钢纤维膨胀混凝土的力学性能及变形特性研究

钢纤维膨胀混凝土的力学性能及变形特性研究提要通过对不同配比钢纤维膨胀混凝土的力学性能及变形特性进行试验研究，详细分析了钢纤维膨胀混凝土的变形过程，深入讨论了钢纤维膨胀混凝土的纤维率、膨胀剂掺量、限制膨胀率等因素与其力学性能之间的相互关系，为钢纤维膨胀混凝土的实际应用奠定了基础。关键词钢纤维膨胀混凝土力学性能变形特性膨胀混凝土是近年来发展较快的一种特种混凝土。这种混凝土中的膨胀组份能使混凝土产生体积膨胀，由此全部或部分抵消混凝土的干缩变形，从而减轻混凝土的开裂病害。若混凝土中存在限制体如钢筋等，限制体与混凝土之间的握裹力将使其随混凝土的膨胀而产生伸长变形，并同时对混凝土施加压应力。随后，混凝土因受压应力作用而产生弹性压缩变形。这样，当混凝土承受外界荷载时，荷载所产生的拉应力可以被预先所具有的压应力抵消，混凝土实际承受的拉应力减小，因而混凝土结构的抗拉性能可得到有效的改善。这种膨胀混凝土又被称为限制膨胀混凝土。钢纤维膨胀混凝土是限制膨胀混凝土的一种。不过，与常用的钢筋限制膨胀混凝土相比，钢纤维膨胀混凝土又有其独特的特点。一方面，钢纤维在混凝土中呈乱向分布，其对混凝土的膨胀变形可产生均匀的限制作用，可以避免由钢筋的单向限制作用而产生的膨胀应力分布不均等弊病。另一方面，钢纤维膨胀混凝土中膨胀剂的加入，既可以避免或减小钢纤维混凝土因水泥浆含量过高而产生的干缩变形或开裂，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间的粘结力，改善混凝土的韧性。尽管钢纤维膨胀混凝土具有上述优越的物理力学性能，我国对钢纤维膨胀混凝土的研究与应用却并不多见。为了使人们能对钢纤维膨胀混凝土的各种性能有一个比较完整的认识，推动钢纤维膨胀混凝土的广泛应用，本文旨在对钢纤维膨胀混凝土的力学行为和变形性能进行全面研究，为实际工程中正确制定钢纤维膨胀混凝土的配合比提供依据。1试验原材料水泥哈尔滨水泥厂生产的天鹅牌425早强水泥。膨胀剂天津武青水泥厂生产的UEA型膨胀剂，由硫铝酸盐熟料、明矾石、石膏和激发剂等磨制而成，呈灰色粉末状，比重29G/CM3，细度小于5，其化学成份列于表1。表1UEA的化学成份表纤维率水泥KG/M3砂KG/M3石KG/M3水ML减水剂砂率水灰比VB值1040079296818000750450451511540087687618001100500451512040097279618001500550451513试验方法混凝土试块成型242H后拆摸，测定其初长后，再放入201的水中养护至28天。在养护龄期为1D、3D、7D、14D、21D、28D时分别测定试块的膨胀率，然后将试块取出并放在室温下干燥，并在不同龄期时分别测定其收缩率。另一部分试块在28天时取出擦干用于做力学性能试验。1膨胀试件的尺寸100100400MM。2膨胀率的测定用卧式收缩仪测试混凝土试块的轴向膨胀率，精度为001MM。3强度测定按钢纤维混凝土实验方法标准进行试验。4试验结果与分析41钢纤维膨胀混凝土的膨胀过程图1所示的是纤维率VF15的不同膨胀剂掺量钢纤维膨胀混凝土的限制膨胀率随时间变化的关系曲线。可以看出，在水化初期，混凝土的膨胀发展较快，随后逐渐减慢，到后期几乎保持不变。当膨胀剂掺量较小时，混凝土的限制膨胀率37天就已稳定；而当膨胀剂掺量较大时，混凝土在28天龄期时仍有膨胀。图2示出的是膨胀剂掺量EU70KG/M3的不同纤维率钢纤维膨胀混凝土的限制膨胀率随时间变化的关系曲线，可以看出，尽管混凝土所含的纤维量不同，各种配比混凝土1天的膨胀率相差却并不很大。VF10的钢纤维膨胀混凝土1天的膨胀率与自由膨胀混凝土几乎相等，3天时两者的差别也并不大。随着养护时间的增加，钢纤维的限制作用才变得明显起来。这说明，在钢纤维膨胀混凝土的膨胀初期和早期，纤维对混凝土膨胀的限制作用很小，混凝土几乎呈自由膨胀状态。换句话说，纤维在混凝土中产生了滑移。众所周知，膨胀混凝土加水拌和后，膨胀水泥迅速水化并产生大量水化产物钙矾石和氢氧化钙。此时强度组份CSH凝胶的数量并不很多，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，因此水化产物中的膨胀组份向充水空间膨胀时，混凝土并不表现出宏观膨胀变形。混凝土进一步水化以后，水化产物逐渐搭接、连生起来，并形成一定的初始强度，此时混凝土才开始逐渐膨胀。随着水泥的进一步水化，混凝土的强度则进一步提高，钢纤维与混凝土基体间的粘结握裹强度亦逐渐提高，但还不能对混凝土形成有效的限制作用，混凝土几乎仍处于近自由膨胀状态。当混凝土与钢纤维界面间的粘结强度增大到一定程度时，混凝土的膨胀作用则一部分用于充填混凝土内部大的空隙，另一部分用于张拉钢纤维并使之产生变形。不过，由于界面结构仍较薄弱，界面粘结力仍然不大，钢纤维仍不能充分限制混凝土的膨胀，部分界面结构还可能被膨胀应力破坏，钢纤维与混凝土间仍然可能产生部分滑移，只不过此时的滑移量较自由膨胀阶段逐渐减小。当混凝土的结构强度有较大增长，内部空隙大量减小时，混凝土则变得更加密实，钢纤维与基体界面间的粘结力已有很大提高。此时混凝土的膨胀能几乎全部用于张拉钢纤维，使得钢纤维的受拉变形与混凝土的膨胀变形基本上一起发生。此时，钢纤维对混凝土的限制作用亦得到充分的发挥。当混凝土的大部分膨胀能消耗完毕，混凝土强度逐渐趋于稳定时，混凝土的膨胀率将基本保持不变，混凝土的内部所剩下的少量膨胀能则用于抵消由钢纤维自应力作用而产生的很少的压力徐变，混凝土宏观变形将逐渐趋于稳定。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不难发现，钢纤维膨胀混凝土的限制膨胀发展过程存在明显的不同发展阶段。笔者将这一发展过程分为以下几个阶段膨胀初期近自由膨胀阶段；膨胀早期钢纤维滑移与变形阶段；膨胀中期钢纤维限制膨胀阶段；膨胀后期膨胀平衡阶段。不同阶段所持续时间的长短是由混凝土的膨胀能大小、强度组份的多少、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份、强度组份和纤维率之间的配比关系和恰当的纤维特征，尽量提高混凝土的早期强度，增强纤维与基体界面间的粘结力，缩短第一、第二阶段持续的时间，从而减少纤维的滑移量，提高混凝土的综合性能。42钢纤维膨胀混凝土的限制膨胀率随纤维率及膨胀剂掺量的变化图3示出的是在不同纤维率条件下钢纤维膨胀混凝土的限制膨胀率ES与膨胀剂掺量EU之间的关系曲线。通过回归分析，可以得出，在一定配比条件下，钢纤维膨胀混凝土的限制膨胀率与膨胀剂掺量之间存在如下变化关系ESCEAEU式中C、A为常数1令上式中EU0，可以得出ESC。即在膨胀能为零的条件下，混凝土的限制膨胀率为一常数。C值的大小与纤维率、纤维的种类有关，其物理意义反映了纤维在混凝土中产生滑移大小的程度。纤维率越高，纤维对混凝土的限制作用越大，纤维的滑移量则越小，C值也就越小。而系数A则反映了总膨胀能转化成有效膨胀能的转化程度。纤维率越高，纤维对混凝土的限制作用越大，有效膨胀能就增加，A值也就越大。图4示出了不同膨胀剂掺量钢纤维膨胀混凝土的限制膨胀率随纤维率变化的关系曲线。通过回归分析，可以得出，在一定配比条件下，混凝土的限制膨胀率同纤维率之间存在下列线性关系ESABVF式中A、B为常数2式中，A是VF0时混凝土的限制膨胀率，其物理意义为混凝土的自由膨胀率。膨胀剂掺量越大，A值越大。而B为上述直线的斜率，它表征钢纤维对不同膨胀剂掺量混凝土的限制作用大小。膨胀剂掺量越大，纤维的限制作用相对减小，B值也就越小。43钢纤维膨胀混凝土的收缩补偿所谓混凝土的收缩补偿，就是指通过对混凝土的收缩进行膨胀补偿来达到避免或减轻混凝土开裂的目的。本文讨论的仅限于对混凝土干缩的补偿。图5和图6分别示出了自由膨胀混凝土和钢纤维膨胀混凝土的膨胀和干缩率随时间变化的关系曲线。可以看出，素混凝土2个月时的收缩率为0037图6中1，自由膨胀混凝土2个月时的平均收缩率为0035左右图5中13。而钢纤维膨胀混凝土2个月时的平均干缩率只有0030左右图6中25，小于上述两种混凝土的相应值。因此，只要钢纤维膨胀混凝土的限制膨胀率大于0030，其干缩值就能基本上得到补偿。44钢纤维膨胀混凝土的力学行为441钢纤维膨胀混凝土的抗压强度一般说来，自由膨胀混凝土的强度随其膨胀率的增加而下降；膨胀率增加越多，其强度下降越明显。而在适当配比范围内，钢纤维膨胀混凝土28天龄期时的抗压强度并不明显下降。笔者经试验得出，不管混凝土的膨胀剂掺量和纤维率为多少，当其膨胀率在002003时，其抗压强度仅有微小的降低，只有当膨胀率大于004时，混凝土的抗压强度才明显下降。442钢纤维膨胀混凝土的抗拉强度由于钢纤维膨胀混凝土能产生自应力，所以相对钢纤维普通混凝土来说其劈拉强度有显著提高。图7示出的试验结果说明了这一点。图8示出了钢纤维膨胀混凝土与钢纤维普通混凝土的劈拉强度比同膨胀率间的变化关系。由图可知，不论纤维率和膨胀剂掺量是多少，当膨胀率小于0022时，钢纤维膨胀混凝土的劈拉强度比钢纤维普通混凝土增加10以上；当膨胀率增加到0035时，钢纤维膨胀混凝土的劈拉强度仍未降低。当膨胀率大于0035时，钢纤维膨胀混凝土的劈拉强度才开始下降。443钢纤维膨胀混凝土的抗弯强度和韧性钢纤维膨胀混凝土的抗弯强度和韧性是体现其优越力学性能的重要指标。同上所述，钢纤维膨胀混凝土的抗弯强度也应比钢纤维普通混凝土高。图9示出的结果正好说明了这一点。图10示出了钢纤维膨胀混凝土与钢纤维普通混凝土的抗弯强度比同膨胀率之间的变化关系。可以看出，对于各种不同配比的混凝土，当其膨胀率增加到0022时，钢纤维膨胀混凝土的抗弯强度比钢纤维普通混凝土提高10以上。当膨胀率大于0035时，混凝土的抗弯强度才开始下降。图11示出了纤维率为20的各种配比混凝土的抗弯强度与韧性之间的变化关系。可以看出，当膨胀剂掺量为55KG/M3时，混凝土的抗弯强度和韧性都达到了最佳值，初裂强度也明显增加；即使膨胀剂含量较大的混凝土，其下降阶段也表现出很好的韧性。这充分体现出钢纤维膨胀混凝土的优越力学性能及良好的韧性。5结论1钢纤维膨胀混凝土的受力变形过程可以分成四个阶段自由膨胀阶段；钢纤维滑移与变形阶段；钢纤维限制膨胀阶段；膨胀平衡阶段。在自由膨胀和钢纤维滑移与变形阶段，钢纤维与混凝土基体间可能产生滑移。为了获得优良性能的钢纤维膨胀混凝土，应尽量采取措施，缩短第一、第二阶段持续的时间。2在一定的膨胀剂掺量范围内，钢纤维膨胀混凝土的限制膨胀率与纤维掺量成线形关系变化；在一定的纤维率和纤维特征条件下，钢纤维膨胀混凝土的限制膨胀率与膨胀剂掺量成幂指数关系变化。3钢纤维膨胀混凝土的力学性能与纤维率、膨胀剂掺量及膨胀水泥品种有关。在本试验条件下，当钢纤维