（材料学专业论文）超短超细钢纤维增强混凝土性能研究.pdf

l l i i ii ii iii iii i1 11 1 111 1l y 19 0 2 0 0 1 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：王五怎 日期：劲1 1 年6 月if f , b 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：工农志 日期：厶1 1 年6 月j 归 指导教师签名：触 日期：蒯年莎月91 3 - - - - - - - - - - - - - - - _ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社嘲系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 学位论文作者签名：王灰色 日期：z o l l 年6 月j 铲日 指导教师签名： 日期：谢年多月，够日 摘要 近年来，钢纤维混凝土的发展异常迅速，已经得到广泛的应用。为了增加混 凝土的抗折强度和耐磨性，工程中常在混凝土中掺入一定量的钢纤维。但由于普 通钢纤维( 长度2 0 - - - 4 0 m m 、长径比4 0 - - 1 2 0 ) ，尺寸偏大、搅拌过程中易结团，高 含量时由于钢纤维分布不均，其强度可能反而会下降，所以通常工程中钢纤维的 掺量一般不能超过2 ( 体积含量) ，致使钢纤维的增强作用得不到充分体现。 本文在选择了合理的配合比的基础上，通过对2 0 5 2 个( 1 7 1 组1 2 ) 砂浆试 块的试验和理论分析，研究了钢纤维体积掺量的变化及龄期变化对抗压、抗折等 性能的影响及变化规律；接着通过对1 8 个砂浆试块的试验和理论分析，研究了钢 纤维体积掺量的变化对约束收缩的影响及变化规律；最后通过对2 8 8 个( 4 8 组6 ) 混凝土试块的试验和理论分析，研究了钢纤维体积掺量的变化对抗压、抗折以及 弯曲韧性等力学性能的影响及变化规律。主要研究成果如下： 钢纤维掺量小于3 时，相同掺量下普通钢纤维砂浆的抗压强度、抗折强度 略大于超短超细钢纤维砂浆抗压强度、抗折强度；钢纤维掺量大于3 时，相同掺 量下超短超细钢纤维砂浆抗压强度、抗折强度明显大于普通钢纤维砂浆的抗压强 度、抗折强度。 相同钢纤维掺量下，在砂浆中超短超细钢纤维比普通钢纤维表面积更大、 分散的更均匀，超短超细钢纤维砂浆裂纹面积远远小于普通钢纤维裂纹面积，当 超短超细钢纤维掺量大于4 时，砂浆不再开裂，没有裂纹。 钢纤维掺量小于3 时，相同掺量下普通钢纤维混凝土的抗压强度、抗折强 度略大于超短超细钢纤维混凝土抗压强度、抗折强度；钢纤维掺量大于3 时，相 同掺量下超短超细钢纤维混凝土抗压强度、抗折强度明显大于普通钢纤维混凝土 的抗压强度、抗折强度；相同掺量下超短超细钢纤维混凝土的弹性模量明显大于 普通钢纤维混凝土的弹性模量，相同掺量下超短超细钢纤维混凝土的韧性比普通 钢纤维混凝土好。 在钢纤维体积分数一定的情况下，混杂钢纤维对混凝土力学性能的改善作 用可优于单一钢纤维；混杂钢纤维混凝土韧性优于单一钢纤维混凝土。 分析了超短超细钢纤维对混凝土的增强机理。根据超短超细钢纤维混凝土 实验应力应变曲线的基本特性，从微裂纹、微孔隙的生成和发展的角度出发，将 混凝土的损伤演化过程分为预存微裂纹阶段、微裂纹的起裂阶段、微裂纹的稳定 扩展阶段和不稳定扩展阶段，针对不同的阶段分析了超短超细钢纤维对混凝土的 增强原理。并从复合材料力学、断裂力学、界面力学的观点出发，阐述了超短超 ， 细钢纤维混凝土的增强、增韧机理。 关键字：超短超细钢纤维混凝土；普通钢纤维混凝土；抗折强度；抗压强度；弹 性模量；约束收缩；增强机理 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，s t e e lf i b e rc o n c r e t eh a sb e e nr a p i d l yd e v e l o p e da n dw i d e l ya p p l i e d s t e e lf i b e ri sa l w a y sp a r t l ym i x e dw i t hc o n c r e t ei ne n g i n e e r i n gp r o j e c to na c c o u n to f i t si m p r o v e m e n to ft h er u p t u r es t r e n g t ha n da b r a s i v er e s i s t a n c e h o w e v e r , a st h e o r d i i m 巧s t e e lf i b e r ( l e n g t h ：2 0 - 4 0 m m ，l e n g t hd i a m e t e rr a t i o ：4 0 - 2 0 ) ，a l eo fl a r g e r s i z ea n de a s ya g g l o m e r a t i o n ，c o n s e q u e n t l y ，i tw i l lc r e a t es t r e n g t hd e c l i n eo u to f h i g h - c o n t e n ta n du n e v e nd i s t r i b u t i o n t h e n c e ，i tg e n e r a l l ys h o u l d n te x c e e d2 o ft h e c o n t e n t ( v o l u m ec o n t e n t ) t h a tm a k et h es t r e n g t hf u n c t i o no fs t e e lf i b e raf a i l u r ef o r f u l le m b o d i m e n t t h ep a p e rs t u d i e sa b o u tt h ee f f e c to fc o n t e n ta n da g ec h a n g eo fs t e e lf i b e ro n f u n c t i o n so fc o m p r e s s i v er e s i s t a n c ea n dr u p t u r e sr e s i s t a n c ea n di t sc h a n g er u l e t h r o u g ht e s ta n dt h e o r ya n a l y s i st o2 0 5 2u n i t s ( 17 1s e t s xl2 ) m o r t a rt e s tb l o c k ，b a s e d o nr a t i o n a lm i x i n gp r o p o r t i o n t h e ni td i s c u s s e st h ee f f e c to fs t e e lf i b e rc o n t e n t c h a n g eo nr e s t r a i n e dc o n t r a c t i o na n dc h a n g er u l eb yt e s ta n dt h e o r ya n a l y s i st o 18 u n i t sm o r t a rt e s tb l o c k i nt h ee n d ，t h r o u g ht h et e s ta n dt h e o r ya n a l y s i st o2 8 8u n i t s ( 4 8 s e t s 6 ) c o n c r e t eb l o c kt om a k eas t u d yo ft h ei n f l u e n c eo nc o m p r e s s i v er e s i s t a n c e ， r u p t u r e sr e s i s t a n c e ，f l e x u r a lt o u g h n e s sa n do t h e rm e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dc h a n g er u l e a c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo fs t e e lf i b e rv o l u m ec o n t e n t t h em a i na c h i e v e m e n t sa r ea s f o l l o w s ： w l l i i et h ec o n t e n to fs t e e lf i b e ri sl e s st h a n3 ，t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n d r u p t u r es t r e n g t ho fo r d i n a r ys t e e lf i b e rm o r t a rw i l ls l i g h t l yh i g h e rt h a nt h a to ft h e e x t r a - s h o r te x t r a - f m es t e e lf i b e rm o r t a r 、析t he q u a lc o n t e n t b u tw h i l et h ec o n t e n to f s t e e lf i b e rm o r t a ri sm o r et h a n3 ，t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dr u p t u r es t r e n g t ho f e x t r a - s h o r te x t r a - f i n es t e e lf i b e rm o r t a rw i l lo b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h eo r d i n a r yo n e w i t ht h es a m ec o n t e n t w i 吐lt h es a m ec o n t e n to fs t e e lf i b e r , t h ee x t r a - s h o r te x t r a - f m es t e e lf i b e ri nm o r t a r i sc h a r a c t e r i z e db yl a r g e rs u p e r f i c i a la r e aa n dm o r ee v e nd i s t r i b u t i o nt h a nt h eo r d i n a r y a n di t sc r a c ka r e ao fm o r t a ri sf a rl e s st h a nt h eo r d i n a r ys t e e lf i b e re i t h e r 删l et h e c o n t e n te x c e e d s4 ，t h e r ei sn oc r a c k i n go fm o r t a r w 1 1 i l et h es t e e lf i b e rc o n t e n ti sb e l o w3 ，t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dr u p t u r e s t r e n g t ho fo r d i n a r ys t e e lf i b e rc o n c r e t ew i l ll i g h t l yh i g h e rt h a nt h a to ft h ee x t r a - s h o r t e x t r a - f i n es t e e lf i b e rc o n c r e t ei nt e r m so ft h es a m ec o n t e n t h o w e v e r ，w h i l et h e c o n t e n to fs t e e lf i b e ri sa b o v e3 ，t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dr a p t u r es t r e n g t ho f e x t r a - s h o r te x t r a - f i n es t e e lf i b e rc o n c r e t ei so b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h eo r d i n a r yw i 也 t h es a m ec o n t e n t u n d e rt h es a m ev o l u m ee o n t e n lt h ee l a s t i c i t ym o d u l u so f e x t r a - s h o r te x t r a - f i n es t e e lf i b e rc o n c r e t ei sd i s t i n c t l yl a r g e rt h a nt h a to ft h eo r d 劬r y a n di t sd u c t i l i t yi sa l s ob e t t e rt h a nt h eo r d i n a r y u n d e rt h ef i x e dv o l u m ef r a c t i o no fs t e e lf i b e r , t h ei m p r o v e m e n te f f e c to fh y b r i d s t e e lf i b e ro nc o n c r e t em e c h a n i c a lp r o p e r t yi ss u p e r i o rt ot h es i n g l et y p ea n dt h e d u c t i l i 够o fh y b r i ds t e e lf i b e rc o n c r e t ei sa l s ob e t t e rt h a nt h es i n g l e t h ep a p e rm a k e sa na n a l y s i so nt h e s t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mo fe x t r a - s h o r t e x t r a - f m es t e e lf i b e rt oc o n c r e t e d e p e n d i n go nt h ef u n d a m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c so f e x p e r i m e n t a ls t r e s ss t r a i nc u r v eo fe x t r a - s h o r te x t r a - f i n es t e e lf i b e rc o n c r e t ea n d s t a r i n gf r o mt h ea n g l eo fe m e r g e n c ea n dd e v e l o p m e n to fm i c r oc r a c ka n dm i c r op o r e ， t h ed a m a g ee v o l u t i o np r o c e s si sd i v i d e di n t op h a s e so fp r e - s t o r e ，c r a c ki n i t i a t i o n , s t a b l ea n du n s t a b l ee x p a n s i o no fm i c r oc r a c k , b yw h i c ht h ep a p e rd i s c u s s e st h e s t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mo fe x t r a - s h o r te x t r a - f r e es t e e lf i b e r e q u a l l y , i te l a b o r a t e st h e s t r e n g t h e n i n ga n dt o u g h e n i n gm e c h a n i s mo fe x t r a - s h o r te x t r a - f i n es t e e lf i b e rc o n c r e t e f r o mt h es t a n d p o i n t so fc o m p o u n dm a t e r i a lm e c h a n i c s ，f r a c t u r em e c h a n i c sa n d i n t e r f a c em e c h a n i c s k e yw o r d s ：e x t r a - s h o r te x t r a - f r e es t e e lf i b e rc o n c r e t e ，o r d i n a r ys t e e lf i b e r c o n c r e t e ，r u p t u r es t r e n g t h , c o m p r e s s i v es t r e n g t h , e l a s t i c i t ym o d u l u s ， r e s t r a i n e dc o n t r a c t i o n , s t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m 目录 第一章绪论1 1 1 钢纤维混凝土的性能与研究状况l 1 2 钢纤维混凝土的性能特点2 1 3 钢纤维对混凝土的增强效果和影响因素3 1 4 超短超细钢纤维混凝土的优势4 1 5 本文研究主要内容5 第二章超短超细钢纤维增强砂浆力学性能研究6 2 1 试验概况6 2 2 试验设计6 2 2 1 试验原材料6 2 2 2 配合比设计8 2 2 3 试验设备8 2 2 4 试件制作与养护8 2 3 试验方法9 2 3 1 抗折强度的试验方法9 2 3 2 抗压强度的试验方法1 0 2 4 剪切型超短超细钢纤维增强中粗砂砂浆性能试验结果分析1 0 2 4 1 长度6 m m 剪切型超短超细钢纤维增强中粗砂砂浆性能试验结果 分析1 1 2 4 2 长度1 3 m 剪切型超细钢纤维增强中粗砂砂浆性能试验结果 分析1 5 2 4 3 长度9 m m 剪切型细钢纤维增强中粗砂砂浆性能试验结果 分析1 7 2 4 4 剪切型超短超细钢纤维增强砂浆性能试验结果小结1 9 2 5 熔抽型超短超细钢纤维增强中粗砂砂浆性能试验结果分析2 0 2 5 1 长度6 m m 熔抽型超短超细钢纤维增强中粗砂砂浆性能试验结果 分析2 0 2 5 2 长度1 3 r a m 熔抽型超细钢纤维增强中粗砂砂浆性能试验结果 分析2 3 2 5 3 熔抽型超短超细钢纤维增强砂浆性能试验结果小结2 4 2 6 不同类型超短超细钢纤维增强中粗砂砂浆性能试验结果分析2 5 2 6 1 不同类型长度6 m m 超短超细钢纤维增强中粗砂砂浆性能试验结果 分析2 5 2 6 2 不同类型长度1 3 r a m 超细钢纤维增强中粗砂砂浆性能试验结果 分析2 7 2 6 3 不同类型超短超细钢纤维增强砂浆性能试验结果小结2 8 2 7 熔抽型超短超细钢纤维增强高强砂浆( 中粗砂) 性能试验结果分析2 9 2 8 熔抽型超短超细钢纤维增强砂浆( 特细砂) 性能试验结果分析3 l 第三章超短超细钢纤维砂浆收缩研究3 4 3 1 超短超细钢纤维砂浆收缩试验方法3 4 3 2 收缩试验结果3 6 3 3 收缩试验结果分析3 9 3 4 收缩对混凝土的影响和改进4 0 第四章超短超细钢纤维砂浆工程应用4 l 4 1 不同类型超短超细钢纤维砂浆工程应用分析4 1 4 1 16 m m 超短超细钢纤维砂浆工程应用分析4 1 4 1 21 3 m m 超细钢纤维砂浆工程应用分析4 2 4 2 不同长度钢纤维砂浆工程应用分析4 2 4 2 1 不同长度熔抽型钢纤维砂浆工程应用分析4 2 4 2 2 不同长度剪切型钢纤维砂浆工程应用分析4 3 4 3 不同类型刚纤维砂浆施工性4 3 4 4 依据不同目的选择合适的钢纤维种类、掺量、长度4 3 4 4 1 砂浆以防裂、减小收缩为目的选择钢纤维4 4 4 4 2 砂浆以提高强度为目的选择钢纤维4 4 第五章超短超细钢纤维增强混凝土力学性能研究4 5 5 1 试验概况4 5 5 2 试验设计4 5 5 2 1 试验原材料4 5 5 2 2 配合比设计4 5 5 2 3 试件制作与养护4 6 5 3 试验设备和试验方法4 6 5 3 1 抗压强度的试验设备和方法4 6 5 3 2 弯曲韧性的试验设备和方法4 7 5 4 长度6 m m 熔抽型超短超细钢纤维混凝土性能试验结果分析4 8 5 5 长度1 3 r a m 熔抽型超细钢纤维混凝土性能试验结果分析5 2 5 6 不同尺寸钢纤维混杂增强混凝土性能试验结果分析5 4 第六章超短超细钢纤维混凝土工程应用5 8 6 1 不同长度熔抽型钢纤维混凝土工程应用分析5 8 6 2 不同类型钢纤维混凝土施工性5 9 6 3 依据不同目的选择合适的钢纤维种类、掺量、长度5 9 6 3 1 混凝土以防裂、减小收缩为目的选择钢纤维5 9 6 3 2 混凝土以提高强度为目的选择钢纤维5 9 6 3 3 混凝土以提高韧性为目的选择钢纤维5 9 第七章超短超细钢纤维混凝土的增强机理6 1 7 1 引言6 1 7 2 混凝土的破坏过程分析6 1 7 3 超短超细钢纤维的阻裂原理6 2 7 4 超短超细钢纤维增强混凝土的基本理论6 4 7 4 1 混合定律6 4 7 4 2 纤维间距理论6 6 7 4 3 界面应力传递的剪滞理论6 8 7 5 本章小结7 2 第八章结论与展望7 3 8 1 主要结论7 3 8 2 展望7 4 致谢7 5 参考文献7 6 在学期间发表的论著及取得的科研成果7 9 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀了匕 1 1 钢纤维混凝土的应用发展与研究状况 钢纤维混凝土是以水泥浆、混凝土为基体，以钢纤维为增强材料组成的一种 复合材料。水泥浆、混凝土的主要缺点是抗折强度低，极限延伸率小、性脆，掺 加抗拉强度高、极限延伸率大的钢纤维可以克服上述缺点，随着研究的深入，钢 纤维混凝土的应用日益广泛。 钢纤维混凝土最早出现于2 0 世纪初，1 9 0 7 年俄国开始用金属纤维增强混凝土； 1 9 1 0 年美国的h e p o r t e r 发表了短钢纤维的研究报告，1 9 1 1 年美国的g r a h a m 曾把 钢纤维掺入普通混凝土中。1 9 6 3 年美国学者j p r o m u a l d i 和g b b a s t o n n 川1 发表了 一系列钢纤维阻裂机理的论文，提出了著名的“纤维间距理论 ，即认为钢纤维混 凝土的开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理论，这 引起了广泛的重视，从而促进了钢纤维混凝土的发展。2 0 世纪7 0 - - - 8 0 年代是钢纤 维混凝土，特别是钢纤维高强与超高强混凝土的研究和开发应用十分活跃的时期。 在美国，钢纤维混凝土的研究和开发主要由b a t t e l e 公司和陆军工程兵部门建 筑技术研究所进行。此外，伊利诺大学受联邦铁路局的委托进行了钢纤维混凝土 在地下铁道衬砌中应用的研究。同时，也广泛开展了路面铺设和喷射钢纤维混凝 土的研究。美国在高层建筑中已经大量采用纤维增强预制墙板、阳台、波纹板和 空心楼板，铺设了大量公路路面和桥面。美国较有代表性的应用实例为德克萨斯 州胡德堡坦克停车场罩面工程，因采用钢纤维混凝土作护面材料，使用寿命提高 了近8 倍，丹佛国际机场采用了掺粉煤灰的纤维混凝土，显著减少了铺面厚度， 节约了大量投资 引。 在加拿大，拉法尔格水泥应用研究中心和工业材料研究院合作，于1 9 8 5 年建 立了北美最大的纤维混凝土私营实验室，进行了钢纤维混凝路面铺设试验。试 验表明，当用玻璃纤维增强时路面厚度可减少2 0 0 5 啪1 ，用钢纤维增强时路面厚度可 减少4 5 n 3 。阿尔伯特州交通部自1 9 5 0 年起即开始了建造钢纤维简支梁构件。此 外，钢纤维混凝土还广泛应用于桥面铺装、桥梁局部补强和加固、水管制造等方 面7 1 。 在欧洲，英国n a t i o n a ls t a n d a r dc o 和j o h n s o n & n e p h o wc o l t d 两公司，以及 丹麦b b 海德豪森公司首先建立了纤维增强水泥和混凝土专业工厂，英国谢菲尔 德大学r n s w a m y f z s 研究组则积极开展了纤维增强混凝土的基础理论和设计施工 方面的工程实际问题研究，取得了一系列成果。钢纤维混凝土成功地应用于伦敦 2第一章绪论 希思罗机场高层停车场的预制地板，法兰克福国际机场跑道和停机坪的改建工程， 瑞典岩石稳定和结构加固工程。在欧洲，钢纤维混凝土应用最广的是工业建筑中 的地板和墙板，以及路面铺装，其次为隧道衬砌和各种预制建筑构件口1 。 在日本，首先于1 9 7 3 年，由日本钢管株式会社用切断冷延薄钢板的方法生产 商品钢纤维，接着于次年住友金属株式会社同样方法制造出异形钢纤维向市场出 售。1 9 7 7 年新日本制铁株式会社也先后步入生产钢纤维的行列。而后东京大学成 功研制出机械切削生产钢纤维的新方法，使生产便宜而优质的钢纤维成为可能。 日本各株式会社纷纷开展钢纤维混凝土研究开发工作，并推广应用于建筑结构、 隧道衬砌( 如中央高速公路惠那山隧道) 、路面铺装、机场跑道、桥面和结构局部 补强等方面埔 1 。 在我国，研究和应用钢纤维混凝土开始于2 0 世纪7 0 年代，同美国和日本等 发达国家相比，我国在钢纤维混凝土的开发应用上还有很大差距，但近2 0 多年， 发展非常迅速。全国己有几十家钢纤维的生产厂家，品种齐全，年生产量大，应 用范围日益广泛，应用领域不断拓宽。近年来，钢纤维混凝土已在矿业工程、地 下工程、路面和机场跑道、铁路轨枕、桥梁结构、建筑工程、水工建筑等许多工 程领域得到应用。随着钢纤维混凝土材质的提高、工艺的改进、机理探讨的逐步 深入，现在钢纤维混凝土已开始应用于新型长大建筑结构中n 2 1 钔。 1 2 钢纤维混凝土的性能特点 近年来，国内外对钢纤维混凝土的研究已日趋深入，对其一些基本性能己经 有了较系统的认识。 钢纤维混凝土( 简写为s f r c ) 是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形 成的一种新型复合材料。它不仅具有普通混凝土的优良特性，同时由于钢纤维的 存在限制了裂缝的开展，从而使原来本质上是脆性的混凝土材料呈现出很高的抗 裂性能并能推迟裂缝的出现、使混凝土具有较大的延性和韧性以及优良的抗拉、 抗折、抗冲击、耐磨损、抗疲劳等特性。 钢纤维混凝土的性能与钢纤维类型、几何形状、掺量( 体积百分率) 、钢纤维 的长径比、基体混凝土材料的性能及钢纤维与基体材料之间的粘结特性有关。根 据大量的研究资料以及对钢纤维混凝土的研究成果表明钢纤维混凝土具有以下几 方面的特性： 比强度( 比强度= 强度密度) 。这是纤维混凝土具有优越经济性的重要指标， 也是它具有广阔应用前景的重要保证n 5 1 7 1 ；抗拉强度和主要有主拉应力控制的抗 剪、抗弯、抗扭强度明显提高。当纤维掺量在1 - - 2 范围内，抗拉强度提高2 5 第一章绪论 5 0 ，抗弯强度提高3 0 - - , 8 0 ，用直接双面试验所测定的抗弯强度提高5 0 - - - 1 0 0 。 抗压强度提高幅度较小，一般在o 2 5 n 8 嘲3 ； 变形性能明显改善。钢纤维对混凝土抗压弹性模量影响不显著，受拉弹性 模量随纤维掺量的增加约提高0 , - - , 2 0 n 引。钢纤维对混凝土的韧性比素混凝土大大 提高。在通常的纤维掺量下，抗压韧性可提高2 - - 7 倍，抗弯韧性可提高几倍到几 十倍心；弯曲冲击韧性可提高2 4 倍n9 翱，板式试验落锤法击碎试验所测得的冲 击韧性可提高几倍到几十倍陴1 ； 抗收缩和徐变性能有所提高。钢纤维混凝土的收缩值随着掺量的增加而有 所降低。例如，掺量为1 5 ( 长径比为5 0 ) 的钢纤维混凝土较普通混凝土的收缩 值降低7 - - 9 嘲。持续荷载下钢纤维混凝土的受压徐变比相同条件的普通混凝土 有所降低幢； 抗裂和抗疲劳性能有较大改善。由于钢纤维对混凝土的阻裂作用，钢纤维 混凝土比素混凝土具有更好的韧性和抗疲劳性能乜4 矧。例如，掺有2 的钢纤维混 凝土抗压疲劳寿命达到2 1 0 6 次时，应力水平可达到0 9 2 ，而普通混凝土的应力 水平为o 5 6 啪1 ； 具有较好的物理耐久性和化学耐久性。钢纤维混凝土在各种物理因素作用 下的耐久性一般来说都有不同程度的提高，其中耐久性、耐热性和抗气蚀性有显 著提高，抗渗性能与普通混凝土相比没有明显提高变化n 6 儿1 7 儿加，国内外学者做了 大量的耐化学腐蚀性试验和现场暴露试验，几乎得出一致的结论：钢纤维混凝土 在空气、污水和海水中都表现出良好的耐腐蚀性。 钢纤维混凝土在土建工程中应用广泛，应用前景十分广阔。近2 0 年来，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，并将其用于道路、桥梁、 隧道、水利、海洋、建筑和耐火材料结构等各项工程中。在工程实践中具有重要 意义。 1 3 钢纤维对混凝土的增强效果和影响因素 钢纤维混凝土中乱向分布的短纤维主要作用是阻滞混凝土内部微裂缝的扩展 和限滞宏观裂缝的发生和发展，因此，对于其抗拉强度和主要由主拉应力控制的 抗弯、抗剪、抗扭强度等有明显的改善作用。 根据钢纤维增强机理的各种理论，诸如纤维间距理论、复合材料理论以及大 量试验数据的分析，纤维的增强效果主要取决于基体强度、纤维的长径比、纤维 的体积率、纤维与基体间的粘结强度以及纤维在基体中的分布和取向的影响。 当钢纤维破坏时，大都是纤维被拔除而不是被拉断，因此改善纤维与基体间 4 第一章绪论 的粘结强度是改善纤维增强效果的主要控制因素之一。改善的办法有三种： 增强纤维的粘结长度( 即增加长径比) ，但纤维太长易于成团，会影响拌合 物的和易性和施工质量，导致强度降低，所以钢纤维长度一般为2 0 - - 4 0 r a m ，最长 不超过6 0 m ，长径比一般在4 0 , - - , 1 2 0 之间。 改善基体对钢纤维的粘结性能，例如掺入1 0 硅灰可使钢纤维的粘结强度提 高2 0 ，抗折强度提高4 0 。 改善纤维形状，增加纤维与基体间的摩阻和咬合力。 纤维分布和趋向的影响也是很重要的。若能使纤维分布于受拉区，并按受拉 方向定向排列，则增强效果将大大加强。 1 4 超短超细钢纤维混凝土的优势 钢纤维混凝土材料具有较高的抗压强度、抗折强度和优良的抗裂性能，因此 在公路路面和桥梁结构中得到了广泛的应用。 然而，传统的钢纤维混凝土采用的钢纤维的直径较粗，一般为0 5 m m ，长度较 长，一般3 0 m 左右，因此在钢纤维混凝土在使用中存在着以下两个主要的问题： 力学性能改善幅度有待提高：传统钢纤维的掺入量较小，一般达到体积率 的1 5 左右时，钢纤维结团严重，无法继续增加钢纤维掺量，因此致使钢纤维混 凝土的力学性能受到钢纤维掺量的限制，无法继续提高： 钢纤维混凝土的施工性有待进一步改善：普通钢纤维的长度偏大，拌合物 流动性差，从而施工难度增加。甚至高含量时由于纤维分布不匀，其强度可能反 而会下降。 显然，采用传统钢纤维制作出的钢纤维混凝土材料无法克服以上两个问题。 超短超细钢纤维主要用于改善硅灰高强度混凝土的施工性和脆性。硅灰高强 度混凝土的干缩大、养护困难，破坏时呈现脆性性质，一般只在特殊情况下使用。 实践表明：超短超细钢纤维能够明显减小硅灰高强度混凝土凝固过程中的收缩、 明显改善硅灰高强度混凝土的脆性，从而使硅灰高强度混凝土的应用成为可能。 硅灰高强度混凝土在国内的研究还处于起步阶段。 在普通混凝土中加入超短超细钢纤维，以进一步提高钢纤维混凝土的工作性 和强度的研究还进行得较少。 超短超细钢纤维( 长度为6 r a m ；直径为0 2 m m ，小于普通钢纤维直径的1 2 ) 在混凝土中的体积掺量可达到7 ，和传统的钢纤维混凝土相比，超短超细钢纤维 混凝土在保持了较好的工作性的同时，抗匝强度和抗折强度提高幅度十分显著， 破坏呈延性；特别值得一提的是，超短超细钢纤维混凝土的抗折强度可以达到 第一章绪论 1 0 肝a 以上。 1 5 本文研究主要内容 近年来，钢纤维混凝土的发展异常迅速，已经得到广泛的应用，但普通钢纤 维的尺寸偏大，增加了施工难度，高含量时由于纤维分布不匀，其强度可能反而 会下降，因此其体积掺量一般应低于2 ，这致使钢纤维对混凝土的增强作用受到 限制。 本文采用超短超细钢纤维增强混凝土，超短超细钢纤维( 长度为6 m m ；直径为 0 2 r a m ) 在混凝土中的体积掺量可达到7 ，根据超短超细钢纤维混凝土增强基本理 论，就影响超短超细钢纤维混凝土性能的诸多因素进行了分析研究，为进一步研 究其结构性能和工程应用打下基础，本文主要工作： 超短超细钢纤维砂浆性能变化规律。通过对掺加不同体积率的超短超细钢 纤维、普通钢纤维、超细钢纤维的不同水灰比的砂浆试件在各个龄期的对比试验， 研究掺入超短超细钢纤维后砂浆的抗折强度、抗压强度和弯曲韧性随着龄期增长 的发展变化规律以及超短超细钢纤维的含量对于它的这些强度发展规律的影响。 超短超细钢纤维混凝土性能变化规律。通过对掺加不同体积率的超短超细 钢纤维、普通钢纤维、超细钢纤维的混凝土试件的对比试验，研究掺入超短超细 钢纤维后混凝土的抗折强度、抗压强度和弯曲韧性的变化规律以及超短超细钢纤 维的含量对于它的这些强度发展规律的影响。 超短超细钢纤维砂浆收缩变化规律。通过对掺加不同体积率的超短超细钢 纤维和普通钢纤维的砂浆试件对比试验，研究掺入超短超细钢纤维后砂浆的约束 收缩的变化规律以及超短超细钢纤维的含量对于收缩量的影响规律。 研究超短超细钢纤维混凝土的基本理论、增强机理，分析影响超短超细钢 纤维分布和取向的主要因素以及其与超短超细钢纤维混凝土性能的关系。 6第二章超短超细钢纤维增强砂浆力学性能研究 第二章超短超细钢纤维增强砂浆力学性能研究 2 1 试验概况 砂浆是一种脆性材料，具有韧性差、强度压折比高的缺点。为了增加砂浆的 抗折强度和耐磨性，工程中常在砂浆中掺入一定量的钢纤维。但由于普通钢纤维 ( 长度2 0 - - - 4 0 m e n 、长径比4 0 , - , 1 2 0 ) ，尺寸偏大、搅拌过程中易结团，高含量时由于 钢纤维分布不均，其强度可能反而会下降，所以通常工程中钢纤维的掺量一般不 能超过2 ( 体积含量) ，致使钢纤维的增强作用得不到充分体现汹儿剀。本试验采用 把超短超细钢纤维、超细钢纤维加入水泥砂浆，来大幅度提高砂浆的强度口。 本试验旨在研究超短超细钢纤维、超细钢纤维增强砂浆力学性能以及超短超 细钢纤维砂浆弯曲韧性，通过测试不同超短超细钢纤维、超细钢纤维、普通钢纤 维体积率的钢纤维砂浆的抗压、抗折、弯曲韧性试验，从宏观上得出超短超细钢 纤维、超细钢纤维砂浆的性质特性，与素砂浆、普通钢纤维砂浆相比体现其优越 性。本次试验主要在重庆交通大学材料实验室进行。 试验内容 主要试验内容有：超短超细钢纤维砂浆、超细钢纤维砂浆、普通钢纤维砂浆、 素砂浆的抗压强度、抗折强度、韧性试验。 钢纤维体积率 在不同基体砂浆强度下，超短超细钢纤维的体积率分别为0 、0 5 、1 0 9 6 、 1 5 、2 、2 5 、3 o 、3 5 、4 o 、5 0 、6 0 9 6 、7 0 ；超细钢纤维的体积 率为0 、0 5 、1 o 、1 5 、2 、2 5 、3 0 9 6 、3 5 、4 0 ；普通钢纤维体积 率为o 、0 5 、1 0 9 6 、1 5 、2 、2 5 、3 0 9 6 。 砂浆材料及强度等级 基体砂浆的材料分为两种：一种是由中粗砂、水、水泥组成的；另外一种是 由特细砂、水、水泥组成的。中粗砂基体砂浆有两种不同强度等级。 2 2 试验设计 2 2 1 试验原材料 水泥采用重庆拉法基有限公司生产的4 2 5 # 普通硅酸盐水泥； 细骨料为洞庭湖砂，细度模数为3 0 ，属中粗砂；重庆河砂，细度模数0 9 ， 属于特细砂； 第二章超短超细钢纤维增强砂浆力学性能研究 7 试验用水为重庆交通大学自来水； 试验所用的钢纤维是由鞍山科比特科技发展有限公司生产的熔抽型超短超 细钢纤维、超细钢纤维；重庆庆港钢纤维有限公司生产的剪切型超短超细钢纤维、 超细钢纤维、普通钢纤维。其物理力学性能如表1 所示。 表1 钢纤维的种类及主要物理力学性能 t a b l e2 1t h ec a t e g o r i e sa n dm a i np h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo f t h es t e e lf i b e r 钢纤维品 长度m直径m长径比 密度弹性模量抗拉强度 种( t m 3 )( g p a )( m p a ) 普通钢纤 2 5o 55 07 82 1 01 0 0 0 维 剪切型超 短超细钢 60 23 07 82 1 08 6 0 纤维 熔抽型超 短超细钢 6o 23 07 82 4 08 8 0 纤维 剪切型超 1 3o 2 6 57 82 1 0 8 6 0 细钢纤维 熔抽型超 细钢纤维 1 3o 26 57 82 4 08 8 0 ( a ) 剪切型超短超细钢纤维 ( a ) s h e a rc u te x t r a - s h o r te