高強(qiáng)鋼纖維混凝土彎曲韌性試驗(yàn)研究趙順波

1、第6卷第1期2003年3月建筑材料學(xué)報(bào)JOURNALOFBUILDINGMATERIALS Vol.6,No.1 Mar.,2003文章編號(hào):1007-9629(2003)01-0095-05高強(qiáng)鋼纖維混凝土彎曲韌性試驗(yàn)研究 趙順波1,2,孫曉燕,李長(zhǎng)永,勾彥敏211(1.華北水利水電學(xué)院土木工程系，河南鄭州450008;2大連理工大學(xué)海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116023)摘要:通過(guò)試驗(yàn)得到了不同基體混凝土強(qiáng)度、鋼纖維體積分?jǐn)?shù)和鋼纖維類型的高強(qiáng) 鋼纖維混凝土彎曲荷載-撓度曲線，據(jù)此研究分析了基體混凝土強(qiáng)度、鋼纖維體積 分?jǐn)?shù)和鋼纖維類型等對(duì)高強(qiáng)鋼纖維混凝土彎曲韌性指數(shù)和彎曲承載力變

2、化系數(shù)的 影響規(guī)律該成果可作為纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程相應(yīng)設(shè)計(jì)條款的科研依據(jù)關(guān)鍵詞:高強(qiáng)鋼纖維混凝土；彎曲韌性;彎曲承載力變化系數(shù)；鋼纖維體積分?jǐn)?shù)；鋼纖 維類型中圖分類號(hào):TU528.572文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AFlexuralTough nessofSteelFiberRei nforcedHigh-stre ngthC on crete ZHAOShu n-bo1,2, SUNXiao-yan2, LICha ng-yo ng1, GOUYa n-mi n1(1.NorthChi nal nstituteofWaterCo nserva ncya ndHydropower,Zhe ngzhou450

3、008,China;2 .StateKeyLaboratoryofCoastala ndOffshoreE ngi neeri ngofDalia nUn iversityofTech nology,Dalia n116023,Chi n a)Abstract:Thetestcurvesofflexuraltough nessofsteelfiberrei nforcedhigh-stre ngthco ncretewereob-tai ned.Theeffectsofthebaseco ncretestre ngth,steelfibervolumefractio nan dsteelfib

4、erforms onthecoefficie ntsofflexuraltough nessa ndthevariatio nfactorsofflexuralresista ncearea nalyzed.Thetestresultscouldbeusedasaresearchbasisforrevis ingandenlargin gthec onten tsofthet ech nicalspecificati on forfiberre in forcedc on cretestructures.Keywords:steelfiberrei nforcedhigh-stre ngthc

5、o ncrete;flexuraltough ness;variatio nfactorofflex- uralresista nce;volumefract ionofsteelfiber;steelfiberform自1992年中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)頒布CECS38:925鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程6以來(lái),鋼纖維混凝土在土木工程的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用1.于1999年頒布實(shí)施的國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T3064)19995鋼纖維混凝土6,進(jìn)一步明確了 鋼纖維混凝土彎曲韌性的試驗(yàn)和評(píng)定方法，為隧道襯砌鋼纖維混凝土設(shè)計(jì)提供了技 術(shù)指標(biāo)2.隨著高強(qiáng)鋼纖維混凝土在結(jié)構(gòu)工程中的廣泛應(yīng)用，鋼纖維混凝

6、土材料的 韌性對(duì)提高結(jié)構(gòu)的變形性能和抗震性能日顯重要為此，本文在目前相關(guān)研究尚少 的情況下開(kāi)展了高強(qiáng)鋼纖維混凝土彎曲韌性試驗(yàn)研究，成果可作為5纖維混凝土結(jié) 構(gòu)技術(shù)規(guī)程6編制相應(yīng)條款的科研依據(jù).收稿日期：2002-03-11;修訂日期：2002-05-20基金項(xiàng)目：教育部國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室訪問(wèn)學(xué)者基金（LP9902）;華北水利水電學(xué)院重點(diǎn) 學(xué)科重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（HBZ9804）;河南省教委科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（98560001）.作者簡(jiǎn)介:趙順波（1964-）,男，河北武邑人，華北水利水電學(xué)院教授，大連理工大學(xué)海岸 與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高級(jí)訪問(wèn),.96建筑材料學(xué)報(bào)第6卷1試驗(yàn)概況本試驗(yàn)原材料采用河

7、南澠池水泥廠生產(chǎn)的525普通硅酸鹽水泥；連續(xù)級(jí)配碎石（粒徑520mm）;河南魯山河砂（細(xì)度模數(shù)2.92）;FDN高效減水劑.嘉興市七星鋼纖維廠 生產(chǎn)的剪切型鋼纖維:ZH-02弓形，長(zhǎng)度lf=32.0mm,長(zhǎng)徑比lf/df=41.5;ZH-04波紋形,長(zhǎng)度lf=31.0mm,長(zhǎng)徑比lf/df=38.5;ZH-07異混形（大頭直型），長(zhǎng)度lf=31.0mm,長(zhǎng)徑比lf/df=39.7;ZH-09壓痕帶端頭形，長(zhǎng)度lf=31.0mm,長(zhǎng)徑比lf/df=37.7.混凝土強(qiáng)度按C50,C65和C803個(gè)等級(jí)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，基體混凝土水泥用量依次為450,480和540kg/m3,水灰比依次為0.35,0

8、.30和0.28.摻入ZH-07異混形鋼纖維的混凝土中纖 維體積分?jǐn)?shù)為0.5%3.0%（以0.5%為級(jí)差分成6種），摻入其他類型鋼纖維的混凝土 中纖維體積分?jǐn)?shù)為1.0%.試驗(yàn)采用100mm100mm400mm小梁按CECS13:89規(guī)定的鋼纖維混凝土彎曲 韌性試驗(yàn)方法進(jìn)行，采用5000kN壓力試驗(yàn)機(jī)加剛性元件，用荷載傳感器測(cè)定作用在 小梁上的荷載，用位移傳感器測(cè)定小梁的撓度，用高精度全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng) 進(jìn)行荷載和撓度的數(shù)據(jù)采集處理3,4.2試驗(yàn)結(jié)果分析根據(jù)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制試件的彎曲荷載-撓度曲線，按JG/T3064）19995鋼纖維混 凝土6計(jì)算試件的彎曲韌性指數(shù)15,110,130和對(duì)

9、應(yīng)的彎曲承載力變化系數(shù)Fm,5,m,Fm,10,m,Fm,30,m同時(shí),考慮美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTMC1018）97相對(duì)于ASTMC1018） 85的變化5,6,計(jì)算試件的彎曲韌性指數(shù)120和對(duì)應(yīng)的彎曲承載力變 化系數(shù)Fm,20,m.主要試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.表1鋼纖維混凝土彎曲韌性試驗(yàn)主要結(jié)果Table1 Testresultsofflexuraltough nessofsteelfiberrei nforcedcon creteStren gthgradeTypeofsteelofc on cretefiber Volumefractio nofsteelfiber/%0.51.0Specialmixe

10、dC501.52.02.53.0Corrugati onBowC on vexmark1.01.01.00.51.0SpecialmixedC651.52.02.53.0Corrugati onBowC on vexmark1.01.01.0In itialcracki ngflexuralstre ngth/MPa6.848.257.008.538.958.827.047.828.167.458.359.579.3811.6813.678.768.518.37 Ultimateflexuralstrength/MPa8.1510.6011.4213.2213.1813.729.9010.74

11、9.768.299.3311.5612.4818.1718.7710.6111.619.15I55.835.375.174.326.066.155.245.094.725.127.405.124.707.015.464.855.515.52I1011.159.9811.289.4213.2313.8710.8710.599.559.5514.929.6310.0715.9311.469.5811 .2111.85I2018.0917.6722.7118.1024.5325.8520.6320.6316.8916.1526.0415.4818.5131.3120.3816.4418.8517.0

12、9I3024.0120.0834.9626.9637.1738.1132.1431.6623.2422.9735.3622.0523.7557.7047.2622.6025.7822.82第1期趙順波等：高強(qiáng)鋼纖維混凝土彎曲韌性試驗(yàn)研究Table1(Co ntin ued)97Stren gthgradeTypeofsteelofc on cretefiberVolumefractio nofsteelfiber/%0.51.0In itialcracki ngflexuralstre ngth/MPa6.949.217.949.948.229.559.8510.049.13Ultimatef

13、lexuralstre ngth/MPa8.7110.3010.9613.3612.0914.0412.6114.4811.92 I55.575.244.755.244.955.365.115.635.201109.5210.1810.2310.6210.8911.7010.2211.3510.4912012.7815.6718.4318.3520.2723.0816.9316.6517.9413014.6119.5925.6526.2332.1335.8322.2421.9025.06 SpecialmixedC801.52.02.53.0 Corrugati on BowC on vexm

14、ark 1.01.01.02.1基體強(qiáng)度對(duì)彎曲韌性的影響圖1為鋼纖維混凝土的彎曲荷載-撓度曲線.由圖1和表1可以看出，鋼纖維混凝土 抗彎初裂強(qiáng)度和極限強(qiáng)度基本上隨基體混凝土強(qiáng)度提高而增大，但在纖維體積分?jǐn)?shù) 較小時(shí)(Uf=0.5%1.0%),鋼纖維混凝土的彎曲荷載-撓度曲線形狀與基體混凝土強(qiáng) 度的關(guān)系不明顯，曲線下降段比較陡；隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的提高(Uf=1.5%3.0%),鋼纖維混凝土的彎曲荷載-撓度曲線才隨著混凝土基體強(qiáng)度的提高而趨于豐滿，曲 線下降段漸趨平緩.同時(shí)還可以看出，當(dāng)鋼纖維體積含量Uf超過(guò)2.5%以后，基體混 凝土強(qiáng)度為C80的彎曲荷載-撓度曲線與基體混凝土強(qiáng)度為C65的比較接

15、近,這一 結(jié)果可能與鋼纖維材質(zhì)為低碳鋼而本身抗拉強(qiáng)度較低有關(guān)，檢查彎曲斷裂截面時(shí)發(fā)現(xiàn),隨著基體混凝土強(qiáng)度的提高，試件斷裂截面上鋼纖維被拉斷的數(shù)量增加圖1混凝土強(qiáng)度等級(jí)不同時(shí)彎曲荷載-撓度曲線比較Fig.1 Comparis ono fload-deflectio ncurvesofdiffere ntstre ngthgradec on crete Stre ngthgrade:C50C65 %C80由表1還可見(jiàn),鋼纖維混凝土的彎曲韌性指數(shù)在纖維體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)與基體混凝土 強(qiáng)度的關(guān)系不明顯，當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)提高時(shí)，才隨著混凝土基體強(qiáng)度的提高而增 大，但在纖維體積分?jǐn)?shù)大于2.5%后有減小的趨勢(shì).

16、2.2纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)彎曲韌性的影響，和表IJdOeeiica /tutuDeljeLliHE1HMJkiMlBtlfaJlLJMJU98建筑材料學(xué)報(bào)第6卷數(shù)據(jù)可見(jiàn)，當(dāng)基體混凝土強(qiáng)度相同時(shí)，鋼纖維混凝土的抗 彎初裂強(qiáng)度和極限強(qiáng)度隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而提高，彎曲荷載-撓度曲線隨著 纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而趨于豐滿，達(dá)到峰值荷載的變形能力也不斷增加，在荷載-撓 度曲線的下降段由陡直漸趨平緩而能夠繼續(xù)承受較大的荷載，呈現(xiàn)出更大的持荷變形能力，使高強(qiáng)鋼纖維混凝土的破壞形態(tài)由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性破壞圖2鋼纖維體積分?jǐn)?shù)不同時(shí)彎曲荷載-撓度曲線比較Fig.2 Comparis ono fload- deflect

17、 ion curvesofc on cretewithdiffere ntvolumefract iono fsteelfiberUf:0.5% 1.0% %1.5% ,2.0% -2.5% )3.0%同樣,鋼纖維混凝土的彎曲韌性指數(shù)隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的提高而增大，并接近于 理想彈塑性材料的韌性指數(shù)值，有些彎曲韌性指數(shù)I30甚至超過(guò)理想彈塑性材料的 韌性指數(shù)值30從表征鋼纖維混凝土材料的實(shí)際彎曲韌性的角度考慮,此時(shí)I30數(shù) 值已失去了應(yīng)用意義，因此，按ASTMC1018)97規(guī)定,以I20代替I30表征鋼纖維混 凝土在較大變形情況下的彎曲韌性應(yīng)更為合理.圖3為彎曲承載力變化系數(shù)與纖維體積分?jǐn)?shù)的

18、關(guān)系.從圖3可以看出，鋼纖維混凝 土的彎曲承載力變化系數(shù)隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，也表明了隨著纖維體積含量的增大，鋼纖維混凝土彎曲韌性趨于理想彈塑性材料，同時(shí)表明以對(duì)應(yīng)于彎曲韌 性指數(shù)I20的彎曲承載力變化系數(shù)Fm,20,m衡量鋼纖維混凝土在較大變形情況下 的彎曲韌性，比采用對(duì)應(yīng)于彎曲韌性指數(shù)130的彎曲承載力變化系數(shù)Fm,30,m更為 合理圖3彎曲承載力變化系數(shù)與纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.3Relati on shipbetwee nv ariati on factorofflexuralresista ncea ndvolumefract iono fsteelfiberu)Fm,5,m

19、;w)Fm,10,m;)Fm,20,m;p)Fm,30,m2.3纖維類型對(duì)彎曲韌性的影響圖4給出了按基體強(qiáng)度分組的4種鋼纖維(壓痕端頭形、波形、弓形、異混形混凝 土的彎曲荷載-撓度曲線可見(jiàn)，當(dāng)基體強(qiáng)度較低時(shí)，壓痕端頭形和弓形的增強(qiáng)效果相 當(dāng)，異混形和波形相當(dāng)；當(dāng)基體強(qiáng)度較高時(shí)，壓痕端頭形、異混形和波形的增強(qiáng)效果 相當(dāng),弓形的增強(qiáng)能力更大從荷載-撓度曲線的豐滿程度來(lái)看，波形鋼纖維混凝土較 差，峰值荷載時(shí)的持荷變形能力隨著基體強(qiáng)度的增大而明顯降低；其它3種鋼纖維 在基體強(qiáng)度較低(C50)時(shí)相當(dāng)，在基體強(qiáng)度中等(C65)時(shí)基本按壓痕端頭形、異混 形、弓形的次序增加，在基體強(qiáng)度較高(C80)時(shí)壓痕端頭

20、形和異混形相當(dāng)，弓形較差.根據(jù)圖4曲線計(jì)算各類鋼纖維混凝土彎曲承載力變化系數(shù)見(jiàn)表2由表中數(shù)據(jù)也可以看到，弓形鋼纖維的增韌效果最好，在混凝土變形較小時(shí)表現(xiàn)出增韌效果隨基體 強(qiáng)度增大而增加的規(guī)律，其它，第1期趙順波等：高強(qiáng)鋼纖維混凝土彎曲韌性試驗(yàn)研究99的情況下,2端帶有彎鉤的弓形鋼纖維與混凝土有更好的粘結(jié)錨固作用7圖4鋼纖維類型不同時(shí)彎曲荷載-撓度曲線比較Fig.4 Comparis ono fload-deflectio ncurvesofco ncretewithdiffere nttypesofsteelfiberTypeofsteelfiber:Conv exmark;Bow;%Spec

21、ialmixed;%Corrugati on表2不同類型鋼纖維混凝土的彎曲承載力變化系數(shù)LAfkldl冋FWTI毗mmTable2Variati on factorofflexuralresista nceofc on cretere in forcedwithdiffere nttypesofsteelfiberTypeofsteelfiberCorrugati on BowSpecialmixedCo nv exmarkC501.121.041.090.92Fm,5,mC650.931.251.061.26C801.051.320.881.10C501.191.131.280.96Fm,10,mC650.911.270.921.41C801.051.301.051.11C501.071.071.280.67Fm,20,mC650.630.880.520.69C800.680.650.830.78C501.151.111.340.67Fm,30,mC650.490.710.450.71C800.460.440.700.633結(jié)論1.就本文試驗(yàn)研究的4種鋼纖維而言，基體強(qiáng)度和鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)鋼纖維混凝土 彎曲韌性有影響，鋼纖維使高強(qiáng)混凝土的受彎破壞形態(tài)由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)轫g