钢纤维自密实混凝土管片力学性能的试验研究.pdf
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1、第 1 4卷第 1 期 2 0 1 1年 2月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG MATERI AL S Vo 1 1 4。 NO 1 Fe b , 20 11 文章编号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 1 0 0 5 钢 纤维 自密 实混凝土管片力学性 能的试验研究 刘 赫 凯 , 丁一 宁 ( 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室 , 辽宁 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘要 : 针对传统混凝土管片中存在的问题 , 为推动新型隧道管片的发展 以及 为慕尼黑一 维罗纳铁路 隧道采用钢纤维混凝土管片提供设计依据
2、, 参照德 国新近提 出的对称倾 角梁试验模型 , 研 究了不 同钢纤维掺量 、 钢筋配筋率对 自密实混凝土管片力学性能的影响 结果表明 : 钢纤维可明显提 高混 凝 土构件 的承 载 力和韧 性 , 将 钢 纤 维 自密 实混 凝 土应 用 于地 下 工程 , 并 用钢 纤 维部 分替 代 钢 筋 切 实可行 关键 字 : 钢 纤 维混凝 土 ;管 片 ;对称倾 角梁 ; 承 栽 力 ;能量 吸收 能力 中图分 类号 : T U5 2 8 5 7 2 文献标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 1 0 1 0
3、0 3 Ex p e r i me nt a l S t u d y o n Pe r f o r ma n c e o f S t e e l Fi b e r Re i n f o r c e d S e l f - c o mp a c t i n g Co n c r e t e ( S CC)T u n n e l Li n i n g LI U H e ka i,D I NG Yi ni n g ( St a t e Ke y La bo r a t or y of Coa s t a l a n d Of f s h or e En gi ne e r i ng,Da l i a
4、 n Uni v e r s i t y o f Te c h no l ogy,Da l i a n 1 1 60 24,Chi na) Ab s t r a c t :I n o r de r t o s ol v e pr o bl e m s e xi s t i ng i n t r a d i t i o na l c o nc r e t e t u nne l s e gme nt s , pr o mo t e t he d e v e l o p m e nt o f ne w t y pe o f t un ne l l i n i ng s e gme n t i n
5、Chi na a nd pr o v i de r e f e r e nc e f or a d o pt i ng s t e e l f i br e r e i nf or c e d c o nc r e t e l i ni ng s e g m e nt s i n M u ni c h v e r o na r a i l wa y t unn e l , a n e xp e r i me n t a l i n v e s t i ga t i o n wa s c o nd uc t e d t o s t u dy t he i n f l ue nc e o f s
6、t e e l f i br e a n d s t e e l r e ba r o n t h e m e c h a ni c a l b e ha v i o ur o f t he SCC t un ne l s e g m e nt by m e a ns o f a ne wl y d e v e l o p e d t e s t i n g me t h od i n Ge r ma n yThe r e s u l t s s h o w t ha t t h e a d di t i on of s t e e l f i b e r s c a n e n ha n c
7、 e t h e l oa d be a r i ng c a p a c i t y a nd t ou gh ne s s o f t h e s y mm e t r i c i n c l i n e be a m s I t i s f e a s i b l e t o a ppl y f i b e r r e i nf o r c e d SCC i n un de r gr ou nd e ng i ne e r i ng a nd pa r t i a l l y r e p l a c e t r a di t i o na l s t e e l r e b a r b
8、 y s t e e l f i be r Ke y wo r ds :s t e e l f i be r r e i nf or c e d c o nc r e t e;t unn e l s e g m e nt s;s y m me t r i c i nc l i ne be a m s ;l oa d b e a r i n g c a pa c i t y;t ou gh ne s s 慕尼黑一 维罗纳铁路隧道横穿阿尔卑斯山脉 , 连 接德国与意大利 , 全长 5 0 k m 由于阿尔卑斯山脉地 质条 件复 杂 , 其 中北部 2 5 k m 拟 采 用 盾 构 法 施 工 ,
9、 但按欧洲标准设计的普通混凝土管片配筋率较高 , 所 以难 以保证钢筋间距精确 , 易产生应力集中现象 , 而且 钢筋 的配 置 与绑 扎 也 是 十 分 繁 琐 , 并且 由于 钢 筋 间距过 小还 可 能造 成 混 凝 土 的 离 析 问题 , 所 以必 须采用新型的材料和方法 , 以减小其配筋率 研究 _ 】 伽表 明 , 钢 纤 维 增 强 混 凝 土 ( S F R C) 具 有 良好的物理 、 力学性能 , 与传统混凝土相 比, 其抗拉、 收稿 日期 : 2 0 0 9 1 1 - 1 1 ;修订 日 基金项 目: 中奥 国际合作项 目 第一作者 : 刘赫凯( 1 9 8 O 一
10、) , 男 期 : 2 0 1 0 0 2 0 1 抗弯强度及韧性 、 抗裂 、 抗爆、 抗冲击等性能都有不 同程度 的提 高 , 所 以可 用 钢纤 维 部 分 甚 至 完 全取 代 抗弯、 抗剪钢筋 , 以减小管片等密集配筋构件 的施工 难 度 钢 纤 维 自密 实 混 凝 土 ( S F RS C C) 具 有 较 好 的 工作性_ 4 , 能够满足 自密实混凝土的流动性 、 通过钢 筋能力和抗离析性能 的要求 , 并保证钢纤维在混凝 土 中分 布 均匀 和 构件 密 实 , 采 用 S F R S C C能够 较好 地 弥补 普通 钢筋混 凝 土管 片 的缺 陷 对 隧道 管片进 行
11、大 量研 究 后 , B e r n d等l_ 5 。 提 出 了应用对称倾角梁 ( 见图 1 ) 的试验模型来模拟隧道 辽宁 昌图人 , 大连理工大学博士生 E ma i l : l i u h e k a i s i n a c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 刘 赫凯 , 等 : 钢纤维 自密实混凝土管 片力学性 能的试验研究 管片的受力状态 , 并在欧洲隧道管片的研究 与设计 中得到了认可, 其 主要优点是 : ( 1 ) 由于引进 了倾斜 的支座反力 , 将其轴向分力作为偏心轴压力 , 因此能 够更 真 实地反 映 管片受 力状 态
12、 ; ( 2 ) 通过 改变 支座 反 力倾角 , 可近似模拟不同曲率管片的截面受压状态 ; ( 3 ) 对称倾角梁与小比例管片拱试件相比制作工艺 简单 , 更 适用 于实 验室 研究 为 了评 价 S F R S C C 管 片 的力 学 性 能 及 在 慕 尼 黑一 维 罗 纳铁 路 隧 道 的管 片 中采 用 钢 纤 维部 分 替 代 钢筋 的可行性 , 本 文利 用 目前 国际 上先 进 的试 验 方 法对称倾角梁, 研究 了多根对称倾角梁在不 同 掺量钢纤维与不 同配筋率钢筋共 同作用 时的荷载一 受拉 纵筋 应变 曲线 及荷 载一 跨 中挠 度 曲线 , 分 析 了钢 纤维对管片承
13、载力 、 能量吸收能力和等效抗弯强度 的影响 , 以期寻找出更加安全 、 可靠 、 经济 的复合材 料应 用 于隧道 管 片等地 下结 构 中 LVDT 图 1 对称倾角梁及加 载方式 Fi g 1 Di me n s i o n o f s y mme t r i c i nc l i ne b e a m a nd l o a d i n g s y s t e m( s i z e : ram) 1 试 验材料和配合 比设计 1 1试 验材 料 水 泥 采 用 大 连小 野 田水 泥 有 限公 司生 产 的 PII 5 2 5 R 普通 硅 酸 盐 水 泥 ; 细 骨料 为 优 质河 砂
14、 , 中砂 , 粒径为 0 5 mm; 粗骨料为石灰石碎 石, 粒径 为 5 1 0 mi i 1 ; 一 级粉煤 灰 ; 聚羧 酸高 效减 水剂 ; 自来 水 ; 钢纤维采用 Dr a mi x R C 6 5 3 5 B N端部弯钩钢纤 维 , 纤 维长 度 3 5 mm, 等 效直 径 0 5 5 I T l m, 纤 维 因 子 6 5 ; 纵 筋 韭1 0 , 1 4采 用 HR B 4 0 0钢 筋 , 直 径 分 别 为 1 0 , 1 4 mm, 屈 服 强 度 分别 为 4 8 4 , 4 9 0 MP a ; 箍 筋采 用 HP B 2 3 5钢 筋 , 直 径 为 6 5
15、 IT l m, 其 屈 服 强 度 为 3 00 M Pa 1 2配合 比设 计 参考欧洲 自密 实混凝土标准 E F NAR C _ 8 配置 了 S F R S C C, 配合 比见表 1 采用坍落扩展度 与 J 一 环 试验来评价其 工作性 能 这里 坍落 扩展 度用来 评 价 混 凝 土 在无 振 捣 情况 下 水 平 流 动 的 能力 , J 一 环 试 验 用 来 评 价 自 密 实 混 凝 土 通 过 钢 筋 和 抗 离 析 能 力 表 1配合 比设计 T a b l e 1 M i x p r o p o r t i o n o f c o n c r e t e Mi x
16、p r o p o r t i o n ( k g r n 。 ) m mb Ce m e n t Fl y a s h Sa n d S t o n e W a t e r Su p e r p l a s t i c i z e r 39 O 0 0 1 5 0 0 0 8 0 8 0 0 8 0 8 0 0 1 7 8 0 0 9 7 2 0 3 3 2 试 验设计 试 验 的 主 要 变 化 参 数 是 钢 纤 维 掺 量 ( 0 , 2 5 , 5 0 k g m。 ) 、 箍筋配箍率 ( 0 , 0 2 9 5 , 0 5 9 3 ) 和纵 筋配筋率( 2 6 , 2 2 ) 构件
17、编号及详细参数见表 2 , 其中 NO 一 8 O A为普通钢筋混凝土构件 , 其他 为钢 纤 维钢 筋混 凝 土 构 件 构 件 尺 寸 为 梁 宽 ( 6 )梁 高 ( )梁长 ( L )一1 5 0 mm1 5 0 mm1 1 0 0 1 T l I n , 有 效 高度 h 。 一1 1 8 IT l m, 端部 倾角 为 4 5 。 采用 四点 弯 曲 加 载 , 试 验 梁跨 度 L 为 1 0 5 0 r n m, 剪 跨 区 长度 L 为 3 5 0 mm 在构 件跨 中 以及 加 载点 分别 布置 了 3个 位 移传 感器 ( L VD T) 测 量 各 点 的竖 向位 移
18、, 并 在 纵 筋跨 中位置布置 了钢筋应 变片测量抗 弯钢筋 的应 变 , 测 点布 置 见 图 1 使 用 1 0 0 0 k N 液 压 伺 服 试 验 机 , 等 速位移 控 制 , 加 载速 率为 0 5 mm mi n 表 2 构件编号和详细参数 Ta b l e 2 Nu mb e r a n d d e t a i l s o f s p e c i me n s Fi b e r S t i r r u p S t i r r u p C o d e u s e l e v e l s p a c i n g r a t i o ( k gI n ) InIn L o ng
19、i t u di n a 1 r e in l or c em ent 3试验 结果及分析 3 1 钢 纤维 对抗 压 强度 的影 响 无 钢纤维 混凝 土 ( NO ) 和钢 纤 维 混凝 土 ( S F) 2 8 d抗压 强度 见 表 3 , 其 中 S F后 面 的数 字代 表钢 纤 维 掺量 表 3钢纤维对 混凝土抗压强度 的影响 T a b l e 3 I nf l u e n c e o f f i b e r s o n c o mp r e s s i v e s t r e n g t h M P a 由表 3可 见 , 混 凝 土 的抗 压 强 度 均 达 到 了设 计 要
20、求 , 钢纤维的加入虽然降低了混凝土的脆性 , 但对 _ 亘d m出 把 k 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 建筑材料学报 第 1 4卷 其抗 压强 度没 有 明显影 响 3 2 钢 纤维对 管 片承载 力 的影 响 试验 中所有构件均发生剪切破坏 , 图 2 4为钢 纤维 对构 件荷 载一 挠度 曲线 的影 响 互 3 图 2钢纤维对荷载一 挠度 曲线 的影响 Fi g 2 Co mp a r i s o n o f l o a d d e f l e c t i o n r e l a t i o n s h i p s wi t h a nd wi
21、 h ou t s t e e l f i be r s g 图 3 钢纤维取代箍筋对荷载一 挠度 曲线 的影响 Fi g 3 I n f l u e nc e of f i b e r s on l o a d - de f l e c t i o n r e l a t i o ns h i p ( s t i r r u p s r e p l a c e d b y s t e e l f i b e r s ) 互 图 4 钢 纤 维 取 代 纵 筋 对 荷 载一 挠 度 曲线 的影 响 i g 4 I n f l u e nc e o f f i be r s o n l oa d
22、 de f l e c t i o n r e l at i o n - s h i p ( 1 o n g i t u d i n a l r e b a r s p a r t i a l l y r e p l a c e d b y s t e e l f i b e r s ) 由图 2可以看 出, 在普通钢筋混凝 土中掺加钢 纤维后, 可有效提高构件的力学性能 由图 3可见, 钢纤维部分替代箍筋后, 构件的极 限承载力和能量吸收能力均随着纤维掺量的提高而 提 高 , 而 无 箍 筋 构 件 S F 5 0 - 0 一 A 的极 限 承 载 力 与 配 置箍 筋并 掺 2 5 k g
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