摘要:提出了一種抗裂防滲水工混凝土，該種混凝土是將鋼纖維亂向分散于膨脹混凝土中，形成的一種集承重與防滲為一體的新型建筑材料。文中對其基本力學性能進行了系統(tǒng)的試驗研究和理論分析，同時，為探討鋼纖維形狀對混凝土增強作用的影響，選用4種不同形狀的鋼纖維，對異形纖維膨脹混凝土的增強效益進行了對比試驗研究。試驗結(jié)果表明:鋼纖維能有效限制膨脹混凝土的膨脹變形，起到限脹、阻裂的增強作用，可以大大提高膨脹混凝土的極限抗壓、抗拉、抗折、抗折初裂強度和彎曲韌性，改善其抗?jié)B性能。
關(guān)鍵詞:鋼纖維膨脹混凝土;基本力學性能;彎曲韌性;膨脹收縮變形;異形鋼纖維
中圖分類號:TU528.57 文獻標識碼:A 文章編號:1003-3688(2006)06-0021-04
為解決大型儲油和儲水結(jié)構(gòu)中的防滲問題，本文提出了一種兼具承重與防滲兩項功能的新型混凝土— 鋼纖維膨脹混凝土，它是以自應力硫鋁酸鹽水泥混凝土為基體，將鋼纖維亂向分散于其中而形成的一種新型復合材料(以下簡稱為SFEC )，是一種優(yōu)良的抗裂防滲水工混凝土。其基本原理為:亂向分散于膨脹混凝土中的鋼纖維，能有效地限制混凝土的膨脹變形，充分利用膨脹混凝土的膨脹變形特性及鋼纖維的限脹、阻裂增強作用，使混凝土的抗拉強度、抗?jié)B性及氣密性得以提高和改善。此外，由于SFEC有足夠的膨脹能來張拉鋼筋產(chǎn)生化學預應力，使配筋SFEC結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗裂、抗?jié)B及耐久性得以很大的提高和改善，因此，SFEC可望在水工結(jié)構(gòu)中推廣應用。本文對其基本力學性能進行了系統(tǒng)的試驗研究和理論分析，并考慮鋼纖維形狀對混凝土性能的影響11-31，對四種異形鋼纖維的增強效益進行了試驗研究，闡述了異形鋼纖維的增強機理。研究成果將為這一新型復合材料的進一步深人研究和工程應用提供一定的試驗數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。
1 試驗概況
1.1 原材料
水泥 : 湖 南冷水灘特種水泥廠生產(chǎn)的45K g&硫鋁酸鹽自應力水泥。
鋼纖維 : 選用4種鋼纖維:剪切平直型(簡稱P型)，薄板剪切兩端大頭型(簡稱J型)，高強鋼絲剪斷型(簡稱B型)，銑削型(簡稱H型)。
外加劑 : 北京產(chǎn)UEA膨脹劑，DK一5型減水劑。
集料:細 骨料河砂為中砂;粗骨料碎石為石灰?guī)r，粒徑5一15 mm.
水 : 日常 飲用水。
1.2 混凝土配合比及試驗方法
基體膨脹混凝土的配合比，自應力水泥用量:564k 以耐;水泥:砂:石二1:1.20:1.68;水灰比為0.45。鋼纖維膨脹混凝土(P型鋼纖維)試驗試件配比代號如表1示;異形鋼纖維膨脹混凝土試驗配比代號如表2所示，其中，Pf為膨脹混凝土中鋼纖維體積率。試件制作及試驗方法均按《鋼纖維混凝土試驗方法》(CECS 13:89 )16，標準進行，數(shù)據(jù)的處理也按該標準的有關(guān)條款執(zhí)行。
2 鋼纖維膨脹混凝土力學性能試驗結(jié)果及分析
2.1 強度試驗結(jié)果
試驗測得的強度值如表3所示。試驗結(jié)果表明，鋼纖維體積率是其抗壓性能的重要影響因素，隨鋼纖維體積率的增加，抗壓強度增長很快。同時，鋼纖維的摻人大大提高了膨脹混凝土的劈拉強度、極限抗折強度和抗折初裂強度。
2.2 強度增強效應及增強機理分析
強度提高系數(shù)K(峋=I(iN 纖維膨脹混凝土強度一基體混凝土強度)堪體混凝土強度1x 1000根據(jù) 試 驗 結(jié)果計算出的強度提高系數(shù)如表4所示?？梢钥闯觯S著鋼纖維體積率的增加，混凝土的抗壓、劈拉、抗折強度均大幅度提高，這充分肯定了鋼纖維對具有較大膨脹變形能力混凝土的限制作用和良好的約束效果。
在SFEC中，鋼纖維的這種增強作用是通過其與混凝土接觸面上的粘結(jié)力來實現(xiàn)，即混凝土中的拉應力通過二者之間的粘結(jié)力傳到抗拉能力強的鋼纖維中來，從而提高各項力學性能的。鋼纖維的增強作用體現(xiàn)在兩方面:(1)鋼纖
維通過限制膨脹變形使基體混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)得以改善，同時也將使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生自應力，因而提高了基體混凝土的初裂強度，即限脹增強作用;(2)在基體混凝土微裂后，鋼纖維作為裂縫開裂的限制體，依靠其與基體間的粘結(jié)力，抑制裂縫的引發(fā)和開展，提高混凝土的強度，即阻裂增強作用，這一點與普通鋼纖維混凝土的增強機理是相同的。由此可見，膨脹混凝土各項力學性能指標得以提高的原因是:鋼纖維的限脹作用，提高了混凝土基體強度;鋼纖維的阻裂作用，改善了基體裂縫尖端的應力場。
2.3 彎曲初性
實測 的 S FEC的彎曲荷載一撓度曲線如圖1所示。圖中橫坐標S為跨中撓度值，縱坐標尸為荷載值。為了更好地比較各種鋼纖維的彎曲韌性，引人彎曲韌度指數(shù)，ASTM C1018標準規(guī)定:以3倍、5.5倍、15.5倍的初裂撓度前荷載一位移曲線下的面積與初裂時荷載一位移曲線下的面積的比值稱為彎曲韌度指數(shù)，用I5+ Im+ 13.來表示。表5為按圖1計算出的SFEC彎曲韌度指數(shù)。試驗及分析結(jié)果表明:鋼纖維的加入明顯改善了膨脹混凝土的彎曲變形性能，彎曲韌性隨鋼纖維體積率的增加而提高。
3 異形鋼纖維膨脹混凝土性能試驗結(jié)果及分析
3.1 試驗結(jié)果
選用如表2所示的4種鋼纖維，以鋼纖維體積率為變量，作了鋼纖維膨脹混凝土的抗壓性能、抗拉性能、抗彎性能試驗，結(jié)果如表6所示，圖2、圖3、圖4分別為抗壓強度、抗拉強度及抗彎強度隨鋼纖維體積率的變化曲線圖。
3.2 試驗結(jié)果分析
3.2.1 強度指標分析
從圖2一 圖4可以看出，4種鋼纖維膨脹混凝土的各種強度值均隨鋼纖維體積率的增大而增加，但強度提高幅度各不相同。
從圖2曲 線可以看出:異形鋼纖維對膨脹混凝土抗壓強度提高幅度較普通(P型)鋼纖維混凝土提高幅度大，說明異形鋼纖維對膨脹混凝土抗壓強度有較明顯的增強作用。J種鋼纖維對膨脹混凝土抗壓強度的增強效果最好。
從圖3曲 線可以看出:各種鋼纖維膨脹混凝土的抗拉強度隨鋼纖維體積率的增大而提高:其中以H型鋼纖維增強效果最佳，Pf=1.5%時，抗拉強度提高56.5%; B型鋼纖維的增強效果次之，Pf=1.5 950寸，抗拉強度提高41.796;其它兩種增強效果差別不大。此結(jié)果表明:異形鋼纖維增強抗拉強度效果比剪切平直鋼纖維增強效果顯著，且異形鋼纖維對膨脹混凝土抗拉強度提高幅度大于普通混凝土171。換言之，將異形鋼纖維用于膨脹混凝土更能發(fā)揮其增強作用。
從圖4曲 線可以看出:各種鋼纖維膨脹混凝土的抗彎強度均隨鋼纖維體積率的增大而增加，但各種鋼纖維的增強效果差別很大，其中B型鋼纖維增強效果最好，Pf= 1.5%時，膨脹混凝土的抗彎強度提高125%，P型和H型次之。
從表6中抗彎強度提高幅度看，異形鋼纖維對膨脹混凝土抗彎強度的增強效果非常顯著。
3.2.2 彎曲荷載一位移曲線
圖5為各種鋼纖維膨脹混凝土的彎曲荷載一位移曲線圖，在其它條件相同情況下，鋼纖維的類型對彎曲荷載-位移曲線的影響很大，端彎鉤鋼纖維能有效地提高混凝土的韌性。因此，采用端彎鉤鋼纖維(如B型鋼纖維)，在降低鋼纖維含量情況下，仍能取得較好的韌性，達到節(jié)約鋼纖維，降低成本的目的(3]0彎鉤鋼纖維膨脹混凝土有較大的吸能能力，使極限荷載后的荷載一位移曲線變化平緩，彎曲韌性增大。
素膨脹混凝土(EO)的荷載一位移曲線，表現(xiàn)出脆性特征，即極限荷載與比例極限荷載時的位移之比K接近于1;EJ2、EP2、EH2曲線表現(xiàn)出較好的韌性;EB2的延性最好，且比例荷載與極限荷載差值較大，極限荷載后曲線變化很平緩。
3.2.3 彎曲韌度指數(shù)
從圖5可 以看出，在基體混凝土相同，鋼纖維體積率相同的情況下，各種鋼纖維膨脹混凝土的抗彎荷載一位移曲線差別很大，表現(xiàn)出不同的彎曲韌性特征。鋼纖維品種不同，彎曲韌度指數(shù)不同;但對一種鋼纖維而言，隨鋼纖維體積率的增加，韌度指數(shù)增大;同時發(fā)現(xiàn)，韌性指數(shù)15和人。不能敏感地表現(xiàn)混凝土韌性差別。圖6為各種鋼纖維膨脹混凝土韌度指數(shù)對比直方圖，從此圖可看出，B型鋼纖維膨脹混凝土的延性最好，H型次之，P. J型一般
3.3 異形鋼纖維膨脹混凝土增強機理分析
文獻[7]研 究結(jié)果表明:異形鋼纖維對膨脹混凝土的增強作用要比對普通混凝土的增強作用顯著的多，比普通鋼纖維對膨脹混凝土的增強作用大。另外，本試驗結(jié)果表明:H型鋼纖維對膨脹混凝土的抗拉強度增強效果最好，B型鋼纖維對膨脹混凝土的抗彎強度影響最大。這些試驗結(jié)果都可以從鋼纖維增強膨脹混凝土機理的角度，得以解釋。
在膨脹混凝土中，鋼纖維的增強作用體現(xiàn)在兩個方面171一是限脹增強作用;二是阻裂增強作用。異形鋼纖維增強了其與基體混凝土的粘結(jié)力，使其阻裂增強效果顯著;且異形鋼纖維的限脹作用優(yōu)于普通鋼纖維，尤其是H型鋼纖維限脹作用最好例?？梢?，將異形鋼纖維導人膨脹混凝土中除了阻裂增強作用提高外，與普通鋼纖維比較，其顯著的限脹作用使基體混凝土抗裂強度得以提高并產(chǎn)生部分自應力，使其限脹阻裂增強效果更好。與普通鋼纖維混凝土相比，異形鋼纖維用于膨脹混凝土更能發(fā)揮其增強作用。
鋼纖維的限脹增強作用，體現(xiàn)在混凝土開裂前性能的改善。由于混凝土抗彎強度是在混凝土開裂后，靠鋼纖維繼續(xù)承受不斷增加的荷載而得以提高的。所以鋼纖維的限脹作用對混凝土的抗拉強度影響較大，而對抗彎強度影響較小。這便解釋了H型鋼纖維混凝土抗拉強度顯著提高，B型鋼纖維膨脹混凝土抗彎強度提高幅度大的試驗結(jié)果。限脹作用使基體混凝土抗裂強度提高的同時，還使鋼纖維與基體間的粘結(jié)強度增強，進而提高混凝土的抗彎強度及抗拉強度。
4 結(jié)論
(1)鋼 纖 維的限脹、阻裂增強作用，使膨脹混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實，并有一定的自應力產(chǎn)生，故而大大增強了膨脹混凝土的抗壓、抗拉、極限抗折和抗折初裂強度，提高了彎曲韌性，改善了其抗?jié)B性能。
(2)鋼 纖 維對膨脹混凝土抗壓強度有較明顯的增強作用，各種鋼纖維對膨脹混凝土抗壓強度的增強效果差別不大。
(3)異 形 鋼纖維抗拉強度增強效果比剪切平直鋼纖維(P型)增強效果顯著，其中以H型鋼纖維增強效果最佳，B型鋼纖維的增強效果次之，且異形鋼纖維對膨脹混凝土抗拉強度提高幅度大于普通混凝土。可見，將異形鋼纖維用于膨脹混凝土更能發(fā)揮其增強作用。
(4)異 形 鋼纖維對膨脹混凝土抗彎強度的增強效果非常顯著，但各種鋼纖維的增強效果差別很大，其中B型鋼纖維增強效果最好，P型和H型次之。
(5)在 基 體混凝土相同，鋼纖維體積率相同的情況下，各種鋼纖維膨脹混凝土的抗彎荷載一位移曲線差別很大，表現(xiàn)出不同的彎曲韌性特征;鋼纖維品種不同，彎曲韌度指數(shù)不同:B型鋼纖維膨脹混凝土的延性最好，H型次之，P,J型一般;對一種鋼纖維而言，隨鋼纖維體積率的增加，韌度指數(shù)增大;同時發(fā)現(xiàn)，韌性指數(shù)I5和人。不能敏感地表現(xiàn)混凝土韌性差別。
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