体界面结构与界面粘结，提高其耐久性等一“m 。聚合物是 一种性能优异的有机外加剂，可提高钢纤维混凝土的耐候性、强度和韧性，但在 生产过程中要严格控制固化条件，部分聚合物不能在潮湿环境中使用。采用无机 矿物掺合料是发展高性能钢纤维混凝土的重要途径。 ( 3 ) 细骨料 砂率对钢纤维混凝土硬化前的和易性和硬化后的强度均有影响，一般都比普 通混凝土基体的高。这是因为钢纤维的掺入，在混凝土基体中增加了巨大的比表 面积，当f ，= 2 5 r a m ，d i = o 4 m m ，野= 1 、1 5 、2 时，每立方米钢纤维混 凝土中钢纤维的总表面积分别为l o 4 7 r 、1 5 7 r 和2 0 9 3 吖。这些表面积需 要水泥砂浆包裹才能保证纤维与基体的界面粘结和提高纤维增强效率，因此，它 比普通混凝土需要更高的砂率，同时其取值还与粗骨科最大粒径及盼、牙有关。 l o 西北工业大学硕士学位论文 第二章钢纤雏混凝土的工作性能和物理力孝性能研完 普通钢纤维混凝土砂率为4 5 5 0 。钢纤维高强混凝土因水泥用量高，砂率 可适当下降，一般为3 5 4 0 。 2 1 4 钢纤维混凝土的界面 钢纤维特性与基体特性是影响钢纤维混凝土性能的重要因素，但两者的作用 必须通过界面粘结才能实现。在钢纤维混凝土受力过程中，钢纤维与水泥基的界 面特性和界面粘结又直接影响到纤维脱粘与拔出的全过程。因此，强化界面组成 与结构、增进界面粘结是钢纤维对混凝土产生强化的关键。钢纤维与水泥基界面 存在过渡区，该过渡区不是一个面，而是一个三维的体，即界面层。对普通混凝 土，界面层厚度一般为5 0 3 0 0 删，其主要特征是：w c 比基体高，离子浓度 低，孔隙率大，结构疏松，是钢纤维混凝土中的薄弱部位；因w c 高，孔隙率 大，c n ( o h ) 2 有足够的生长空间。从而c a ( o h ) 2 晶体尺度大且有富集和取向排歹! j 的现象产生，因钢纤维表面光滑，使c a ( o h ) 2 的取向性比在骨料表面更强；在界 面层中有一个最先引起破坏的弱谷( 最薄弱区) ，在荷载作用下该区是最先引起破 坏的薄弱部位。 大量试验表明，界面层中显微硬度的分布综合反映了界面区各因素 ( c a ( o h ) 2 晶体取向性、平均尺度和孔尺度分布等) 的变化规律，用它来判断与确 定界面层厚度及强化程度尤为科学与合理。 2 2 钢纤维混凝土拌和物的工作性能 混凝土拌合物的工作性决定混凝土拌和物在运输、浇筑、成型、抹面等施工 性能是否容易进行。它不仅关系到混凝土的施工质量，而且还影响到混凝土硬化 后的物理力学性能，也可以说混凝土工作性能是保证硬化混凝土获得预定质量目 标的先决条件。 为了施工时易于操作并且保证质量，混凝土拌和物应具有良好的工作性。混 凝土拌和物的工作性是其稠度( c o n s i s t e n c y ) 、可塑性( p l a s t c i t y ) ，抹面性 ( f i n i s h 曲i l i t y ) 的总称。对于高性能混凝土来说，工作性还应包括填充性 ( p l a c e a b i l i t y ) 、可泵性( p u m p a l i b i t y ) 和稳定性( s t a b i l i t y ，即抗泌水和抗离析 性) 等。一般采用坍落度试验来控制拌和物的流动性，再附加目测来判断粘聚性 和保水性。我国对钢纤维混凝土的工作性能检测同普通混凝土一样，也采用坍落 度来试验。高强泵送钢纤维混凝土具有较小的水胶比，必须加入高效减水剂来实 现高流动性，掺入高效减水剂后，拌和物的流动性增大，但加入纤维后拌和物的 流动速率显著降低。因此，在评价混凝土拌和物的工作性时，就不能只考察混凝 西北工业大学硕士学位论文 第二章钢纤维混凝土的工作性能和物理力学性能研究 土拌和物的坍落度。本文采取用坍落度s l ( s l u m p ) 和扩展度s f ( s l u m pf l o w ，用 拌和物坍落稳定时所铺展的直径表示) 共同评价混凝土的流动性的。在进行质量， 控制时，对确定原材料和配合比的混凝土拌和物，参考图2 4 所示的情况进行评 价。 s l s f 大，粘稠 工作性能好离析 图2 4 钢纤维混凝土工作性的简易评介 s l 一坍落度( s l u m p ) s f 一扩展度( s l u m pf l o w ) 3 钢纤维混凝土的基本性能 2 3 1 钢纤维与基体的粘结性售渗 钢纤维在混凝土中是乱向分布的。大量实验表明，钢纤维混凝土受拉或受 弯时，混凝土开裂后。钢纤维从基体中拔出，出于钢纤维与其接触丽j 上的粘着力、。 摩擦力和机械咬合力，使拔出进程受到阻碍。近年来，高强混凝土的应用广泛， 在一定基体强度范围内，随着钢纤维混凝土基体强度的递增，钢纤维与基体的界 面粘结强度有相应的提高，并且粘结强度的提高幅度不断增大。改变钢纤维的表 面形状也能提高粘结力。 2 3 2 钢纤维混凝土的基本力学性能 钢纤维混凝土是由钢纤维和混凝土组成的一种新型复合材料，它与普通混凝 土的受力变形性能、破坏形态等方面有着明显的不同。由于钢纤维在混凝土中乱 向随机分布，且钢纤维的分布与取向又存在着重力效应和边壁效应，因而它的受 力特性与尺寸效应比普通混凝土更加复杂，在设计、施工、试验方法等方面都有 其特殊性。钢纤维混凝土具有普通混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、弯 曲性能以及韧性等基本的力学性能。实验表明，钢纤维掺入能不同程度提高和改 善混凝土的这些基本力学性能。东南大学、大连理工大学和北京科技大学等单位 进行的钢纤维混凝土抗弯拉疲劳试验研究表明钢纤维混凝土的耐疲劳性能得到 了显著的改善。与普通混凝土相比，其冲击强度与冲击韧性均有显著提高，这在 2 西北工业大学硕士学位论文第二幸铜纤维混凝土的工作性能和物理力学性能研究 国外文献资料中有比较详细的研究 1 ”。 2 3 3 钢纤维混凝土的其他性能 钢纤维混凝土除具有普通混凝土的基本性能外，还有它特殊的性能。随着 钢纤维混凝土在各种工程中的应用，钢纤维混凝土复合材料的其他性能越来越被 人们所研究和应用及重视。如华中科技大学的杨海燕等对钢纤维混合材料吸波性 能进行初步探讨的研究，武汉理工大学的李卓球等对钢纤维混凝土的机敏性进行 的研究。 2 4 钢纤维混凝土的破坏机理和破坏特征 钢纤维混凝土在外力作用下会产生变形而破坏。人们对这种现象进行了大量 的观测，对了解钢纤维混凝土的破坏提出极有价值的资料。研究表明，钢纤维混 凝土的破坏是在外力的作用下，内部微裂缝的形成、扩展和失稳而导致最终破坏 的，破坏过程与其内部裂缝的发展过程有着密切的关系。 2 4 1 钢纤维混凝土的破坏机理 1 破坏过程受荷载作用的钢纤维混凝土，当荷载逐渐增加到一定水平后， 能听到混凝土内部破坏的微弱而清晰的噪音，直到在混凝土表面上能看到许多小 裂缝；荷载继续增加，混凝土内部的微裂缝会蔓延并贯通，直至混凝土破坏。混 凝土的破坏过程就是裂缝的发展过程，混凝土的裂缝发展经历了原始微裂缝、裂 缝的起裂、稳定裂缝的扩展、不稳定裂缝的扩展等阶段。 2 分级破坏根据混凝土的材料组织结构体系水平和裂缝发展程度可以定 义钢纤维混凝土的破坏为三级，即破坏过程的三个阶段。 第一级破坏是混凝土内界面的破坏，此时砂浆和骨料的结合面上开始出现较 为严重的裂缝，众多的裂缝将开始稳定、缓慢地发展，这是裂缝发展的第一阶段。 第二级破坏是砂浆的破坏，此时裂缝扩展进入砂浆，砂和硬化水泥浆结合面 先发生解体破坏，从而导致裂缝扩展即将进入硬化水泥浆。与此相对应的混凝土 内裂缝体系开始变得不稳定，释放的应变能足以使裂缝自行扩展直到材料完全破 坏，此时对应于裂缝扩展第二阶段的末端，该点的应力称为临界应力，它相当于 7 0 - 9 0 的极限强度。 第三级破坏是硬化水泥浆体的解体破坏，此时裂缝逐渐连接贯通，钢纤维被 拔出，水泥浆体内的裂缝急剧增加，发展加快。在这一阶段，荷载保持不变时， 裂缝也会自行继续延伸和扩展，即荷载保持不变也会导致破坏。 西北工业走学硕士学住论文第二章铜纤维混艇土的工作性能和物理力学性能研究 2 4 2 钢纤维混凝土的破坏特征 由于钢纤维的阻裂增强作用，使钢纤维混凝土在破坏之前有大范围的缓慢 稳定裂缝扩展，以及裂纹尖端存在微裂区或裂纹过渡区。钢纤维混凝土的裂纹扩 展过程大致是：随着荷载的增加，当裂缝扩展通过纤维增强效应区时，裂缝将受 到纤维的阻挡而缓慢发展或改变方向绕过纤维而在另一个较易通过的区域内通 过，然后又被其它纤维阻挡。与此同时，开裂区的纤维将提供拉拔阻力，阻止裂 纹张开。由于纤维乱向分布的特点，使这种开裂和阻裂也是乱向的，这样就增加 了裂纹开裂路径的曲折性，使钢纤维混凝土材料在荷载作用下表现为裂纹缓慢的 增长，呈现出“塑性”特征。 2 5 钢纤维混凝土物理力学性能的影响因素 钢纤维对混凝土的增强、增韧和阻裂效应从其本质上改善了混凝土的物理、 力学性能”，但钢纤维混凝土是一种复合材料，影响因素很多，下面仅进行简 单分析， 2 5 1 钢纤维对混凝土抗压强度的影响 抗压性能是混凝土最基本最重要的力学性能指标。它不仅是确定混凝土强度 等级的唯一依据，还是确定其它力学特性( 例如弹性模量、峰值应变、延性指数、 耐久性、破坏形态、多轴强度和变形等) 和数值的主要因素。 钢纤维按生产工艺和外型不同有：钢丝切断弯钩形、铣削弯钩形、剪切弯 钩形、剪切波纹形、剪切压痕形等。试验表明，不同钢纤维对混凝土的力学性能 影响不同，有弯钩的钢纤维比平直钢纤维的增强效果可提高一倍，波形钢纤维虽 对提高钢纤维混凝土强度的作用不大，但能成倍地提高韧性。 钢纤维对混凝土的增强基本理论主要有二：一种是基于复合材料力学的混 合定律，另一种是建立在断裂力学基础上的纤维间距理论。 钢纤维混凝土的组成适合不连续短纤维增强复合材料的混合定律。对不连 续纤维材料的弹性模量e 。和抗拉强度0 。，可由下列公式计算； 已= 1 l r 。e , v ，+ e 。v 。 ( 2 1 ) t = p ，+ 吒。 ( 2 2 ) 式中：1 l r 。一考虑纤维长度、取向、分布、界面粘结、纤维缺陷等因素后的综合 有效系数； 0 。一基体材料的抗拉强度； 1 4 西北工业太学硕士学位论文第二章铜纤维混凝土的工作性能和物理力学性能研究， o ? 一对应基体材料断裂机理就是纤维的平均拉应力。 ，v f - 平行钢纤维复合材料的纤维体积率； v - 一平行钢纤维复合材料的基体体积率； 下角标c 、1 1 1 、f 分别指复合材料、基体和纤维。 在短纤维的情况下，断裂机理就是纤维的拔出而不是拉断。对平行于力的 方向排列的单向连续纤维复合材料，可认为1 l r 。= 1 ，而其破坏通常是由于纤维的 断裂而不是拔出。 r o m u a l d i 等提出纤维间距s 对混凝土抗拉强有显著影响的观点。他们并进行 了在混凝土中掺入短钢纤维的试验，得出纤维混凝土的抗裂强度只由纤维间距决 定，并与纤维间距的平方根成反比的结论，同时用试验说明改善混凝土抗裂强度 的有效的纤维间距不能大于0 5 i n ，当纤维间距小于0 3 i n 时，抗裂强度急剧增大。 由此可知，钢纤维对混凝土强度的影响因素很复杂。对于低含量普通短钢 纤维混凝土，钢纤维对混凝土抗压强度的提高较小，一般在1 5 以下，甚至有文 献报道降低了强度。现在的科学实验证明，由于钢纤维对混凝土的增强作用与其 体积含量、混凝土基体的强度、界面的性状与粘结强度，钢纤维的分散技术、拌 制工艺、成型效果等多种因素有关，故不能笼统地说钢纤维增强了混凝土的强度。 不管钢纤维制造工艺、外形如何，其体积含量均应存在一个上限。一旦达到或超 过此限。则搅拌时钢纤维绞结成团，拌和料工作性差，致使成形后的试块密实度 下降，孔隙增多，存在明显的蜂窝麻面，抗压强度反而下降。因此，只是在某个 范围内适当增加体积含量才有利于强度提高。由混凝土抗压强度比( 增强的与未 增强的) 与钢纤维间距之间的关系图( 图2 5 ) 表明： 长度短的钢纤维强度较高；不同长度的钢纤维均在4 5 m m 左右处出现最佳间 距值。纤维间距的变化是由改变其体积含量实现的。高含量超短钢纤维混凝土是 否符合以上规律尚有待研究。 西北工业丸孝硕士擘位论支 ， 第二章钢纤维混凝土的工作性能和物理力学性能研完 2 5 2 水胶比对强度的影响 由图2 6 可知，钢纤维混凝土的抗压强度随基体水胶比的减少而增大，当 水胶比一定时，实验表明抗压强度随着水泥用量的增加而增大。但水泥用量也不 能过多，因为在保持水胶比不变的条件下，水泥用量增加将使相应的单位用水量 也增加，混凝土中孔隙增多，同时骨料用量相对减小，对强度不利。对于水胶比 在4 5 - - 5 0 的钢纤维混凝土的水泥用量选用3 6 0 - - 5 0 0 k g m 3 为宜。 2 5 3 骨料、砂率对强度的影响 钢纤维混凝土砂率的选取必须与基体的水灰比、钢纤维体积率相适应，一般在 4 0 一6 0 范围为宜，过小或过大都对强度不利。 混凝土粗骨料的大小，对钢纤维混凝土的分布影响很大，直接影响钢纤维 混凝土的力学性能。在相同水灰比和纤维体积率情况下，粗骨料最大粒径从l o r m 增至1 5 唧时，抗压强度随之增大，而最大粒径再增至2 0 舳时，抗压强度有下降 趋势。这是因为钢纤维在基体中分布的均匀性随骨料最大粒径d m a x 与纤维长度 ，的比值增大而下降，当最大骨料粒径为纤维长度一半时，纤维对混凝土的增强 效果最好。由于实用中钢纤维的长度一般不超过4 0 r a m ，所以粗骨料最大粒径以 不超过2 0 m m 为宜。另外，骨料级配好，砂率适当，可以减小骨料间的空隙率， 降低水泥用量，同时粗骨科可以形成坚实骨架，拌制出的混凝土强度较高。相反， 级配不良，易产生离析，从而在混凝土内部出现应力集中而降低强度。另外，骨 料本身强度低或杂质过多，也会降低混凝土强度。骨料级配较好且愈坚硬时，骨 料含量较多，由于骨料间的机械啮合作用，混凝土的强度会随之提高。 2 5 4 矿物掺合料的影响 众所周知，水泥石与集料之间的界面薄弱层是影响普通混凝土强度的一个 重要因素。我们通常是通过增加矿物掺合料来改善这种关系。目前，我国主要的 掺合料有：粉煤灰，硅灰，矿渣等。掺合料的种类不同对钢纤维混凝土的影响也 不同。 1 粉煤灰粉煤灰是一种火山灰质材料，用扫描电镜观察表明，它是由多 种不同性状的颗粒机械混合的粒群，从形貌上可将粉煤灰中的颗粒大致分为： ( 1 ) 珠状颗粒( 包括漂珠、空心沉珠，复珠、密实沉珠和富铁微珠等