（水工结构工程专业论文）钢纤维自密实混凝土配合比及力学性能的试验研究.pdf

摘要 本文首先通过正交试验研究了利用常规工艺和本地常见原材料配制工作性能良 好的自密实混凝土和钢纤维自密实混凝土的方法，建议了粉煤灰掺量和钢纤维体积率 - 定条件下的钢纤维自密实混凝土的配合比。在此基础上，进行了自密实混凝士和钢 纤维自密实混凝土抗压性能、劈裂抗拉性能和抗弯性能的试验研究和理论分析，主要 研究内容和结果如下： 1 通过4 5 个1 0 0m m 1 0 0m m 1 0 0 m m 、8 1 个1 5 0m m 1 5 0m m 1 5 0 m m 和 1 2 0 个1 5 0 m m 1 5 0 m m 3 0 0 1 1 1 m 自密实混凝土和钢纤维自密实混凝土试块的抗压试 验，研究了钢纤维体积率、钢纤维类型、粉煤灰置换率、成型方式对立方体抗压强度、 轴心抗压强度、静压弹性模量的影响。提出了钢纤维体积率对钢纤维自密实混凝土抗 压强度的影响系数以及不同粉煤灰置换率下自密实混凝土立方体抗压龄期强度的计 算公式。 2 通j 立4 5 个l o o m m 1 0 0 m m x l 0 0 m m 和8 1 个1 5 0 m m 1 5 0 m m 1 5 0 m m 自 密实混凝土和钢纤维自密实混凝土块的劈拉试验，研究了粉煤灰置换率、成型方式、 钢纤维体积率、钢纤维类型对自密实混凝土和钢纤维自密实混凝土劈拉性能的影响。 探讨了劈拉强度与抗压强度的关系、钢纤维体积率及钢纤维类型对劈拉变形性能的影 响。分别提出了自密实混凝土、钢纤维自密实混凝土劈拉强度与抗压强度的关系式。 3 通过8 1 根1 0 0 m m 1 0 0 n u n 4 0 0 m m 的自密实混凝土和钢纤维自密实混凝土 小梁试件的试验，研究了粉煤灰置换率、成型方式、钢纤维体积率及钢纤维类型对自 密实混凝土、钢纤维自密实混凝土抗折强度的影响以及钢纤维体积率和类型对钢纤维 自密实混凝土弯曲韧性的影响，建议了钢纤维对钢纤维自密实混凝土抗折强度的影响 系数。 关键词：自密实混凝土；钢纤维；粉煤； i ；抗压性能；劈拉性能；抗弯性能 a b s t r a c t w i t ht h ea i do fo n h o g o n a lm e l o d ，t l l em e t h o dt h a tp r o d u c e ss e l f - c o m p a c t i n gc o n g r e t e a n ds t e e l 胁e rr e i n f b r c e ds e l f _ c o m p a c t i n gc o n c r e t ew i t hg o o d - w o r k a b i l i t yi sr e s e a r c h c d u s i n gc o n v e n t i o n a l t e c h n i c sa n dl o c a lr a wm a t 喇a l s t h em i x t i l r ep r o p o r t i o n so fs t e d 矗b e r r e i n f o r c c ds e l f _ c o m p a c t i n gc o n c r c t ei nd e f i f l i t er a t ef o rr 印l a c 锄e n to fc c r n e i l tb yf l ya s h a j l dv o l u m e 矗a c t i o no fs t e e l 邱c ra r es u g g e s t e d o nt h i sb a s e ， t h ee x p 甜m e n t a ls t l l d ya n d m e o r e t i c a la n “y s i so nm ep e d b r m a n c e so fs e l f c o m p a c t i n gc o n c r e t ea i i ds t e e l 丘b e r r e i n f o r c e ds e l f c o m p a c t i n gc o n c r c t e1 1 i l d c rc o m p r c s s i o n ，s p l i t ，n e x u r ea r cc 枷e do n t h e m a i nr e s u l t sa r ea sf 0 1 l o w s 1 t h ed 融o f s t e e l 矗b e ro fd i 妊h e n tt y p e sa r dv o h m e 洲o ，r a t c 南rr e p l a c e m e n to f f l ya s hb yc e m c n t ，m a n n e ro fc 枷n gs p e c i m e n so nc l m i cc 啪p r e s s i v es 打e n g t l l ，a x i a l c o m p r e s s i v es 仃髓g 廿la 1 1 de l a s t i cm o d u l u sa r er e s e a r c h e dt h r o u g h4 5s d f c o m p a c t m g c o n c r e t ea i l ds t e e l 矗b e ft e i n f o r c e ds d f - c o m p a c t h gc o n c r e t es p e c i m e n so fl o m n m x10 蛔吼 1 0 0 m m ，8 1o f1 5 0 m m 1 5 0 m m 1 5 0 m ma i l d1 2 0o f1 5 0 m m 1 5 ( ) i n m 3 0 0 m m t h e i n n u 朗c ec o e m d e l l to fs t c c l 劢e rv o l u m er a t i oo nc o m p r c s s i v es 廿e i l 垂ho fs t e e l 舳e r r e i n f o r c e ds e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t ea n d _ 【l l ec a i c u l a t i n gf b 舯1 】1 a so fc u b i cc o m p r e s s i v ea g e s t r e n g t hw i t hd i 脯r e n tr a t ef o rr 印l a c c m e n to f c e r n c n tb y n ya s ha r ep u t 缸、v a r d 2 t h ee f r e c to fr a t ef o rr e p l a c 啪e n to fc 哪e n tb yn ya s h ，m 籼c ro fc a s t i n g s p e c i m 棚s ，s t e e l 曲e ro fd j 疗l c f 印t 坼，e sa n dv 0 1 u m er a 妇oo ns p l j t l j n gp r o p e n i e so f s e l f - c o m p a c t i n g n c r e t ea i l ds t e e lf i b e rr e i n f o r c e ds e l c o m p a c t i n gc o n c r e t ea r cr e s e a r c h e d ， t h m u 曲4 5s e l f c o m p a c t i n gc o n c r e t ea n ds t e e lf i b e rr e i n f o r c e ds e l f - p a c t i n gc o n c r e t e s p e c i m e l l so fl o o m m 1 0 0 m m l o o m ma n d8 1o f1 5 0 m m 1 5 0 m m x1 5 0 m m t h e r e l a t i o b e t w e e ns p l i m n gt e n s i l es 打e n 舀ha n dc o m p r e s s i v es 廿c n g t l la n dt l l ee 丘b c t so fs t e e l 6 b e r t y p e sa l l dv 0 1 啪er a t i o o nb e h 撕o ro ft h ed e f o 肌a t i o no fs p l i tf a i l u r ca r e d i s c u s s c d t h er e l a t i o no fc o m p r e s s i v es t r e n g ma n ds p l i t t i n gs 竹e 1 1 殍ho fs e l f c o m p a c t i n g c o n c r e t ea i l ds t e e lf i b e rr e i n f o r c 甜s e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e c ea r ep u tf o r w a r dr e s p e c t i v e l y 3 1 1 1 ee 腩c to f r a t ef o rr e p l a c e n l e n to fc e i l l e n tb yn ya s h ，m a n n c ro fc a s t i n g s p e c i m s ，s t e e l 邱e ro f d i h 盱e n tt y p e sa r i dv 0 1 u r n er a t i oo nb e l l d i n gs t r e n 醇ha i l dt h ee m 圮t o fs t e e l 舶e rt y p e sa n dv 0 1 u m er a t i oo nf l e x u r a lt o u g h n e s sa r er c s e a r c h e dt h r o u 曲8l s e l f c o m p a c t i n gc o n c r e t ea l l ds t e e lf i b e rr e i n f o r c e ds e l f c o m p a c t i n gc o n c r e t es p e c i m e n so f 1 0 0 m m l o o m m 4 0 0 m m t h ei n f l u e n c ec o e f f i c i e n to fs t e e lf i b e ro nb e n d i n gs 缸锄g t ho f s t e e l 胁e rr e i n f o r c e ds d f _ c o m p a c t i n gc o n c r c t ei ss u g g e s t e d k e yw o r d s ：s e l c o m p a c t i n gc o n c r e t e ；s t e e lf i b e r ；f l ya s h ；c o m p r c s s i v ep m p e r t i e s ； s p l i t 廿n gp r o p e r t i e s ；b e n d i n gp r o p e r t i e s i j 郑重声明 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。 学位论文作者( 签名) 秀烬众 飞鲫年参月矽日 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 摘要：本章首先对自密实混凝土的发展与现状进行了总结，同时介绍了自密实混凝土 的原材料选择原则和配合比设计方法，提出了本文的主要研究内容。 1 1 自密实混凝土研究进展 1 1 1 自密实混凝土的研究现状 自密实混凝土( s e l f c o m p 8 c t i n go o n c r c t e ) ，也有人称其为高流态混凝土( h i 曲l y f l u i d i z e dc o n c r e t 心，指混凝土拌合物主要靠自重，不需要振捣即可充满模型和包裹钢 筋，属于高性能混凝土的一种。该混凝土流动性好，具有良好的施工性能和填充性能， 而且骨料不离析，混凝土硬化后具有良好的力学性能和耐久性。 世界各国对混凝土结构的耐久性问题十分关注。目前所有混凝土均靠充分振捣来 达到密实，满足所需要的强度和耐久性，振捣不良会大大降低混凝土的最终性能。因 此，日本学者岗村教授提出了研究开发自密实混凝土【l i ，利用其自身优良的施工性能， 保证混凝土即使在不利施工的条件下，也能密实成型，避免因振捣不足而造成的空洞、 蜂窝、麻面等质量缺陷。他们首先利用水下混凝土技术来研制这种流动性好、填充性 高的混凝土。通过试验发现简单地把这种工艺移到地面上施工并不成功，主要是因为 这类混凝士粘度较高，包裹在混凝土中的空气难以排除；另外，在钢筋密集部分难以 做到密实填充。因此，他们又开始做了新的研究，并取得较大进展。1 9 8 9 年，在东京 进行了自密实混凝土的试验，有1 0 0 多位研究人员和工程技术人员参加，会后许多大 建筑公司开始了自密实混凝土的开发。1 9 9 2 年出席日本混凝土学会关于自密实混凝土 年会的单位增至3 0 家。 日本建筑协会在材料施工委员会下设置了“高流动性混凝土”分会，并于1 9 9 2 年到1 9 9 5 年三年内对自密实的质量标准、材料、配合比、旌一 、质量管理等有关内 容进行了研究 1j ，1 9 9 7 年1 月制定了“高流动性混凝土材料、配比、制造、掩工指针”， 大大推动了自密实混凝土在日本的应用。1 9 9 8 年8 月日本在一次国际会议上宣布到 2 0 0 3 年自密实混凝土的用量超过混凝土总用量5 0 的计划。 欧洲也不甘落后，出资3 0 0 万欧元资助由多国建筑商、混凝土专家、外加剂生产 厂、钢纤维生产厂联合攻关的开发项目，旨在开发土木工程通用型自密实混凝土( 较高 的强度) 以及建筑用高质量饰而效果的纤维增强自密实混凝土，其目标是赶j 二和超过同 本技术1 1 】。 我国从2 0 世纪9 0 年代初期也开始了免振自密实混凝土的研究。从1 9 9 5 年开始， 郑州大学硕士学位论文 第章绪论 深圳、上海、北京等城市应用自密实混凝土浇筑了4 万多立方米，主要应用于地下暗 挖、配筋形状较为密实、复杂等无法浇筑和振捣的部位，解决了施工扰民的问题，缩短 了浇筑工期忆 1 自密实混凝土 最近欧洲试验室为了自密实混凝土的某些特殊用途，完成了对自密实混凝土性能 的改善m 。这些特殊用途包括；( 1 ) 自密实混凝土在建筑工程中的应用。采用自密实 混凝土形成密实、光滑的表面结构；( 2 ) 高强自密实混凝士的应用；( 3 ) 自密实混凝 土在大体积混凝土结构中的应用；( 4 ) 自密实棍凝土在轻质预制混凝土结构中的应用； ( 5 ) 自密实混凝土在补偿收缩结构中的应用。 文献【3 研究表明，由于应用了粉煤灰，使免振捣混凝土变形对养护的敏感性下降。 文献 4 】研究表明，大掺量粉煤灰混凝土的砂浆2 4 小时快测强度与5 6 天实际混凝 土强度的相关性良好，采用回归分析法推定混凝土强度，其方法可行；大掺量粉煤灰 混凝土的坍落度损失较小，通过合理调整混凝土组成材料的比例，可使混凝土具有高 流动性和粘聚性，并具有很高的硬化强度。 文献【5 】研究表明，粉煤灰的掺入可改善混凝土的弹性模量，i 级和n 级粉煤灰的 混合对混凝土试件的弹性模量有较大影响：采用部分i i 级粉煤灰取代i 级灰来配制混 合粉煤灰掺入混凝土中，可提高混凝土的弹性模量，取代量可达到5 0 。 文献 6 】研究表明，水胶比是决定粉煤灰混凝土流动性和强度的最主要因素。试验 所采用的i i 级粉煤扶，1 5 4 5 的掺量变化对混凝土流动性的影响不显著，但对其 强度有显著影响，特别当掺量由3 0 增加到4 5 ，强度会有大幅降低；高效减水荆掺 量对混凝土的流动性有显著影响，但对其强度没有影响。 文献 7 】提出了对高抛免振捣自密实钢管混凝土性能的评价方法、性能指标以及相 应的试验方法。 文献 8 】适宜的砂率可以改善拌合物的流动性能，提高拌合物的自密实性能，自密 实混凝土的砂率适宜掺量为4 5 5 2 ；大掺量高钙粉煤灰的掺入不仅有利于提高流 动性与可塑性，且对强度的提高有益。 文献 9 】介绍了利用机制砂配制自密实混凝土的配合比没计，并简要阐述了该配合 比混凝土的施工控制要点。 文献 1 0 】认为，适当提高混凝土拌合料中砂率值、水泥用量及降低集灰比，是提 高混凝士二1 作性能的一个相当重要的手段。 文献 1 l 】报导，荷兰的一些科研单位和生产企业，通过试验研究并采用免振自密 实混凝土生产预制混凝土制品的实践，对免振自密实混凝土得到了如下一些认识和体 会：( 1 ) 出于免振自密实混凝土中含有较大量的细粉填料，并且不需经过振动即可达到 密实。因此，在粗集料周围的集聚水少，使混凝土的界而过渡区得到了较大的改善，使 免振自密实混凝土可达到较高的强度。荷兰己能配制出抗压强度8 0 m p a 5 m p a 的免 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 振自密实混凝土。( 2 ) 免振自密实混凝土抗拉强度与抗压强度的比值与普通混凝土一 致。( 3 ) 免振自密实混凝土2 8 d 的弹性模量比普通混凝土约低1 0 。( 4 ) 免振自密实混 凝士的收缩和徐变值与普通混凝土基本相等或略低。( 5 ) 免振自密实混凝土的抗渗性与 普通混凝土相同。( 6 ) 用于预应力混凝土制品时，其应力传递长度与普通混凝土相同。 文献【1 2 】提出了免振自密实混凝土在预制构件生产中的优点以及原材料质量控制 的具体要求，研究了免振自密实混凝土工厂预制构件的材料组合和配合比。认为免振 自密实混凝土用于【厂预制构件的生，已经能满足实用性和制造成本相统一的要 求。但是，混凝土制品形状多变的现实，尚需对制品表面气泡多的问题进行深入研究。 另外，混凝土投料方式，关联设备的改进，高流动性混凝土相关的制造技术的确立等 课题，还有待作进一步的深入研究。 文献 1 3 】研究了自密实高性能混凝土受弯构件的受力性能。研究表明，自密实混 凝土梁与普通混凝土梁在竖向荷载作用下，无论是弯曲破坏还是剪切破坏其过程没有 明显的区别；在混凝土强度等级和配筋率相等的情况下，自密实混凝土梁的屈服弯矩 接近于普通混凝土梁，其极限弯矩则略大于普通混凝土梁，抗剪承载力基本相同，而 开裂弯矩略低于普通混凝土梁；自密实混凝土粱和普通混凝土梁沿梁高的平均应变均 能较好地符合平截面假定。 文献 1 4 研究表明，振捣将导致自密实混凝土构件力学性能的劣化，对自密实高 性能混凝土应尽量避免振捣或只能稍振；试验表明，自密实混凝土具有更优越的抗裂 性能和延性，主要是由于掺入了超细粉煤灰；自密实高性能混凝土构件在荷载作用下 的受弯、受剪力学性能与振捣密实混凝土构件基本相似。仍可采用现行混凝土设计规 范进行设计和现有混凝土有限元模型进行分析。 文献 1 5 】研究表明，自密实混凝土与振捣混凝土的对比试验表明，自密实混凝土 能够达到振捣混凝土的抗拉强度的要求；对于1 0 0 m m 1 0 0 1 1 1 n 1 l o o m m 的自密实混 凝土，换算为标准尺寸试件的强度时，其尺寸效应系数可参照普通混凝土的尺寸效应 系数，取o 8 5 ；自密实混凝土抗拉强度受龄期的影响较大，随着龄期的增加而逐渐提 高，且基本呈现对数关系趋势。 文献 1 6 1 研究表明，自密实与振捣密实混凝上梁的疲劳性能没有明显的差异，自 密实混凝土梁的疲劳性能略优于振捣密实混凝土梁，但自密实混凝土结构仍可采用振 捣密实混凝士结构疲劳理论和计算方法进行分析。部分预应力混凝土梁的疲劳破坏一 般是混凝土疲劳开裂，受拉非预应力钢筋疲劳断裂，一般不会出现预应力钢筋疲劳断 裂和受压混凝土疲劳压碎；考虑混凝土的非线性性能计算受拉钢筋的疲劳应力幅值比 按初始弹性状态计算受拉钢筋的疲劳应力幅值估计梁的疲劳寿命与试验结果具有更 好的吻合性，更适用于自密实或振捣密实混凝土结构的疲劳寿命估计。 文献 1 7 】研究了膨胀剂掺量对自密实混凝土工作性、力学性能及体积稳定性能的 影响；研究了养护制度，不同约束条件对膨胀剂在白密实混凝上中作用效果的影响。 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 研究结果表明，膨胀剂掺量对自密实混凝土工作性能的影响甚微。无约束条件下所得 到的掺膨胀剂的标养混凝土试块不能正确指导有钢筋约束的实际构件混凝土强度；无 论是在于燥环境下，还是在潮湿环境下使用膨胀剂，都应通过试验慎重选择合适掺量。 掺量过低，起不到补偿收缩作用，掺量过大，反而会产生负面效应。 文献【1 8 研究表明，掺入粘塑剂o 0 1 o 0 2 时，在不降低混凝土初始坍落度的 同时，增大混凝土的塑性粘度，解决了大流动性和抗离析性之间的矛盾，并且混凝土 的匀质性有很大改善；粘塑剂对混凝土的凝结时例影响较大，随掺量不同，一般延缓 2 4 小时，对混凝土夏季旃工有利；当粘塑荆掺量为o 0 1 o 0 2 时，对混凝土强 度影响甚微；粘塑剂对混凝土的体积稳定性的影响比较复杂，总的规律是初期收缩减 小( 7 d 以前表现为膨胀) ，而后期增大。 文献 1 9 】研究表明，孑l 隙水压力是产生塑性收缩的主要原因；塑化剂含量较高的 砂浆中将含更多的“自由水”，因此，该砂浆更容易产生收缩；对于同样的工作性能， 提高掺合料含量将减少塑性收缩；收缩是荷载和强度的综合结果，砂浆的早期强度在 塑性收缩中起着很大的作用。 文献 2 0 运用系统识别原理，结合混凝土材料的微观孔结构模型建立了材料微孔 结构识别理论。在该理论中，混凝土材料在复杂环境条件下的早期变形可由孔结构模 型来反映；同时通过有限单元法，可以实现温度、湿度和变形多场耦合的数值模拟。 系统识别的数值算法采用寻找复杂目标函数最优值的复合形法，为避免搜索到局部最 优值，还采用了多重随机搜索的方式。最后用系统识别的结果来预测自密实混凝土的 早期变形，预测结果证明了识别结果的合理性和所采用模型的适应性。 2 高强自密实混凝土 现有文献的研究大多侧重于普通强度等级( c 5 0 及以下) 的自密实混凝土，对高 强度的自密实混凝土报道非常有限。 武汉理工大学【2 l 】通过优化配比参数，使用普通原材料配制出了c 8 0 高强自密实混 凝土；通过掺入微膨胀剂，有效解决了高强自密实混凝土中因胶凝材料用量大而引起 的收缩：进一步研究了高强自密实混凝土的工作性能、龄期强度及耐久性，分析讨论 了影响混凝士性能的因素。认为由于硅灰具有较强的火山灰反应活性，加入混凝士中 能明显提高后期强度，在配制高强自密实混凝土时加入适量硅荻是必要的。 文献 2 2 通过加入超细粉煤灰对高强自密实混凝土进行了研究。通过优化配比配 制的自密实混凝土其有良好的工作性能、较高的力学性能和耐久性能，新拌混凝土有 较低的坍落度损失。混凝土强度可达8 0 m p a ，并具有良好的抗渗、抗冻融性能，干缩 小。研究结果为，强度在6 0 8 0 m p a 的高强自密实混凝土主要组分选择：超细粉比 表面积5 0 0 - 6 0 0 m 2 蚝，掺量3 0 一4 0 ，超细粉比表面积达5 0 0m 2 l ( g 时新拌混凝土表现 出很好的流动性，掺量不超过4 0 时混凝土抗压强度没有明显的降低，总灰量不少于 5 0 0 k m 3 ；砂率不小于4 0 ，试验表明，随着砂率的增加， ：作性能越来越好，并且 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 缩小了自密实混凝土和普通振捣混凝土的抗压强度问的差别；单位用水量、超塑化剂 掺量根据自密实混凝土的工作性能确定，超塑化剂掺量在1 6 以下时，坍落度、坍流 度随着超塑化剂掺量的增加而增加，掺量超过1 9 由于发生流浆抗压强度降低，优化 超塑化剂掺量为1 0 1 6 ；极限用水量可依据优化超塑化剂掺量进行选择。 文献【2 3 通过正交试验配制出了工作性能良好的c 6 0 免振捣混凝土。 文献f 2 4 】对c 8 0 自密实混凝土的收缩性能进行了研究。结果表明，通过合适的膨 胀剂可以有效地抑制高强自密实混凝土的收缩。 3 纤维自密实混凝土 由于自密实混凝土要满足一定的工作性能，一般胶凝材料用量较大，随之混凝土 在硬化过程中的于缩也就比较大。可以通过加入纤维或膨胀剂部分抑制或抵消硬化过 程中的干缩。加入纤维同时还可以改善混凝土的力学性能( 韧性等) ，所以在自密实 混凝土中加入纤维使二者结合将是非常有意义的。国内外已有这方面的报导。 文献【2 5 】对纤维自密实混凝土的工作性能、力学性能( 主要韧性) 进行了研究。 研究表明，在实际范围内可以获得工作性能良好的钢纤维自密实混凝土，它的和易性 不受纤维数量及纤维长细比的影响。在试样中，钢纤维的型号与数量是唯一变化的参 数。结果表明，除了一些试样外，坍落度几乎不受纤维体积或纤维长细比这些纤维因 素的影响。力学性能方面，试验结果与同强度普通纤维混凝土比较( 纤维型号与数量 都是一样的) ，表明钢纤维自密实混凝土的韧性至少与普通钢纤维混凝土相当。影响 试验结果的参数与普通钢纤维混凝士是相同的。自密实混凝土的抗压强度具有与普通 混凝土相同的曲线趋势。早期强度有点低，可能是外加剂或填充剂的推迟效应；后期 强度要比具有相同水灰比的普通混凝土高，可能是填充剂的影响。除了混合物的组成 不同之外，普通混凝土与自密实混凝土的最大不同在于后者不需要振捣，这对纤维的 方位是有影响的；对钢纤维混凝土而言，振捣会产生有利的影响，使得纤维的方位趋 向于与结构的几何形状对中。文献对纤维的方位及其分布也进行了研究。关于纤维的 分布，并没有发现纤维沉淀现象，由于钢纤维自密实混凝土没有出现离析问题，可以 确定，在竖直方向上纤维聚集的偏差是在正常范围之内的；另外，纤维的方位也取决 于混凝土的流向。 文献【2 6 】通过优选原材料，对聚丙烯纤维自密实混凝土进行了研究。研究表明单 丝纤维在一定掺量时对自密实混凝土工作性能影响不明显，纤维网不适合做自密实混 凝土。实验结果显示聚丙烯纤维自密实混凝土具有优良的工作性能和力学性能。 大连理工大学丁一宁教授对纤维自密实高性能混凝土的工作度、强度及韧性进行 了研究1 2 ”，并研究了纤维自密实高性能混凝上在混凝土结构加固与补强中的应用；通 过大量试验分析对比了不同纤维含量的纤维自密实混凝土作为补强材料与原结构共 同工作的性能。研究表明，低收缩率的自密实高性能纤维混凝是一种行之有效的补 强材料。试验结果表明：p p 纤维掺量为7 k m 3 的拌合物、钢纤维掺量为3 0 及5 0k m 3 塑：! ! 盔兰堡圭茎堡笙兰，。，。，。，。，。，塞= 耋，：i ，彗一 的拌合物以及掺量为3 0k m 3 的钢纤维与掺量为5k g m 3 的p p 纤维的组合纤维拌合物 显示出了出色的流动性、抗离析性和流经钢筋的间隙通过性能，满足纤维自密实混凝 土的条件。 文献【2 8 针对钢纤维自密实混凝土的通过性能进行了研究。试验采用j 环测试拌 合物的通过性能。研究表明，钢纤维是影响自密实混凝土拌合物工作性能的关键因素。 即使粗骨料均匀分布，并且采用较大的钢筋间距，钢纤维的掺入也会降低拌合物的通 过能力，甚至出现离析。试验通过对钢纤维自密实混凝土通过性能的研究，建立了预 测钢筋间距的模型，利用该模型可以对应用于结构中的钢纤维自密实混凝土进行优 化。 文献【2 9 】研究认为，l 型仪不适合用来测试钢纤维自密实混凝土，比较理想的替 代工具为j 环。研究结果表明，通过对钢纤维的合理使用，可以配制出理想的纤维自 密实混凝土。钢纤维类型对自密实混凝土弯曲性能影响显著，对抗压强度、密度、干 缩的影响差别不大。 1 1 2 自密实混凝土旌工性能影响因素1 3 0 长期以来，国内外关于自密实混凝土的研究大多集中在研究影响混凝土的配制和 工作性能的有关因素。主要研究成果如下： 1 超塑化剂 商性能减水剂的主要成分几乎都是聚合物电解质类，它们对水泥和混凝土具有高 的分散作用，能较好地保持混凝土的坍落度，适宜的减水剂能改善固液两相之间的摩 擦，改善拌合物体系剪切阻力，为使新拌混凝土具有较小的屈服应力值，主要技术途 径是采用高效减水剂。掺这类外加剂可以使混凝土拌合物的流动性大大提高，或者在 保持相同流动性的情况下大幅度减少混凝土拌合物的用水量，同时可使混凝土具有高 耐久性。高性能减水剂可使混凝土的水灰比下降到o 2 5 以下，而水泥用量仍可保持在 5 0 0 k 咖3 ，同时它的坍落度可保持2 0 0 1 i l m 以上。 常用超塑化剂有：萘磺酸盐系列、磺化三聚氰胺系列、氨基磺酸盐系列和聚羧酸 系列四大类。众多研究发现，在众多系列的减水剂中，聚羧酸系减水剂具有很多独特 的优点，具有高减水、低坍落度损失、低掺量、不缓凝、不受掺加时间影响等性能。 聚羧酸系减水剂减水率高达3 0 ，该减水剂与小同水泥有相对更好的相容性。低掺量 ( o 2 o 5 ) 而发挥高的分散性能；保坍性好，9 0 m i n 内坍落度基本无损失；延缓凝 结时间较少。用不同结构单元共聚羧酸高效减水剂拌制混凝土，2 8 d 混凝土试块强度 稳定甚至提高2 0 左右。与其它减水剂例如萘系复合使用，发挥其特点，使复合减水 剂呈现超叠加效应，综合性能更优异。 为达到比较优异的流动性，一股超塑化剂掺量是胶结材总量的2 。 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 2 增粘剂 自密实混凝土拌合物中掺加了大量高效减水剂，为使其既不产生泌水义防止颗粒 的离析，有时还需掺入粘度改性剂即增粘剂。目前应用于自密实混凝土的增粘组分主 要有纤维素类聚合物、丙烯酸类聚合物、生物聚合物、乙二醇类聚合物以及无机增粘 剂几大类。 3 活性矿物外掺料 自密实混凝土中胶结材料用量大，为降低其温度应力和收缩变形，提高混凝土的 密实性和抗渗能力，保证自密实混凝土的耐久性，掺加一定量的活性矿物外掺料是必 要的。粉煤灰和磨细矿渣的颗粒一为球状玻璃体，一为多角形玻璃体，其表面质地比 水泥颗粒要光滑、致密得多，因而吸附水量很小，在相同用水量的情况下增加了混凝 土的工作度。另外掺合料遇水后会形成渗透性差，并能抑制水化的硅铝酸盐水化物薄 膜( a 1 3 s i 0 2 6 h 2 0 ) ，延缓水化反应，这对降低混凝土的初期水化热、减少干缩、改善和 易性、减少新拌混凝土坍落度经时损失大为有利。 常用于自密实混凝土的外掺料有：粉煤灰、磨细矿渣、硅荻等。对于自密实混凝 土的抗离析性，我国有关文献均将粉煤灰作为调节混凝土塑性粘度的重要组分。将矿 物外掺料复掺不但町以显著降低水化热，而且是控制预拌自密实混凝土工作性损失的 技术途径之一。磨绌矿渣的掺加，填充效应增强，浆体絮凝结构打破，流性增强。有关 试验表明，硅灰对提高强度有利，但影响拌合物的流动性。 4 胶结材料用量 胶结材料用量过少，不能润滑骨料，流动性降低；用量过高，则会带来诸多不利 的影响，如水化热过高、收缩增大等负面效应。另外，当胶结材用量超过一定值后， 混凝土的强度基本不再增加，所以应控制水泥的用量在4 5 0 5 5 0 k m 3 范围内。 5 砂的类型和砂率 常用于自密实混凝土配制的细集料通常是中砂。中砂不同于细砂，中砂的总表面 积较细砂小，砂子的表面需要由水泥浆包裹，砂子的总表面积越小，则需要包裹砂粒 表面的胶结材料就越少，一般来说用中砂拌制混凝土比用细砂所需的胶结材料为省； 中砂级配优于细砂，空隙率较小，在混凝土中砂粒之间所需胶结材料填充的空隙就越 少，即节约胶结材料又提高了强度，可见控制砂的颗粒级配和粗细程度有很大的技术 经济意义。 砂率是影响混凝土拌合物1 作性的一个主要因素。砂率的改变使集料空隙率和总 表面积发生改变，适宜的砂率可以减少粗集料之间的接触，增强润滑作用，使混凝土拌 合物的粘聚性和保水性变优。小砂率情况下，拌合物的流动性存在个极限坍落度( 既 在给定配合比情况下，无限增大拌合物用水量，拌合物流动性也得不到改善，坍落度 郑州人学硕十学位论文 第一章绪论 不再增大) 。不同的砂率对拌合物流动性及强度的影响试验结果表明，自密实混凝土的 砂率f 中砂) 应在4 5 5 2 左右，以利于混凝土流动性的增强。用特细砂配制的混凝 土拌合物，随着砂率的增大( 2 4 3 l ) ，坍落度、坍落流动度减小，保水性、粘聚性 增大。特细砂的砂率在2 8 左右时，可制得坍落度大于2 4 c m 的大流动性混凝土。 6 骨料3 1 】 骨料是混凝十重要组成部分，它的形状、粒径、性能等对混凝土的工作度、强度、 稳定性以及耐久性都有直接影响。免振捣自密实混凝土应选择质地峰硬、密实、洁净 的骨料。粗骨料宜选择粒形方圆、致密，其中针片状含量应尽量减少；细骨料宜选用 级配良好的中砂或粗砂。骨料的吸水率与混凝土的抗冻性和干缩性有密切关系，一般 情况下吸水率越大，抗冻性越差，干缩值也越大，所以配制高性能混凝土应选择吸水 率较低的骨料。骨料的粒径分布尽量符合最密实的填充状态。当粗骨料的粒径小于 1 5 m m 时其表面微裂缝、空洞和松软矿物质及内部缺陷可基本消除。由于粒径小，比 表面积就相对增大，从而使硬化后的混凝土受力时平均粘结应力降低，减小界面应力 集中。同时对粒径小的骨料，其表面聚集水膜的倾向也小，这就减少了混凝土的内部 泌水，使界面增强，故此混凝土强度提高，密实度增大，耐久性增强，所以配制免振 捣自密实混凝土最好选用粒径为5 1 5 m m 连续级配的石子，最大粒径也不宜超过 2o i i 】m 。 1 2 本文的研究内容及意义 自密实混凝土对原材料的选择比较敏感，所以利用当地常见原材料配制自密实混 凝土对自密实混凝土在当地的推广很有意义。 目前关于自密实混凝土的研究主要集中在混凝土的配制和对工作性能的测试方 面。对自密实混凝土的力学性能缺乏系统的研究，关于纤维自密实混凝土的研究更为 少见。由于自密实混凝土胶凝材料用量较大，随之混凝土在硬化过程中的干缩也就比 较大，加入钢纤维以后可以部分抑制混凝土的干缩，同时还可以改善混凝土的力学性 能。所以，将纤维与自密实混凝土二者结合应该是很有意义的。基于目前的研究现状， 尽管可以配制出性能良好的纤维自密实混凝土，但尚缺乏对其力学性能的系统研究。 同时纤维自密实混凝土和普通振捣纤维混凝土之问的关系也有待探讨。由于振捣对纤 维的耿向产生有利的影响，改善纤维混凝上的力学性能，对成型方式影响的研究也是 必要的。另外，在目前有关钢纤维自密实混凝土的研究中，钢纤维体积率大多集中在 o 5 左右，钢纤维的掺入量较小，对自密实混凝土力学性能的改善不明显。本文在现 有研究的基础上，加大了钢纤维的掺入量，以企更好地改善白密实混凝土的力学性能。 本文通过钢纤维自密实混凝七的抗压。降能、抗拉性能、抗弯性能、弹性模量的试 验研究，重点研究纤维掺量和粉煤获置换率等对钢纤维自密实混凝土基本力学性能的 郑卅大学硕士学位论文 第一章绪论 影响。 主要试验变化参数为： 1 、纤维掺量由于钢纤维的加入对自密实混凝土工作性能的影响，所以在自密 实混凝土中不可能像普通钢纤维混凝土那样大量的掺入钢纤维。根据目前的研究情 况，本试验将纤维体积率( 掺量) 定为o ，6 、o 9 、1 2 。 2 、粉煤灰置换率2 0 、3 0 、4 0 3 、成型方式自密实成型、振捣成型 在混凝土拌合的同时，对拌合物进行坍落度、扩展度、j 形环等一些工作性能的 检测，确保能达到自密实混凝土的工作要求。 主要研究内容为： l 、钢纤维自密实混凝土抗压性能研究 通过钢纤维自密实混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量的试验，研 究钢纤维体积率、粉煤灰置换率、成型方式( 同一配合比下的自密实成型、振捣成型) 对立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量的影响。 2 、钢纤维自密实混凝土抗拉性能研究 通过钢纤维自密实混凝土立方体劈拉试验，研究钢纤维体积率、粉煤灰置换率、 成型方式对钢纤维自密实混凝土立方体试件劈拉强度和性能的影响。 3 、钢纤维自密实混凝土抗弯性能研究 通过钢纤维自密实混凝土小梁试件的弯曲试验，研究钢纤维体积率、钢纤维类型、 粉煤灰置换率、成型方式等对钢纤维自密实混凝上小梁试件抗折强度以及弯曲性能的 影响。 郑州大学硕士学位论文第二章钢纤维自密实混凝十的配型 第二章钢纤维自密实混凝土的配制 摘要：本章介绍了自密实混凝土的作用机理和现有的配合比设计方法。在此基础上， 结合本地常用原材料和常规技术，研究了钢纤维自密实混凝土配合比的配制，建议了 粉煤灰掺量和钢纤维体积率一定条件下的钢纤维自密实混凝土的配合比，可供工程应 用参考。 关键词：钢纤维、自密实混凝土、配制 2 1 自密实混凝土的配制及检测 2 1 1 自密实混凝土作用机理 混凝土拌合物的工作性是其稠度、可塑性和易修饰性的总称，对于高性能混凝土 则还包括充填性、可泵性和稳定性等。免振捣的自密实( s e l f - c o m p a c t j n gc o n c r e t e ，简 称s c c ) 混凝土首先必须具有较好的工作性能，同时流动性、抗离析能力以及其他良好 的新拌性能也是能否成功配制免振捣高性能混凝土的关键。新拌免振捣高性能混凝上 可以用流变学中的宾汉姆模型( 见图2 1 ) 加以描述，它是一种其他粒子( 如粗细集料等) 悬浮在液相连续介质( 即水泥浆体) 中的悬浮体。可以说在所有的粒子悬浮体中，流 动性与粒子离析间的平衡是必需的，具体表现为同时具有高流动性、高抗分离性、高 间隙通过能力和高填充性。 警 t r o 圈2 - l 宾汉姆皿i l l g h a m ) 模型 在上图中，当t - 。，在并联部分发牛与应力( t 一。) 成j f 比的粘性流动，即： t t 。= n 。( dy 。d t )( 2 2 ) 式中，t 为外力作用下，拌合物内部产生的剪切应力，t 。为屈服剪切应力，q 。 为塑性粘度系数，y 。为粘性流动变形，dy ，为在无限小时间小时发生的变形，即瞬时 变形。 总变形y = y 。+ y 。而y 。为常数，故此式可写为 郑州大学硕士学位论文第二章铡纤维自密实混凝土的配制 t = t 。+ n 。( dy d t )( 2 - 3 ) 当t 。o 时，则拌合物的流变性质近似 为牛顿体，例如主要靠自重而流动的高流动 性混凝土。从混凝土拌合物( 近似宾汉姆体) 的流变曲线( 图2 2 ) 可见牛顿体的流变曲线 通过原点。要得到较高流动性而又不离析的 拌合物，应当减小剪应力t 。 根据宾汉姆方程t = t 。+ n 。( dy d t ) ， 在外力作用下混凝土拌合物内产生的剪切 图2 2 混凝十拌合物的流变曲线 力大于或等于阻止塑性变形能力时，混凝土开始流动。q 。是混凝土内部阻止其流动的 一种性能，n 。越小在相同外力作用下流动速度越快，由此可知，屈服剪切应力和塑性 粘度系数是反映混凝土拌合物工作性能的两个主要流动参数。与普通混凝土采用机械 振捣时触变作用令t 。大幅度减小，使振动影响区内的混凝土呈液化而流动并密实成型 的道理相似，制备免振捣混凝土的原理是通过骨料、外加剂、胶凝材料和细掺料的优 选和配合比的优化设计，使骨料悬浮于水泥中，不出现离析和泌水问题，能自由流淌 并充分填充模型内的空问，形成密实均匀的结构。 锄胶结材种类的影蝻 鞭集科体识搴 ( 妫鞠蘸寮 种类的影睫 图2 3 原材料对混凝十流变参数的影响 另一方面，免振捣混凝土必须具有较好的抗分离性。试验表明，离析的混凝土在 通过问隙时，粗骨料会产生聚集而阻塞m 隙，难以填充模板和保持拌合物均匀。混凝 士离析的主要原因是t 。和q ，过小，混凝士抵抗籼骨料与水泥砂浆相对移动的能力较 台盂v邕辱拳辩 郑州大学硕士学位论文 第二章钢纤维自密实混凝土的配制 弱。由此可知，屈服剪切力r 。和塑性粘度n 。既是混凝土开始流动的前提，又是不离 析的条件。为了获得稳定性而又不离析的混凝土，新拌混凝土中液相必需有适当的流 变性，防止离析、泌水现象的产生。要达到此目的，须掺入适量粒度小于o 2 5m m 的 细填料，同时须有较高的胶结材料用量，有时还需掺入粘度改性剂如增粘剂等。 合适的液相的体积量即水泥浆量也是重要的参量，水泥浆量过少则搴h 细集料颗粒 不能悬浮其中，屈服剪切力过大，造成新拌混凝土不具有良好的流动性。而如果水泥 浆量过大，会因为屈服剪切力过小则产生离析现象的发生。 另外，为了使混凝土能流畅地通过钢筋和模板中的任何间隙丽不产生阻塞，需根 据结构设计选定合适的集料粒径和形貌。 混凝土原材料性能对于其流变常数( 塑性粘度、屈服值) 是有影响的，同本的a l ( i m y o s h i n o 等人对此进行了研究，结果见图2 3 所示。其中图( a ) 中c 为水泥，s g 为硅灰， l s 为石粉，图( b ) a ，b ，c 分别为三种不同集料。 2 。1 2 自密实混凝土的配制研究 目前还没有形成统一的自密实混凝土配合比的设计方法，其配合比设计主要依据 经验进行，如经验推导法；也有学者尝试应用配制高性能混凝土的全计算法进行自密 实混凝土的配比设计。以下是两种比较有代表性的方法。 一、经验推导法【3 2 l ( 一) 设计基本原则 生产自密实混凝土的现有程序主要是以经验为依据的，配合比设计是以日本、荷 兰、法国和瑞典的经验为基础。在s c c 生产中，配合比的设计应该确保混凝土能够 达到预先规定的新拌合硬化性能。组分之间要互相协调以防止离析、泌水和沉降。下 图所示为s c c 配合比设计的现有规则。 封 封 震麓l 一髂蕺 牡赣撵期精瓣蜒“体毒 j i 囊辫 秽重件i l ! 中新躺譬辩 圈2 _ 4 配合比设计规则 ( 二) 自密实混凝土配合比方案的确定 l 、粗集料用量 啡 一 二圜 郑州大学硕士学位论文第二章钢纤维自密实混凝土的配制 选择的粗集料用量