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(duì)其基本力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析，同時(shí)，為探討鋼纖維形狀對(duì)混凝土增強(qiáng)作用的影響，選用4種不同形狀的鋼纖維，對(duì)異形纖維膨脹混凝土的增強(qiáng)效益進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。試驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)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(xué)性能;彎曲韌性;膨脹收縮變形;異形鋼纖維
中圖分類號(hào):TU528.57 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-3688(2006)06-0021-04
為解決大型儲(chǔ)油和儲(chǔ)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(xiàng)功能的新型混凝土— 鋼纖維膨脹混凝土，它是以自應(yīng)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(fù)合材料(以下簡(jiǎn)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(qiáng)作用，使混凝土的抗拉強(qiáng)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(xué)預(yù)應(yīng)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(yīng)用。本文對(duì)其基本力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析，并考慮鋼纖維形狀對(duì)混凝土性能的影響11-31，對(duì)四種異形鋼纖維的增強(qiáng)效益進(jìn)行了試驗(yàn)研究，闡述了異形鋼纖維的增強(qiáng)機(jī)理。研究成果將為這一新型復(fù)合材料的進(jìn)一步深人研究和工程應(yīng)用提供一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。
1 試驗(yàn)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(yīng)力水泥。
鋼纖維 : 選用4種鋼纖維:剪切平直型(簡(jiǎn)稱P型)，薄板剪切兩端大頭型(簡(jiǎn)稱J型)，高強(qiáng)鋼絲剪斷型(簡(jiǎn)稱B型)，銑削型(簡(jiǎn)稱H型)。
外加劑 : 北京產(chǎn)UEA膨脹劑，DK一5型減水劑。
集料:細(xì) 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(yàn)方法
基體膨脹混凝土的配合比，自應(yīng)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(yàn)試件配比代號(hào)如表1示;異形鋼纖維膨脹混凝土試驗(yàn)配比代號(hào)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(yàn)方法均按《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》(CECS 13:89 )16，標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，數(shù)據(jù)的處理也按該標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)條款執(zhí)行。
2 鋼纖維膨脹混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)測(cè)得的強(qiáng)度值如表3所示。試驗(yàn)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(qiáng)度增長很快。同時(shí)，鋼纖維的摻人大大提高了膨脹混凝土的劈拉強(qiáng)度、極限抗折強(qiáng)度和抗折初裂強(qiáng)度。
2.2 強(qiáng)度增強(qiáng)效應(yīng)及增強(qiáng)機(jī)理分析
強(qiáng)度提高系數(shù)K(峋=I(iN 纖維膨脹混凝土強(qiáng)度一基體混凝土強(qiáng)度)堪體混凝土強(qiáng)度1x 1000根據(jù) 試 驗(yàn) 結(jié)果計(jì)算出的強(qiáng)度提高系數(shù)如表4所示。可以看出，隨著鋼纖維體積率的增加，混凝土的抗壓、劈拉、抗折強(qiáng)度均大幅度提高，這充分肯定了鋼纖維對(duì)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(qiáng)作用是通過其與混凝土接觸面上的粘結(jié)力來實(shí)現(xiàn)，即混凝土中的拉應(yīng)力通過二者之間的粘結(jié)力傳到抗拉能力強(qiáng)的鋼纖維中來，從而提高各項(xiàng)力學(xué)性能的。鋼纖維的增強(qiáng)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(shí)也將使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生自應(yīng)力，因而提高了基體混凝土的初裂強(qiáng)度，即限脹增強(qiáng)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(qiáng)度，即阻裂增強(qiáng)作用，這一點(diǎn)與普通鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理是相同的。由此可見，膨脹混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)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(qiáng)度;鋼纖維的阻裂作用，改善了基體裂縫尖端的應(yīng)力場(chǎng)。
2.3 彎曲初性
實(shí)測(cè) 的 S FEC的彎曲荷載一撓度曲線如圖1所示。圖中橫坐標(biāo)S為跨中撓度值，縱坐標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(jì)算出的SFEC彎曲韌度指數(shù)。試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果及分析
3.1 試驗(yàn)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(yàn)，結(jié)果如表6所示，圖2、圖3、圖4分別為抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)度隨鋼纖維體積率的變化曲線圖。
3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析
3.2.1 強(qiáng)度指標(biāo)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(qiáng)度值均隨鋼纖維體積率的增大而增加，但強(qiáng)度提高幅度各不相同。
從圖2曲 線可以看出:異形鋼纖維對(duì)膨脹混凝土抗壓強(qiáng)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(duì)膨脹混凝土抗壓強(qiáng)度有較明顯的增強(qiáng)作用。J種鋼纖維對(duì)膨脹混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)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(qiáng)度隨鋼纖維體積率的增大而提高:其中以H型鋼纖維增強(qiáng)效果最佳，Pf=1.5%時(shí)，抗拉強(qiáng)度提高56.5%; B型鋼纖維的增強(qiáng)效果次之，Pf=1.5 950寸，抗拉強(qiáng)度提高41.796;其它兩種增強(qiáng)效果差別不大。此結(jié)果表明:異形鋼纖維增強(qiáng)抗拉強(qiáng)度效果比剪切平直鋼纖維增強(qiáng)效果顯著，且異形鋼纖維對(duì)膨脹混凝土抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度均隨鋼纖維體積率的增大而增加，但各種鋼纖維的增強(qiáng)效果差別很大，其中B型鋼纖維增強(qiáng)效果最好，Pf= 1.5%時(shí)，膨脹混凝土的抗彎強(qiáng)度提高125%，P型和H型次之。
從表6中抗彎強(qiáng)度提高幅度看，異形鋼纖維對(duì)膨脹混凝土抗彎強(qiáng)度的增強(qiáng)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(duì)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(dá)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(shí)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(duì)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(shí)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(duì)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(qiáng)機(jī)理分析
文獻(xiàn)[7]研 究結(jié)果表明:異形鋼纖維對(duì)膨脹混凝土的增強(qiáng)作用要比對(duì)普通混凝土的增強(qiáng)作用顯著的多，比普通鋼纖維對(duì)膨脹混凝土的增強(qiáng)作用大。另外，本試驗(yàn)結(jié)果表明:H型鋼纖維對(duì)膨脹混凝土的抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)效果最好，B型鋼纖維對(duì)膨脹混凝土的抗彎強(qiáng)度影響最大。這些試驗(yàn)結(jié)果都可以從鋼纖維增強(qiáng)膨脹混凝土機(jī)理的角度，得以解釋。
在膨脹混凝土中，鋼纖維的增強(qiáng)作用體現(xiàn)在兩個(gè)方面171一是限脹增強(qiáng)作用;二是阻裂增強(qiáng)作用。異形鋼纖維增強(qiáng)了其與基體混凝土的粘結(jié)力，使其阻裂增強(qiáng)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(dǎo)人膨脹混凝土中除了阻裂增強(qiáng)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(qiáng)度得以提高并產(chǎn)生部分自應(yīng)力，使其限脹阻裂增強(qiáng)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(qiáng)作用。
鋼纖維的限脹增強(qiáng)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(qiáng)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(duì)混凝土的抗拉強(qiáng)度影響較大，而對(duì)抗彎強(qiáng)度影響較小。這便解釋了H型鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度顯著提高，B型鋼纖維膨脹混凝土抗彎強(qiáng)度提高幅度大的試驗(yàn)結(jié)果。限脹作用使基體混凝土抗裂強(qiáng)度提高的同時(shí)，還使鋼纖維與基體間的粘結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)，進(jìn)而提高混凝土的抗彎強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度。
4 結(jié)論
(1)鋼 纖 維的限脹、阻裂增強(qiáng)作用，使膨脹混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，并有一定的自應(yīng)力產(chǎn)生，故而大大增強(qiáng)了膨脹混凝土的抗壓、抗拉、極限抗折和抗折初裂強(qiáng)度，提高了彎曲韌性，改善了其抗?jié)B性能。
(2)鋼 纖 維對(duì)膨脹混凝土抗壓強(qiáng)度有較明顯的增強(qiáng)作用，各種鋼纖維對(duì)膨脹混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果差別不大。
(3)異 形 鋼纖維抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)效果比剪切平直鋼纖維(P型)增強(qiáng)效果顯著，其中以H型鋼纖維增強(qiáng)效果最佳，B型鋼纖維的增強(qiáng)效果次之，且異形鋼纖維對(duì)膨脹混凝土抗拉強(qiáng)度提高幅度大于普通混凝土?？梢?，將異形鋼纖維用于膨脹混凝土更能發(fā)揮其增強(qiáng)作用。
(4)異 形 鋼纖維對(duì)膨脹混凝土抗彎強(qiáng)度的增強(qiáng)效果非常顯著，但各種鋼纖維的增強(qiáng)效果差別很大，其中B型鋼纖維增強(qiáng)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(duì)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(shí)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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