钢纤维超高强混凝土的收缩变形及开裂研究.pdf

2 0 1 1年 第 5 期 (总 第 2 5 9 期 J Nu mb e r 5 i n 2 0l 1 ( To t a 1 No 2 5 9) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M AT ERI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 l 0 5 0 2 8 钢纤维超高强混凝土的收缩变形及开裂研究 林鸿斌 ，王冲 ，曾毅娟 ( 重庆大学 材料科学 与工程学院 ，重庆 4 0 0 0 4 5 ) 摘要 ： 超高强混凝土的抗压强度虽然很高 ， 但其致命缺 陷是高脆性和高的 白收缩 变形 ，从而极易产生裂缝 。通过研究在超高强混凝 土 中掺人钢纤维， 测试不同基体、 不同钢纤维掺量及不同长径比条件下的钢纤维超高强混凝土的收缩变形及开裂规律。试验研究表明： 在本 试验条 件下 ， 钢纤维长径 比大对抑制混凝土收缩有利 ， 长径比小的钢纤维对混凝土的抗裂性有益 。微钢纤维 掺量在 O 3 0 9 范围内时， 对超 高强混凝土 自收缩减小幅度为 2 6 3 2 8 8 ， 对干缩减小幅度为 1 9 5 4 3 7 ， 掺量 O 6 和 O 9 的微钢纤维超高强 昆凝土干缩比普 通混凝土还小。掺人钢纤维能大幅度减d , N高强混凝土 的收缩变形 ， 增强超 高强混凝土的早期抗 裂性能 。 关键词 ： 超高强混凝土；钢纤维 ；收缩 ；开裂 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 0 8 0 0 4 Re s e ar c h on s hr i nk a ge de f or ma t i on a nd c r a c k i n g of ve r y hi gh s t r en gt h c onc r e t e w it h s t e e 1 f i b er LI N Ho n g b i n， WANG Ch o n g， Z ENG Yi q u a n ( C o l l e g e o f Ma t e r i a l S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g ， C h o n g q i n gUn i v e r s i t y ， C h o n g q i n g4 0 0 0 4 5 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： W i t h h i g h c o mp r e s s i v e s t r e n g t h， v e r y h i g h s tr e n g t h c o n c r e t e h a s a f a t a l d e f e c t o fh i g h b r i t t l e n e s s wh i c h c a u s e s c o n c r e t e c r a c k i n g c a s “ y ， I n thi s s t u d y s h r i n k a g e d e f o r m a t i o n a n d c r a c k i n g o f v e r y h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e m i x e d wi t h s t e e l fib e r s we r e t e s t e d u n d e r t h e c o n d i t i o n s o f d i f - f e r e n t ma t rix， a mo u nt o f s t e e l fib e r ， a n d l e ng t h d i a me t e r r a t i o o f fi be r ， r e s p e c t i v e ly Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t ， i n t hi s e x p e rime n t t h e a u t o g e n o u s s h r i n k a g e o f v e r y h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e wa s d e c r e a s e d 2 6 3 2 8 8 ， a n d t h e d r 3 , s h r i n k a g e wa s r e d u c e d 1 95 43 7 whe n O _ 3 0 9 a mo u n t o f s t e e l fi b e r we r e a d d e d Th e d ry s h r i n k a g e o f v e r y h i g h s t r e n gth c o n c r e t e i s l o we r t h a n t h a t o f o r d i na r y c o n c r e t e i n c a s e o f 0 6 o r O9 a mo u n t o f s t e e l fib e r mi x e d I t i s a l s o p r e s e n t e d t h a t l a r g e r l e n g t h d i a me t e r r a t i o o fs t e e l fib e r i s b e n e fi t t o i n h i b i t s h r i n k a g e d e v e l o p me n t ， b u t s m a l l e r L - D r a t i o i s f a v o r a b l e t o c o n t r o l c o n c r e t e c r a c k i n g Ke y w o r ds ： v e r y h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e； s t e e l fib e r ； s h r i nk a g e ； c r a c k i n g 0 引 言 现代建筑物或构筑物主要是向超高层、 超大跨发展。 作为最 主要的建筑结构材料 ， 混凝土在满足越来越高的耐久性要求的同 时， 对其强度的要求也越来越高。 高强、 超高强混凝土已成为近年 来混凝土研究与应用的热点之一。 美 国西雅 图 T wo U n i o n S q u a r e ( 1 9 8 7年 ) 混凝土抗压强度达到 1 3 8 MP # ” ， 西雅图 P a c i fi c F i r s t C e n t r e ( 1 9 9 2 ) 混凝土强度 l 2 4 MP #” ， 德国法兰克福 T a u n u s t o r B u i l d i n g ( 1 9 9 0 ) 混凝 土强度达 到 C 1 0 5要求 2 ， 沈阳富林大厦混 凝土实 际强度超过 1 0 0 MP a I ， 北京财税大楼工程混凝土 强度 达到 1 2 7 MP a s 。 2 0 0 1 年 ， 法国的 D r me 地区建起 了一座两跨公 路桥 ( B o u r g L 6 s Va l e n c e ) ， 其 2 8 d强度达 1 7 5 MP a 。 强度 超过 1 5 0 MP a的超高强混凝土已在重庆大学实验室制备成功。 超高强混凝土 的抗 压强度虽然很高 ， 但其致命缺 陷是 高脆 性和高的自收缩变形， 从而极易产生裂缝。 为解决超高强混凝土 的脆性及 自收缩变形问题， 目前工程中主要采厢钢管复合超高 强混凝土结构形式 。 除此之外， 还可以利用纤维复合， 达到对 超高强混凝土的增韧 目的。 在此情况下， 以纤维增韧超高强混 凝土为基础 ， 进而复合以传统的钢筋混凝土结构形式， 可以从 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 1 2 6 基金项 目：重庆 自然科学基金计划项 目C S T C2 0 0 8 B B4 0 4 5 8 O 根本上降低超高强混凝土的脆性， 使之满足于抗拉、 抗弯等结 构形式要求。 同时， 利用纤维可降低收缩， 抑制裂缝的特性， 免除 对超高强混凝 土耐久性问题的担忧 。 正是基于这方 面考 虑 ， 从钢纤维对超高强混凝土的收缩变 形及开裂的影响方面进行研究。 研究不同钢纤维掺量、 不同钢纤 维长径比以及不同混凝土基体等各种条件对钢纤维超高强混 凝土的干缩及自收缩的影响， 以及如何控制超高强混凝土的裂 缝 的产生。 1 原材料 、 配合 比及试验方法 1 1 试验材 料 ( 1 ) 胶凝材料 ： 水泥采用重庆拉法基水泥厂生产 的 P - O4 2 5 R 级 水泥 ； 硅 灰为挪威埃肯 公司的半聚集 态硅微粉 ； 矿渣来 自于 重庆钢铁公司的水淬高炉矿渣 ， 在振动磨中磨细 2 h 使用。 ( 2 ) 集料： 粗集料为歌乐山碎石， 试验中将粒径 5 1 0 n u n和 粒径 l 0 2 0 mi l l 按比例混合使用。 细集料采用岳阳产中砂， 含泥 量 1 4 ， 细度模数 2 8 。 ( 3 ) 高效减水剂 ： 氨基磺酸盐系高效减水剂 ， 密度 1 1 3 g c m3 ， 含同量 3 l 。 减水剂以胶凝材料总量的质量百分比掺人。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 4) 纤维： 重庆宜筑工程纤维制造有限公司提供的微钢纤 维( 长度 1 0 mr n 、 长径 比 6 6 7 ) 和长钢纤维( 长度 3 0 m m、 长径 比 7 5 ) 。 两种纤维的形貌示于 图 1巾。 1 2混凝 土配合 比设 计 为研究钢纤维对超高强混凝土性能的影响 ， 本 试验除 了对 钢纤 维掺量 、 长径 比的对 比外 ， 另外也对不 同基体混凝 土掺入 钢纤维后的作用效果进行 r对比， 选择掺 2 0 矿渣和不掺矿渣 两组配合 比进行试验 。 根据文献 9 及本 文多次实验 室试验 ， 确定本试验超高强混 凝土配合比如表 l 所示 。 试验中也选取了文献 7 】 中水胶比为0 3 3 ， 图 1 微钢纤维和长纤维的形貌 水泥掺用量为 4 6 3 k g m 的普通 混凝 土的干缩 及 白收缩变形与 本论文试验结果进行对比， 普通混凝土配合比示于表 2 。 表 1 超高强混凝土的基准配合比 试验编号 钢纤维种类 钢纤 维掺量 胶凝材料 ( k g m )水泥 硅灰 矿渣 川水量 k g 粗集料 ( k g m )细集料 ( k g m )减水剂 1 3试 验 方 法 1 3 1 收缩变形 混凝土按照配合 比搅拌 、 振动密实成型 ， 静止 2 4 h后 拆模 ， 将 试件置于温度为( 2 O 2 ) 、 l卡 H 对湿度为( 6 0 + 5 ) 以上的收缩室中， 然后在试件两端粘贴铜质测头， 利用弓形螺旋测微器测量试件 长度作为基准， 后将试件置于不吸水的格架上， 试件间距不小于 3 0 I I U 。 试件的干燥收缩龄期从测定基准长度后算起 ， 测其 3 、 7 d 的长度 ， 之后每 7 d 测量一次长度 。 每次测长前均需测定标 准杆的 长度， 测长应重复 3次 ， 取 3 个读数的算术平均值作为测定值。 测定混凝土 自收缩 的试件 ， 粘贴好测头后用塑料 薄膜 包裹 严实， 外露测头的周 同用凡十林反复封堵严实 。 自收缩变形值测 试方法与干燥 收缩 相同。 本试验所 测的于缩值包含 自收缩 。 1 3 2 歼裂性 能测试 混凝土在如图 2 所示 的模 板中浇筑成型后 ， 立 即开启 风南 吹 向试件表面 ， 连续吹 5 h后 ( 如冈 3所示 ) ， 用读数 显微镜( 分 度值 0 0 1 mlT 1 ) 测读裂缝宽度。 用棉纱线沿着裂缝的走向取 得相 金属 片 府 力 I c = = 二二 一 图 2 平板法装置示意图( 单位： m m) 位置 图 3 本试验所用混凝土裂缝测试装 置 应 的裂缝长度 ， 测量并 记录裂缝数量 、 长度与宽度 ， 开裂面积按 式( 1 ) 计算 。 开裂面积计算方法： ，4 W ( 1 ) l l 式 中 ： _4 试 件裂缝 的 裂缝 总 面积 ，纤维 混凝土 试件 记作 A ， 对比用得基准混凝土试件记作A ， mm： ； ，一 第 i 条裂缝名义最大宽度 ， mm； l i 第 i 条裂缝的长度 ， mr n 。 2 钢纤维对超 高强混凝土收缩变形影响的分析 2 1 不 同基体条件下微钢纤维对超 高强混凝土收缩 变形 的影 响 本试验采用两组不 同配合 比， 分别掺人相 同掺量为 O 3 的 徽钢纤维， 分析对比两种不同基体条件下微钢纤维超高强混凝 土的收缩率 。收缩变形测试 ， 如 图 4 、 5所示 。 从 图 4 、 5可以看出 ： ( 1 ) 超高强混凝土由于水胶比很小， 其 自收缩与干缩都 比 普通混凝土要大 j 81 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 、 褂 制 嚣 0 7 I 4 2 I 2 8 3 5 4 2 龄期 ， d 图 4 不同基准条件下微钢纤维掺量 为 0 3 的 自收缩变形率 宝 祷 臻 U 7 l 4 2l 2 35 42 龄 期 ， d 图 5 不 同基准条件下微钢纤维掺量为 0 3 的干缩变形率 ( 2 ) 低水胶比的超高强混凝土的自收缩占到整个收缩的大 部分， 说明自收缩是低水胶比混凝土产生收缩的大部分原因。 ( 3 ) 磨细矿渣的掺入增大了超高强混凝土的早期干缩、 自 收缩值， 但是在后期则与不掺矿渣的超高强混凝土相差不大。 2 2 不同微钢纤维掺 量对超 高强混凝土收缩 变形的 影 响 本试验采用不掺矿渣的混凝土配合比一， 分别往混凝土中掺 0 3 、 0 6 、 0 9 的微钢纤维， 收缩变形测试， 如图 6 、 7 所示 。 ! 、 替 戳 嫖 600 5 00 4 00 3 0 0 2O O 1 0 O 0 龄 期 ， d 图 6 不同微钢纤维掺量时混凝土的自收缩变形率 从图 6 、 7可 以看出 ： ( 1 ) 不掺微钢纤维的超高强混凝土的干缩与自收缩要到 2 8 d 以后才趋于平稳， 而掺入微钢纤维的混凝土的在大约 1 4 d以后 就能慢慢平稳 下来 ， 因此 ， 掺入微钢纤 维有利 于混凝土 的施工 、 养护 ， 提高超高强混凝 土的早期性能。 8 2 1 l 谣 癸 姆 o 7 1 4 2 1 2 8 3 5 4 2 龄期 d 图 7 不同微钢 纤维掺量时混凝土的干缩变形率 ( 2 ) 微钢纤维掺量 0 6 和 0 9 的超高强混凝土 的干燥 收 缩率甚至比普通混凝土还低， 微钢纤维的掺入可以使超高强混 凝 土收缩大的问题得到很好解决 。 ( 3 ) 掺入微钢纤维时的混凝土收缩率都比不掺微钢纤维的 收缩率小， 但掺量为 0 ， 3 、 0 6 、 0 9 的自收缩率差别不是很大； 掺量为 O 6 、 0 9 干缩变形范围几乎一致 ， 这说明， 在本试验 条件下， 微钢纤维的掺入能抑制混凝土收缩变形 ， 在一定掺量 范 围内， 微钢纤维对混凝土收缩 的抑制随钢纤维 掺量 的增 加而 增强 ， 但 是超过该范 围后 ， 效果 就不 明显 ， 因为随着微 钢纤 维体 积掺量的增加， 混凝土的和易性变差， 微钢纤维不易均匀分散， 甚至是出现结团“ 刺猬” ， 大大影响混凝土的工作性能。 所以在 工程应用过程中一定要选择合适的微钢纤维掺量 ， 不仅能提高 混凝土 的性 能还能节省成本。 2 3 钢纤维长径比对超 高强混凝土收缩变形的影响 本试验采用掺 量都为 0 3 的微钢纤维 和长 钢纤 维进行长 径 比对干缩影响的比对试验 ， 采用掺 2 0 矿渣的配合 比二 ， 收缩 变形测试 ， 如 图 8所示。 2 褂 制 娉 龄 期 d 图 8 不 同长径比纤维钢 纤维混凝土干缩变形率 从图 8 可 以看出 ： 掺入两种不同长径比的钢纤维都能大幅度降低混凝土的 干缩变形率 ， 长径 比 7 5 的长钢纤维的掺入 比长径 比 6 6 7的微钢 纤维更能抑制混凝土的收缩变形， 其 4 2 d的干缩变形率比普通 混凝土小了近 l 倍 。 3 微钢 纤维对超 高强混凝土裂缝形成 的影响 开裂主要指7 昆 凝土的塑性 收缩 所形成 的裂缝 ， 混凝土的塑 性收缩裂缝发生在浇筑成型后最初的几小时内， 此时混凝土还 没有足够的强度 ， 当混凝土受到足够的限制时， 引起塑性收缩 开裂的原因之一是蒸发失水导致的拉伸收缩。 当蒸发失水速率 大于表面泌水速率， 毛细管负压的形成引起混凝土体积变化， 而 毛细管负压与混凝土强度的发展导致拉应力的产生， 如果拉应 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