钢纤维混凝土与普通混凝土的力学性能对比分析研究.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除钢纤维混凝土与普通混凝土的力学性能对比分析研究xxx摘要：混凝土作为建筑材料现如今得到了充分广泛的应用，但普通混凝土的力学性能却存在着些许的不足。本文主要介绍纤维增强混凝土的发展及种类，重点就钢纤维混凝土与普通混凝土的力学性能做对比分析研究。关键词：纤维增强混凝土；钢纤维混凝土；普通混凝土；力学性能此文档仅供学习与交流引言收稿日期：2015-03-07作者简介：xxx，（学号）xxxxxxxxx随着混凝土强度的提高，对混凝土结构的安全性要求也更加突出了，然而，就混凝土结构而言，一直受物理性与化学性两大病害困扰，这两大病害是造成混凝土结构工程灾害的主要原因。而裂缝则是混凝土工程所有病害中最主要的因素，它大约占了70%的比例。此外，由于普通混凝土的抗拉强度一般都很低，拉应变与弯曲应变也很小，因此，普通混凝土结构中脆性破坏经常发生。为了改善普通混凝土的物理力学性能，人们一直在寻找各种方法和技术，钢纤维混凝土（SFRC）因此应运而生。1 纤维增强混凝土的发展自1824年英国工匠约瑟夫阿斯普丁发明波特兰水泥后，水泥混凝土得到迅速发展，经过近190多年的研究和应用，混凝土已成为当今主要的一种优良建筑材料。但是，水泥混凝土仍然存在着一个突出的缺陷，即：它的抗压强度虽然比较高，但其抗拉强度、抗弯强度、抗裂强度、抗冲击韧性、抗爆等性能却比较差。纤维混凝土就是人们考虑如何改善混凝土的脆性，提高其抗拉、抗弯、抗冲击和抗爆等力学性能的基础上发展起来的，它具有普通混凝土所没有的许多优良性能。纤维混凝土的发展始于20世纪初，其中以钢纤维混凝土研究的时间最早、应用得最广泛。早在1910年，美国的H.F.Porter就发表了关于短钢纤维增强混凝土的第一篇论文。纤维混凝土真正进入应用于工程的研究，是在20世纪60年代初期。1963年，美国的J.P.Romualdi等发表了钢纤维约束混凝土裂缝发展机理的研究报告，首次提出了纤维的阻裂机理，才使这种复合材料的发展有实质性的突破，尤其钢纤维混凝土的研究和应用受到高度重视。20世纪70年代后，不仅钢纤维混凝土的研究发展很快，而且碳、玻璃、石棉等高弹纤维混凝土，尼龙、聚丙烯、植物等低弹性纤维混凝土的研制也引起了各国的关注。增强理论的广度和深度以及研究应用都取得了令人鼓舞的成果。目前，对于混凝土中均匀而任意分布的短纤维对混凝土的增强机理存在着两种不同的理论解释。其一，为美国的J.P.Romualdi提出的“纤维间距机理”；其二，为英国的Swamy Mamgat等提出的“复合材料机理”。纤维增强混凝土（FRC: Fiber Reinforced Concrete）是以水泥浆、砂浆或混凝土为基体，以非连续的短纤维或连续的长纤维作增强材所组成的水泥基复合材料的总称，通常简称为“纤维混凝土”。研究表明，在混凝土中掺入纤维能够提高混凝土的抗拉强度，抑制混凝土的早期塑性开裂，有效控制裂缝的扩展，对混凝土的抗渗，防水及抗冻等耐久性也有很好的促进作用。同时，纤维的掺入也是改善混凝土中的薄弱相，降低其脆性，提高混凝土韧性的有效途径。2 纤维增强混凝土的分类现今，应于纤混凝土或纤维砂浆的纤维有很多种，按其来源或生产方法可分成三大类：(1)天然纤维：植物类（如：棉花、剑麻），矿物类（如：石棉、矿棉）。玄武岩纤维（Basalt Fiber简称BF）是一种新型无机纤维材料，是用火山爆发形成的一种玻璃态的玄武岩矿石，经高温熔融后快速拉制而成的纤维，与普通混凝土相比，其受拉强度高0.5倍1倍，延伸率高3倍5倍，与有机聚丙烯纤维相比，玄武岩纤维的化学稳定性、热稳定性、弹性模量和抗拉强度都具有明显的优点。碳纤维（Carbon Fiber简称CF）在水泥浆的强碱性环境中稳定性好，无毒无害，无石棉纤维的致癌结构，性能优于玻璃纤维、钢纤维，而且比其他纤维对水的湿润性大，与混凝土的粘结紧密，因而增强效果最好。近年的研究还表明，碳纤维的掺入不仅可显著提高混凝土的强度和韧性，而且其电学性能也有了明显改善，具备本征自感应、自调节功能，它可以作为传感器并以电信号输出的形式，反映自身受力状况和内部的损伤程度；作为驱动器调节自身温度、应力及变形，在智能材料结构系统的研究和开发中倍受关注。碳纤维对混凝土的抗压强度提高不多，有时还略有下降，但在基体中加入超细颗粒(如硅粉)可使CFRC的抗压强度明显增加，掺有10硅粉的CFRC是基体抗压强度的4倍。此外，CFRC还具有良好的耐化学腐蚀性、抗渗透性、耐磨性、耐干缩性及耐久性。(2)人造纤维：玻璃丝、尼龙丝、人造丝、聚乙烯和聚丙烯丝聚丙烯纤维（Polypropylene Fiber 缩写PP fiber或者PPF）俗称丙纶纤维，白色，半透明，呈束状单丝结构或网状，它具有化学稳定性好，和大多数化学物质不发生作用，表面疏水性，不会被水泥浆浸湿而且原材料丰富、合成工艺简单、价格适中等优点，国外学者研究发现，聚丙烯纤维加入混凝土中，钝化了原生裂隙尖端的应力集中，使介质内的应力场更加连续和均匀，提高了早期混凝土的抗拉强度，所以聚丙烯纤维增强混凝土是目前研究最多，应用最广泛的纤维。玻纤维（Glass Fiber简称GF）防裂效果明显，具有显著的抗裂和抗疲劳性能，特别是抗早期的塑性收缩裂纹的能力；另外还具有较高的抗拉强度，抗弯强度，抗冲击能力较强，且耐磨，韧性良好。玻纤混凝土是在普通混凝土中加入抗碱玻纤（均匀乱向分布），由于玻纤维的加入，混凝土的物理力学性能得到了很好的提高。(3)钢纤维：由钢丝剪断（d=0.25-0.76mm），钢片（薄板）切割（截面为矩形，厚0.15-0.41mm），或高温高速熔抽（截面为新月形）等制成。为了提高纤维在混凝土内的粘结强度，可延纤维纵向压成波浪形，或在两端压出弯折。表1 用于纤维混凝土中的纤维的主要力学性能分类种类直径(10-3mm)长度(mm)密度(kg/m-3)抗拉强度(N/mm2)弹性模量(N/mm2)拉断时伸长(%)参加量(%)天然棉花15004007005000310石棉0.120.051025003300600100019600023816人造玻璃丝5152050260020004000800002.03.546尼龙丝411408001000400015聚丙烯丝20200225900500800350050002048金属钢丝550012257850300300021000034123 钢纤维增强混凝土的力学性能3.1抗拉强度、抗弯强度提高钢纤维加入对混凝土抗压性能改善不大，但是由于钢纤维阻止和延缓微裂缝的发生和发展，使混凝土抗拉强度有明显提高。钢纤维混凝土的轴心受拉应力应变全曲线如图1所示。图1 钢纤维混凝土的轴心受拉应力应变全曲线在试件开裂前钢纤维中的应力很小纤维混凝土与素混凝土的应力应变曲线相近。当纤维混凝土的基材开裂后由纤维承受拉力。当钢纤维掺量在1%到2%体积率（Vf）的范围内，抗拉强度提高20%50%，抗弯强度提高40%80%，用直接双面剪试验所测定的抗剪强度提高50%100%。钢纤维混凝土受弯试验量测的试件荷载中点挠度曲线如图2所示，试件截面的受拉区出现裂缝之前，荷载（应力）与挠度（应变）接近直线变化。当基材开裂后，与之相交的纤维应力突增，继续发挥承载作用，提高了试件的极限承载力。图2 钢纤维混凝土受弯试件荷载中点挠度曲线抗拉强度、抗弯强度是影响桥梁结构性能的重要指标，它是制约桥梁截面尺寸，制约配筋率的重要因素。正因为SFRC提高了混凝土的的抗拉强度，那么用它浇筑的桥梁就可以降低截面高度，减少配筋数量，改善桥梁的结构性能，提高桥梁跨越能力。3.2韧性提高普通混凝土致命的弱点之一是脆性破坏，裂后韧性差。韧性是衡量材料塑性变形性能的重要指标。在通常的纤维掺量下，钢纤维混凝土较普通混凝土由于有较大的变形能力，其延性为混凝土两倍，抗弯韧性有显著提高，通常可提高几倍到几十倍，如图3所示。当钢纤维掺率为混凝土体积的1%到2%时，纤维混凝土为普通混凝土的抗爆破抗冲击的动力强度510倍。图3 钢纤维混凝土的弯曲抗拉延性、韧性3.3抗疲劳性能提高钢纤维混凝土在反复荷载作用下，对于裂缝的引发和扩展有着非常良好的抑制能力。这是由于钢纤维能够改善混凝土的孔结构，约束在重复荷载作用下微细裂纹的发展。所以它的抗疲劳破坏能力有显著提高。耐疲劳试验中，对200万次时强度，单轴抗压强度提高11%，偏震弯曲疲劳可达到裂开强度的90%。当掺有1.5%钢纤维抗弯疲劳寿命为1106次时，应力比为0.68，而普通混凝土仅为0.51；当掺有2%钢纤维混凝土抗压疲劳寿命达2106次时，应力比为0.92，而普通混凝土仅为0.56。综上所述，混凝土内掺入钢纤维，获益最大的受力状态是弯曲，其次是受拉，最后是受压；对于限制裂缝和提高韧性的效益超过强度的增长。另外钢纤维混凝土与普通混凝土相比还有收缩率小、抗冻性能好、耐磨、耐化学腐蚀等优点。4 钢纤维混凝土的增强机理普通混凝土在荷载作用下，譬如图4所示均匀受拉情况，如果其截面上有一圆孔如图4（a）所示，则沿截面均匀分布的拉应力将发生重分布，由于圆孔或裂纹处的材料将荷载卸给了孔边材料，孔边便产生了应力集中。对于形如椭圆的狭长裂纹，如图4（c）拉伸荷载方向与椭圆长轴方向垂直，在拉应力作用下，长轴端点的应力常常远超过了混凝土材料的抗拉强度，使得材料在外应力还远小于材料抗拉强度时，就发生突然断裂，促使裂缝急剧扩展而突然破坏。这就是普通混凝土构件中经常发生的脆性破坏。根据材料力学有关理论，对图4（c）所示情形，有如下理论应力集中系数的经验公式: 式中： r=a2/b,椭圆长轴端点处的曲率半径；a为椭圆短轴长度；b为椭圆长轴长度；B为半倍板宽。图4 普通混凝土中圆形孔洞与椭圆形裂纹处应力分布图5 钢纤维增强混凝土机理示意图如前所述，钢纤维对混凝土的增强效果非常明显, 尤其是使混凝土的抗拉强度与韧性大为改善，其增强机理如图5所示。受拉时，跨越裂缝面的钢纤维就起联结作用，将荷载传递给裂缝的上下或左右表面，使裂纹区仍能继续承担荷载。并能承受较大的变形，直至钢纤维被拉断或从基体中拔出。因此，钢纤维的掺入，使得本质上呈脆性的混凝土在很大程度上表现出塑性特征，这种特征随钢纤维掺量的增加而愈加明显。应该指出，SFRC内部实际应力场并不是如图5所示那么简单，而是如图6所示那样，非常复杂。图6 钢纤维混凝土(SFRC)实际受力状态5 钢纤维混凝土工程实例山东省平阴黄河公路大桥，建于1969年，333（9611296）（9611296）733。主桥上部结构为两联（9611296）m三跨连续栓焊钢桁引桥，上部结构为单跨标准跨径为33m的预应力混凝土工字梁与钢筋混凝土行车道板组成的迭合式组合梁。原设计荷载为：汽-13，挂-60。经过多年使用，早桥出现多处病害之一是桥面铺装损坏严重。为提高桥梁的技术状况，延长桥梁的使用寿命，加固的设计荷载提高为汽-20，挂-100。加固维修桥面铺装的方法就是洗刨旧桥混凝土，改用钢纤维混凝土桥面铺装。滑模摊铺双钢混凝土桥面的优势除了上述各项性能和耐久性提高以外，桥面的平整度特别优异，能够达到动态平整度1.0的水平。在桥面铺装施工过程中进行现场取样试验，经过28d养护，测试得出普通混凝土、钢纤维混凝土的抗压与抗折强度。通过钻孔取芯进行劈拉试验，如表2所示钢纤维混凝土比普通混凝土的抗折强度提高28.99%，抗压强度仅提高了8%。通过对试验路半年通车试验的调查分析，无明显断板、开裂等现象。由此可见，采用钢纤维混凝土路面，确实收到了良好的使用效果。表2 普通混凝土、钢纤维混凝土的抗压与抗折强度对比混凝土名称配合比 水：水泥：砂：石减水剂/%R28抗折强度/MPaR28抗压强度/MPa普通水泥混凝土190：420：573：14070.85.0740.2钢纤维混凝土220：490：558：11320.86.544