低溫鋼纖維混凝土的力學性能及強度機理分析

關鍵詞：低溫鋼纖維混凝土；力學性能；強度機理

1 　低溫鋼纖維混凝土的力學性能

低溫鋼纖維混凝土是指溫度低于0℃時施工的鋼纖維混凝土?；炷恋牡蜏乜梢苑譃?/SPAN>3個階段：孔結(jié)構(gòu)形成前的低溫；具有一定強度時的低溫；成熟混凝土的低溫。本論文介紹拌合物從孔結(jié)構(gòu)形成前就開始受凍的鋼纖維混凝土的力學性能。

1. 1 　低溫鋼纖維混凝土的抗壓強度

文獻[1]對普通混凝土的低溫效應進行了分析，通過對混凝土3個不同時期的低溫試驗，觀察到低溫會延緩混凝土的早期強度，卻能提高混凝土的極限強度，并得出低溫對混凝土強度有利的結(jié)論。鋼纖維混凝土是在普通混凝土基體中摻入了少量的鋼纖維，少量高彈模鋼纖維的摻入不能改變混凝土基體的彈性模量^[2]，所以鋼纖維混凝土在低溫下的抗壓性能類似于普通混凝土。通過試驗，得出低溫鋼纖維混凝土的抗壓強度如圖1所示。

從圖1可以看出，低溫鋼纖維混凝土強度非常低，且增長緩慢，溫度越低，強度增長速度越慢。在-20℃時，經(jīng)過60d的養(yǎng)護仍沒有什么強度，基本上沒有承載能力。但從-5℃的曲線可以看出，隨著養(yǎng)護時間的進一步增長，其強度有著非常良好的發(fā)展趨勢。

1. 2 低溫鋼纖維混凝土的抗拉強度

在孔結(jié)構(gòu)形成前，低溫下的混凝土抵抗拉力的能力很小。低溫鋼纖維混凝土的抗拉強度同抗壓強度一樣早期強度非常低，且增長緩慢。只有當構(gòu)件在低溫環(huán)境下緩慢養(yǎng)護成型后，它的抗拉強度才有很大提高。文獻[3]的作者曾在低溫下做了鋼纖維混凝土的彎曲試驗，并從一定的角度探討了低溫對鋼纖維混凝土強度的影響。從實驗的過程中，我們可以了解到，低溫鋼纖維混凝土的極限抗拉強度隨著溫度的降低而升高，并且隨負溫的增長極限強度提高顯著。這是因為低溫下混凝土基體中的水凍結(jié)成冰，結(jié)冰增加了基體與纖維間的粘結(jié)強度，使纖維從基體中拔出需要更多的能量，從而提高了鋼纖維混凝土的抗拉強度。低溫鋼纖維混凝土的抗拉強度隨水灰比和纖維的摻量的提高而提高。

1. 3 　低溫鋼纖維混凝土的彎曲性能

由于彎曲實質(zhì)是上半部分的壓和下半部分的拉，所以低溫鋼纖維混凝土的彎曲性能基本上可由拉壓性能來推理分析，但彎曲性能比拉壓性能表現(xiàn)得更加顯著。在初期低溫鋼纖維混凝土的抗折強度很低，增長緩慢，但極限抗折強度卻有明顯增加，且隨負溫的增長抗折強度增加越明顯。低溫鋼纖維混凝土的抗折強度與混凝土基體的強度等級和水的含量有關。隨基體強度等級的提高而提高，與水的含量成線性遞增關系^[3]。本文通過低溫鋼纖維混凝土的抗折強度試驗，得出數(shù)據(jù)如表1所示。

　   從表1可以看出，鋼纖維混凝土的抗折極限荷載隨鋼纖維摻量的提高、水灰比的提高以及溫度的降低而升高。影響鋼纖維混凝土彎曲性能的因素很多，如果從某一方面去考慮，如僅從初裂縫的寬度考慮，那么肯定得不出到滿意的結(jié)論。方獻[3]通過實驗論證了鋼纖維混凝土的極限強度和荷載—位移曲線下包圍的面積—變形能可以很好地反映鋼纖維在低溫下的增強效果。

1. 4 　低溫鋼纖維混凝土的抗剪性能

鋼纖維混凝土具有非常優(yōu)異的抗剪性能，所以鋼纖維混凝土適用于承受剪力的構(gòu)件以及構(gòu)件承受剪力最大的部位。通過實驗來得知，低溫鋼纖維混凝土在受凍初期，其抗剪強度較高，這主要是因為冰膠固的作用。當養(yǎng)護時間增長時，其抗剪強度進一步提高，這時基體對鋼纖維的膠固作用已發(fā)揮一定的作用。低溫鋼纖維混凝土的抗剪破壞形式與常溫鋼纖維的破壞形式相似，都是由于鋼纖維斜向拔出而破壞，只不過低溫時，由于冰的膠固作用，鋼纖維的拔出更難，所以低溫鋼纖維混凝土比常溫鋼纖維混凝土具有更優(yōu)越的抗剪性能。

2 　低溫鋼纖維混凝土與常溫鋼纖維混凝土的力學性能比較

鋼纖維混凝土中的主要承重部分是水化反應的產(chǎn)物—水泥石。水泥和水的水化反應是混凝土拌合物中的主要反應形式，如果拌合物中的水足夠，那么水化反應的速度則直接由溫度決定。在常溫下，反應速度較快，所以初期強度較高，隨著時間的推移，反應物減少，反應的速度明顯趨于平緩。

　　低溫鋼纖維混凝土中的水化反應開始較緩，但它反應的期限較長，其強度增長的時間亦較長。特別是當鋼纖維混凝土由低溫轉(zhuǎn)至常溫養(yǎng)護情況時，其強度增長的速度非?？?/SPAN>，且其極限強度大大超過常溫下的鋼纖維混凝土的極限強度。圖2是把20℃養(yǎng)護強度作為標準，其它溫度下養(yǎng)護所得強度與它相比的相對強度圖。

3 　低溫鋼纖維混凝土的強度機理分析

鋼纖維混凝土的增強機理主要有復合力學理論和纖維間距理論^[2][4]。其它所有理論均可認為是以這兩種理論為基礎經(jīng)綜合完善而發(fā)展起來的。低溫鋼纖維混凝土同樣可以用以上兩種理論解釋它高于普通混凝土強度的力學性能，但至于它高于常溫鋼纖維混凝土的力學性能，可以用“低溫效應”來解釋。鋼纖維混凝土基體的水可以分三類：自由水；粘附水和毛細管水。由于水的滲透性，整個構(gòu)件內(nèi)部都充滿著水。在0℃附近所有的自由水都結(jié)成冰，結(jié)冰的自由水將細骨料和短鋼纖維結(jié)合起來，將整個構(gòu)件凍結(jié)成一個冰體承受各種外荷載；當溫度進一步降低時，大約降至-10℃左右，粘附水開始凍結(jié)，凍結(jié)的粘附水把粗骨料和早已凍結(jié)的冰體粘結(jié)在一起，形成一個更為堅固的實體。毛細管水較難凍結(jié)，有的需要溫度降至-70℃～-80℃才能結(jié)冰。鋼纖維混凝土的破壞形式是鋼纖維從基體中拔出，低溫時冰的粘結(jié)作用使鋼纖維從基體中拔出需做更多的功，從而提高了鋼纖維混凝土的強度。

鋼纖維混凝土的基體是水泥石，水泥石是由水化產(chǎn)物和各種骨料粘結(jié)而成。由于骨料是一定的，所以水化反應是決定混凝土強度的重要因素。當溫度為負溫時，早期反應速度非常慢，反應產(chǎn)物較少，所以水泥石的粘結(jié)強度很低，但反應時間較常溫下長，所以鋼纖維混凝土強度增長的期限較長，使水化產(chǎn)物有足夠的時間與骨料粘結(jié)。低溫能使反應進行得非常徹底，若養(yǎng)護時間較長，其極限強度將比常溫下的鋼纖維混凝土高。

從微觀上看，溫度的降低縮小了物質(zhì)內(nèi)部原子的距離，增加了各原子之間的相互吸引力，從而增長了物質(zhì)構(gòu)件的力學強度。

4 　結(jié)束語

溫度對鋼纖維混凝土施工實踐具有非常重要的意義。因為即使是孔結(jié)構(gòu)形成前的早期凍結(jié)，它也不會失去全部的強度，而是隨著時間的增長，鋼纖維混凝土的極限強度明顯提高。低溫可以增加斷裂剛度、防止應力腐蝕及增加強度。不過，低溫畢竟是鋼纖維混凝土以及普通混凝土的非常不利的因素，雖增加了強度，但也增加了脆性，所以在施工早期仍要做好鋼纖維混凝土的保溫蓄熱工作，以防早期受凍。另外還要避免鋼纖維混凝土過早地承受荷載。這樣才能使鋼纖維混凝土既能滿足初期承載的要求，又能提高它的極限強度。

參考文獻：

[1 ] 　Chares Korhonen，M.ASCE and Sherri Orchino， Effect of Low Temperature on Concrete Strength，Cold RegionsEngineering：Put Research into Practice，1999，677～683.

[2 ] 　高丹盈. 鋼纖維混凝土及配筋構(gòu)件力學性能的研究[D]. 大連理工大學博士論文，1989，21～22.

[3 ] 　M. pigeon & R. Cantin， Flexural Properties of Steel Fiber-reinforced Concretes at Low Temperatures，Cement and Concrete Composites，1998，365～375.

[4 ] 　趙國藩，彭少民，黃承逵，等. 鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 1999.