寒区钢纤维混凝土力学性能的研究及应用

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第６期　黑龙江交通科技　Ｎｏ．６，２００７　（总第１６０期）　ＨＥ　ＬＬＯＮＧｄｌＡＮＧ　ｄｌＡＯＴＯＮＧ　ＫＥＪ　（Ｓｕｍ　Ｎｏ．１６０）　寒区钢纤维混凝土力学性能的研究及应用　马桂军　，夏岩昆　（１．黑龙江工程学院；２．黑龙江省公路工程监理咨询公司）　摘要：主要分析研究了寒区钢纤维混凝士的抗压强度、弹性模量、抗拉性能、抗弯拉性能、耐冲击性能、耐磨　性能和抗冻性能，确定了寒区钢纤维混凝土的基本力学性能指标。　关键词：钢纤维混凝土；力学性能；寒区　中图分类号：Ｕ４１６．０１　文献标识码：Ｃ　文章编号：１００８—３３８３（２００７）０６—００３２—０１　１概述　钢纤维混凝土是一种新型复合建筑材料。与普通混凝　土相比，钢纤维混凝土以其优良的抗拉、抗弯、抗剪、阻裂、耐　冲击、抗疲劳、高韧性等性能受到国内外学术界和工程界的　极大重视，并越来越广泛地应用到各个工程领域中去。由于　钢纤维混凝土在多轴应力状态下的力学性能极为复杂，建立　罨　一套形式简单、精度满意的强度理论和计算模型是十分困难　的。因此简单力状态下直接由试验得到的强度值等性能指　标是寒区钢纤维混凝土设计与应用的主要依据。　根据钢纤维混凝土的增强特性，结合我国的《钢纤维混　凝土试验方法》（ＣＥＣＳ１３：８９）、《钢纤维混凝土结构设计与施　工规程》（ＣＥＣＳ３８：９２）等规范中的有关规定，建立在简单受　８／×１０４　力条件下，确定寒区钢纤维混凝土的力学性能指标，对研究　图１　ＳＦＲＣ拉伸理论曲线　寒区钢纤维混凝土基本性能指标有着极其重要的意义。　果，同时应用最多的弹性地基上的板式结构如路面、机场道　２钢纤维混凝土的抗压强度和弹性模量　面、码头铺面、工业地面等，均以弯拉强度（抗折强度，弯拉强　钢纤维对混凝土抗压强度和弹性模量的影响较小，这可　度、折断模量）为设计依据，所以对于寒区纤维凝土的研究，　以用复合材料强度理论来解释。因为一般情况下，钢纤维体　应该以抗弯性能试验为最多。　积率为０．５％一１．５％，钢与混凝土弹性模量比为５—８，由此　钢纤维掺人后，改变了混凝土的破坏形态，由无纤维的　推算的一维分布（垂直于受压方向），弹模或抗压强度提高　脆性断裂向纤维含量较高时的延性破坏转变，初裂强度和极　为２．５％一１２％；若考虑纤维分布和方向的影响，可能在　限强度明显提高（如图２）。目前国内几种采用弯拉强度做　１．０％一６．０％。这已被大量的试验数据所证实，试验已发现　设计指标的规范，对弯拉强度设计指标的定义不同，一种称　对于中低强混凝土，基本符合上述规律：而对于高强混凝土　为设计弯拉强度，一种称为弯拉强度标准值。从各种规范规　的脆性，阻碍峰值附近基体的微裂缝扩展起到比对普通混凝　定的配合比设计上看，反映寒区纤维混凝土抗弯拉性能的指　土更明显的作用。　标更适合采用弯拉强度标准值。　考虑到上述情况，寒区钢纤维混凝土的抗压强度可按　１６　●Ｗ／Ｃ《混凝土结构设计规范》（ＧＢ５００１０—２００２）规定的方法确定　＝０．２３　Ｊ肼＝１．２％　◆Ｗ／Ｃ＝Ｏ．２６　ＪｓＭ＝１．２％　钢纤维混凝土的立方体抗压强度标准值和强度等级以及相　－Ｗ／Ｃ＝Ｏ．３０　ＪＳＭ＝１．０％　应的弹性模量，按《钢纤维混凝土试验方法》（ＣＥＣＳ１３：８９）中　Ｏ　Ｗ／Ｃ＝０．３３　ＪＳ肘＝０．５％　▲Ｗ／Ｃ＝Ｏ＿３６　Ｊｓ肼＝０．５％　规定的试验方法测试寒区钢纤维混凝土的抗压强度。　３钢纤维混凝土的抗拉性能　影响钢纤维混凝土抗拉强度的主要因素是钢纤维和基　体的特性以及钢纤维的体积率、长径比。当钢纤维体积率在　１％一２％范围内，抗拉强度提高４ｏ％一８０％；当混凝土基体　强度提高时，抗拉强度的提高率更大。　ｆ，＝２５　ｍｌｌｌ　根据对我国许多单位进行的普通钢纤维混凝土拉伸试　０　＝６０　验资料的统计分析，可以看出随钢纤维体积率提高，钢纤维　１．５　２．０　２．５　混凝土的抗拉强度（如图１）、峰值应变等都有明显提高。　ｐｒ｜％　试验研究表明，寒区钢纤维混凝土的抗拉强度标准值和　设计值，在忽略钢纤维混凝土强度变异系数以及脆性系数与　囤２弯拉强度与钢纤维体积率关系　普通混凝土差异的影响条件下，可按下式计算　５钢纤维混凝土的耐冲击性能　＝＾（１＋　）　钢纤维混凝土的抗冲击性能是指在反复冲击荷载作用下，　＝　（１　）　复合材料吸收动能的能力，与普通混凝土相比，其抗冲击强度与　式中：Ａ，为钢纤维的含量特征参数。　冲击韧性均有显著提高。钢纤维混凝土抗冲击性能同样是与混　４钢纤维混凝土的抗弯拉性能　凝土基体、纤维特性、相对含量及界面粘结有关。这些困素对冲　纤维混凝土抗弯性能最能反映出纤维的增强，增韧效　压冲击特性和弯曲冲击特性的影响规律是相同的。　（下转第３４页）　・３２・　Ｍ　●●－维普资讯 http://www.cqvip.com 总第１６０期　黑龙江交通科技　第６期　量减少沉降裂缝，设计中在加宽段现浇水泥混凝土板，同时　的处理，例如：对于游离板、脱空板应采用钻眼注浆的工艺，　以减少板下空洞；对于破碎板应拆除后重新浇筑；对于断裂　板应切除其脱离部分重新浇筑；病害中错台板是产生反射裂　缝最多、最快的位置，一般处理的方式是低面用细沥砂找平，　高面用机械铣刨。在面层施工前应对全部水泥路面进行机　械铣刨达２　ｅｍ，并清洗干净，避免层间滑移。　在水泥板本身处理后，应对各种裂缝包括纵缝、横缝进　用钢筋与原路面层连接，新建水泥板搭接在旧路基基层上，　搭接宽度为０．５　ｍ，确保纵向裂缝不在同一断面内发生。　（２）金河桥至前进堤段道路由于扩孔桥的修建，路基需　进行加高，其中部分路段加高高度小于结构总厚度，导致灰　土结构直接作用在水泥混凝土板上，在施工和运营过程中，　灰土结构得不到很好的水分养生，强度达不到要求。因此，　根据填筑高度不同，采用不同基层材料，高度小于１２０　ｅｍ的　行填料处理，同时在道路全线用土工布满铺处理，防止反射　采用水稳结构填筑，大于１２０　ｅｍ（填土厚度大于５０　ｅｍ）的，　裂缝的发生。　可用黄粘土直接填筑。　（４）公路大桥至金河桥段道路结构面层设计厚度均在　（３）公路大桥至金河桥段路面结构为在原水泥混凝土　１２　ｅｍ以上，满足重载交通的功能需要。土工布本身也具有　路面上加铺沥青层。需对现有水泥板经多年使用出现的病　一定强度，可相当与２～３　ｅｍ面层结构。在面层结构材料的　害进行治理，通常水泥板出现的病害有游离板、脱空板、破碎　选择上，下层采用改性沥青混凝土，厚度在７　ｅｍ以上，上层　板、断裂板等，在加铺沥青混凝土前，应对这些病害进行有效　采用沥青玛蹄脂碎石混合料，厚度为５　ｅｍ。　图１路基加宽的处置措施　收稿日期：２００７－０３—１４　（上接第３２页）　凝土致密性，降低了孔隙率。同时在磨损过程中，钢纤维又　寒区钢纤维混凝土在弯曲冲击过程中吸收动能的能力　限制了外力对混凝土基体的磨蚀。　同样随钢纤维体积率增大而提高（如图３），其中采用异形钢　在寒区，钢纤维混凝土的耐磨性与组成材料的关系中，　纤维增强混凝土的抗冲击强度和冲击耗能均优于圆直或方　水灰比和钢纤维体积率的作用是十分显著。当Ｗ／Ｃ由Ｏ．５２　直纤维的增强效果。此外，钢纤维混凝土冲击破坏形态与普　降至Ｏ．３Ｏ，钢纤维混凝土基体的抗压强度提高５０％左右，磨　通混凝土相比，也截然不同。普通混凝土在冲击荷载作用　耗量降低１０％；当其中掺入Ｏ～２％的钢纤维后，因钢纤维的　下，一旦裂缝出现，即随即引起崩溃，因此初裂与破坏冲击次　阻裂和抵制变形能力，孔结构的改善，密实性的提高，使耐磨　数相差不大。钢纤维混凝土则不然，随钢纤维体积率增大，　性能进～步增强。当掺入１．５％左右的钢纤维时，磨耗量可　不仅初裂次数增多，初裂强度提高，而且破坏时呈多点开裂，　降低２０％以上，且钢纤维混凝土强度等级越高，磨耗量相应　且裂而不散。　减少。　７钢纤维混凝土的抗冻性能　冒　钢纤维混凝土抗冻性是重要的耐久性指标。因混凝土中　●　Ｚ　存在着不同尺度的气孔和毛细孔，在严寒地区，当毛细孔中的　、　棚　水结冰时，只要充水度达到并超过９１．７％，一旦水变成冰，则　疆　罟　因体积膨胀而使混凝土受到压力，当压力大于混凝土强度时　就会引起混凝土表面剥落、强度降低、甚至结构破坏。因此，　留　影响混凝土抗冻性最主要的因素是其密实性和孔结构特征。　在混凝土基体中掺入钢纤维，一方面抑制了裂缝的引发，又能　髫　限制因冰冻产生的膨胀，有效地提高了混凝土抗冻性能。　Ｏ　１．Ｏ　１．５　钢纤维体积率对钢纤维混凝土的抗冻性影响十分敏感，　Ｐ／％　其影响程度与混凝土基体强度等级或Ｗ／Ｃ大小有关。钢纤　图３　钢纤维混凝土冲击弯曲特性与体积率关系　维对高Ｗ／Ｃ的混凝土比对低Ｗ／Ｃ的有更好的抗冻增强效　６钢纤维混凝土的耐磨性能　果。因为Ｗ／Ｃ越高，抗冻的能力越低，钢纤维对提高这类混　钢纤维对耐磨性能的主要贡献是因其阻裂效应，引起了　凝土的抗冻效果则越突出。　混凝土孔结构的改善，使无害孔增多，有害孔减少，增进了混　收稿日期：２００７一Ｏ１—１１　・３４・