（材料学专业论文）钢纤维增强自密实混凝土研究.pdf

摘要 自密实混凝土具有优异的流动性、填充性、穿过钢筋能力与组分均匀性。 应用自密实混凝土能够提高混凝土工程施工的机械化水平、实现人工振捣不易 实现的工程部位、保证工程质量。随着时代进步，自密实混凝土混凝土也逐渐 向高强、高韧和轻质化方向发展。本文依托“十一五工程应用研究项目，系 统研究了钢纤维普通集料自密实混凝土工作性能的评价体系与控制方法，钢纤 维在自密实混凝土中的增强增韧作用，以及钢纤维对自密实混凝土收缩性能的 改善：其次，试验研究了钢纤维轻集料自密实混凝土的工作性能评价体系及其 控制方法，以及钢纤维对其的增强作用。 ( 1 ) 在钢纤维增强普通集料自密实混凝土研究中，本文提出了将固定砂石 体积法和钢纤维等体积替代粗细集料配合比设计方法用于自密实混凝土的配合 比设计方法，进行钢纤维增强自密实混凝土的配制：其次建立了钢纤维自密实 混凝土工作度评价方法，确定了评价指标；然后通过对新拌混凝土流变特性与 分层特性的理论分析，通过配合比参数的试验研究，提出了其工作性能控制方 法；再次，试验研究了不同长度、不同掺量钢纤维对自密实混凝土力学性能的 影响，在不降低其工作性能的同时，大幅度提高了混凝土的强度、韧性；最后， 利用钢纤维与膨胀剂双掺技术很好地解决了自密实混凝土由于胶凝材料用量大 而引起的收缩大、收缩落差大难题，配制出了体积稳定性良好的自密实混凝土， 为其推广应用奠定了基础。 ( 2 ) 在钢纤维增强轻集料自密实混凝土探索研究中，由于用轻集料代替了 普通集料，使粗集料与砂浆的密度差增大，轻集料极易产生上浮运动，并且影 响钢纤维的乱向分布。由此本文建立了组分均匀性评价体系，即分层度试验及 其指标范围f e d ( 5 o f c d 8 5 ) ；提出了钢纤维增强轻骨料自密实混凝土的 工作度与组分均匀性的控制方法：采用了轻集料预处理、增粘组分、钢纤维干 涉等方法控制了新拌混凝土的组分均匀性；研究了钢纤维对轻集料自密实混凝 土的强度影响，分析不同长度与掺量钢纤维的增强作用。 ( 3 ) 本文的研究成果在青郑高速钢箱梁桥桥面铺装中得到了成功应用：配 制了密度1 9 5 0 k g m 3 ，免振捣工艺、高强和耐久的钢纤维增强轻集料自密实混 凝土，应用于钢桥面铺装，降低了桥身自重，提高了施工质量与效率，解决了 钢桥面推移、拥抱的工程难题。 关键词：自密实轻集料钢纤维工作度组分均匀性钢桥面铺装 a b s t r a c t s e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t eh a d 也ep e r f o r m a n c eo fe x c e l l e n tl i q u i d i t y , f i l l i n g t h r o u g ht h es t e e lc a p a c i t ya n dp e r f o r m a n c ec o m p o n e n t ss u c hu n i f o r m i t y a p p l i c a t i o n o fs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t ec a l li n c r e a s et h el e v e lo fm e c h a n i z a t i o no fc o n c r e t e c o n s t r u c t i o n ，r e a l i z et h ea r t i f i c i a lv i b r a t i o ne n g i n e e r i n gd i f f i c u l tp o s i t i o n sa n de n s u r e p r o j e c tq u a l i t y w i t ht h ep r o g r e s so ft h et i m e s ，s e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t e a r e d e v e l o p e dg r a d u a l l yt ot h eh i g h s t r e n g t h ，h i 曲t o u g h n e s sa n dh i 【曲p e r f o r m a n c e t h i s s t u d yt a r g e t e dg e n e r a la g g r e g a t eo fs 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 e a n 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 gl i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t ew o r k a b i l i t y a n dp e r f o r m a n c ec o n t r 0 1 i n c r e a s ei ns e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t e ，t o u g h n e s sa n dl i g h to f t h eu s e f u la s p e c t so fe x p l o r a t i o na n dr e s e a r c h ( 1 ) i nt h es e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t er e i n f o r c i n ga n dt o u g h e n i n go f t h es t u d y , t h i s p a p e ru s e saf i x e dv o l u m em e t h o dg r a v e la n ds t e e lf i b e rv o l u m eo fa l t e r n a t i v ef i n et o c o a r s ea g g r e g a t em i xd e s i g nm e t h o du s e di ni t sr e f i n e ds t e e lf i b e rr e i n f o r c e d s e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t em i xd e s i g n ；f o l l o w e db yt h ee s t a b l i s h m e n to fas t e e lf i b e r r e i n f o r c e ds e l fc o m p a c t i n gc o n c r e t ej o be v a l u a t i o nm e t h o d o l o g y , a n di d e n t i f yt 1 1 e i r t a r g e t s ；t h r o u g ht h ef r e s hc o n c r e t er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so fv i s c o u sf l u i da n dt h em i x d e s i g nf a c t o r sa n dp a r a m e t e r so ft h ea n a l y s i s ，t h ed e g r e eo f i t sw o r kc o n t r o lm e t h o d s ， a n df o c u s e so i lt h ec o m p o s i t i o nu n i f o r m i t ya n dc o n t r 0 1 ( 2 ) i nt h el i g h to fs e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t e t h i ss t u d yw i l lb el i g h t w e i g h t a l t e r n a t i v et oo r d i n a r yc o a r s ea g g r e g a t e ，诵也al i g h t w e i g h ta g g r e g a t ep a r t i c l es i z e ， p r e - w e tw e i g h tg a i n , i n c r e a s e dv i s c o s i t ym o r t a r , s t e e lf i b e r so fi n t e r v e n t i o nm e t h o d s t oc o n t r o lt h ef r e s hc o n c r e t ew o r kd e g r e e t h u sm a d eo fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e d s e l f - c o m p a c t i n gl i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t ew o r k a b i l i t ya n dc o n t r 0 1 ( 3 ) u n d e rt h es t e e lb r i d g ed e c kp a v e m e n tc o m p a c t i n gc o n c r e t e , l i g h tw e i g h t w e a ra n do t h e rt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s ，p r e p a r a t i o no fad e n s i t y 19 5 0 k g m 3 ， s e l f - c o m p a c t i n gc o n c r e t ea n dt h ew e a l a n ds u c c e s s f u l l ya p p l i e dt oh i g h - s p e e ds t e e l b r i d g eg r e e nb r i d g ec h e n gs u r f a c ep a v e m e n t ，a n da c h i e v e dg o o de f f e c t k e y w o r d s ：s e l fc o m p a c t i n g ，l i g h t w e i g h ta g g r e g a t e ，s t e e lf i b e r , c o n t e n tu n i f o r m i t y , t h ep a v e m e n to fs t e e ld e c ko f b r i d g e 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：至量置鱼导师签名：五! 红日期 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 当今时代，混凝土工程逐渐向稠密配筋、大体积混凝土、特殊造型的方向 发展，水泥基混凝土材料也逐渐向高强、高韧、轻质和耐久等高性能方向发展。 如用于钢桥面铺装的混凝土就有如下要求：( 1 ) 重量轻，减轻桥梁的荷载，节 省工程造价，在保证铺装层材料力学性能满足设计要求的前提下，要求尽量减 小铺装层厚度；( 2 ) 具有高韧性，能有效抵抗车辆反复荷载作用；( 3 ) 超流动 性，免振捣，自密实，避免振捣工艺破坏钢桥面防锈层，并提高施工速度。 这些应用要求使得混凝土的各项性能必须向更高的水平发展：( 1 ) 超流动 性能。自密实免振捣工艺不但能够加快混凝土施工速度，提高施工机械化水平， 保证施工质量，而且可以实现人工振捣不易实现的部位，达到自密实；( 2 ) 纤 维增强增韧技术。纤维具有阻裂、增强和增韧作用，纤维增强混凝土和普通混 凝土相比，具有较高的抗拉和抗弯强度，而且韧性提高的幅度最大；( 3 ) 轻质 化。混凝土材料向轻质化方向发展可有效降低结构自重，减少结构配筋量等；( 4 ) 耐久性能。 本文以钢纤维增强普通自密实混凝土为切入点，系统地研究了钢纤维增强 自密实混凝土配合比参数对拌合料流动性、填充性能的影响，并通过多种技术 手段实现了对拌合料组分均匀性的控制；以此为出发点，本文对钢纤维增强轻 集料自密实混凝土的配合比设计进行了探索，通过分析轻集料与普通集料的区 别、调整配合比设计参数，配制出了兼具流动性、填充性、穿过钢筋能力的钢 纤维增强轻集料自密实混凝土，并提出了其组分均匀性评价方法与控制方法。 1 2 研究意义 1 2 1 自密实工艺可提高劳动生产率、保证工程质量 长期以来，振捣工艺成为混凝土施工的一道必要环节，振捣工艺的优劣还 直接影响混凝土工程的质量，而振捣工艺与混凝土的流动性能密切相关，所以， 混凝土的流动性能严重制约着混凝土的发展。 混凝土的振实工艺是由混凝土振动器对混凝土拌合物产生的一种快速振 武汉理工大学硕士学位论文 动，引起混凝土拌和物松散堆聚结构的迅速破坏，松散结构赖以形成的内摩擦 阻力急剧减少，在振动器的作用半径内，混凝土拌合物出现暂时的液化，混凝 土变得不稳定，在重力的作用下，混凝土拌合料落下、流动、沉实，最终填满 整个模板。 为便于理解，可以假设混凝土振动分成两个阶段：第一阶段主要是混凝土 拌和物的下陷、流平与振实；第二阶段为排除混凝土内的诱导空气。实际上这 两个阶段是同时进行的，排除空气在靠近振动器部位进行，振实振平则在较远 的部位完成，堆聚状松散结构基本消除，混凝土表面已基本水平，混凝土拌和 物类似悬浮大量轻集料的重质液体。然而砂浆中仍含有百分之几的气泡，当振 动继续进行时这些气泡便陆续升至混凝土表面。大气泡具有较大的漂浮性比较 容易逸出，振动应继续进行直到气泡已基本逸出，表示捣实完毕，但想排除全 部气泡是不可能的，振捣混凝土的空气含量约为1 2 。 混凝土拌和物是否已经捣实主要由混凝土层的表观现象来判断。例如，大 集料已经沉入混凝土内，拌和物不再下沉，表面已大致水平，混凝土表面已出 现了镜面水泥砂浆薄层，混凝土与模板接触处己出现水泥浆，混凝土表面已停 止逸出气泡等。所以，混凝土是否已经振捣密实的判断有很大的随机性和不确 定性。振捣工艺严重制约着混凝土施工的机械化水平。目前，混凝土的配料、 搅拌、运输、泵送已全部实现机械化，只有混凝土的振捣明显落后于其他工艺。 人工振捣混凝土存在的问题主要有如下几点： ( 1 ) 人工振捣工艺是由作业人员手持振动器，站在混凝土拌合料的表面进 行振捣作业。因此，施工作业人员劳动强度大，工作环境差；施工中噪声、振 动大，危害施工人员身体健康，影响工程周围居民正常生活，不符合文明施工 要求； ( 2 ) 人工振捣主要是由一人或多人直接操作振动器，在实施混凝土振捣作 业时，混凝土工程各部位的振捣时间由作业手凭经验控制。因此，对振捣人员 的技术及经验要求较高，人为因素较多，难免发生漏振、过振、欠振现象，造 成混凝土工程质量不均衡、不稳定。经常发生在大型混凝士工程中蜂窝、麻面 等均属漏振、欠振或无法作业所致。过振则易造成混凝土工程泌水、离析，使 混凝土不同部位的性能差别较大，严重影响混凝土工程整体施工质量； ( 3 ) 当工程中有薄壁结构时，薄壁结构的作业空间较小，实施人工振捣难 度较大，有的工程甚至不可能直接实施人工振捣；在具有稠密配筋的结构及构 2 武汉理工大学硕士学位论文 件中，振捣器无法进入结构或构件内部，实施人工振捣将十分困难，有的可能 难以作业，以致修改结构配筋，以利于施工作业顺利迸行；在复杂结构中，结 构的形状和厚度变化较大，人工振捣时，振捣时间控制难度大，易造成过振、 欠振现象； ( 4 ) 推动新型建筑技术的进步与发展较难。在工程改造中，后加柱、加粗 柱等结构件施工时，由于受原有结构的影响，难以实现人工振捣；新型结构件 的应用存在一定的缺陷，如钢管混凝土构件，钢管内的混凝土则无法直接采用 人工振捣，而是实施结构构件外部振捣； 针对上述传统的混凝土振动密实施工工艺所存在的问题，自密实混凝土都 可以得到比较圆满的解决。为了改变传统的混凝土工程施工工艺，人们开始研 制自密实混凝土，彻底解除混凝土工程施工中的人工振捣工艺。近年来，自密 实混凝土技术在有些国家已用于一些大型、重型的现浇混凝土工程上( 如桥梁、 隧道等) ，并应用于房屋建筑与工厂预制的混凝土构件或制品的生产上。自密实 混凝土的开发研究与推广应用，为开创混凝土工程现代化的施工方法及施工体 系奠定了基础。 在混凝土工程上采用自密实混凝土技术具有较大的技术经济效益。归纳起 来，可以取得如下几项主要的技术经济效益： ( 1 ) 可以提高混凝土工程的质量 在不少混凝土工程上，往往遇到结构配筋密集、结构的截面比较复杂，而 使有些间隙过于狭窄等情况，采用振动密实的施工方法，有时因混凝土难以通 过而不能保证工程质量，或在操作上稍有疏忽就会使工程结构中的混凝土出现 不应有的缺陷，从而降低了工程的耐久性或安全性。在人防工程中，有些结构 型式，无法采用人工振捣工艺，如钢管混凝土、战时应急加固时的后加柱等。 这些结构采用自密实混凝土容易实现。 ( 2 ) 可以改善混凝土工程的施工环境，减少噪音对环境的污染 传统的混凝土振动密实施工工艺，无论是采用表面振动器、插入式振动器 或是附着式振动器，都会产生很强的噪音，不仅影响工程附近的周围环境，而 且由于噪音也往往给混凝土施工人员带来职业病。目前世界各国十分重视环境 保护，在防止或减少城市环境污染的内容中也包括了噪音。 ( 3 ) 可以提高劳动生产率并降低工程费用 由于施工规程的要求，用传统的振动密实工艺浇筑混凝土都有规定的施工 武汉理工大学硕士学位论文 工序和周期，从而使劳动生产率难以提高。此外，在施工时需要有一定数量的 振动设备及其维修费，也还需配备一定数量技术熟练的工人，支付其工资。自 密实混凝土与常规混凝土最大的差别就在于它不需要人工振捣工艺，这对模板 的损耗就小一些。因此可以说，自密实混凝土的应用可提高模板周转率。 ( 4 ) 可以大量利用工业废料，保护生态环境 自密实混凝土中要求采用粉煤灰等工业废料，以利于混凝土的工作性提高、 抗分层现象减少。大量工业废料的利用，必将有利于生态环境。 1 2 2 混凝土向高强、高韧、轻质化方向发展 水泥混凝土材料作为土木工程的大宗材料，广泛应用于道路、桥梁和水利 设施等，但应用于桥梁还需解决自重大、脆性差问题，以提高桥梁的承载能力， 如普通混凝土的容重为2 5 0 0k g m 3 ，已不能满足大跨结构的承载能力；目前混凝 土材料逐渐向高强化发展，c 5 0 以上的高强混凝土已被广泛应用，但其抗拉强度、 抗弯强度却随着抗压强度的增加呈下降趋势，是一种典型的脆性材料，缺乏必 要的韧性，往往是无征兆的突然破坏。 钢纤维增韧混凝土使混凝土的性能大幅度提高，抗压强度提高1 1 5 倍， 抗拉强度提高1 3 1 7 倍，抗裂强度提高1 4 1 8 倍，抗弯韧性和极限延伸 率提高更大，分别达到1 5 2 5 和2 5 4 0 倍。使混凝土在性能上发生了质变， 实现脆性材料向韧性材料方向转变，扩大了混凝土材料的使用范围，并部分代 替了钢铁材料，提高了混凝土材料的性价比。 1 3 自密实混凝土国内外研究进展及存在的问题 1 3 1 应用情况 钢纤维增强自密实混凝土克服了普通混凝土脆性大、抗拉强度低、极限延 伸率小等缺点，具有优良的工作性能与力学性能( 抗拉、抗弯、抗剪、阻裂、 耐疲劳、高韧性等) ，已在建筑、路桥、水工、人防等工程领域得到应用。 据报道，较早研制自密实混凝土施工技术的国家是日本，日本东京大学冈村 甫教授研究室较早提出自密实混凝土并研制成功，于1 9 6 8 年7 月l o 日在东京 大学进行现场实地浇注演示，曾引起较大轰动。时至今日，自密实混凝土的开 发与施工已在日本掀起了高潮，并受到社会的关注与好评。在日本之外应用较 早的典型实例有：1 9 7 5 年芝加哥的一座水塔，1 9 8 9 年法国的若尼桥，1 9 8 8 年西 4 武汉理工大学硕士学忙论文 雅图的双联广场，1 9 8 7 年多伦多的斯科蒂亚广场，1 9 8 4 年蒙特利尔的拉罗汉蒂 那大厦等。这些工程在应用自密实混凝土时都获得了成功。 随着外加剂的发展，国内从二十世纪九十年代中期开始研制自密实混凝土。 开展自密实混凝土研制较早的是北京城建集团总公司及清华大学等高校。近年， 将自密实混凝土应用于实际工程的报道逐渐增多，研究_ _ 作己广泛开展。 c c t v 新址工程结构特殊，主楼部分外筒柱设计为型钢混凝土组台柱，由于 外筒柱尺寸超出常规，内部型钢柱够早复杂，外包混凝士钢筋密集，混凝土浇 注作业困难，为顺利施工，保证混凝土成型质量，采用c 6 0 钢纤维自密实混凝 土”。 在n o r r k o p i n g ，s w e d e n ，一座办公楼是用预拌的钥纤维自密宴混凝土建成 的，并且在其中选用了不同长度和长径比的铡纤维”。 但在结合防护工程和人防工程中研究与应用鲜见报道。在国防坑道衬砌厚 度有限，配筋立模之后，可供作业人员从事振捣作业的空削非常小，作业环境 及其恶劣。因此，工作性能好、力学性能优异的铜纤维自密实混凝土在国防工 程施工中也应有广泛的应用前景。 1 3 2 工作度测试方法研究动态 坍落度筒试验是测试混凝土工作度的简易装置，它可以测试新拌混凝土的 扩展度、坍落度和扩展速度，这三个值可以基本描述新拌馄凝土的流动性能和 填充能力。 为了研究钢纤维白密实混凝土在穿过稠密配筋时的堵塞现象，一种被称为 “j 环”的仪器”秧使用。这个环的周边按一定的间距连接了一些钢筋杆，这个 环要与坍落度筒结合使用，如图1 。 幽1 “j 环”试验设备 大连理工大学丁一宁等“参照目前国内外关于纤维自密实混凝土工作度的 测试方法，使用“j 型环”、流变仪、流动槽和坍落度等试验方法，柬评价新拌 武汉理j 一人学硕士学位论文 纤维增强自密实混凝土流动性、抗离析性、通过钢筋间隙能力、自流平、自密 实填充能力。 目2 流变仪和流动槽 1 3 3 自密实混凝土配合比设计方法研究动态 钢纤维自密实混凝土不同于普通混凝土，它特别强调优良的工作性能，包 括超流动性、抗组分分离性和穿过稠密钢筋的能力。为了达到这些性能要求 就必须采用不同的配合比设计方法。到目前为止，自密实混凝土配合比设计仍 没有形成统一、规范的方法。 钢纤维自密宴混凝土的配台比设计一股都是在自密实混撮土配台比设计的 基础上进行骨料( 轻集料、细骨料或按比例) 替代，这个方法在钢纤维混凝士 配合比设计中被广泛使用并被验证了实用性。所以钢纤维自密实混凝土的配合 比设计的实质和核心就是自密实混凝土的配合比设计。以下介绍几种国内外自 密实混凝土的配合比设计方法“。 东京大学冈村甫教授主张的自密实混凝土配合比设计方法是：首先用超塑 化剂、水泥、矿物掺合料和细集料进行净浆和砂浆试验，以检测它们z 问的相 容性，然后进行自密实混凝土韵配合比试验。他提出了简单的配合比：粗集料 的用量固定为固体体积的j 0 ，细集料的用量固定为砂浆体积的4 0 ，体积水灰 比取决于水泥的性质，假定为09 10 超塑化剂的用量和最终的水灰比根据 确保混凝土自密实能力的需要来决定。 国内大陆地区所采用的配合设计方法有两种，分为固定砂石体积含量计算 法和全计算法。固定砂石体积含量计算法与冈村甫的方法粪似；而全计算法是 根据普遍使用的混凝土体积模型，经过系列数学推导之后得到了两个公式，用 水量公式和砂率公式，通过这两个公式和混凝土水扶比定则，即可定量汁算出 混凝土各组成材料的用量。 台湾地区的苏南提出的配合比设计方法从密实骨架堆积原理出发在合理 武汉理工大学硕士学位论文 范围内减少胶结料用量以达到免振捣工艺与经济性的目标。而荷兰b r o u w e r s 等 对这一方法进行了研究与改性，通过采用合理颗粒粒径分布的粗、细集料，以 及粒径搭配合理的水泥和矿物掺合料，尽可能降低混凝土堆积体系中的孔隙率， 从而使浆体更多地用于集料颗粒之间形成润滑层。 1 3 4 钢纤维对自密实混凝土增强增韧的研究动态 钢纤维增强自密实混凝土具有高工作性能( 超流动性能、抗离析性能、高 穿过稠密钢筋能力) 和优异的力学性能，成为建筑工程、道桥、水工和国防工 程的结构材料。对于一些智能结构、壳体结构、抗爆结构，钢纤维增强自密实 混凝土在稠密配筋处与降低环境噪音方面具有明显优势，可以提高混凝土的韧 性与应力重分布，部分代替钢筋，减小裂缝、加快施工进度。 大量研究表明口。1 训，纤维在水泥基体中有如下作用：( 1 ) 提高基体开裂的应 力水平，使水泥基体能够承受更高的应力；( 2 ) 改善基体的延展性；( 3 ) 阻止 裂纹的扩展或改变裂纹的扩展方向，减少裂纹的宽度和平均断裂空间。有资料 表明n ，当纤维长度和长径比在常用范围内，钢纤维混凝土比素混凝土的抗拉 强度提高4 0 一- - 8 0 ，抗弯强度提高5 0 - - 一1 2 0 ，抗剪强度提高5 0 - - - 1 0 0 。 文献6 一们对钢纤维的类型和形状特征对混凝土的力学性能的影响做了研 究。研究证明，( 1 ) 对于钢纤维增强混凝土材料，钢纤维的外形是十分重要的， 钢纤维与水泥基材料基体之间的粘结力是影响水泥基材料力学性能的关键因素 之一。对于直线型钢纤维混凝土材料，在破坏时大量的钢纤维不是被拉断而是 被拔出，严重影响钢纤维的增强效果；( 2 ) 钢纤维长度又是其增强增韧效果影 响因素之一。超短钢纤维对混凝土抗压强度的增加影响明显，对混凝土的搅拌、 成型性能也好，但是对抗弯、抗剪强度的影响不及同掺量的长钢纤维。 1 3 5 小结 目前，钢纤维增强自密实混凝土研究主要集中在配合比设计方法，流动性 能、填充能力与穿过钢筋间隙能力的检测设备与检测方法，钢纤维对混凝土的 增强、增韧和阻裂作用方面。虽然钢纤维增强自密实混凝土已经取得了长足的 进展，但也还存在较多问题需要解决或进行深入研究：( 1 ) 钢纤维增强普通粗 集料自密实混凝土的组分均匀性研究；( 2 ) 配合比设计参数对组分均匀性的影 响；( 3 ) 组分均匀性控制方法。 由于混凝土轻质化的要求，轻骨料经常作为普通粗集料的替代材料，达到 大幅降低混凝土材料的自重的目的，用于大跨结构等一些特殊要求的工程部位。 7 武汉理工大学硕士学位论文 由于轻集料密度只有普通集料的二分之一左右，在流动性能优异的拌合料中易 上浮，所以轻集料自密实混凝土的组分均匀性不能得到保证。 与钢纤维增强普通集料自密实混凝土相同，钢纤维增强轻集料自密实混凝 土的组分均匀性、配合比设计参数对组分均匀性的影响及其组分均匀性的评价 方法与控制方法仍需进行深入研究。 1 4 主要研究内容 采用并细化固定砂石体积法与借鉴普通钢纤维混凝土配合比设计方法，配 制出钢纤维增强自密实混凝土，其流动性、填充能力与穿过钢筋能力采用相应 坍落度筒、l 箱与连通箱测试装置进行评价。而组分均匀性是其他各项工作性能 的前提，是混凝土质量的重要保证，而这方面的研究鲜见报道，所以其评价方 法与控制方法成为本文的研究重点。 另外，本文还对钢纤维自密实混凝土的轻质化进行了探索性研究。采用轻 集料替代普通粗集料，借鉴钢纤维增强自密实混凝土的配制方法，调整配合比 参数取值范围，增加新组分等方法，配制出流动性、填充能力、穿过钢筋能力 与组分均匀性符合自密实混凝土要求的轻质钢纤维自密实混凝土。为了论文的 系统性与完整性，本文还着重研究了轻质钢纤维增强自密实混凝土的组分均匀 性，并对其控制方法进行了有益探索。 作为钢桥面铺装材料，需有效抵抗车辆的反复疲劳荷载作用，即不仅对材 料的抗压强度提出较高要求，对材料的抗弯、抗剪和韧性也有较高要求，因此， 轻质钢纤维增强自密实混凝土的研究具有重要意义。最后，本文研制的轻质钢 纤维增强自密实混凝土应用于青郑高速公路立交桥钢箱梁桥桥面铺装，解决了 钢桥面铺装后桥面推移与拥抱的世界性难题。 根据以上分析，本课题研究内容分为钢纤维增强普通集料自密实混凝土与 钢纤维增强轻集料自密实混凝土两个方面： 关于普通集料的钢纤维增强自密实混凝土研究内容有： ( 1 ) 建立钢纤维增强普通集料自密实混凝土配合比设计方法 采用与细化固定砂石体积含量配合比设计方法，配制钢纤维增强普通集料 自密实混凝土，由于轻骨料密度小、所以砂浆密度和粘度的综合作用要不同于 普通骨料自密实混凝土，因此必须对其配制方法及其关键技术进行研究。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 建立新拌自密实混凝土流动性、填充性与穿过钢筋能力评价体系 ( 3 ) 组分均匀性及其控制方法试验研究 在经过搅拌、浇筑、长时间静置后，新拌混凝土是否能够达到配制时预定 的组分均匀性，必须经过试验验证，并为施工提供参数。 关于轻集料的钢纤维增强自密实混凝土研究内容有： ( 1 ) 钢纤维增强自密实混凝土的轻质化 用轻集料替代普通集料配制钢纤维增强自密实混凝土，配合比设计方法与 工作度评价仪器、方法与指标借鉴普通集料的钢纤维自密实混凝土； ( 2 ) 进行其组分均匀性及其控制方法的研究 轻集料密度与普通集料相差甚大，在砂浆中极易上浮，增大其黏性又会影 响其流动性，所以要建立不同的控制方法； ( 3 ) 轻质钢纤维增强自密实混凝土钢桥面铺装应用技术研究 在实际工程中检验材料的工作性能和力学性能，发现问题，总结经验，进 行有益的探索。 1 5 技术路线 ( 1 ) 细化固定砂石体积法与钢纤维等体积替代粗骨料法，将其应用于钢纤维自 密实混凝土的配制中； ( 2 ) 新拌混凝土的流动性、填充性、穿过钢筋能力的测试方法与指标均分别采 用坍落度筒、连通箱与l 箱试验装置与指标； ( 3 ) 重点研究新拌混凝土的组分均匀性及其控制方法； ( 4 ) 控制方法主要通过以下几个方法实现：加入适当的高效增粘减水剂、适当 掺量的粉煤灰、硅灰胶结料，调整胶结料的黏度、密度和流动性能；适当控制 砂率，控制砂浆密度，降低砂浆与骨料密度差，避免骨料沉降或上浮；通过选 择适当外形、长度、掺量的钢纤维和适当的轻骨料用量增大混凝土的流动性， 保证骨料和钢纤维的分散均匀性与稳定性；通过掺入矿物掺合料改善胶结料级 配、密实度，从而增加胶结料与钢纤维的粘结强度，最大限度地发挥钢纤维的 纤维复合增强性能，提高混凝土的力学性能；对增粘减水剂、矿物掺合料技术、 粗细集料比例控制等技术综合优化，实现混凝土高工作性能、优良力学性能； ( 5 ) 通过钢纤维长度、掺量的改变研究其对自密实混凝土的增强作用。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章原材料基本性能与实验方法 2 1 原材料 2 1 1 水泥 华新牌普通硅酸盐水泥p 0 4 2 5 表2 1 水泥的化学组成( ) 2 1 2 细集料 巴河中粗砂，砂的最大粒径通过5 m m 筛孔，中砂，细度模数2 6 3 ，砂颗粒 级配均匀，含泥量不大于1 ，符合普通混凝土用砂质量标准及检验方法 ( j g j 5 2 ) 的规定。 2 1 3 粉煤灰 武汉阳逻电厂生产的i 级粉煤灰，比表面积为3 8 0 m 2 k g ，其化学组成见表 2 3 ，颗粒分布数据见表2 4 ，s e m 图见图2 1 ，颗粒分布曲线见图2 2 。 表2 3 粉煤灰的化学成分( ) 表2 4 粉煤灰的颗粒分布频率 1 0 武汉理：_ r _ 大学硕士学位论文 豳避 6 i 。5 ；3 ： 。 圈2i 粉煤灰的s e n 图 ：! ! ! ! ：! ：；ii ；堑 粒径 图2 2 粉煤灰颗粒分布曲线 2 1 4 硅灰 武汉钢铁公司生产的硅灰( 简写为s f ) ，颗粒密度2 2 出m 3 表2 5 硅敷的化学成分( ) ! ! 垒皇! 生生! 里! ! 旦i竺塑些鲤! 竺j生! ! ! 查画塑竺：坐g 9 44 802 708 705 40 9 1 一 i92 0 0 2 1 5 轻集科 湖北宜昌光大陶粒有限公司生产的8 0 0 缓轻骨料形膨胀页岩陶粒t 简称为 掌：c鸯4 佃阳o 武汉理工大学硕十学位论文 2 1 6 普通粗集料 石灰石质碎石； 2 1 7 外加剂 聚羧酸减水剂，增粘组分x ； 2 1 8 水 可饮用自来水； 2 1 9 钢纤维 波浪型，长度1 5 m m ，2 0 m m ，3 0 m m ，强度兰1 0 0 0 m p a ，长径比4 0 - - 6 0 。 2 2 实验方法 2 2 1 工作度检测方法及评价体系 ( 1 ) 坍落度筒测试坍落度、扩展度和扩展速度 坍落度2 5 0 m m - - 一2 7 5 m m ，扩展度6 0 0 m m - 7 0 0 m m ，扩展速度8 - - - - 2 0 s ( 2 ) “l 箱 测试混凝土通过稠密钢筋间隙能力 最大流动距离 1 0 0 0 m m ( 3 ) 连通箱测试混凝土充填模具能力 当中间挡板抽出时，浇注混凝土一侧的混凝土拌合料经底部连同缝流入另 一侧，如混凝土达到自密实免振捣水平，则两侧应在同一水平高度，高差 1 0 0 0 m m ) ，连通箱( 高 差 7 0 t u r n ) 。该配合比符合自密实要求。 图3 7 为钢纤维增强自密实混凝土搅拌工艺流程，可保证钢纤维在其中分散 均匀，提高钢纤维增强自密实混凝土的质量。 3 4 3 粗集料均匀性试验研究 表3 1 4 为分段粗集料筛分试验结果。筛分试验采用5 m m 方孔筛进行筛分试 验。筛分试验时，用水冲洗，最后取筛余。表3 1 4 中的试验结果即是筛分试验 的筛余除以拌和料的质量的百分比。 图3 8 浇筑高4 m 钢管混凝土模型和筛分分段示意图 表3 1 4 粗集料筛分结果 柱2 从表3 1 4 可以看出，粗集料在不同高度均匀分布，没有被垂直浇注方式“自 由落体运动 的影响，底部混凝土在受到上部混凝土的压迫后，基本没有浆料 上浮现象。该现象充分说明了粗集料在重力、浮力和砂浆剪切力的作用下，达 到了动态平衡和静态平衡。 3 4 4 钢纤维分散均匀性试验研究 钢纤维是否能在混凝土中起到增强作用取决于钢纤维能否在混凝土基体中 分散均匀。如分散均匀，钢纤维就能起到它的增强增韧作用；分散不均匀，甚 至局部结团，局部缺失不仅不会起到增强作用，而且会引起局部削弱作用。所 以，钢纤维的分散均匀性对于钢纤维自密实混凝土的各项性能至关重要，正确 表征钢纤维在基体中的均匀分散性是个基础性工作，通过试验设计对钢纤维在 武汉理工大学硕士学位论文 自密实混凝土的分散均匀性进行评价则是一个创新性的工作。 为了定量描述钢纤维在混凝土中的均匀分散，日本的山王博之提出了一个分 散系数法，以确定任意截面钢纤维的分布状态。即将任意界面分割为若干较小 的部分，如各部分中所包含的钢纤维为一定值，呈均匀分布，则分散系数为1 ， 如钢纤维相对集中在某个部分，而其它部分缺失时分散系数即为0 。通常情况下 分散系数介于o 1 之间，满足这个条件，采用数理统计的指数函数式，即可计 算分散系数： = p 一出) 式中称为分散系数；尹g ) 按下式计算： 7 g ，一) 2 缈g ) = 1 力么 其中 一各个部分中所包含纤维数的平均值；力一分割部分的数目； x ；一分割部分f 中所含的纤维数。 浇注一根长度为3 m ，直径为1 4 c m 的钢纤维增强自密实混凝土圆柱，硬化后 用路面切割机将其从直径处剖开，然后划分为1 5 个小区域，每个小区域为2 0 c m ， 数出每个小区域中钢纤维数，利用分散系数评价其分散均匀性。 表3 1 5 钢纤维分散均匀性试验结果 试验中，钢纤维在自密实混凝土中的分散系数为o 9 5 ，有很好的分散均匀性， 自密实混凝土对钢纤维有很好的分散性，达到了预想效果。 武汉理工人学硕士学位论文 3 4 5 强度均匀性试验研究 分段抗压试验分段示意图见图3 9 。试验结果如表31 6 切割开的表观观察 试件见图3 1 0 。 图3 9 抗压强度分段示意图 表31 6 抗压强度试验结果m p a 从分段抗压试验和抗分离性能袁观观察试件可以看出，自密实钢管混凝土浇 注后经长时问静置完成了初凝、终凝和强度增长后，各组分在垂直高度上仍 呆 持均匀，成型情况和密实情况电好，不会因为混凝土的缺陷造成钢管混凝土整 体性能的下降。这种无振捣、自密实、静态和动态稳定性良好的自密实钢管混 凝土完全能够满足钢管混凝土施工工艺要求。 + 、一 _ - _ - - _ _ - - _ - - _ - - _ _ - - - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ - | 图31 0 抗离析性能表观观察试件 武汉理工大学硕十学位论文 3 5 钢纤维对自密实混凝土的增强作用 从表3 8 表3 1 1 可以看出，当水胶比为0 3 7 时，长度为1 5 r a m 的钢纤维最 大掺量为1 5 ，抗压强度提高3 5 8 ，抗折强度提高2 8 9 ；长度为2 0 m m 的 钢纤维最大掺量为0 7 5 ，抗压强度提高3 4 7 ，抗折强度提高4 2 2 ；长度为 3 0 m m 的钢纤维最大掺量为0 7 5 ，抗压强度可提高约4 5 ，抗折强度提高约 5 5 6 。 首先，钢纤维对自密实混凝土的抗压强度与抗折强度有明显的增强作用。其 次，在不影响拌和料工作性能的前提下，增加钢纤维的长度起到更为明显的增 强作用，其作用远远超过依靠增加钢纤维掺量得到的增强效果。 从表3 1 2 、表3 1 3 可以看出，通过降低粗集料用量，可以提高钢纤维在自 密实混凝土中掺量。随着钢纤维掺量的增加，钢纤维自密实混凝土的抗压强度 值明显增加。当粗集料的用量从0 5 6 m 3 降低到0 5 m 3 时，长度为1 5 r a m 的钢纤 维最大掺量从1 5 增加到3 ，抗压强度提高约2 1 ，工作性能仍能达到自密 实混凝土的标准。 3 6 钢纤维自密实混凝土的收缩性能 在自密实混凝土中掺入膨胀剂、钢纤维，从而制成钢纤维膨胀自密实混凝土， 利用钢纤维与基体的粘结力和膨胀剂的膨胀能双重作用对自密实的变形进行限 制性补偿。相对来说，钢纤维是一种无体积变形的刚性材料，乱向均匀分布于 自密实混凝土中，当自密实混凝土有收缩趋势时，钢纤维与混凝土基体之间的 粘结力就会抵抗因收缩产生的应力，以减少变形。同样，当自密实混凝土在早 期膨胀时，也会产生相应的应力来抵抗变形。因此，可以大幅度减少混凝土的 收缩落差。 钢纤维膨胀白密实混凝土属于限制膨胀混凝土的一种。它有区别与其它限制 膨胀混凝土的特点：首先，钢纤维在混凝土中呈乱向分布，其对混凝土的膨胀 变形在各个方向均起到限制作用，不同于钢筋的单向限制作用。另一方面，钢 纤维膨胀混凝土可以减小因胶结料浆含量高而产生的干缩变形和开裂，又能使 钢纤维混凝土变得更加密实，提高混凝土对钢纤维的侧向压力，从而增强钢纤 维与混凝土基体界面粘结力，改善混凝土的韧性。本文设计了3 组钢纤维增强 武汉理工大学硕士学位论文 自密实混凝土配合比和1 组空白配合比，研究自密实混凝土的收缩性能。 表5 3 钢纤维增强自密实混凝土配合比 空白 s 仁1 s f - 2 2 6 6 2 6 6 2 6 6 2 0 3 2 0 3 2 0 3 1 7 4 1 7 4 1 7 4 7 3 4 7 3 4 7 3 4 9 8 6 9 8 6 9 8 6 8o 8o 5 8 6 - 4 5 6 4 5 6 4 5 s f - 32 6 62 0 31 7 47 3 49 8 681 56 4 5 3 7 武汉理工大学硕士学位论文 一一一一 ：二乒 。磐骖箩丽南 她 - - 8 8 - - 空白 一一s f - 1u e a = 8 s f = o 5 一一du e a = 8 s f = 1 0 一t eu e a = 8 s f = 1 5 图5 5 钢纤维掺量对钢纤维膨胀混凝土收缩的影响 从上述对钢纤维膨胀混凝土不同龄期膨胀发展过程的分析可以发现，钢纤维 膨胀混凝土的限制膨胀发展过程明显存在着不同发展阶段：( 1 ) 膨胀初期一近 自由膨胀阶段；( 2 ) 膨胀早期一钢纤维滑移与变形阶段；( 3 ) 膨胀中期一钢纤 维限定膨胀阶段；( 4 ) 膨胀后期一膨胀平衡阶段。不同阶段所持续时间的长短 是由混凝土的膨胀能大小、强度组分的多少、纤维率大小以及钢纤维的特征等 因素决定的。 为了获得优越性能的钢纤维膨胀混凝土，实际应用过程中，应尽量控制好膨 胀组分、强度组分和钢纤维率之间的配比关系和恰当参数的纤维，尽量提高混 凝土早期强度，增强纤维与基体界面间的早期粘结力，缩短第一、第二阶段持 续的时间，从而减少纤维与基体间的滑移量，提高混凝土的综合性能。 从图中可以看出使用膨胀剂、钢纤维双掺技术的自密实混凝土比空白自密实 混凝土的收缩曲线存在重大差异，钢纤维膨胀自密实混凝土在早期出现微膨胀， 在7 d 时出现膨胀峰值，随着龄期的增长，开始收缩，钢纤维掺量越低，总体表 现为收缩的时间越早，钢纤维掺量越高，则时间越晚。钢纤维掺量低的试件， 早期膨胀率较高，后期收缩值较高，总体曲线大起大落，即收缩落差较大，容 易出现裂缝；钢纤维掺量低的试件，早期膨胀率低，后期收缩值较低，总体曲 线比较平缓，即收缩落差较小，不易出现裂缝。 众所周知，膨胀混凝土加水搅拌后，膨胀剂水泥迅速水化并产生大量水化产 物钙矾石和氢氧化钙。此时强度组分c s h 凝胶的数量并不多，水化产物不能形 成网状结构，混凝土只处于塑性状态，具有很强的变形能力，因此水化产物中