纤维超高强混凝土的制备及力学性能试验研究.pdf
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1、2 0 1 1 年 第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRET E AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 1 No 2 F e b r ua r y 纤维超高强混凝土的制备及力学性能试验研究 杜修力 , 田予东 , 窦国钦 ( 1 北京工业大学建筑工程学院, 1 0 0 0 2 4 ; 2 中铁第五勘察设计院集团有限公司) 摘要 : 为提 高 高 强 、 超 高强 混 凝 土 的 韧 性 和抗 开 裂 性 能 采 用 复 合 超 叠 加 技 术在 配制 出抗 压 强 度 1 1 0 MP a以 上 基 体 混 凝 土 的基 础 上 , 分别 配制
2、出 了钢 纤 维 增 强 超 高强 混 凝 土 、 P vA 纤 维增 强 高 强 混凝 土 , 同时 对 不 同体 积 掺 量 的两种纤维混凝土进行 了立方体抗压 、 轴向抗 压、 劈裂抗拉 、 抗弯性能和弹性模量等力学性 能的测试 , 并对超 高强纤 维混凝土进行 了弯曲韧性的试验研 究。结果表明, 钢纤维对高强混凝土的立方体抗 压强度 、 轴心抗压 强度有一定的 增强作用, P V A纤维却降低 了高强混凝土的立方体抗压强度、 轴心抗压强度。两种 纤维都能明显改善基体混凝土的 劈裂抗拉 强度 、 抗弯强度及 弯曲韧性。对此种超 高强基体混凝土, 钢纤维的增 强增韧效果明显好 于 P V
3、A纤维。 关键词 : 超 高强混凝土; 钢纤维超高强混凝 土; 聚 乙烯醇 ( P V A) 纤维高强混凝 土; 力学性能 Abs t r a c t: To i mp r o v e t o ug h n e s s a n d c r a c k r e s i s t a n c e o f hi g h s t r e n g t h a n d u l t r a h i g hs t r e ng t h c o nc r e t e ,b a s e d o n p r e p a r i n g n o r ma l c o n c r e t e s wi t h o v e
4、 r 1 1 0 MP a c o mp r e s s i v e s t r e n gth b y t h e mu l t i p l e s u p e r o v e r l a p p i n g t e c h n o l o g y s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d u l t r a h i g h s t r e n gth c o n c r e t e a n d P VA f i b e r - r e i nfo r c e d h i g h - s t r e n gth c o n c r e t e a r e
5、s e p a r a t e l y p r e p a r e d At t h e s a me t i me ,t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c u b i c c o mp r e s s i v e s t r e n g t h ,a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e n g t h ,s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h , b e n d i n g b e h a v i o r a n d e l a s t
6、 i c mo d u l u s o f t w o k i n d s o f fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e w i t h d i f f e r e n t v o l u me d o s a g e a r e t e s t e d An d fl e x u r a l t o u g h n e s s o f u l t r a h i g h s t r e n gth fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s r e s e a r c h e d T h
7、e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t c u b i c c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e n gth o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e r e i n f o r c e d b y s t e e l fi b e r h a v e t h e d e fi n i t e e n h a n c e me n t ,b u t P VA fi b e r c a
8、n d e c r e a s e t h e c u b i c c o mp r e s s i v e s t r e n gth a n d a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f h i g h s t r e n gth c o n c r e t e T w o k i n d s o f f i b e r c a n o b v i o u s l y i mp r o v e s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h ,b e n d i n g b e h
9、a v i o r a n d fl e x u r a l t o u g h n e s s o f no r ma l c o nc r e t e Fo r t hi s k i n d o f ul t r a h i g h-s t r e n g t h no rm a l c o nc r e t e ,t he e f f e c t s o f s t e e l f i be r o n e n h a nc e d i n t e n s i t y a nd t o u g h n e s s a r e b e t t e r t h a n t h e e f f
10、 e c t s o f P VA fi b e r Ke y wo r d s : U l t r a h i g h- s t r e n gth s t e e l fi b e r c o n c r e t e ; S t e e l f i b e r - r e i n f o r c e d u l t r a h i g h - s t r e n g t h c o n c r e t e ; P o l y v i n y l a l c o h o l ( P V A ) fi b e r r e i n f o r c e d h i g h s t r e n g
11、t h c o n c r e t e ; Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s 中图分类号 : T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 1 ) 0 2 4 4 一 O 6 0前言 随着混凝土强度的提高 ,其脆性更加明显 , 在 轴压作用下应变软化性能微乎其微 , 呈突然性的爆 裂破坏 。加入纤 维可 以 明显 提高 混凝土 的韧性 和抗 开裂性能, 正是纤维混凝土( F R C) 优异的性能 , 使得 F R C对 地 下结构 工 程 、 防护 工程 以及 军 事工 程 有 了
12、很 大 的意义 。 钢纤维是一种高强高弹模金属纤维 掺入混凝 土后 能 明显改 善 高强超 高 强混 凝 土 的脆 性 和韧 性 。 聚乙烯醇纤维( P V A)是一种高强高弹模的合成纤 维 具 有 良好 的亲 水 性 , 纤 维表 面 能 够 吸 附少 量 自 由水 , 与水泥 基体 的粘结 强度很 高 。 由于 P V A纤维 本身具备较高的强度和弹性模量 它不但能够有效 地 抑 制混 凝土 的早 期 塑性 裂缝 而 且 可 以提 高 混凝 土的韧性及抗冲击性能 。目前 , 对钢纤维高强混凝 土研究 的文献较多, 对钢纤维超高强混凝土与聚乙 一 4 4 一 烯醇纤 维高 强混凝 土 的研
13、究较 少 。 本文对基体强度为 1 1 0 MP a以上的混凝土 , 分 别掺入不同体积掺量的钢纤维 、 P V A纤维配制出钢 纤维超高强混凝土( S F R V H S C) 和 P V A纤维高强混 凝 土 ( P F R HS C ) , 并 对 此 两 种 纤 维 混 凝 土 进 行 了抗 压强度 、 轴心抗 压强度 、 抗拉 强度 、 弹性模量 、 抗弯 强 度及 弯 曲韧性 等 力学 性能 试验 , 以此 期望 配制 出 强 度高 、 韧性 及 抗 冲击性 能好 的纤 维增 强 高强 或超 高 强 混凝 土 ,用 于 对 裂缝 要 求 严 格 的 地 下 结 构 工 程 、 防灾
14、减灾工程 、 防护工程等一些特殊结构中。 1 试验 概况 1 1 试 验用原 材料 采 用 常 规 原材 料 及 通 用 的工 艺 方 法 配 制 超 高 强混凝土。 对原材料不作特殊的要求 。选取原材料 的基本原则是水泥货源较充 足 ,骨料分布广且 丰 富, 以便于推广应用。 杜修力 , 田予东 , 窦国钦 纤维超高强混凝土的制备及力学性能试验研究 水 泥 : P 1 I 5 2 5 R硅 酸 盐水 泥 , 3 d 、 2 8 d实测 抗 压 强度 分 别 为 4 1 MP a 、 5 3 2 MP a , 3 d 、 2 8 d实测 抗折 强 度 分别 为 6 2 3 MP a 、 7 6
15、 3 MP a 。 掺 合 料 : I级 粉 煤 灰 ; $ 9 5矿 粉 ; S i O 含 量 为 9 7 、 比表面积为 2 x l 0 4 m k g的硅灰。 粗集料 : 5 2 0 ra m非活性机碎石 ,级配连续 , 压 碎 指 标 8 1 ,针 片状 颗 粒 含 量 7 6 ,表 观 密 度 27 4 0 k g m 。 细 集 料 : 中 粗 河 砂 , 最 大 粒 径 5 m m, 细 度 模 数 2 _ 3 , 含 泥量 1 1 5 0 MP a , P V A 纤 维 为 1 1 0 0 MP a ) 远 远 大 于 混 凝 土 , 阻止 了混 凝 土 的进 一 步变 形
16、 , 使 混凝 土 基 体达 到 极 限应 变 的时 间 推迟 , 亦 即初始 裂缝 出现 时 间推迟 。基体 开裂 后 , 裂 缝 间的应力重分布 , 原来 由混凝土基体承受的应力 向纤维转移 , 跨越裂缝的纤维将荷载传递到裂缝的 两侧表面 ,使裂缝处 的材料仍能继续承受荷载 , 裂 缝扩展速度得到延缓 : 跨越 裂缝的纤 维越 多 , 则裂 缝 稳定 扩 展 的持 续 时 间越 长 最终 达 到 的峰值 拉 应 力也 越 高 , 即纤 维混 凝 土 的劈 裂抗 拉 强度 越大 。 由以上 结 果可 以分 析 出 由于钢 纤 维抗 拉 强 度 较大,纤维直径也较大 S F R V H S C
17、劈裂抗拉结果最 后 由于钢 纤 维拔 出而 破 坏 , 本试 验 选 用 的端 钩 型钢 纤 维能 增 大纤 维 与基 体 混凝 土 的 粘结 , 所 以能 很 好 地提高混凝土的抗拉强度 。由于基体 混凝土强度较 大 ,当 裂缝 出 现 时纤 维 承受 的应 力 也 较 大 , 由于 P V A纤维较细 ,单根 P V A纤维所能承受的荷载较 低 ,粗集料之 间分 布的纤维数量有 限 ,试 件 由于 P V A纤维被拉断而产生破坏 ,所 以, P V A纤维高强 混凝土的劈裂抗拉强度较基准混凝土增长有限。 2 I 3 纤维 混凝 土 的抗弯 强度 和弯 曲韧 性 ( 1 ) 纤维 混凝 土
18、的抗弯 强度 混凝土梁 的抗弯强度试验结果见表 5 。由表 5 和图 6可见 , 两种纤维对混凝土的初裂强度和抗弯 拉强度均有明显的增强效果 。钢纤维超高强混凝土 的初裂抗弯强度和极限抗弯强度随着纤维体积掺 量 的增大 而提 高,钢纤 维 体积掺 量 由 1 增 大到 3 时 。钢纤 维 混凝 土 的抗 弯 强度 比 基 体 混 凝 土 增 长 l 2 5 7 1 0 2 3 3 ; S F R V HS C 1 5的抗 弯 强 度 达 基 体 混凝土的 2倍 : P F R HS C 0 5的抗弯强度和初裂强度 分别增长 3 5 , 1 2 和 3 5 2 3 ; P F R HS C 1的
19、抗弯强度 和 初 裂 强 度 分 别 增 长2 7 6 7 和3 4 4 7 : 表 5 纤维超高强混凝土的抗弯强度 P F R HS C 1 5的 抗 弯 强 度 和 初 裂 强 度 分 别 增 长 2 6 7 8 和 3 3 5 4 。 由图 3可见 随 P V A纤维体积掺 量的增大 纤维混凝土的初裂强度 和抗弯强度先增 大 , 体积掺量到一定程度( 0 5 ) 后 , P F R H S C的抗弯 善 骥 静 0 0 05 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 纤维体积掺量, 图 6 纤维掺量与混凝土抗弯强度 的关 系 强度及初裂强度略有降低 。抗弯强度与纤维体积掺 量 的关
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