（水工结构工程专业论文）钢纤维混凝土基本力学性能试验研究.pdf

摘要 摘要 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 ) 是在普通混凝土中加入短的钢 纤维而形成的一种性能优良且应用广泛的新型复合材料，钢纤维在混凝土中呈三维乱向分 布，可阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展，它显著提高了混凝土 的抗拉、抗弯及抗剪强度，抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性也有较大改善。 随着钢纤维混凝士应用领域的不断扩大，国内外学者针对钢纤维混凝土基本力学性 能做了大量的研究。根据所取得的有关钢纤维混凝土的研究成果，中国工程建设标准化协 会颁布了“钢纤维混凝土试验方法c e c s l 3 ：8 9 ”。自该标准颁布以来，对国内外在钢纤维 混凝土领域的研究起到了很好的指导作用。但随着钢纤维生产技术的革新及钢纤维产品的 优胜劣汰、钢纤维混凝土的强度等级和应用范畴进一步扩大，该标准不能适应新修订的配 套标准纤维混凝土结构技术规程( c e c s 3 8 ：2 0 0 4 ) 的需要，对该标准的修订完善势在 必行。本试验针对原有标准中的一部分问题进行测试，为标准的修订提供科研依据。主要 研究内容如下： 1 通过对边长1 5 0 r a m 的标准立方体试件进行立方体抗压强度试验和劈裂抗拉强度 试验，研究了在用水量、水灰比、钢纤维纤维长径比和体积率变化条件下，砂率对薄板剪 切型钢纤维增强混凝土的拌合物工作性能及立方体抗压和劈裂抗拉强度的影响规律，分析 了用水量、水灰比、钢纤维长径比和体积率与砂率的相互关系，提出了薄板剪切型钢纤维 增强混凝土的合理砂率取值与配合比设计及其强度计算的建议。 2 通过直接以普通混凝土配合比为基体组成，不进行基体材料的调整配制钢纤维混 凝土试验，研究了在用水量、钢纤维长径比和体积率变化条件下粗骨料对薄板剪切型钢纤 维增强混凝土的拌合物工作性能及立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗拉强度和弯拉 强度的影响规律。结果表明：在本试验连续级配粗骨料的最大粒径为1 6 2 5 r a m 、钢纤维 长度与粗骨料最大粒径之比为1 2 8 2 0 、钢纤维体积率为0 5 一2 5 范围内，钢纤维混凝 土拌台物的坍落度随着粗骨料粒径的增大而增大，粗骨料粒径变化对钢纤维混凝土的立方 体抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗拉强度和弯拉强度的影响规律基本上不受用水量、钢 纤维长径比和体积率变化的影响。 3 选取国内定型生产的钢板剪切型钢纤维，研究尺寸为1 5 0 1 5 0 x 5 5 0 m m 标准棱 柱体试件采用卧式和立式成型方法对混凝土中钢纤维分布形态和钢纤维混凝土弯拉强度 的影响。对试件进行切片试验研究表明，钢纤维在混凝土中趋于沿垂直于成型方向分布的 规律，分布特征明显受到水泥用量、钢纤维长度和体积率的影响。对试件进行弯拉强度试 验表明，钢纤维对卧式成型试件混凝土弯拉强度的增强作用大于对立式成型试件混凝土弯 拉强度的增强作用。 华北水利水电学院硕l 学位论文 4 通过对边长为l o o m m 、1 5 0 m m 、2 0 0 m m 的立方体试件进行立方体抗压强度和劈 裂抗拉强度试验，边长为i o o x1 0 0 x 3 0 0 m m 、1 5 0 1 5 0 x 3 0 0 m m 的棱柱体试件进行轴心 抗压强度试验；边长为1 0 0 x1 0 0 4 0 0 r a m 、1 5 0 x1 5 0 5 5 0 r a m 的棱柱体试件进行弯拉强 度试验，研究了在水灰比、钢纤维长径比和体积率变化条件下的立方体抗压强度、轴心抗 压强度、劈裂抗拉强度和弯拉强度等力学性能指标受试件尺寸变化的影响规律，提出了相 应的试件尺寸换算系数。 关键词：钢纤维混凝土；力学性能；工作性；砂率：尺寸换算系数；立式成型；卧式成型 切片；纤维分布；粗骨料粒径 l l 些! ! 竺 a b s t r a c t s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ei san e wk i n do f c o m p o s i t em a t e r i a l t h a th a sf i n e p e r f o r m a n c ea n dw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n i ti st h a ts h o r ts t e e lf i b e r sa r em i x e di nt h ec o n c r e t e ， d i s t r i b u t ei nt h r e ed i m e n s i o n a lr a n d o m l y ，h i n d e rt h ee x p a n s i o no fm i c r oc r a c ki nt h ec o n c r e t e a n dh i n d e rt h eo c c u r r e n c ea n dt h ed e v e l o p m e n to fm a c r o s c o p i cc r a c k t h et e n s i l es t r e n g t h ，t h e b e n d i n gs t r e n g t ha n dt h es h e a rs t r e n g t ha r ei m p r o v e do b v i o u s l y t h ei m p a c ts t r e n g t h ，t h er e s i s t t i r e ，t h ec r a c k i n gt o u g h n e s sa n dt h ed u r a b i l i t ya r ea l s oi m p r o v e dg r e a t l y w i t ht h e d e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o nf i e l do ft h es t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ，t h e d o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r sh a v ed o n ea g r e a td e a l o fs t u d yi n t h eb a s i cm e c h a n i c s p e r f o r m a n c eo ft h es t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t sa b o u tt h e s t e e lf i b e rr e i n f o r c e d c o n c r e t e ，t h ec h i n e s ea s s o c i a t i o no fe n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n s t a n d a r d i z a t i o nh a sp r o m u l g a t e dt h et e s tm e t h o d so fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ( c e c s l 3 ：8 9 ) ，i th a sd i d t h ef u n c t i o nt od i r e c tt h er e s e a r c hi ns t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e b u t p r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo fs t e e lf i b e rh a sb e e ni n n o v a t e d ，t h ef i t t e s to fs t e e lf i b e rp r o d u c th a s b e e ns u r v i v e d ，s t r e n g t hs c a l ea n da p p l i c a t i o nc a t e g o r yo fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t eh a s b e e ne x p a n d e d ，t h i ss t a n d a r dc a nn o ta d a p tt h en e e do ft h en e wr e v i s i o ns t a n d a r dt e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o nf o rf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e s ( c e c s 3 8 ：2 0 0 4 ) s ot h er e v i s i o no ft h i s s t a n d a r di si n e v i t a b l e t h i st e s t sa r ec a r r i e dt ot e s tap a r to fq u e s t i o n si nt h eo l ds t a n d a r d ， p r o v i d es c i e n t i f i cr e f e r e n c et ot h er e v i s i o no ft h i ss t a n d a r d t h es e v e r a lm a i nr e s e a r c hc o n t e n t s h a v eb e e nd o n ea sf o l l o w s ： 1 t h r o u g ht h ec u b i cc o m p r e s s e ds t r e n g t he x p e r i m e n t sa n dt h es p l i t t i n gt e n s i l es t r e n g t h e x p e r i m e n t so nt h en o r m a lc u b i cs p e c i m e n sw i t ht h ed i m e n s i o n so f1 5 0 m m ，u n d e rc o n d i t i o n so f c h a n g i n gt h ea m o u n to fw a t e r , t h ew a t e rt oc e m e n tr a t i o ，t h ea s p e c tr a t i oo fs t e e lf i b e ra n dt h e f r a c t i o no ff i b e rb yv o l u m e ，t h ee f f e c t so ft h es a n dr a t eo nt h em i x t u r ew o r k a b i l i t y , t h ec u b i c c o m p r e s s e ds t r e n g t h a n dt h es p l i t t i n gt e n s i l e s t r e n 【g t h o ft h i n p l a t es h e a r i n gs t e e lf i b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t ew e r es t u d i e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea m o u n to fw a t e r , t h ew a t e rt o c e m e n tr a t i o ，t h ea s p e c tr a t i oa n dt h ef r a c t i o no ff i b e rb yv o l u m eo fs t e e lf i b e ra n ds a n dr a t e w e r ea n a l y z e d t h er e a s o n a b l ev a l u e so fs a n dr a t ea n dt h em i x t u r ed e s i g nm e t h o da sw e l la st h e s t r e n g t hc a l c u l a t i o no ft h i n - p l a t es h e a r 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 ew e r ep r o p o s e d 2 t h em i x t u r e so fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ew e r em a d eu s i n gt h em e t h o dt h a tm i x i n g d i r e c t l yt h es t e e lf i b e ri n t ot h em i x t u r eo fb a s i sc o n c r e t e u n d e rc o n d i t i o n so fc h a n g i n gt h e a m o u n to fw a t e r t h ea s p e c tr a t i oo fs t e e lf i b e ra n dt h ef r a c t i o no ff i b e rb yv o l u m e ，t e s t sw e r e i i t 华北水利水电学院硕十学位论文 c a r d e do u tt os t u d yt h ee f f e c t so ft h ec o a r s ea g g r e g a t eo nt h em i x t u r ew o r k a b i l i t y , t h ec u b i c c o m p r e s s e ds t r e n g t h ，t h es p l i t t i n gt e n s i l es t r e n g t h ，t h ea x i a lt e n s i l es t r e n g t ha n dt h ef l e x u r a l t e n s i l es t r e n g t ho ft h i n p l a t es h e a r 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 i nt h er a n g e so ft h i st e s t s w i t ht h em a x i m u ms i z eo fc o n t i n u e g r a d ec o a r s ea g g r e g a t ef r o m1 6 m mt o2 5 m m ，t h er a t i oo f t h el e n g t ho fs t e e lf i b e rt ot h em a x i m u ms i z eo fc o a r s ea g g r e g a t ef r o m1 2 8t o2 0a n dt h e f r a c t i o no ff i b e rb yv o l u m ef r o m0 5 t o2 5 i tw a s p r o v e dt h a tt h es l u m po ft h em i x t u r e so f s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t ew e r ea l li n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n go ft h em a x i m u ms i z eo fc o a r s e a g g r e g a t e ，t h ee f f e c t so ft h em a x i m u ms i z eo fc o a r s ea g g r e g a t eo nt h es t r e n g t ho fs t e e lf i b e r r e i n f o r c e dc o n c r e t ew e r eb a s i c a l l yn o ti n f l u e n c e db yt h ec h a n g i n go ft h ea m o u n to fw a t e r , t h e a s p e c tr a t i oo fs t e e lf i b e ra n dt h ef r a c t i o no ff i b e rb yv o l u m e 3 s e l e c t i n gt h ea p p r o v e dp r o d u c t so fs t e e lf i b e rm a d eb yt h et h i n p l a t es h e a r i n gm e t h o d ， t h es t a n d a r dp r i s m a t i cs p e c i m e nw i t ht h ed i m e n s i o n so f1 5 0 x 1 5 0 x 5 5 0 m mw e r ec a s tb y h o r i z o n t a la n dv e r t i c a lm o d e st os t u d yt h ed i s t r i b u t i o ns t a t e so fs t e e lf i b e ri nc o n c r e t ea n dt h e f l e x u r a l - t e n s i l es t r e n g t ho fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e i tw a sp r o v e db yt h es l i c et e s t so f s p e c i m e nt h a tt h es t e e lf i b e rt e n d st od i s t r i b u t ep e r p e n d i c u l a rt ot h ec a s td i r e c t i o n ，t h e r ew e r e o b v i o u s l ye f f e c t so ft h ec e m e n tc o n t e n to fc o n c r e t e ，t h el e n i g t ho fs t e e lf i b e ra n dt h ef r a c t i o no f f i b e rb yv o l u m eo nt h ed i s t r i b u t i o ns t a t e so fs t e e lf i b e ri nc o n c r e t e i th a sa l s op r o v e db yt h e f l e x u r a l - t e n s i l et e s t st h a tt h ee n h a n c e m e n to fs t e e lf i b e ro nt h ef l e x u r a l - t e n s i l e s t r e n g t ho f c o n c r e t ec a s tb yh o r i z o n t a lm o d el a r g e rt h a nt h a to fc o n c r e t ec a s tb yv e r t i c a lm o d e i tc a nb e u s e da sr e f e r e n c et or e v i s et h et e s tm e t h o d so fs t e e lf i b e rr e i n f o r e e dc o n c r e t e 4 t h r o u 【曲t h ec u b i cc o m p r e s s e ds t r e n g t he x p e r i m e n t sa n dt h es p l i t t i n gt e n s i l es t r e n g t h e x p e r i m e n t so nt h ec u b i cs p e c i m e n sw i t ht h ed i m e n s i o n so f1 0 0 m m ，1 5 0 m ma n d2 0 0 m m ，t h e a x i a lc o m p r e s s e ds t r e n g t he x p e r i m e n t so nt h ep r i s m a t i cs p e c i m e n sw i t ht h ed i m e n s i o n so f1 0 0 1 0 0x3 0 0 m ma n d1 5 0 1 5 0 3 0 0 m m t h ef i e x u r a lt e n s i l es t r e n g t he x p e r i m e n t so nt h e p r i s m a t i cs p e c i m e n sw i t ht h ed i m e n s i o n so f1 0 0 l o o x 4 0 0 r a m 、1 5 0 1 5 0 5 5 0 m m u n d e r c o n d i t i o n so fc h a n g i n gt h ew a t e rt oc e m e n tr a t i o ，t h ea s p e c tr a t i oo fs t e e lf i b e ra n dt h ef r a c t i o n o ff i b e rb yv o l u m e ，t h ee f f e c t so fs p e c i m e ns i z eo nt h ec u b i cc o m p r e s s e ds t r e n g t h ，t h ea x i a l c o m p r e s s e ds t r e n g t h ，t h es p l i t t i n gt e n s i l es t r e n g t ha n dt h ef l e x u r a lt e n s i l es t r e n g t hw e r es t u d i e d ， t h es p e c i m e ns i z ee f f e c tc o e f f i c i e n t sw e r ep r o p o s e d a b s t r a c l ：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 ；m e c h a n i c sp e r f o r m a n c e ；w o r k a b i l i t y ；s a n dr a t e ；t h e s i z ec o n v e r s i o nc o e f f i c i e n t s ；h o r i z o n t a lc a s t ；v e r t i c a lc a s t ；c u t t i n g p l a c e ；f i b e r d i s t r i b u t i o n ；t h ec o a r s ea g g r e g a t es i z e i v 独立完成与诚信卢明 独立完成与诚信声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭等违反 学术道德、学术规范的侵权行为，否则本人愿意承担由此产生的一切法律责任和法律后果， 特此郑重声明。 v 学位论文作者( 签字) ：骇览军 2 0 0 6 年6 月5 日 第一章绪论 第一章绪论 摘要本章简述了钢纤维泄凝土具有的一系列优越的物理力学性能，钢纤维混凝土的研究现状及工 程应用。阐述了进一步研究钢纤维混凝土t 作性能、基本力学性能的重要意义，提出了本课 题主要的研究内容。 关键词钢纤维混凝土，工作性能，力学性能，纤维分布，试件成型方法 1 1 选题的意义 1 1 1 钢纤维 掺入混凝土拌合料中的是一种乱向、不连续随机分布的短钢纤维。钢纤维的类型、特 征参数、主要性能及选用如下： 1 钢纤维的类型 钢纤维的类型，可按外形、截面形状、生产工艺、材料品质、施工用途划分i “。 ( 1 ) 按钢纤维的外形分 如图1 1 所示，有长直形( a ) 、压痕形( b ) 、波浪形( c ) 、弯钩形( d ，c ) 、大头形( f 、曲等。 哐匿 面 e lm 甜 图1 1 钢纤维的外形 f i g1 1s h a p eo fs t e e lf i b e r ( 2 ) 按钢纤维的截面形状分 如图1 2 所示，有圆形( a ) ，矩形c o ) 、月牙形( c ) 及不规则形( d ) 等。 ( t )c b ) 扩( c )( d ) 图1 2 钢纤维的截面形状 f i g1 2t h es e c t i o n a ls h a p es t e e lf i b e r 按钢纤维的材质分 有普通碳钢纤维、不锈钢钢纤维。其中以普通碳钢纤维用量属多。 ( 4 ) 按钢纤维的施工用途分 浇筑用钢纤维和喷射用钢纤维。 ( 5 ) 按钢纤维生产工艺分 銎柑n“黼 ni二i0嘞 华北水利水电学院坝上学位论义 如图1 3 所示，有切断型钢纤维( a ) 、 剪切型钢纤维( b ) 、铣削型钢纤维( c ) 及熔抽型钢 纤维( d ) 等。 图1 3 钢纤维的生产工艺 f i g 1 3t h ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo fs t e e lf i b e r 1 1 2 钢纤维混凝土的性能 1 钢纤维的主要性能 ( 1 ) 抗拉强度 为了使钢纤维混凝土具有良好的力学性能，要求钢纤维具有一定的抗拉强度。钢纤维 的抗拉强度，根据钢纤维的材质和生产工艺不同，其抗拉强度也有所区别，试验表明，用 冷拔钢丝切断的钢纤维的抗拉强度较高，一般为6 0 0 1 0 0 0 m p a ，剪切型、熔抽型和铣削 型钢纤维的抗拉强度一般为3 8 0 8 0 0 m p a 。由于普通钢纤维混凝土主要是因钢纤维拔出 而破坏，并不是因钢纤维拉断而破坏，钢纤维在破坏时承受的最大拉应力为1 0 0 3 0 0 m p a ，因此钢纤维的抗拉强度在3 8 0 m p a 以上，一般能满足使用要求。 ( 2 ) 粘结强度 钢纤维的粘结强度，可按文献1 2 i 用直接拉拔法测定钢纤维和水泥砂浆之间的粘结强 度。由于钢纤维混凝土的破坏主要是钢纤维的拔出引起，因此提高钢纤维与混凝土基体界 面的粘结强度是重要问题。提高粘结强度与基体的性能有关外，就钢纤维本身来说，应该 从改善钢纤维表面和形状来改善它与基体的粘结性能。为了提高钢纤维的粘结强度，常采 用：使钢纤维表面粗糙化、界面呈不规则形，增强与基体的接触面积和摩擦力；将钢纤维 表面压痕，或压成波形，增加机械粘结力；使钢纤维的两端异形化，将两端制成弯钩或大 头形等，以提高其锚固力和抗拔力。 ( 3 ) 硬度 各种钢纤维的表面硬度较高，在与混凝土搅拌时，一般不易发生弯折现象。但有时由 于钢纤维的材质较脆，搅拌时也易发生折断，影响增强效果。 ( 4 1 耐腐蚀性 浇筑在钢纤维混凝土内部的钢纤维，只要捣固密实，与空气隔绝，钢纤维一般不发生 锈蚀现象。露于混凝土表面或在裂缝宽度超过o 2 5 r a m 时，跨接在裂缝处的钢纤维，易发 生锈蚀现象。 2 钢纤维的特性参数 2 第一章绪论 钢纤维的特性参数包括：钢纤维的几何参数( 钢纤维的长度、直径或等效直径及长径 比) 和体积率，这些因素对钢纤维混凝土的工作性和力学性能都会有一定的影响。 钢纤维长度指钢纤维两端点间的直线距离，用l i 表示，其尺寸可为1 5 6 0 m m 。 钢纤维截面的直径或等效直径( 当钢纤维为非圆形截面时，其截面积相当于圆形截面 面积时计算所得的直径) ，用d ，表示，通常为0 - 3 1 , 2 r a m 。 钢纤维的长径比即指钢纤维长度与直径的比值，即z ，朋，通常为3 0 1 0 0 。 钢纤维的体积率指钢纤维所占钢纤维混凝土体积的百分数。用p ，表示，它表示钢纤 维在拌合物中掺入量的多少。 ( 1 ) 钢纤维的特性参数的选用 钢纤维的增强效果与钢纤维的长度、直径( 或等效直径) 、长径比和体积率有关。钢 纤维的增强作用会随着长径比的增大而提高。钢纤维的长度太短不起增强作用，太长施工 比较困难，影响拌合物的质量，直径过细在拌合过程中易被弯折，过粗则在同样体积率时， 其增强效果较差。试验研究和工程实践表明，钢纤维的长度为1 5 6 0 m m ，直径或等效直 径为o 3 1 2 m m ，长径比为3 0 1 0 0 的范围内选用，其增强效果和施工性能可满足要求。 钢纤维的体积掺量适中，其增强效果比较好。钢纤维的体积率小到一定程度将不起增 强作用，对于不同品种、不同长径比的钢纤维，其最小体积率略有不同，国内外一般以 o 5 为最小体积率。钢纤维体积率超过2 o 时，拌合物的和易性变差，施工比较困难， 质量难以保证。但在特殊需要时，经试验和采取必要的施工措施，在保证质量和增强效果 的情况下，可将体积率增大。 ( 2 ) 钢纤维在混凝土拌合物中的分散均匀性 在拌合物中加入的钢纤维应充分分散均匀，才能在混凝土中起到增强作用，如果加入 的钢纤维分散不均匀，将使钢纤维在混凝土缺少钢纤维处和钢纤维结团处，不仅没有起到 增强作用，还会引起局部强度消弱，因此，只有保证钢纤维在拌合料中分散均匀，才能起 到良好的增强效果。 钢纤维的体积率、长径比是影响钢纤维分散均匀性的最主要的因素。通过试验表明， 钢纤维的体积率以1 2 较为适宜。而长径比如果大于1 0 0 ，搅拌时很容易结团，单靠 外力振动很难将其拆散。若改用长径比小于6 0 的钢纤维，则不易结团，纤维容易分开。 因此，为使钢纤维在拌合物中分散均匀，发挥增强作用，钢纤维的直径或等效直径以0 3 0 6 m m ，长度2 0 4 0 m m ，长径比5 0 8 0 为最佳。 钢纤维的分散性还与钢纤维的品种，硬度有关，如用熔抽型钢纤维和硬度较大的铣削 型钢纤维，即使体积率和长径比比较大，拌合时不用分散机，也不易出现纤维团。 ( 3 1 钢纤维对拌合物和易性的影响 试验表明【3 1 ，在混凝土拌合物中加入不同量的钢纤维时，其和易性时变化的，拌合物 的坍落度，随钢纤维体积率的增大而减小。这是由于纤维体积率增大后，纤维的表面积增 加，拌合物内部摩阻力增大，流动性减小，因而表现出坍落度的减小，和易性的变差。拌 1 华北水利水电学院硕十学位论文 合物的和易性与钢纤维的长径比和表面状态有关，长径比越大，纤维表面越粗糙，其和易 性降低越明显。 3 钢纤维混凝土的优异性 混凝土是当代应用最广泛的建筑材料，它具有易成型，能耗低，耐久性好，价格便 宜以及与钢材结合可制成各种承重结构的优点。但混凝土的自重大、脆性大、抗拉强度低 等弱点限制了它的扩大应用，因此，人们致力于使混凝土向轻质、高强、改变脆性等方向 发展。采用纤维增强混凝土是混凝土改性的一个重要手段，它可以使混凝土的抗拉强度、 变形能力、耐动荷能力大大提高。 纤维混凝土是近年来在国际和国内迅速发展的新型复合材料，其中尤以钢纤维混凝 土发展最快。钢纤维混凝土( 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 ，缩写为s f r c ) 是将短细的 钢纤维均匀、乱向地分布于混凝土基体中，在混凝土基体和骨料间起“桥架”作用，使混 凝土材料趋向于各向同性。由于钢纤维的存在阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂 缝的发生和发展，从而使脆性的混凝土材料呈现出很高的抗裂性和较好的延性和韧性。钢 纤维混凝土不仅具有普通混凝土的优良特性，而且与普通混凝土相比具有一系列优越的物 理、力学性能【4 j ： ( 1 ) 强度和重量的比值增大。这是钢纤维混凝土具有优越经济性的重要标志，也是它 具有广阔应用发展前景的重要保证； ( 2 ) 具有较高的抗拉、抗压和抗弯极限强度。在混凝土中掺入适量的钢纤维，其极限 抗压强度可适当提高，单轴抗拉极限强度可提高4 0 - - 5 0 ，抗弯极限强度可提高5 0 1 5 0 ： ( 3 ) 具有卓越的抗冲击性能。与素混凝土相比，钢纤维混凝土在纤维掺量为0 5 2 o 时，其冲击韧性指标可提高5 0 1 0 0 倍，甚至更高。因此，钢纤维混凝土用于承受 冲击荷载、疲劳荷载和爆炸荷载的结构，其优越性十分明显； ( 4 ) 变形性能明显改善。钢纤维对混凝土抗压弹性模量影响并不显著，但对抗拉弹性 模量提高比较多，钢纤维对混凝土长期收缩变形性能的影响也较为显著，钢纤维可使混凝 土的收缩率降低1 0 3 0 ： f 5 1 抗裂和抗疲劳性能显著提高。由于钢纤维在混凝土中的阻裂机制，钢纤维混凝土 具有比素混凝土更好的软化后性能和抗裂、抗疲劳性能。 ( 具有优良的抗剪性能。钢纤维在梁的受力过程中可以降低腹板的变形，并有效地 控制剪切裂纹的开展，提高腹板的抗剪强度。 1 1 3 问题的提出 世界各国对钢纤维混凝土的研究已相当成熟，一些发达国家都制定了符合本国国情的 试验方法和规程。我国也分别在1 9 8 9 年和1 9 9 2 年先后颁布了钢纤维混凝土试验方法 4 第一章绪论 ( c e c s l 3 ：8 9 ) 、钢纤维混凝土结构设计与施工规范( c e c s 3 8 ：9 2 ) 。中国工程建设标 准化协会标准c e c s l 3 ：8 9 钢纤维混凝土试验方法颁布实旌1 5 年来，为我国土木工程 领域钢纤维混凝土推广应用提供了标准依据，但随着钢纤维生产技术的革新及钢纤维产品 的优胜劣汰、钢纤维混凝土强度等级和应用范畴进一步扩大，该标准已不能适应新修订的 配套标准纤维混凝土结构技术规程( c e c s 3 8 ：2 0 0 4 ) 的需要，对该标准的修订完善势 在必行1 5 , 6 1 。由于应用条件的变化，原有规范中钢纤维混凝土基本力学性能指标的尺寸效 应系数、粗骨料对钢纤维混凝土强度的影响、试件成型方法对钢纤维的分布以及钢纤维混 凝土强度的影响，都要通过试验来进行修正。 目前，大量的文献资料报道了钢纤维混凝土力学性能和钢纤维混凝土结构或构件受力 性能研究结果，相比较而言对钢纤维混凝土配合比设计方面的研究报道甚少。由于钢纤维 的长度( 或长径比) 及纤维体积率均对钢纤维混凝土的工作性和力学性能产生影响，钢纤 维混凝土的配合比设计较之于普通混凝土更加复杂，是导致不同试验研究单位的钢纤维混 凝土力学性能试验结果之间离散性较大的主要原因之一。李秋义等采用熔抽型碳钢纤维， 以普通混凝土配合比设计方法为基础，提出了钢纤维混凝土与纤维体积率和长径比相关的 用水量和最佳砂率，该研究成果构成了c e c s 3 8 ：9 2 钢纤维混凝土结构设计与施工规程 中钢纤维混凝土配合比设计方法的基础【7 卅。在纤维体积率0 5 2 0 范围内，采用该 方法配置的钢纤维混凝土抗压强度与基体混凝土抗压强度相比仅提高0 1 5 。林小松的 研究没有按上述方法规定随着纤维体积率增加需增大砂率，结果表明【1 0 】：采用剪切型钢 纤维，在水狄比0 3 2 条件下采用纤维体积率4 的钢纤维等体积代替砂( 替代前后砂率分 别为3 8 2 和3 4 2 ) 配置的钢纤维混凝土，7 d 立方体抗压强度提高了2 3 3 ，2 8 d 提高 了1 0 4 ；在水灰比0 3 0 条件下用纤维体积率3 3 7 的钢纤维等体积替代砂和石子并保 持砂率不变配制的钢纤维混凝土，7 d 立方体抗压强度提高了2 1 4 ，2 8 d 提高了4 0 7 。 由于缺乏大量试验数据的积累，最新颁布实施的c e c s 3 8 ：2 0 0 4 纤维混凝土结构技术规 程，沿用了原c e c s 3 8 ：9 2 钢纤维混凝土结构设计与施工规程有关钢纤维混凝土的配 合比设计方法，未能覆盖一般浇筑钢纤维混凝土和抗震框架节点钢纤维混凝土用钢纤维的 长径比和纤维体积率范围，对高强钢纤维混凝土配合比设计尚缺乏系统的试验研究，也没 能明确该方法是否适用于熔抽型以外得到广泛工程应用的薄板剪切型、钢丝切断型和钢锭 铣削型钢纤维混凝土。为此，本课题还将通过试验研究砂率对钢板剪切型钢纤维增强混凝 土工作性和抗压强度、劈裂抗拉强度等力学性能的影响，为规程修订提供依据。 1 2 钢纤维混凝土的研究现状和工程应用 1 2 1 钢纤维混凝土的发展和研究现状 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，水泥工业合成混凝土材料在不到 华北水利水电学院硕十学位论文 _ 百年的历史中，有了突飞猛进的发展。混凝土以其原材料容易获得，耗能和成本相对较 低，成型和施工相对简便等优点，成为当代的五大工程材料( 混凝土、砌体、钢材、木材、 合成材料) 中，用量最多、应用范围最广的工程材料。但混凝土本身抗拉强度低、韧性差 等固有弱点依然限制其优势的发挥。为克服混凝土的弱点，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一种重要的解决途径。 钢纤维是发展最早的一种纤维，钢纤维混凝土是目前作为工程材料用途最广，用量最 大的+ 种纤维混凝土。早在1 9 1 0 年美国p o t e r 就提出了把钢纤维均匀地撒入混凝土中以 强化材料的设想，直到1 9 6 3 年美国r o m u l d 等人先后发表了一系列的研究成果从理论上 阐述了钢纤维对混凝土的增强机理，得到了纤维平均间距理论，钢纤维的研究和应用才有 了较快的发展，但此时钢纤维的价格昂贵，不易推广。七十年代，美国b a t t e l e 公司用熔 抽法制造了廉价的熔抽型钢纤维，这就为纲纤维混凝土的实际应用创造了条件。目前钢纤 维混凝土的研究以日本、英国和美国进展最快，尤其是日本，在制造钢纤维技术方面处于 领先地位【l l 】。 为了扩大各国之间对钢纤维混凝土的研究与应用的互相交流，国外曾多次举办过有关 纤维混凝土方面的国际学术会议。如1 9 8 4 年美国混凝土协会纤维混凝土委员会( a c l 5 4 4 ) 在d e t r o i t 举行了“纤维增强混凝土研讨会”，1 9 8 5 年在瑞典s t o c k h o l m 举办的“纤维增强 混凝土性能与应用研讨会”，1 9 8 9 在英国威尔士大学举办的“纤维增强水泥与混凝土最新 发展国际会议”，1 9 9 0 年在美国麻省b o s t o n 举办的“纤维增强水泥及材料研讨会”，1 9 9 1 年在法国s t u t t g a r t 大学举行的“高性能纤维水泥复合材料国际研讨会”，1 9 9 5 年在美国 m i c h i g a n 大学举行的“第二届高性能纤维水泥复合材料国际研讨会”等等。这些研讨会 的召开，极大地推动了纤维水泥和纤维混凝土技术的研究、发展和应用。 为了统一钢纤维混凝土的试验方法，推广应用钢纤维混凝土，美国和日本先后推出了 一些适合国情的钢纤维混凝土的试验方法和钢纤维混凝土设计与旌工规程。1 9 8 7 年 a c l 5 4 4 委员会制定了哆f 维混凝土性能测试”，并于1 9 8 3 年进行了修订f 1 2 】。1 9 8 4 年制定 了“纤维混凝土设计分类，拌和及浇筑成型指南”，并在1 9 9 3 年进行了修订f 1 3 】。1 9 8 8 年 制定了“钢纤维混凝土设计指南”。日本土木工程学会( j s c e ) 于1 9 8 2 年制定了“钢纤 维混凝土设计与旋工准则”。日本混凝土协会( j c i ) 于1 9 8 4 年制定了“纤维混凝土试验 方法标准”。 j 我国在纤维混凝土方面的研究起步较晚，在2 0 世纪7 0 年代才正式开始了钢纤维混凝 土的研究和应用。华东水利学院，西安空军工程学院等单位在1 9 7 8 年左右进行了大量的 试验研究。同一时段内，浙江水利水电科学研究所和杭州林业水利局也进行了基本力学试 验和现场施工工艺的研究。但由于所采用的钢纤维规格不一，价格昂贵，影响了钢纤维的 推广和应用。进入八十年代，通过对钢纤维混凝土基本力学性能的试验研究，明确了钢纤 维的增强机理，完善了钢纤维混凝土设计理论，对钢纤维的研究有了较大发展。为了促进 和加快钢纤维混凝土的研究，有利于先进技术的传播应用和专家学者的交流，1 9 8 6 年第 6 第一章绪论 一届全国性纤维混凝土学术会议在大连召开，到目前已经举行了十届，为了进一步总结研 究成果，交流经验，促进纤维混凝土的迸一步发展，将于2 0 0 6 年9 月在大连召开第十一 届纤维混凝土学术会议。会议的召开大大推动了我国纤维混凝土技术的发展研究和成果的 应用。1 9 8 9 、1 9 9 2 、2 0 0 4 年分别颁布了“钢纤维混凝土试验方法c e c s l 3 ：8 9 ”、“钢纤 维混凝土结构设计与施工规范c e c s 3 8 ：9 2 ”和“纤维混凝土结构技术规程c e c s 3 8 ：2 0 0 4 ”。 赵国藩等人出版的钢纤维混凝土结构中，对其组成材料与工艺特性、基本性能、结构 强度计算、抗剪承载力计算、复杂应力下钢纤维混凝土的性能和计算、正常使用极限状态 验算方