粗骨料和钢纤维对混凝土中裂纹扩展模式的影响.pdf

2 0 1 2年 第 5 期 (总 第 2 7 1 期 ) Nu mb e r 5 i n 2 0 1 2 ( T o t al No ．2 7 1 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORET I CAL RES EARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 0 ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ．2 0 1 2 ． 0 5 ． 0 0 1 粗骨料和钢纤维对混凝土中裂纹扩展模式的影响 韩建国。阎培渝 ( 清华大学 土木工程系 土木工程安全与耐久教育部重点实验室， 北京 1 0 0 0 8 4 ) 摘要： 以混凝土断面上粗骨料断裂分数作为评价手段 ， 研究了粗骨料和钢纤维对混凝土中裂纹扩展模式的影响。 研究结果表明： 对于 轻骨料混凝土和高强混凝土， 裂纹的扩展模式主要是以穿过粗骨料的方式进行； 对于低强混凝土， 裂纹的扩展模式主要是以沿过渡区的 方式进行。 掺入钢纤维后， 显著改变了轻骨料混凝土和高强混凝土中裂纹的扩展模式， 使得部分裂纹的扩展由穿过粗骨料进行转变为沿 过渡区进行 ； 掺入钢纤维后， 轻骨料混凝土断面上粗骨料断裂分数降低了3 9 ． 6 ％， 高强混凝土断面上粗骨料断裂分数降低了2 6 ． O ％。 关键词： 粗骨料；钢纤维；裂纹；扩展模式 中图分 类号 ： T U5 2 8 ．O 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 5 — 0 0 0 1 — 0 4 I n f l u en ce of c oa r s e a ggr e ga t e a nd s t e el f i be r on c r ac k pr opa ga t i on p a t t e r n i n c onc r e t e HAN J i a n - g u o， Y AN P e i - y u ( De p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g， Ke y L a b o r a t o r y o f C i v i l E n g i n e e r i n g S a f e t y a n d D u r a b i l i t y o f C h i n a E d u c a t i o n Mi n i s t r y T s i n ghu aU n i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 ， C h i n a ) 。 Ab s t r a c t ： Us i n g f r a c t u r e d a g g r e g a t e a r e a r a t i o( F AA R) a s e v a l u a t in g p a r a me t e r ， t h e i n fl u e n c e o f c o ars e a g gre g a t e a n d s t e e l fi b e r o n c r a c k p r o p — a g a t i o n p a R e m i n c o n c r e t e we r e s tu d i e d ． T e s t r e s u l t s s h o w t h a t the c r a c k p r o p a g a t i o n p a tt e r n in l i g h t we i g h t a g gre g a t e c o n c r e t e a n d h i 曲 s t r e n g t h c o n c r e t e i s ma i n l y the p a s s t h r o u g h c o ars e a g g r e g a t e t y p e ； a n d i n l o w s t r e n gt h c o n c r e t e ， t h e c r a c k p r o p a g a t i o n p a t t e r n i s ma i n l y a l o n g wi t h t h e tr ans i t i o n z o n e t y p e ． A f t e r t h e i n tr o d u c e o f s t e e l fi b e r ， the c r a c k p r o p a g a t i o n p a R e m o f l i g h t we i g h t a g gre g a t e c o n c r e t e a n d h i 曲 s t r e n g t h c o n c r e t e i s c h a n g e d n o t a b l y， f r o m p a s s t h r o u g h c o ars e a g gre g a t e t o a l o n g wi th t h e t r a n s i t i o n z o n e ．Th e c a lc u l a t i o n r e s u l t s ma n i f e s t tha t the FAAR o f l i ght w e i ght a g gre g a t e c o n c r e t e i s l o we r e d b y 3 9 ． 6 p e r c e n t and t h e F AA R o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e i s l o we r e d b y 2 6 ． 0 p e r c e n t a f t e r the i n t r o d u c e o f s t e e l 丘 b 矗 t o c o n c r e t e ． ． Ke yw or ds ： c o a r s e a g gre g a t e； s t e e l fi be r ； c r a c k； p r o p a g ~i o np a t t e rn 0 引言 通常， 混凝土可看作是 由水泥浆基体 、 骨料和界面过渡区 三相组成的复合体， 并一般认为界面过渡区是混凝土中的薄弱 区。 随着混凝土配合比中胶凝材料体系组成、 水胶比和骨料品质 的变化 ， 混凝土在受力破坏的过程中， 裂纹的扩展模式可沿过 渡区进行或穿过粗骨料进行， 这取决于上述三相之间的强度关系。 混凝土是一种准脆性材料， 为增强混凝土的韧性 ， 通常将 其与高强高延性材料如钢筋、 钢管和纤维等复合 ， 制备成钢筋 混凝土、 钢管混凝土和纤维增强混凝土。 这些高强高延性的材料 在掺人后 ， 除可对混凝土产生增强增韧的效果外 ， 还可能会对 混凝土中裂纹扩展 的模式产生影响。 相对于使用石灰石、 花岗岩和玄武岩等作粗骨料所制备的 普通混凝土 ， 使用黏土陶粒 、 页岩陶粒 、 粉煤灰陶粒、 浮石和火 山渣等制备的轻骨料混凝土， 具有 自重小、 保温 、 隔声和经济的 特点 ， 因此在混凝土结构的轻质隔墙、 非承重楼板和屋顶的建 造方面获得了广泛的应用。 同时， 在使用高强度的轻骨料时， 所 制备的轻骨料混凝土还可用于建造剪力墙、 柱、 筏基和桥面等 承受荷载的构件。 轻骨料的强度要小于普通骨料的强度， 但通过 收稿 日期 ：2 0 1 1 - l 1 _ o 9 基金项目：“ 十一五” 国家科技支撑计~( 2 0 0 8 B A E 6 1 B 0 5 ) 调节混凝土的配合比 可制备出比轻骨料本身强度更高的混凝 土【 1] 。 由于轻骨料和水泥浆体之间的火山灰反应， 使得界面过渡 区的品质得以提高 ； 以及由于轻骨料疏松多孔， 有利于水泥浆 体向内部迁移， 产生锚固效应。 因此 ， 在轻骨料混凝土 中， 其强 度的薄弱点通常是轻骨料本身【2 j ， 在轻骨料混凝土的破坏过程 中， 裂纹的扩展往往会直接穿过轻骨料进行。 本试验制备了使用石灰石骨料的。C3 0低强混凝土和 C 8 0 高强混凝土 ， 以及使用页岩陶粒的 L C 3 0 轻骨料混凝土。 并通过 掺人钢纤维， 制备了与上述 3种混凝土相应的纤维混凝土。 研究 了在混凝土的弯曲破坏过程中， 骨料类型和钢纤维对裂纹扩展 模式的影响。 所得结果可对如何考察混凝土中裂纹的扩展模式 和如何改善混凝土的弯曲韧性提供借鉴。 1 原材料和配合比 混凝土制备所用原材料包括 P O 4 2 ． 5 级水泥， F级 I 级粉 煤灰， 无定形 S i O： 含量大于 9 0 ％的硅灰， 它们的化学组成如表1 所示； 细度模式为 2 ． 8的天然二区中砂 ； 聚羧酸型减水剂， 其用 量以使得新拌混凝土的坍落度达到( 1 6 0 ~ 1 0 ) 蛐为准。 粗集料 分为两种 ： 第一种是 5 ~ 2 0 ml n连续级配石灰石碎石 ， 压碎指标 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 值为4 ．6 ％， 表观密度为 2 6 5 0 k g ／ m3 ； 第二种是 5 ~ 2 0 i n l n连续级 配页岩陶粒， 其性能指标如表 2所示。 表 1 胶凝材料的化学组成 ％ 翥 — S—iO - —A 1 —Fe - C a O M g—O _ 菇 而烧 失 量 材 料 ．S()3 N a2o ～ — 水 泥2 1 ： 1 3 4 ． 8 3 2 ． 5 7 6 2 ． 6 5 3 ．3 8 2 ． 6 8 0 ．2 1 0 ． 5 8 1 ．8 9 粉煤灰5 1 ． 5 1 3 5 ． 3 4 3 ． 7 9 3 ． 3 8 0 ．6 8 0 ． 6 2 0 ．2 0 0 ．8 6 2 ．3 6 硅灰 9 2 ． 1 4 0 ． 8 4 1 ． 4 5 1 ． 3 5 1 ．4 0 一 O ．2 8 1 ．3 6 1 ． 1 5 本研究的目的是考察混凝土试样在弯曲状态下， 粗骨料和 钢纤维两个因素对裂纹扩展模式的影响。 由于相对于普通混凝 土， 轻骨料混凝土具有较小的拉压强度比【3 】 ， 因此本研究设计了 弯曲强度相当的、 使用普通粗骨料和轻骨料的两种低强度混凝土， 以及使用普通粗骨料的高强混凝土， 所用混凝土的配合比如表3 所示， 编号中最后的一位 F代表混凝土中掺入了钢纤维。 所用钢 纤维为上海贝卡尔特一 二钢有限公司的佳密克斯型纤维， 其性能 指标和掺量如表4所示。 本研究采用三点弯曲试验来获取混凝土的断面。 用于抗压 测试的混凝土试样为 1 5 0 n a ／ ／ l 的立方体， 用于三点弯曲试验的混 凝土试样为 1 5 0 mmx l 5 0 m mx 5 5 0 i n l n的棱柱体， 混凝土试样在 成型后以薄膜覆盖， 2 4h 后拆模， 然后放置于标准养护室中进行 表 3 混凝土的配合比 表 = 4 试验所 用钢纤维的性能指标 直径 ／ mm 长度 ／ mm 弹性模量 ／ GP a抗拉强度 ／ ／V I P a掺量 ／ ( k g ／ m3 ) 0． 5 4 3 5．0 2 2 0 >l 0 0 0 3 5 ． 0 养护。 混凝土抗压强度的测试龄期为 3 、 7 、 2 8 d ， 混凝土三点弯曲 试验的测试龄期为 2 8 d 。 2 结果和分析 2 ． 1 混凝 土断 面的获取 混凝土断面的获取采用如图 1 所示的三点弯曲试验来进 行， 试样在测试前， 在侧面的中央位置进行预切口， 切 口的深度 为 2 5 mm， 用于引导裂纹的发生位置 ， 试验过程采用恒位移控 制， 使得试样跨中挠度的速率为 0 ； 2 m m／ mi n 。 同时， 依据该三点 弯曲过程所获得的峰值荷载， 来计算混凝土的弯曲强度。 2 5 m in i 图 1三点弯 曲示意图 2 ． 2弯曲强度和抗压强度 不同品质混凝土的2 8 d 弯曲强度如图 2所示 ， 3 、 7 、 2 8 d的 抗压强度如图 3所示。 图4为不同品质混凝土在 2 8 d的折压 比， 即混凝土的弯曲强度和抗压强度之比。 由图 2可见， 使用普通骨料所制备的 C 3 0混凝土， 和使用 轻骨料所制备的 L C 3 0混凝土， 在 2 8 d的弯曲强度基本相当， 均为4]V I P a 左右。 由图3可见， 各编号混凝土随着养护龄期的发 展， 均表现出较好的抗压强度发展历程。 同时， 由图 2 、 3可见， 掺人钢纤维虽使得混凝土的弯曲强度和抗压强度有所提高 ， 但 提高的幅度并不显著， 在 2 8 d时， 掺人钢纤维后 ， 其弯曲强度和 抗压强度的增长量均小于 1 5 ％。 由图4可以看出， 同样使用石灰 2 1 0 O 8 0 6 0 营 4 o 2 O O C3 0 C3 0 F LC3 0 LC3 0 F C8 0 C8 0 F 编号 图 2 混凝土的弯 曲强度 C 3 0 C3 0 F L C3 0 L C3 0 F C8 0 C8 0 F 编号 图 3 混凝土的抗压强度 __ ] _ 薯 | ≯ I |j C3 0 C3 0 F L C3 0 LC3 0 F C8 0 C8 0 F 编号 图 4 混凝土的折压比 石骨料时， C 8 0高强混凝土相对于普通强度的 C 3 0混凝土具有 较低的折压比， 这是由于随着混凝土水胶比的降低， 虽然混凝 7 6 5 4 3 2 1 O 苣越艇鲁静 2 O 8 6 4 2 O 《 丑坦鞲 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m