夏海江 ,梁 力
(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819;2.遼寧省水利水電科學(xué)研究院,遼寧 沈陽 110003)
關(guān)于鋼纖維混凝土技術(shù),早在1910年美國有相關(guān)研究報(bào)告,英、法、德等國在1940年也開始研究,并于1963年有了關(guān)于鋼纖維約束混凝土裂縫開裂機(jī)理的文獻(xiàn),至此進(jìn)入了這種新型復(fù)合材料的開發(fā)研究應(yīng)用階段。
20世紀(jì)70年代,我國展開了鋼纖維混凝土基本性能與機(jī)理研究。研究表明鋼纖維混凝土具有截面小、強(qiáng)度高、韌性好、施工簡便等多方面優(yōu)點(diǎn),在隧洞襯砌、礦山井巷襯砌、房屋建筑、公路橋梁等工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用,取得很好效果。
遼寧省某大型輸水工程(一期)采用自流無壓引水,輸水隧洞全長近百公里,向中部地區(qū)6座城市提供工業(yè)和生活用水的一項(xiàng)大型跨流域引水工程。輸水隧洞開挖洞徑8.0 m,成洞洞徑7.16 m,設(shè)計(jì)調(diào)水流量為60 m3/s,多年平均調(diào)水量18.43億m3,總投資57.12億元。
該工程輸水隧洞部分段采用了鋼纖維混凝土襯砌,為開展鋼纖維混凝土技術(shù)應(yīng)用研究提供了基礎(chǔ)條件。
1)鋼纖維:特征參數(shù)主要有鋼纖維長度、直徑(或等效直徑)、長徑比及體積率[4]。采用鞍山市昌宏鋼纖維有限公司生產(chǎn)的螺紋型和超細(xì)型兩種。
2)水泥:渾河牌 PO42.5。
3)粉煤灰:沈海熱電廠Ⅰ級粉煤灰。
4)細(xì)骨料:撫順章京12號料場的天然河砂,中砂。
5)粗骨料:撫順章京12號料場的卵石,二級配(5~10,10~20 mm)。
6)外加劑:上海麥斯特高效減水劑,屬聚羧酸鹽類。
7)水:自來水。
1)基準(zhǔn)混凝土配合比粉煤灰摻量為10%。
2)最優(yōu)砂率為45%。
3)二級粗骨料重量比 1∶1。
4)初始坍落度控制為190±30 mm。
5)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為CF30F100W8,配制抗壓強(qiáng)度按GB50204《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定,計(jì)算為38.2 MPa。
6)水灰比按JGJ55-200《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》及混凝土配制強(qiáng)度、水泥28 d實(shí)測強(qiáng)度值初算。根據(jù)CECS38:2004《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》,對于以耐久性為主要要求的混凝土,水灰比不得大于0.45;根據(jù)《泵送混凝土施工技術(shù)規(guī)程》FGJ/T10-95,泵送混凝土的水灰比宜為0.4~0.6,試驗(yàn)中使用的外加劑具有高效減水作用。因此,確定基準(zhǔn)混凝土配合比水灰比為W/(C+F)=0.40。
7)基準(zhǔn)混凝土單位用水量為168 kg。
8)根據(jù)已有資料及工程經(jīng)驗(yàn),選擇鋼纖維體積率為0.50%,對應(yīng)摻量為40 kg/m3。其他體積率的對應(yīng)摻量按此等比例計(jì)算。
基準(zhǔn)混凝土配合比分別摻入2種鋼纖維,鋼纖維體積率分別為 0,0.25%,0.5%,0.75%,1.0%,1.25%,1.5%,1.75%,2.0%,進(jìn)行混凝土拌合,測試抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、初裂強(qiáng)度、韌度指數(shù)。
隨著鋼纖維體積率增加,混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低;在相同鋼纖維體積率時(shí),超細(xì)型鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度普遍大于螺紋型鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度0.5~5.5 MPa,高出比例為1.2%~17.0%。當(dāng)鋼纖維體積率為0時(shí)(即素混凝土),鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度最高,摻超細(xì)型和螺紋型兩種鋼纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度均為42.4 MPa;當(dāng)鋼纖維體積率為2.0%時(shí),摻兩種鋼纖維的抗壓強(qiáng)度均達(dá)到較小值,抗壓強(qiáng)度分別為31.9 MPa和30.1 MPa,相當(dāng)于素混凝土抗壓強(qiáng)度的75%和71%。混凝土抗壓強(qiáng)度與鋼纖維體積率變化過程曲線見圖1。
同時(shí),鋼纖維混凝土抗壓試驗(yàn)過程中,試件破壞面較素混凝土的粗糙,與水平面夾角達(dá)到60°~70°,近似與加載方向平行,且混凝土破碎現(xiàn)象不明顯。說明鋼纖維混凝土抗剪切能力增強(qiáng)。
隨著鋼纖維體積率ρf由0.0%增大到1.5%,混凝土抗折強(qiáng)度緩慢逐漸增大;ρf由1.5%增大到2.0%,混凝土抗折強(qiáng)度逐漸降低。在相同鋼纖維體積率時(shí),超細(xì)型鋼纖維混凝土抗折強(qiáng)度普遍大于螺紋型鋼纖維混凝土抗折強(qiáng)度0.10~0.53 MPa,高出比例為2.2%~12.6%。當(dāng)鋼纖維體積率ρf為1.5%時(shí),鋼纖維混凝土抗折強(qiáng)度最高,摻超細(xì)型和螺紋型兩種鋼纖維的混凝土抗折強(qiáng)度分別為5.05 MPa和4.62 MPa。
隨著鋼纖維體積率ρf由0.0%增大到1.75%,混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度緩慢逐漸增大;ρf由1.75%增大到2.0%,混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸降低。在相同鋼纖維體積率時(shí),超細(xì)型鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度普遍大于螺紋型鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度0.06~0.55 MPa,高出比例為1.6%~13.3%。當(dāng)鋼纖維體積率ρf為1.75%時(shí),鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度最高,摻超細(xì)型和螺紋型兩種鋼纖維的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度分別為4.99 MPa和4.91 MPa。
圖1 混凝土抗壓強(qiáng)度與鋼纖維體積率變化過程曲線
鋼纖維混凝土試件的初裂強(qiáng)度、韌度指數(shù)計(jì)算過程為:
1)將直尺與荷載~撓度曲線的線性部分重疊放置,重疊段端點(diǎn)A為初裂點(diǎn),A點(diǎn)的縱坐標(biāo)為初裂荷載Fcra,橫坐標(biāo)為初裂撓度δcr,面積OAB為初裂韌度。
2)以0為原點(diǎn),按橫坐標(biāo)為 1.0,3.0,5.5和10.5初裂撓度δcr的倍數(shù),在橫軸上確定B,D,F(xiàn)和H點(diǎn),用求積儀測得OAB,OACD,OAEF 和 OAGH 的面積, 分別記 1 作 Ωδ,Ω3δ,Ω5.5δ,Ω10.5δ。按下列公式計(jì)算不同變形幅度的彎曲韌度指數(shù),以4個(gè)試件的算術(shù)平均值作為該組的韌度指數(shù)。
4)選取基準(zhǔn)配合比編號為12-24-8的混凝土拌合物試驗(yàn)結(jié)果,繪制鋼纖維混凝土(以超細(xì)型鋼纖維=0.5%時(shí))的荷載~撓度曲線,計(jì)算初裂強(qiáng)度及韌度指數(shù),計(jì)算結(jié)果見表1。
5)不同類型鋼纖維混凝土初裂強(qiáng)度和韌度指數(shù)比對分析。
當(dāng)鋼纖維體積率為0.5%時(shí),6次重復(fù)試驗(yàn),兩種鋼纖維混凝土的初裂強(qiáng)度、韌度指數(shù)比對,初裂強(qiáng)度相等,韌度指數(shù)基本相當(dāng),差異幅度在0.2%~1.8%以內(nèi)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。
繪制基準(zhǔn)混凝土及2種鋼纖維混凝土(鋼纖維體積率=0.5%時(shí))的荷載~撓度曲線見圖2。
由曲線變化過程,可以得出鋼纖維混凝土較基準(zhǔn)混凝土的荷載~撓度直線性過程延長;鋼纖維混凝土的極大荷載大于基準(zhǔn)混凝土的極大荷載;極大荷載之后,混凝土承載能力均在減少,基準(zhǔn)混凝土承載能力減少速度更快,鋼纖維混凝土承載能力始終大于基準(zhǔn)混凝土的承載能力;超細(xì)型鋼纖維混凝土的極大荷載大于螺紋型鋼纖維混凝土的極大荷載,極大荷載之后,超細(xì)型鋼纖維混凝土承載能力始終大于螺紋型鋼纖維混凝土的承載能力。
表1 初裂強(qiáng)度及韌度指數(shù)計(jì)算結(jié)果
表2 不同類型鋼纖維混凝土初裂強(qiáng)度和韌度指數(shù)比對分析
1)鋼纖維具有改變混凝土力學(xué)性能的作用。當(dāng)鋼纖維體積率由0.0%增大到2.0%,混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低;當(dāng)由0.0%增大到1.5%,混凝土抗折強(qiáng)度逐漸增大,由1.5%增大到2.0%,混凝土抗折強(qiáng)度逐漸降低;當(dāng)由0.0%增大到1.75%,混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度緩慢逐漸增大,由1.75%增大到2.0%,混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸降低。相同體積率的超細(xì)型鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度均大于螺紋型鋼纖維混凝土的相應(yīng)指標(biāo)數(shù)值。
圖2 基準(zhǔn)混凝土及鋼纖維混凝土的荷載~撓度曲線
2)當(dāng)鋼纖維體積率為0.5%時(shí),超細(xì)型和螺紋型兩種鋼纖維混凝土的初裂強(qiáng)度相等,韌度指數(shù)基本相當(dāng),6次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果差異幅度在0.2%~1.8%以內(nèi)。鋼纖維混凝土的荷載~撓度直線性過程延長;鋼纖維混凝土的極大荷載大于基準(zhǔn)混凝土的極大荷載;極大荷載之后,混凝土承載能力均在減少,基準(zhǔn)混凝土承載能力減少速度更快,鋼纖維混凝土承載能力始終大于基準(zhǔn)混凝土的承載能力;超細(xì)型鋼纖維混凝土承載能力始終大于螺紋型鋼纖維混凝土的承載能力。
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