（交通运输工程专业论文）钢纤维混凝土性能及在公路工程中的应用.pdf

摘要 钢纤维混凝土( s f r c ) ，虽然它的各项力学性能良好，但由于其施工应用成本 高，纤维易结团，流动性差，搅拌、施工困难等原因，一直未能广泛地应用。为了 将该优良材料应用于我省公路建设中，本文主要针对上述问题展开深入研究。 目前国内许多桥面已采用了s f r c 铺装，但由于没有可供s f r c 合理厚度设计的 疲劳方程，在厚度取值方面只依据s f r c 的抗弯强度并凭经验进行估计，因此要做到 科学、合理、经济地确定s f r c 结构厚度，还没有确凿的理论依据，本文通过4 2 组 疲劳试件的测试，研究了钢纤维混凝土的疲劳性能，并得出了相关的疲劳方程，为 s f r c 结构厚度设计提供了一定的理论依据。 钢纤维混凝土一次性投资费用太高，限制了钢纤维混凝土的进一步推广应用， 为解决这个问题，项目研究开发了新型的“撒布式 结构，这不仅改善了混凝土的 脆性，而且还节约了一次投资费用的问题。 为更好应用新型“撒布式 结构，本文提供了撒布式s f r c 的疲劳方程及施工 工艺，同时将撒布式s f r c 与普通混凝土、s f r c 的强度进行对比，结果表明：采用 新型撒布式结构可大幅度提高抗折强度，与s f r c 相比可降低水泥用量。 关键词：钢纤维混凝土水泥混凝土路面公路工程疲劳方程撒布 a b s t r a c t t h o u g hs t e e lf i b r er e i n f o r c ec o n c r e t e ( s e r c ) h a se x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， i t ss h o r t c o m i n g ，h i g h e rc o s t ，p o o rf l o w a b i l i t y ，h a r dm i x ，a n dd i f f i c u l tc o n s t r u c t i o n ，l i m i t s i tt ob eu s e dw i d e l y t h ep a p e rf o c u so no v e r c o m i n gt h e s es h o r t c o m i n g , a n di m p r o v e a p p l i c a t i o ni nh i g h w a yi ns h a n x ip r o v i n c e t h ef a t i g u ee q u a t i o ni ss oi m p o r t a n ti ns t r u c t u r ed e s i g n h o w e v e rt h e r ei sn oa n y e q u a t i o nf o rt h i c k n e s sd e s i g n ，e s p e c i a l l yi nb r i d g ed e c kd e s i g n t h ep a p e rg e t st h ef a t i g u e e q u a t i o nb y4 2g r o u p so fs f r c ，w h i c hg i v eat o o l si ns t r u c t u r ed e s i g n f i n a l l yr e s e a r c h o f t h ef a t i g u ep r o p e r t yo fs f r ci sc a r r i e do u ti nt h e p a p e r i no r d e rt os o l v et h ee x p e n s i v ec o s t ，t h ep a p e ri n v e n t sn e wc o n s t r u c t i o nm e t h o d t h em e t h o di st h a tt h es t e e lf i b r ei ss p r i n k l e do nt h es u r f a c eo ff r e s hc e m e n tc o n c r e t e s o t h em e t h o di sn o to n l ye c o n o m i c ，b u ta l s om o d i f i e st h ee m b r i t t l e m e n to fs f r c a n d d e t a i lr e s e a r c hp r o v e st h a tt h en e ws f r ch a sh i g h e rf l e c i a b l es t r e n g t ha n dal o w e r c e m e n tc o n t e n tt h a nt h e s eo f n o r m a ls f r c k e y w o r d s ：s t e e lf i b r er e i n f o r c ec o n c r e t e ( s f r c ) ；c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ； h i g h w a ye n g i n e e r i n g ；f a t i g u ee q u a t i o n ；s p r i n k i n g 钢纤维混凝十性能及往公路t 程中心甩研究 第一章前言 第一节问题的提出与研究的必要性 我省是煤炭基地，随着晋煤外运，交通量的迅速增长，水泥混凝土路面的高强、 耐久、以及良好的服务性能，越来越受到人们的重视，省政府己确定把水泥混凝土 做为我省今后公路的主要发展方向。到2 0 0 0 年底己修造水泥混凝土路面2 2 2 9 公里。 从已建的水泥混凝土路面及桥面铺筑中，已发现有不同程度的网裂及断板现象出 现，为了解决这些问题，首先从水泥混凝土自身的致命特点脆性特性开始着手 研究。为了克服水泥混凝土材料的这种缺陷，在普通混凝土材料中掺入短纤维制成 复合材料是一种有效的方法。其中应用比较广泛的是钢纤维混凝土。 由于钢纤维混凝土具有优越的力学特性，从而应用范围比较广泛，不仅适用于 修筑普通公路路面和重载、大交通量的高等级公路路面，而且也适用于修筑预应力 混凝土桥、桥面铺筑、旧桥面、旧路面的加铺层等。目前，钢纤维应用在混凝土中 主要以整体搅拌形式为主，虽然这种结构的力学特性很显著，但由于其研究广度还 不够、普遍性也不强，同时钢纤维混凝土的配合比设计方法及完善的结构理论设计 现在还是空白，在施工结团问题上还未彻底解决，使得钢纤维混凝土在公路建设中 的大量应用方面受到一定限制，为了进一步推广钢纤维混凝土在我省公路工程中的 应用，尤其在高等级公路中的应用，因此完善钢纤维混凝土设计理论，改进现有路 面结构型式，研究经济实用的钢纤维混凝土路面修筑技术，及采用新型钢纤维混凝 土路面的结构型式等，己成为当前十分重要的研究课题。 第二节国内外研究现状与分析 在混凝土中掺入钢纤维后，其力学特性发生了很大的变化。这一新型复合材料 出现于上世纪初，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土的研究报 告。在以后的5 0 年中，英国、法国、德国、美国的学者先后提出用钢纤维提高混 凝士的耐磨性、抗裂性以及生产钢纤维和改进钢纤维的性状，提高钢纤维与混凝土 间的粘结力。但由于当时没有增强机理作指导，使这一复合材料在工程中没有得到 推广应用。1 9 6 3 年美国j p r o m u a l d i 等人提出了“纤维间距理论”，引起了注意 和重视，从而促进了钢纤维混凝土的发展。此后钢纤维混凝士在防爆工程、道路桥 梁铺面及机场道面工程、水利工程、矿井支护工程等方面得到了逐步的应用并取得 良好效果，现在钢纤维混凝土已成为研究最多的纤维增强水泥基复合材料，在理论 钢纤维混凝= 二住能及红公路t - 程中瘦珂j 研究 和应用两个方面都有新的进展，并不断深入应用至0 各个工程领域中。 钢纤维混凝士出现伊始，虽然它的各项力学性能良好，但由于其施工应用成本 高，纤维易结团，流动性差，搅拌、施工困难等原因，一直未能广泛地应用。直到 八十年代，国际上先后研制出一些新型钢纤维品种，这些纤维在设计时，考虑纤维 在混凝土中增强作用的同时，还考虑了纤维应具备良好的施工性能。 从理论上分析混凝土中钢纤维所受的应力与纤维的长径比和界面粘结强度成 正比。要提高纤维在混凝土中的增强效果，一是提高纤维长径比，二是提高钢纤维 与基体之间的粘结强度，但是长径比过大，钢纤维混凝土的施工性能就变得非常差， 混凝土和易性降低，还会产生纤维结球现象，破坏拌合物的均匀性，影响钢纤维混 凝土的质量。所以合理的长径比和提高界面粘结性能是提高钢纤维增强效果和保证 其施工性能的有效途径，就钢纤维本身而言，即取决于它的性状及表面情况，从而 产生了一系列新型钢纤维。 新型钢纤维出现之后，钢纤维混凝土在国际上，特别是在欧美发达国家有了较 大规模的应用，并且这种势头正在逐年增长。 我国对s f r c 的开发研究始于七十年代，s f r c 路面试点工程也越来越多。以钢 板切削纤维增强为例，先后在山西太原( 纤维体积率为1 5 ，路面厚度1 4 5 c m 和 1 6 0g i l l ) 、辽宁沈阳( 纤维体积率为1 5 ，路面厚度1 4 0c m ) 、河南新乡( 纤维体 积率为2 5 ，路面厚度2 2 0c m ) 、浙江金华( 纤维体积率为2 o ，罩面厚度1 2 0c m ) 、 福建、上海、南京等地区修筑了s f r c 路面和修补罩面。此外在安徽、大庆等地区 还用熔抽法钢纤维混凝土铺筑了s f r c 试验路，均取得了良好效果。 当前我国的交通事业发展迅速，随着交通量与行车荷载的增长；对道路的要求 也越来越高，虽然钢纤维混凝土用于道面工程，可以充分发挥其弯拉强度高、抗裂、 抗疲劳、耐磨、抗冲击性能好的特点，并可在一定程度上取代钢筋，减薄面板厚度， 加大缩缝间距，缩短施工周期，提高工程质量，降低工程维修费用，延长工程使用 寿命。但由于在钢纤维混凝土的配合比设计方法及完善的结构理论设计现在还是空 白，在施工结团问题上也未彻底解决，使得钢纤维混凝土在公路建设中的大量应用 方面受到一定限制，因此完善钢纤维混凝土设计理论，改进现有路面结构型式，研 究经济实用的钢纤维混凝土结构是当前主要的研究内容。 第三节本文主要研究内容 t 本课题以钢纤维混凝土和撒布式的钢纤维混凝土为研究对象，探讨在混凝土中 钢纤维混凝十性能及在公路i 程中应用研究 掺入钢纤维后，其配合比设计、疲劳特性能、整体受力性能以及钢纤维混凝土( s f r c ) 裂后性能的变化情况，从而为钢纤维混凝土的进一步推广提供理论依据。具体内容 如下： ( 1 ) 不同品种钢钢纤维材料的选型及剂量的确定； ( 2 ) 钢纤维与水泥砂浆粘结强度性能试验； ( 3 ) 按正交试验研究合理的钢纤维混凝土配合比设计方法； ( 4 ) 撒布式钢纤维混凝土结构的研究； ( 5 ) 钢纤维混凝土与撒布式钢纤维混凝土、聚丙稀纤维混凝土、钢筋网混凝土、 素混凝土的物理、力学性能和路用性能的研究； ( 6 ) 钢纤维混凝土与撒布式钢纤维混凝土疲劳性能的研究； ( 7 ) 钢纤维添加方式及搅拌工艺的研究； ( 8 ) 钢纤维混凝土与撤布式钢纤维混凝土施工工艺的研究； ( 9 ) 技术经济效益与社会效益分析。 钢纤维混凝i 佳能及曲| 公路i 程中应用研究 第二章钢纤维与砂浆粘结性能试验及增强机理的研究 第一节钢纤维与水泥砂浆粘结强度试验 钢纤维对混凝土的增强增韧作用主要通过它与混凝土基体间的粘结力来实现。 由于钢纤维与基体的粘结作用，使钢纤维能起到阻止裂缝开展并承受荷载的作用。 同时，由于其间的粘结滑移消耗大量的能量，使混凝土裂后性态发生了根本的变化， 大大改善了混凝土抗变形性能。 2 1 1 原材料性能 在工程实践中，影响钢纤维与基体混凝土的粘结强度归纳为两个方面：一是混 凝土强度；二是钢纤维的长径比和钢纤维的形状。在试验中，采用了普通硅酸盐3 2 5 级水泥砂浆、掺加不同剂量膨胀剂的3 2 5 普通硅酸盐水泥砂浆及掺加有一定膨胀 剂和粉煤灰的3 2 5 级普通硅酸盐水泥砂浆作基体，采用浙江嘉兴产凸痕剪切z h - 0 6 型钢纤维、上海佳密克斯冷拔6 5 6 0 型钢纤维和上海哈瑞克斯削铣型钢纤维作拔出 对比试验。钢纤维与水泥砂浆基体粘结强度的测定方法按照钢纤维试验方法标准 ( c e c s l 3 ：8 9 ) 中的规定执行。钢纤维的特征参数如表卜l 。试验在2 0 k n 的万能试 验机上进行，加荷速度控制在0 3 m m m i n ，由试验机自动记录荷载一位移曲线。 一钢纤维特征参数表1 - 1 钢纤维厂名 规格品种平均长度等效直径长径比 浙江嘉兴钢纤维厂z h 一0 6 型3 2 o m m0 6 4 m m5 0 8 上海哈瑞克斯钢纤维厂 铣削型 3 2 5 咖0 9 4 2 m m3 4 5 上海佳密克斯钢纤维厂6 5 6 0 型 6 0 o m m0 9 m m6 6 7 2 1 2 影响界面粘结强度的因素 钢纤维与水泥砂浆基体界面间的粘结强度为界面单位面积的糙结力，它包括两 方面的内容：钢纤维与基体接触面上所产生的粘着力及机械咬合力。因此，界面粘 结强度既受基体性能参数的影响又受钢纤维特征参数的影响。 2 1 2 1 掺合料对钢纤维与水泥砂浆界面粘结强度的影响 s f r c 中掺入膨胀剂是集防渗与承载于一体的新型复合材料，试验结果表明钢 纤维与膨胀剂联合作用可使混凝土的各项力学性能指标得以更大提高，同时在此基 础上加入粉煤灰也进一步改善了其性能。为探讨其联合增强机理，在试验中选用凸 痕剪切型钢纤维z h 一0 6 型和种膨胀剂及一种粉煤灰( 三级灰) 的水泥砂浆，做钢 纤维的拔出试验。水泥砂浆的特征参数及试验结果如表1 - 2 。 钢纤维混凝十性能及矗i 公路l i 程中应用研究 掺合料对粘结强度的影响表1 - 2 试件膨胀剂掺量粉煤灰掺量 砂浆强度 粘结强度 编号 水灰比灰砂比 ( ) ( ) ( m p a ) ( m p a ) 1 o 51 ：1 7oo4 3 7 85 0 9 2 0 51 ：1 71 404 8 4 64 8 1 3 0 51 ：1 71 6o2 9 5 83 7 9 4 o 51 ：1 71 41 34 9 o l5 0 1 注：膨胀剂掺量与粉煤灰掺量为水泥用量的百分比。 由试验结果可知，随膨胀剂掺量的增加，其界面粘结力减小，但砂浆强度变 化不明显，界面粘结力减小的原因分析：水泥中掺入膨胀剂在水化过程中，产生膨 胀的同时，也因结构的形成而产生强度。由于膨胀作用开始得较早，而强度增长滞 后产生并逐渐加大，这样膨胀对其结构有一种破坏作用。当水泥砂浆强度低时，这 时由于砂浆的自由膨胀破坏了钢纤维与基体的部分粘结力，膨胀剂掺量越大自由膨 胀能越大，界面粘着力破坏越严重，使得界面粘结强度越小。而随着膨胀剂掺量增 加，水泥砂浆强度变化不明显的原因，可能是由于膨胀剂的加入减少了水灰比而使 强度的提高与膨胀剂对强度的降低相互抵消的缘故。 编号4 与编号2 相比较，其水泥砂浆强度和界面粘结强度有所增长，这说明 了在掺入粉煤灰后，不仅降低了水胶比，而且用粉煤灰来填充了许多孔隙，使砂浆 致密，与钢纤维的粘结面积增大，从而使强度有所增长。 2 1 2 2 钢纤维形状对粘结强度的影响 研究采用浙江嘉兴凸痕剪切z h - 0 6 型、上海佳密克斯冷拔6 5 6 0 型和上海哈 瑞克斯铣销型钢纤维作为钢纤维拔出试验，试验方法采用c e c s l 3 ：8 9 钢纤维混凝 土试验方法，水泥砂浆参数及试验结果如下表1 - 3 。 钢纤维形状对粘结强度的影响表1 - 3 编号水灰比灰砂比砂浆强度( m p a )钢纤维品种粘结强度( m p a ) l0 4 5 1 ： 2 4 2 1 8剪切凸痕一0 6 型 5 8 9 2o 4 5l ：24 2 1 8 贝卡尔特6 5 6 0 型 6 7 2 3o 4 51 ：24 2 1 8 哈瑞克斯 5 6 9 从匕表中司看出，不同类型的钢纤维其界面粘结强度相差是很大的。 2 1 3 钢纤维与彭栩铺辫瀚移6 兀j 匿赠嗣务位移衄线崩晰 钢纤维对混凝土的增韧作用是通过钢纤维从基体中拔出消耗大量的能量实现 的。所以说钢纤维与基体要有足够的粘结强度来阻止裂缝开展和传递荷载，同时还 t 必须有足够的抗粘结滑移能力，以吸收足够的能量达到混凝土增韧的作用。因此 钠纤维混凝。卜住能及磊公路1 i 程q - , - 碜用磺究 钢纤维与基体的粘结滑移机理作进一步的分析研究非常重要。 2 1 3 1 铣削型钢纤维 钢纤维的拔出过程分三个阶段( 图1 ) ：( 1 ) 弹性粘结阶段，该阶段拔出阻力由界 面间粘结力提供，对应的荷载一位移曲线为直线部分o a 段，a 点的荷载定义为p 。， 并称之为初裂荷载。( 2 ) 部分脱粘阶段，此阶段从拉拔端到埋入端逐渐产生粘着失效 破坏，位移明显增大，直至完全脱粘，荷载越过最大拉拔点后曲线进入下降段，且 下降段有明显的反弯点，然后荷载急剧下降至c 点，c 点为完全脱粘点，该阶段拔 出阻力由界面粘结摩擦力提供。( 3 ) 全部脱粘并处于动态拔出阶段，对应荷载一位移 曲线下降段c d ，该阶段为摩擦粘结阶段，而且随位移的增大，摩擦粘结急剧下降， 此时，摩擦力下降的原因：一是钢纤维周围混凝土被破坏；二是钢纤维埋入长度逐 渐减小。 0 籁 枢 仓 0 籁 柱 a 一 一r ： “7 00 30 6 0 91 21 51 82 12 42 73 图1 - 1 荷载位移曲线的影响 变形( ) 1 - 2 荷载一位移曲线的影响 变形( ) o 7 6 5 4 3 2 l o o o 0 o 0 o o 0 0 d 0 姗咖咖咖|堇咖垂|伽湖黜m o 钢纤维混凝士性能及在公路i 程中应用研究 m 譬 搦6 0 0 稼 4 5 0 3 0 0 1 5 0 0 0o 5 11 522 533 5 变形( ) 图1 3荷载位移曲线的影响 2 1 3 2 冷拔型钢纤维 图卜2 为贝卡尔特冷拔6 5 6 0 型钢纤维拔出荷载一位移曲线。o a 段为直线上升 段，此段与图i - i 中直线部分相似，属于弹性粘结阶段，阻拔力由界面粘着力提供。 越过a 点后进入部分脱粘阶段，曲线的曲率明显增大，但此阶段拔出阻力不仅仅由 钢纤维与基体间的粘结摩擦力提供，而钢纤维的变形也为钢纤维的拔出提供一种阻 力。在钢纤维的拔出过程中，端钩逐渐被拉直，拔出荷载仍可大幅度增加，但位移 增加较快，使上升段由直线变为曲线，弯钩部分逐渐被拉直并沿钢纤维全长全部脱 粘后至b 点。过此点后，拔出荷载随位移的增加而下降，但下降段没有明显的反弯 点。这说明部分拉直的钢纤维与基体的摩擦力较大。但试验中发现拔出的钢纤维弯 钩几乎全部被拉直，通过这一现象，并对比图1 - 2 、图卜3 曲线下降段的曲线形式， 可以判断，图卜2 曲线下降段的阻拔力，由弯钩的进一步拉直变形提供的阻拔力和 钢纤维与基体的摩擦阻拔力组成。可见，贝卡尔特钢纤维端钩的变形阻拔作用，贯 穿于部分粘结及完全脱结的两大过程，弯钩对弹性粘结阶段的拉拔力几乎没有影 响。 2 1 3 3 剪切凸痕型钢纤维 图卜3 为剪切凸痕z h 0 6 型钢纤维拔出荷载一位移曲线图。曲线也是由上升段 和下降段组成，上升段由直线部分和曲线部分组成，曲线部分的曲率较图i - i 相应 曲线的曲率大、较图卜2 相应曲线的曲率小。越过最大拉拔荷载点后曲线进入下降 段，且在下降段有明显的反弯点，而该反弯点的荷载大于前峰点，说明该纤维的边 钩充分发挥了拉拔阻力作用，从曲线的下降部分可以看出荷载的下降速度比较缓 慢。说明在完全脱粘后，凸痕型的摩擦阻力比铣销型的大，比冷拔型的小。 2 1 4 结束语 锄纤维混凝一卜性能及缶公路t 程中应用研究 2 1 4 1 对同一基体而言，两端带钩的钢纤维其粘结强度高。不同类型异型钢纤维 的界面粘结强度相差较大。 2 1 4 2 在拔出试验中，从达到最大荷载时的吸能比较结果看，带钩钢纤维比其它 类钢纤维的吸能能力大得多。 第二节钢纤维增强混凝土的机理 s f r c 增强的机理是其所表现出的一切物理力学性能的内在本质。只有弄清s f r c 增强机理，才能建立合理的s f r c 结构设计与计算理论。为此，先对混凝土的基本 特性和破坏机理作一阐述，在此基础上研究s f r c 增强的机理。 2 2 1 混凝土的基本特性和破坏机理 2 2 1 1 混凝土的基本特性 混凝土的基本特性可以包括以下几个方面 ( 1 ) 由于混凝土是由多种材料混合而成，因而必然存在着结合面，并且在混凝 土成型后，这些结合面会形成许多微裂缝。即混凝土本身就有大量的“先天 裂缝 和缺陷； ( 2 ) 由于混凝土中骨料颗粒较大，形状、方位是随机的，混凝土材料和缺陷的 分布是随机的； ( 3 ) 混凝土材料具有脆性特性； ( 4 ) 在同样应力状态下，混凝土材料的破坏可以分为三级；第一级为混凝土的 破坏，此时骨料和砂浆的结合面开始出现较为严重的裂缝；第二级是砂和水泥浆的 结合面开裂，此时裂缝扩展进入砂浆，砂和硬化水泥浆的结合面发生解体破坏，从 而导致裂缝扩展即将进入硬化水泥浆；第三级是硬化水泥浆开始解体，此时裂缝逐 渐贯通，水泥浆体内的裂缝急剧增加，发展加快，最终导致混凝土结构的破坏。 2 2 1 2 混凝土的破坏机理 由基本特性可知，混凝土的破坏过程可以概括如下：在外力作用下，其缺陷部 位将首先产生较大的集中应力，使得裂缝从这些部位开始发展，然后导致整个混凝 土构件的破坏。 由此可看出，混凝土的破坏过程与其内部裂缝的发展过程有着密切的关系。 2 2 2s f r c 的混凝土增强理论 s f r c 是延性纤维分散在脆性基体中，主要改善s f r c 整体的开裂性能及断裂能 i 量，由于高延性纤维具有吸收大量能量的特性，因此赋予复合材料韧性和抗冲击能 镪纤维混凝j 二性能及在公蹈i 程中瘦弱研究 力。 依钢纤维混凝土结构资料记载，用纤维材料来增强混凝土，其机理有两种 解释：其一，是将s f r c 看作是纤维强化体系，应用混合原则来推算s f r c 的应力、 弹性模量和强度等，并考虑复合材料在拉伸方向上，有效纤维体积率的比例和非连 续性短纤维的长度和取向修正及混凝土的非均质体特性的复合力学理论，根据混合 原则，复合材料的应力为：仃= ，7 酬垆+ 锄；钢纤维混凝土抗拉强度的表达式为： 五= 歹( 1 一v d + r l 。f 车圩。其二，是纤维约束了裂缝的发展，而裂缝是作为脆性材料 口， 的混凝土遭受破坏的原因，这就是根据线性破坏力学进行说明的纤维间距理论，某 一断面能够有效地抵抗拉伸应力的纤维平均间距可由下式计算：s = 1 3 8 毋圻7 芦， 抗拉强度麟t ；- - 怕一去卜 式中 毋，v f 纤维的强度与体积率； 仃。，玩混凝士的强度与体积率； 厶 叼一7 72 叩。叩。，7 7 忙磊。 叼o 纤维的方向系数。由于纤维在混凝土中按随机方向排列，因此应 该考虑复合体拉伸应力方向有效纤维量的比例问题。当复合材料中的每根纤维处于 不同方向时，叼。为所有纤维取向角的纤维方向余弦的平均值，并有o r o 1 ； 厶纤维长度； 踟纤维临界长度。 f ，。纤维混凝士抗拉强度； 歹混凝土抗拉强度； 玢纤维的体积率； t 纤维与混凝土基体界面上的剪应力； 毋纤维直径。 s 纤维平均间距； 钢纤维混凝t 性能及舀i 公路i 程中虚用硪究 尸纤维的体积百分率，p = 10 0 玢： 七主要由粘结强度决定的常数； & 钢纤维能起到增强作用的间距上限值； 以上两个理论是从不同侧面来解释钢纤维对混凝土的增强作用，一般认为纤维 混凝土的初裂强度受纤维间距s 所支配，而极限强度主要取决于纤维体积率，外形 及其粘结强度等。对纤维混凝土的研究从理论上提出依据具有指导意义。 2 2 2 3 钢纤维在混凝土中的分散和排列 ( 1 ) 钢纤维的分散 由于钢纤维混凝土中的纤维分布不均匀，其屈服强度是由纤维分布量最少的那 个截面的强度所决定。因此，钢纤维分散不均匀就意味着纤维利用率的降低。 由国家科委0 2 5 。课题第三分题可知，钢纤维在混凝土中的分散可以通过分散系 数卢来表征。 卢= e 叫曲 l 9 c z ，：簿j 式中p 试样中所含钢纤维数的平均值； n 试样数； 船某一试样中所含的钢纤维数。 如在各试样中所含的钢纤维数一定时，即纤维呈均匀分散的场合卢为1 0 ；全 部钢纤维集中于一个试件时，卢为o 。分散系数的变化对钢纤维混凝士抗弯拉强度 有较大的影响。如果分散系数趋近于0 ，则钢纤维不但起不到增强作用，相反，由 于纤维球的存在使得混凝土材料的密实度的不均匀性，从而导致整体强度的降低。 a 影响钢纤维分散的主要因素有： i 钢纤维的掺入率和纤维的外形尺寸： i i 混凝土的搅拌方法、捣实方法及配合比等。 b 根据国外有关试验资料，在下列情况下，容易出现钢纤维结团或分散不均： i 纤维掺入率超过2 ； i i 纤维的长细比超过1 0 0 ，或纤维特别细时； 锅纤维混凝生能及和公路：翻呈中心用研究 i 粗骨料的最大粒径大于3 0 r a m ； 对坍落度较小的混凝土实行长时间连续搅拌时等； v 当对钢纤维混凝土进行振捣时，振动频率越大，或振动时间越长，钢纤维 的下沉倾向也就越强，因而分散系数较小。 ( 2 ) 钢纤维的排列 即使钢纤维在断面以及构件中分散是均匀的，如果排列状态不一样，增强效果 也是不一样的。如对于单轴拉伸的s f r c 构件的纤维排列状态模式，从理论上分析 可有三种： a 纤维在拉伸应力方向定向整齐排列，这时，掺入纤维的利用效率最高； b 钢纤维在于垂直于拉伸应力方向的平面内随机分布的情况，此时增强效果接 近于零； c 三维随机排列的状态，此时，对拉伸应力有效的纤维约为掺入纤维数的一半。 断面较大的构件，其中心部位的钢纤维大致按第三种状态排列，与钢纤维的长 度相比，断面小得多的构件，其断面的边角部位的纤维接近于第一种状态排列；第 二种状态排列在实际上几乎是没有的。 d 排列系数 当纤维在混凝中的各个方向分散时，其排列系数以所有钢纤维在某一方向上 的投影长度之和与所有纤维和长度之和的比来表示。 钢纤维以三维随机排列时，其排列系数可取如下两个值： i 长为l 的纤维，假定它与水平方向和垂直方向的夹角的概率相等，那么它 在任意方向的排列系数为0 4 0 5 ； 假定在一个半球面上，取其任意单位面积中的纤维数量是一定的，那么任意 方向的排列系数为0 5 。 在采用排列系数时，大多采用前值。当钢纤维为二维随机排列时，其排列系数 为0 6 3 7 。 e 影响钢纤维排列的主要因素： i 混凝土的振捣方法。因为振捣时，纤维全部向重力作用方向，即混凝士灌入 方向移运，并在与该方向垂直的方向平行( 棒式振捣器周围的钢纤维) 和趋向与模板 约束面平行( 模板面附近的纤维) 。 h 构件的尺寸。断面尺寸越小，纤维长度越长，排列系数也就越大。也就是说， 钢纤维混凝 ：怿能及4 j 公路t 程中心用研究 纤维比较容易在构件的长向排列。 i i i 钢纤维的长度以及配合比。 即便在同一断面内，不同部位纤维的排列系数也是不一样的。在断面中心部位， 钢纤维接近于三维随机排列状态；而在四周，由于受模板约束而被排列，因而排列 系数较大。断面中心部位和四周的这种纤维排列差，是由断面尺寸和纤维长度两个 因素的组合作用所决定的。断面尺寸越小，纤维排列差也越小，同时整个断面的平 均排列系数就越高。 2 2 2 4 钢纤维的分布对混凝土强度的影响 采用p 03 2 5 级水泥，其用量为3 9 0 k g m 3 ，水灰比0 4 6 ，砂率为4 6 ( 中砂) 其级配满足规范要求，最大骨料粒径为2 0 m m ，钢纤维采用浙江嘉兴钢纤维厂z h - 0 6 型，按不同的分布模式制作1 5 0 m m x1 5 0 m m 5 5 0 m m 小梁试件进行弯拉强度试验，并 同时观察其横断面上纤维分布情况。如图卜4 所示：将试样横断面划分割成若干块， 测定每块的纤维根数( 用小矩形图中的数字表示) ，根据所测得数值求出分散系数 b 。这样就可以定量地表示出断面中纤维的分散度，其测定结果如下表卜4 。 a 1 3 = 0 8 5 8 ( 8 5 k g m 3 ) 3 43 43 8 3 63 83 7 3 53 43 6 b b = o 9 1 7 ( 8 5 k g m 3 ) c e 1 3 = 0 2 2 8 ( 9 0 k g m 3 ) 图卜4 钢纤维在混凝土试件中的分布图 4 3 4 34 4 4 34 44 2 4 3 3 94 5 d 淼 钢纤维混凝t 性能及经公路丁程中波雨磺究 钢纤维分布系数对混凝土强度的影响表1 - 4 试干q ：钢纤维量 抗弯拉 钢纤维分类数值 分散系 编号( k g m 3 ) 强度 ( m p a ) 123456789 数1 3 a8 5 8 4 33 43 43 73 73 13 44 03 83 90 8 5 8 b8 5 1 0 9 33 43 43 83 63 83 73 5 3 43 6 0 9 1 7 c 9 06 8 53 13 64 55 04 05 25 l 3 23 90 6 7 5 d9 09 6 34 3 4 34 44 3 4 4 4 24 33 94 50 9 2 2 e9 04 8 3 1 02 01 28 57 92 55 96 61 80 2 2 8 由上表可看出，钢纤维的分散系数，对钢纤维混凝土强度的影响是相当大的， g = o 9 1 7 时，抗弯拉强度为1 0 9 3 m p a ；而b = o 6 7 5 时，抗弯拉强度仅为6 8 5 m p a ， 若有钢纤维球产生时，钢纤维的增强效果将显著降低如图e 。 钢纤维混凝，卜健铯_ ；5 乏白i 公路i 程中碰用研究 第三章钢纤维混凝土配合比设计的研究 桥面铺装层是桥梁的附属结构，不是桥梁的主体，因而常被设计和施工所忽视， 造成桥面开裂、损坏，从而使桥梁的使用质量下降，使用寿命降低，严重的甚至造 成桥梁破坏。重视铺装结构，研究高质量的桥面铺装材料是一个重要的课题。桥面 铺装层起到承受车辆磨耗将车轮荷载扩散的作用，目前运输车辆越来越大型化，桥 梁超载多有发生，在重车的冲击下，桥面伸缩缝处极易损坏，同时施工质量控制不 好造成混凝土强度不足，出现裂缝、表面蜂窝、麻面等缺陷，混凝土密实度不够造 成渗水，就可能影响主梁受力条件，而桥面铺装层一旦损坏，在通车条件下修复、 更换均非易事。 过去的混凝土桥面铺装层多采用加单层小直径钢筋网的钢筋混凝土，钢筋直径 一般为由6 由1 0 ，网格间距一般为1 5 - - - 2 0 c m ，布设位置在铺装层表面下约3 c m 的 高度处。后来，从改善和减少铺装层裂纹考虑，人们逐渐缩小钢筋网络间距，许多 设计将其缩小到l o c m 。钢筋混凝土桥面铺装有一个致命的弱点，就是施工中钢筋网 片不可避免地受到施工人员和施工机具的影响，使支垫就位的钢筋下沉而紧贴桥梁 大梁表面，从而丧失了钢筋网片在铺装层中防止和改善裂缝的作用。我国许多桥面 铺装层出现大量裂缝，甚至严重破坏，原因就在于此。 与普通混凝土相比，s f r c 具有较大的抗拉强度，较高的抗裂性能，其韧性和抗 疲劳性能为同等级普通混凝土的数倍。s f r c 用于桥面铺装层可使其上述优点得到充 分发挥，从而使桥面处于良好的工作状态。 目前，钢纤维混凝土已在各种工程领域得到广泛的应用，但对s f r c 混合料的 配合比设计，尚无合理的设计方法。国外有关学者，曾介绍过关于钢纤维混凝土配 合比方面的资料，提出一些参考用表和经验配合比。国内有关单位，曾提出要以抗 折强度为指标进行钢纤维混凝土配合比设计，并通过试验，建立抗折强度与各主要 影响因素之间的关系，但多数仍按普通水泥混凝土的配合比设计方法，以混凝土的 抗压强度确定混合料的配合比，只是适当调整了砂率、用水量和水泥用量，这些方 法均存在一些不足之处。钢纤维混凝土配合比的设计，应根据对钢纤维混凝土的使 用要求和钢纤维混凝土配合比的特点进行合理的设计。 3 1 钢纤维混凝土( 以下简称为s f r c ) 配合比设计的要求和特点 3 1 1s f r c 配合比设计的要求 s f r c 配合比设计的目的是将其组成的材料，即钢纤维、水泥、水、粗细骨料及 钢纤维混凝十性能及备公路i 程中应j 3 研究 外掺剂等合理的配合，使所配制的s f r c 应满足下列要求： 3 1 1 1 满足工程所需要的强度和耐久性，即满足抗压强度( 4 0 m p a ) 和抗弯拉强度 ( 6 0m p a ) 的要求； 3 1 1 2 配制成的s f r c 混和料的和易性应满足施工要求( 0 2 0 m m ) ； 3 1 1 3 经济合理。在满足工程要求的条件下，充分发挥钢纤维的增强作用，合理 确定钢纤维和水泥用量，降低s f r c 的成本。 3 1 2s f r c 钢纤维混凝土配合比设计的特点 钢纤维混凝土配合比设计与普通水泥混凝土相比，其主要特点是： 3 1 2 1 在水泥混凝土混合料中掺入钢纤维，主要是为了提高混凝土的抗弯拉、抗 疲劳的能力和韧性，因此配合比设计的强度控制，主要以抗压强度与抗折强度控制 确定混合料的配合比，以充分发挥钢纤维的增强作用，而普通水泥混凝土一般以抗 压强度控制( 路面混凝土以抗折强度控制) 来确定混合料的配合比； 3 1 2 2 配合比设计时，应考虑掺入拌合料中的钢纤维能分散均匀，并使钢纤维的 表面包满砂浆，以保证钢纤维混凝土的质量； 3 1 2 3 在拌合料中加入钢纤维后，其和易性有所降低，为了获得适宜的和易性， 有必要适当增加砂率和单位用水量及水泥用量或掺合料。 3 2s f r c 配合比设计原理 s f r c 配合比设计的基本方法是建立在s f r c 混合料的特性及其硬化后的强度基 础上的。其主要目的是根据使用要求，合理确定混合料的水灰比、钢纤维体积率、 单位用水量和砂率等四个基本参数。由此，即可计算出各组成材料的用量。 在确定基本参数时，既要满足抗压强度，又要符合抗折强度，以及和易性、经 济性的要求。 3 3s f r c 理论配比的试验研究 3 3 1 原材料 3 3 1 1 水泥 太原狮头牌普通硅酸盐3 2 5 级与4 2 5 级水泥，其物理力学性能试验结果见表 1 - 5 、表卜6 ，由表中结果可看出均满足g b1 7 5 1 9 9 9 的技术要求。 p 。03 2 5 级表卜5p 04 2 5 级表1 - 6 细度( ) 2 0耋1 0 0 细度( ) 2 o耋1 0 0 标准稠度用水量( ) 2 7 82 8 + 2 标准稠度用水量( ) 2 8 32 8 + 2 安定性 合格合格安定性 合格合格 凝结 初凝l h 4 7 m i n耋4 5 m i n 凝结 主4 5 m i n 2 h 1 7 m i n 耋4 5 m i n g f t - f 维混凝士性能及舀i 公路i 程中应用研究 终凝 7 _ 牝4 m i n 兰l o h量l o h3 h 0 4 i i n至l o h 3 天 抗折( m p a ) 5 0 2 5 3 天 抗折( m p a ) 5 53 5 强度 抗压( m p a )3 2 51 1 o 强度 抗压( m p a ) 3 6 01 6 0 2 8 天 抗折( m p a ) 7 o5 5 2 8 天 抗折( m p a )6 56 5 强度抗压( m p a )6 4 o3 2 5强度 抗压( m p a )7 5 04 2 5 3 3 1 2 细集料 普通黄砂( 文水开栅) ，其检测结果见表1 - 7 ，其结果满足规范i i 区要求。 细集料的检测结果表1 - 7 筛孔尺寸( r a m ) 累计筛余( )规范要求( 区) 58 1 81 0 0 2 51 4 3 89 0 - 1 0 0 1 2 52 2 3 27 5 1 0 0 o 6 5 2 5 95 0 9 0 0 38 4 3 53 0 5 9 0 1 59 6 0 18 - 3 0 0 0 7 59 9 2 40 - 1 0 底0 7 细度模数m x2 4 9 含泥量( )o 8 视比重( g c m 3 ) 2 6 5 硫化物及硫酸盐含量( ) o 2 有机物含量( 比色法)颜色浅于标准溶液的颜色 3 3 1 3 粗集料 文水神堂石料场石灰岩碎石，其粒径规格为2 5 5 m m ，5 l o m m ，l o 2 0 m m 三 种，其比例为3 0 ：3 0 ：4 0 ，合成级配满足规范要求范围，视比重为2 7 4 0 9 c m s 。 3 3 1 4 钢纤维 三种钢纤维：剪切z h - 0 6 型、铣削型、冷拔6 5 6 0 型。其特征参数、均质性 及力学性能指标见表卜8 、表1 - 9 、表1 - 1 0 及图1 - 5 钢纤维的特征参数表表1 - 8 钢纤维品种、规格h a r e x 型z h 一0 6 型 r c 6 5 6 0 b n 规范要求 钢纤维形状 凸痕型两端带弯 横截面为三角型 一面粗糙，一面光滑 钢纤维平均长度( 衄) 径向扭曲，两端有带 钩的锚尾 3 1 0 3 1 56 0 o2 5 - 5 0 长径比3 9 75 0 86 6 74 0 1 0 0 俐纤维半均等效亘1 1 全 0 7 8o 6 2 0 90 3 一o 8 ( 1 l l m ) 单根抗拉强度( m p a ) 6 0 0 6 0 0 1 0 0 0 6 0 0 杂质含量( )无无无 无 注：表中数据由厂商提供 钢纤维混凝i 性能及在公路t 程中 、；f f f f ) f y i 钢纤维均质性检验结果表1 - 9 根质 忿； 1 0 0 92 0 0 93 0 0 9 喇鞋盟渤6 5 佃型3 1 66 3 29 4 5 哈瑞克斯铣削型6 5 21 3 0 31 9 5 8 浙江嘉兴z h 0 6 型 1 3 6 52 7 3 44 0 8 9 钢纤维混凝土力学性能的比较表1 - 1 0 钢纤维j , i - ) j n 剂 2 8 d 抗2 8 d 抗劈拉 钢纤维品种水水泥 砂碎石折强度压强度强度 ( )( ) ( m p a )( m p a )( m p a ) 基准0 4 810 02 02 1 23 1 76 0 23 9 72 9 6 h a r e x0 3 8l o 52 o2 2 23 3 37 1 45 8 44 1 9 z h 一0 6 0 4 l1o 52 02 1 93 2 98 1 95 9 45 2 6 z h 一0 60 4 0l 1 02 o1 9 82 9 68 1 75 9 86 0 2 r c 6 5 6 0 b n0 4 011 02 01 9 82 9 67 8 06 0 36 3 4 备注：1 表中外加剂为c o n 一：】i 型高效减水剂，减水率为2 0 ，氰量为2 。 n 缸厶甘、t ，玎厶佟i o ：$ 1 - 1一0 f l ：- - i 唯芏i “们m z ，、出 z 5 1z 隹里州玎难件职由醌缎土思伶积削日万单o 水泥采用级。 由表 、表、表中的数据可知，各种特性的钢纤维以及其纤维掺量 为5 、1 0 时，其结果均满足公路设计指标抗弯拉强度为、抗压强度为 的要求，从路用力学特性及实用性与经济性考虑，最终确定采用剪切型z h 0 6 凸痕型钢纤维作为我们该课题的主要研究对象。 3 3 1 检验结果见表 、表。 外加剂部分指标检验结果表 1 外加剂品名 剂量( )固化物含量( )减水率( )碱含量( ) u n f1 02 0 o9 4 1 1 o 2 0 05 6 8 j f i 1 o 1 8 51 2 1 5 掺外加剂钢纤维混凝土力学性能比较表 外加剂 剂量( ) 抗折强度 断头抗压强度劈裂强度 品名 ( 拌和性能 u n 卜3 a1 06 3 44 4 2 4 3 2很好 1 07 2 1 5 0 84 9 4很好 1 o 6 8 44 7 14 4 2 很好 由上表卜l l 、表卜1 2 中的结果可知，c 0 卅i i i 型外加剂是比皎理想的。 3 3 1 6 水：饮用水。 3 3 2 钢纤维混凝土力学性能试验 钢纤维混凝- ：性能及；d - 公路t 程中心用研究 3 3 2 1 钢纤维混凝土理论配合比的确定 考虑到试验数据的覆盖范围，采用了正交设计方法进行理论配合比设计。参照 l 。( 4 5 ) 正交表将混凝土混合料分成1 6 组不同的配合比制备试件。水泥取用普硅4 2 5 级。其正交表及试验结果见表1 - 1 3 、表1 - 1 4 、表1 - 1 5 。 p 04 2 5 级正交表 表1 - 13 冒素 水泥用量( k g ) 钢纤维体积率 水灰比砂率( ) 水平( ) l 3 3 00 0o 4 4 3 5 23 6 0 o 50 4 6 4 0 33 9 01 0o 4 84 5 44 2 01