張存亮,弓 銳,張存明
(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,西安 710054;2.西安公路研究院,西安 710054;3.濟(jì)寧市東方建設(shè)工程監(jiān)理有限責(zé)任公司,山東 濟(jì)寧 272000)
混凝土是現(xiàn)代最重要的結(jié)構(gòu)材料,具有抗壓強(qiáng)度高、剛度大的特性 ,但抗裂性、抗沖擊性和變形能力較差。國(guó)內(nèi)外的許多專家學(xué)者將纖維定為增強(qiáng)混凝土性能的核心材料。纖維增強(qiáng)混凝土是將兩種或多種不同性能、不同尺寸的纖維摻入混凝土基材中,使其在不同尺寸和性能層次上相互補(bǔ)充,以達(dá)到配制高性能混凝土的目的。
纖維間距理論是根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)來(lái)說(shuō)明纖維對(duì)于裂縫發(fā)生和發(fā)展的約束作用。這種理論認(rèn)為,在混凝土內(nèi)部存在固有缺陷和裂紋,若想提高強(qiáng)度和韌度,必須盡可能減小缺陷程度,降低混凝土體內(nèi)裂縫端部的應(yīng)力集中。
ROMUALDI等人對(duì)定向纖維混凝土試件進(jìn)行了抗彎拉與劈裂試驗(yàn),進(jìn)一步提出纖維混凝土的強(qiáng)度和韌性只由纖維的平均間距控制的觀點(diǎn)。通過(guò)試驗(yàn)表明,纖維混凝土的初裂應(yīng)力與纖維間距的平方根成反比,并且分別提出了在纖維混凝土纖維呈三維亂向分布時(shí)纖維平均中心間距ˉs的計(jì)算公式為
沈榮熹提出的計(jì)算公式為
式(1)~式(4)中,d為纖維直徑,Vf為纖維體積率,SFS為單位體積纖維混凝土中纖維的表面積。
對(duì)于復(fù)合材料,材料復(fù)合的主要目的是改善材料的力學(xué)性能。復(fù)合材料理論出發(fā)點(diǎn)是復(fù)合材料構(gòu)成的混合原理,將纖維增強(qiáng)混凝土看作是增強(qiáng)的復(fù)合材料,假定混凝土基體和纖維處于完全黏結(jié)的條件下,并且在混凝土基體和纖維連續(xù)構(gòu)成的復(fù)合體上,柱狀纖維是一維單向配制于基體中的。該復(fù)合體的強(qiáng)度是由纖維與基體的體積比和應(yīng)力所共同決定的。復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度 σcf為
式中,σcf為復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度;σft為纖維材料的抗拉強(qiáng)度;σmt為基體混凝土的抗拉強(qiáng)度;Vf為纖維體積;Vm為基體體積;Vc為復(fù)合材料體積。
混凝土基體與纖維充分黏結(jié)條件為
式中,Ec,Ef,Em分別為復(fù)合材料、纖維、基體混凝土彈性模量。
復(fù)合材料理論將纖維增強(qiáng)混凝土看作是纖維強(qiáng)化體系,并應(yīng)用混合原理來(lái)推定纖維混凝土的抗拉和抗彎強(qiáng)度,提出了纖維混凝土強(qiáng)度與纖維的摻入量、方向以及黏結(jié)力之間的關(guān)系。
水泥采用525#普通硅酸鹽水泥;碎石要求具備一定的強(qiáng)度,還應(yīng)有較好的耐磨性。聚丙烯纖維采用大東和深圳聚丙烯纖維,體積率分別為0.1%、0.2%,其物理特性見(jiàn)表1。
表1 聚丙烯特征參數(shù)
鋼纖維選用上海“真強(qiáng)”的剪切型鋼纖維。形狀如圖1所示。特征參數(shù)見(jiàn)表2。
圖1 鋼纖維
表2 鋼纖維特征參數(shù)
混凝土配合比:水193 g,水泥450 g,砂子 703 g,石子1 054 g。本試驗(yàn)參考《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》的規(guī)定,抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試件為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件,每組三個(gè)試件;抗劈裂試件為150 mm×150 mm×150 mm,每組三個(gè)試件;在試件澆筑24 h后脫模并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d,試驗(yàn)前3 h從養(yǎng)護(hù)室取出晾干。
本試驗(yàn)中,加入不同類型、不同體積率的纖維在28 d的抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表3。
表3 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果
相同水灰比條件下,體積率分別為0.8%、1.0%條件下端鉤型鋼纖維抗壓強(qiáng)度比普通混凝土強(qiáng)度提高了18.2%,24.6%,比壓痕型鋼纖維強(qiáng)度分別提高了15.6%,20.1%,而壓痕型鋼纖維強(qiáng)度比普通混凝土分別提高了1.06%,3.76%。這說(shuō)明,鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度與鋼纖維的體積摻量及鋼纖維的形狀相關(guān)。隨著鋼纖維體積率的增大,其抗壓強(qiáng)度也增大,且端鉤型鋼纖維比壓痕型提高的速度更快。
相同水灰比條件下,體積率為0.1%,0.2%條件下深圳聚丙烯的抗壓強(qiáng)度比普通混凝土提高了2.90%,2.29%,大東聚丙烯比普通混凝土分別提高了13.4%,12.1%。而在體積率分別為0.1%,0.2%時(shí)深圳聚丙烯抗壓強(qiáng)度比大東的抗壓強(qiáng)度分別降低了9.23%,8.70%。這說(shuō)明,纖維混凝土強(qiáng)度與聚丙烯的品種及體積率相關(guān)。聚丙烯混凝土強(qiáng)度比普通混凝土強(qiáng)度大,但隨著體積率的增大,大東聚丙烯混凝土強(qiáng)度提高的速度更快。
相同水灰比條件下,當(dāng)鋼纖維體積率為0.8%,深圳聚丙烯體積率分別為0.1%,0.2%時(shí),其28 d的抗壓強(qiáng)度比普通混凝土分別提高了13.9%,14.9%;在深圳聚丙烯體積率為0.1%,鋼纖維體積率為1.0%時(shí),28 d的抗壓強(qiáng)度比普通混凝土強(qiáng)度提高了3.47%。由此說(shuō)明,復(fù)合纖維混凝土強(qiáng)度并非隨纖維體積摻量的增加而無(wú)限增大,而是存在最優(yōu)體積率,此試驗(yàn)最優(yōu)體積率為1.0%。
由表4得,當(dāng)鋼纖維體積率為0.8%和1.0%時(shí),3 d,7 d,28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度最大都發(fā)生在纖維體積率為1.0%左右,且比普通混凝土強(qiáng)度分別提高了41.8%,4.9%,2.1%。這說(shuō)明,試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度與纖維混凝土的纖維摻量有關(guān),摻量越大,強(qiáng)度影響越明顯。
由表5得,聚丙烯纖維摻量在0.5% ~3.6%時(shí),3 d,7 d,28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度都隨摻量的增加,其強(qiáng)度先增后減最后再增加。3 d,7 d,28 d的強(qiáng)度最大值都發(fā)生在體積摻量為1.0%左右,分別比普通混凝土強(qiáng)度提高了13.5%,11.9%,8.75%。這說(shuō)明,聚丙烯纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度在早期的提高更明顯。
表4 鋼纖維混凝土3 d,7 d,28 d劈裂抗拉強(qiáng)度 MPa
表5 聚丙烯纖維混凝土3 d,7 d,28 d劈裂抗拉強(qiáng)度 MPa
由表6得,同水灰比條件下,當(dāng)鋼纖維體積率為0.8%,聚丙烯摻量為 0.1% ~0.2% 時(shí),3 d,7 d,28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了14.9%,28.2%,2.4%;當(dāng)聚丙烯體積率為0.2%,鋼纖維體積率為0.8% ~1.0%時(shí),3 d,7 d,28 d的劈裂強(qiáng)度分別降低了6.8%,7.05%,2.0%??梢?jiàn),在纖維所占的體積率為1%左右,劈裂強(qiáng)度最好,隨著體積率的增加,纖維摻量的增加,纖維均勻分散變得困難,兩種纖維互相抑制,影響了在混凝土中的分散,造成混凝土和易性降低,進(jìn)而影響纖維混凝土的抗劈裂強(qiáng)度。
表6 復(fù)合纖維混凝土3 d,7 d,28 d劈裂強(qiáng)度 MPa
由圖2(a)可得,在普通混凝土破壞后,裂縫迅速發(fā)展并斷裂成兩半,在開(kāi)裂過(guò)程中有劈裂聲,并伴有掉塊產(chǎn)生。由圖2(b)裂口可得,纖維是被拉斷而不是被拔出,表明纖維與混凝土的黏結(jié)是良好的。由圖2(c)可知,鋼纖維在混凝土中拌合均勻,真正起到骨架的作用。以上說(shuō)明,隨著纖維體積率的增大,試塊的抗劈裂破壞能力越強(qiáng),纖維對(duì)裂縫的發(fā)展有極強(qiáng)的抑制作用。
圖2 纖維混凝土劈裂破壞狀態(tài)
1)纖維混凝土抗壓強(qiáng)度及抗劈裂強(qiáng)度明顯優(yōu)于普通混凝土。本試驗(yàn)中端鉤型鋼纖維的抗壓強(qiáng)度優(yōu)于壓痕性鋼纖維,深圳聚丙烯纖維混凝土比大東聚丙烯纖維混凝土稍差。
2)隨著纖維摻量的增加,鋼纖維混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢(shì),聚丙烯纖維混凝土的強(qiáng)度先增加而后減少。
3)驗(yàn)證了復(fù)合纖維混凝土在最佳體積率1%條件下,鋼—聚丙烯纖維混凝土的力學(xué)性能優(yōu)于其它體積率的鋼—聚丙烯復(fù)合纖維混凝土性能。
4)從破壞形態(tài)上可以看出,纖維的摻入,在一定的體積率下能夠很好地預(yù)防裂縫的出現(xiàn),防止裂縫的擴(kuò)大,能夠有效地預(yù)防病害的出現(xiàn)。
5)只是室內(nèi)試驗(yàn),沒(méi)有考慮實(shí)際施工的影響,需在以后的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中進(jìn)一步完善。
[1]鄧宗才,張鵬飛,薛會(huì)青,等.纖維素纖維及混雜纖維混凝土的彎曲韌性[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008(8):852-855.
[2]ROMUALDI J P,BATSON G B.Mechanics of Crack Arrest in concrete[M].Proceedings.ASCE,1963.
[3]沈榮熹.纖維增強(qiáng)水泥與纖維增強(qiáng)混凝土[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.
[4]弓銳.復(fù)合纖維路用混凝土的性能研究[D].西安:西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,2008.
[5]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ55—2000 普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000.
[6]袁勇,邵曉蕓.合成纖維增強(qiáng)混凝土的發(fā)展前景[J].混凝土,2000(12):3-7.
[7]張海輝.復(fù)合纖維混凝土的試驗(yàn)研究[D].石家莊:河北工業(yè)大學(xué),2006.