超高性能纤维增强混凝土管的三边承载实验研究

明显低于普通钢筋混凝土管 ，是一种薄壁管 。在达到破坏荷载时 ，钢筋增强 ＵＨＰＦＲＣ管 的拉 、压应变均高于无筋 ＵＨＰＦＲＣ管。钢筋
增强 ＵＨＰＦＲＣ管呈现多裂纹开裂特 征，裂 纹的宽度 随荷 载增加而增加。
关键词 ｉＵＨＰＦＲＣ管；承载力；非刚性；多裂纹
中图分类号 ：ＴＵ５２８．７３
文献标识码 ：Ａ
级荷载值时荷载保持 １ ｍｉｎ，加载速率为 １．０ ｋＮ／ｍｉｎ。（３）最后
加载至破坏，加载速率为 ０．６ ｍｍ／ｍｉｎ。
图 １ 管环尺寸和钢筋笼
２ 结果与讨论
成型流程为：（１）管环内模和外模的组装，表面刷油，再固
定钢筋笼 （配筋时）。（２）将水泥、粉煤灰、硅灰干拌 ６０ Ｓ；然后 ２．１ ＵＨＰＦＲＣ的力 学性 能
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐｉｐｅ，ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ，ｎｏｎ—ｒ ｉｇｉｄ，ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｃｒａｃｋｉｎｇ
Ｏ 引 言
管道结构中，关于钢纤维增强混凝土管道 （ＳＦＲＣＰ）的标准有 ＥＮ １９１６ｔ ］和 ＡＳＴＭ Ｃ１７６５￣等。ＭａｃＤｏｎａｌｄ和 Ｔｒａｎｇｓｒｕｄ￣ｌ开展
粉煤灰综合开发有限公司生产的 Ｉ级灰，密度 ２．６加ｍ ，比表面 １＿３ 测 试 方法
积 １７６０ｍ ｇ：硅灰 （ｓＦ）：成都东南星科技发展有限公司生产，
单轴拉伸实验方法参照日本土木工程学会标准１９１，试样尺
密度 ２．２ ｍ ，比表面积 ４６１０ ｍ２／ｋｇ；水泥、粉煤灰、硅灰的主要 寸及装置与文献［１０］相同，加载设备为 Ｉｎｓｔｒｏｎ５８８２材料试验
向为水泥基 复合材 料。Ｅ—ｍａｉｌ：１１ｂ０１４９＠１６３．ｃｏｍ。通讯作者：王应军， 性。超高性能纤维增强混凝土（Ｕｌｎａ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒ ｆｏｒｍａｎｃｅ Ｆｉｂｅｒ
副教 授 ，地 址 ：武 汉市 洪 山区珞狮路 １２２号 ，Ｅ—ｍａｉｌ．ｗｙｊ９５９５０＠１２６． Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ，简称为 ＵＨＰＦＲＣ）较普通的 ＳＦＲＣ具有
全 国中文核 心期 刊
杆鬼建巍粉拇
中国科技核心期刊
超离性 雒 纤 维增 强混 凝 土 管昀 边承 载 实 验研 夯
刘利 斌 ，王应 军 ，孙 明清 ，
（１．新材料力学理论与应用湖 北省重点实验 室，武汉理工大学，湖北 武汉 ４３００７０；２．恒润集团有限公司，河北 衡水 ０５３１００）
化学成分见表 １。砂：粒径分别为Ｏ￣０．６ ｍｍ的细砂和 ０．６～１．２５ 机，采用位移控制模式加载，拉伸速率为 ０．４ ｍｍ／ｍｉｎ。根据
ｍｍ的粗砂。减水剂：武汉浩源化工生产的聚羧酸高效减水剂， ＧＢ／Ｔ １７６７１－１９９９《水泥胶砂浆强度检验方法（ＩＳＯ法）》制备
固含量 １８．２％。拌和用水：自来水。钢纤维：上海贝卡尔特公司 ４０ ｍｍｘ４０ ｍｍｘｌ６０ ｍｍ棱柱试样，养护 ２８ ｄ后采用 ｗＹＡ一３００
方法加载，加载设备为Ｉｎｓｔｒｏｎ５８８２电子万能材料试验机。用 ４ 支电子百分表分别测量管顶、管底、左右管腰的挠度。
ＵＨＰＦＲＣ的质量配合比见表 ２，钢纤维体积掺量为２％。
在管环内、外表面管顶、管底 以及管腰的环 向共粘贴 １６
表 ２ ＵＨＰＦＲＣ的配 合 比
ｋｇ／ｍ 个应变片（包括 ２个横截面），用于测试应变。应变片布置如图
流动形成的圆直径达到 ８５０ ｍｍ左右），填模过程中未采用振
水泥：华润水泥投资有限公司生产的润丰牌 Ｐ·Ⅱ５２．５Ｒ水 动台振实，仅用木榔头轻敲模具外壁，排出少量气泡即可。模
泥，密度 ３．０ ｍ ，比表面积 ３８６ｍ ｇ；粉煤灰（ＦＡ）：广州运宏 具在室温静置２４ ｈ后脱模，试样在标准养护箱养护 ２８ ｄ。
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图 ２ 应 变 片 布 置 示 意
加载过程包括 ３个阶段：（１）小荷载循环加载，加载速率
为 １．０ ｋＮ／ｍｉｎ，以使整个系统稳定。（２）分级加载，根据预估的
最大承载能力，无筋管分三级加载，荷载值分别为 ２、４、６ ｋＮ；
有筋管分五级加载，荷载值分别为 ２、４、６、８、ｌ０ ｋＮ。加载到每
ｍｍ，分为配筋管和无配筋管 ２种。配筋管内的钢筋笼由６根
均布纵向钢筋 （ ５）和螺旋缠绕在纵筋上的环向钢筋 （舛 ）焊
接而成，环向钢筋螺距为 ５０ ｍｍ。与普通钢筋混凝土管钢筋笼
的埋设位置相同，即环向钢筋轴线到管内壁的距离为管壁厚
的２／５。管环试样和配筋如图 １所示。
１０ ５０ ６Ｏ ５Ｏ ５Ｏ ５Ｏ ５Ｏ １Ｏ
文章编号 ：１００１—７０２Ｘ（２０１８）０７—００４１—０５
Ｍ ｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＵＨＰＦＲＣ ｐｉｐｅｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｒｅｅ ｅｄｇｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ
ＬＩＵ Ｌｉｂｉｎ ， ＡⅣＧ Ｙｉｎ￣ｕｎ ，ＳＵＮ Ｍｉｎｇｑｉｎｇ￣’。
（１．Ｈｕｂｅｉ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｔｈｅｏｒ ｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒ ｉａｌｓ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｗ ｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｗ ｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｈｅｎｇｒｕｎ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｈｅｎｇｓｈｕｉ ０５３１００，Ｃｈｉｎａ）
生产的长度 １３ ｍｍ、直径 ０．１７５ ｍｍ表面镀铜细钢纤维。
型全自动抗折抗压试验机先进行抗折试验，然后采用折断后
表 １ 胶 凝 材 料 的 主要 化 学 成 分
％ 的试件测试抗压强度。
项 目 ＳｉＯ２ ＣａＯ Ａ１２０３ ＭｓＯ Ｆｅ２０３ ＳＯ３ Ｋ２０ ＬＯＩ
根据 ＧＢ／Ｔ １６７５２－２００６《混凝土和钢筋混凝土排水管试
河砂
水泥 粉煤 灰 硅灰 —
—
钢 纤 维 水 减 水 剂
０～０．６ ｌｌ据 由多通道静态应变测试系统记录，采集频率 为 ０．５Ｈｚ。
７５０ ２５０ １４４ ７７０
２２０
１６０ １９０ ３３
１．２ 试 样与 成 型方 法
管环试样尺寸为：内径 ３７５ ｍｍ、壁厚 ２５ ｍｍ、长度 ３２０
ＵＨＰＦＲＣ管的承载能力、变形能力、应变和裂纹分布等。
加入剩下的水和减水剂混合液，搅拌 １２０ ｓ；随后边加钢纤维
１ 试样制备与实验方法
边搅拌 ２４０ ｓ。（３）将制得的浆料注入模具。由于浆料具有好的 流动性 （将浆料灌满坍落度筒，再将筒提取 ２００ ｍｍ，浆料 自然
１．１ 原 材 料与 配合 比
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａ ｎｃｅ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ（ＵＨＰＦＲＣ） ｗａｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ，ｄｅｆｏｒｍ ａ－ ｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｙ，ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｃｒａｃｋ ｄｉｓｔｒ ｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ＵＨＰＦＲＣ ｐｉｐｅ （ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ａ ｎ ｄ ｎｏｔ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ） ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｈｅｒｅ—ｓｉｄｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｔｅｓｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌｏａｄ－ｃａｒｒｙｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎ ｄ ｔｈｅ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｐ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｉｐｅ ａｒｅ ２．５
ＳＦＲＣＰ承载能力比ＰＣＰ、ＲＣＰ分别提高了 ８２％和 ６％。复掺纤
收稿 日期 ：２０１７—１０－１２；修订 日期 ：２０１７—１２—０４
维增强混凝土在管道结构中也有相关研究，如 Ｐａｒｋ等同采用
作者简介 ：刘利斌 ，男，１９９１年生 ，山西朔 州人 ，硕 士研究 生 ，研 究方 混掺钢纤维、聚丙烯 （ＰＰ）纤维以提高混凝土管的强度和延
混凝土管道是给排水工程中使用的主要管材之一。为提 了素混凝土管道（ＰＣＰ）、钢筋混凝土管道 （ＲＣＰ）以及 ＳＦＲＣＰ
高其抗裂性和使用寿命，近年来，国内外相关研究致力于将钢 的三边承载实验，结果表明，较长钢纤维对管强度的改善效果
纤维混凝土（ＳＦＲＣ）和其它种类的纤维混凝土应用于混凝土 比短纤维好，当 ＲＣ８０／６０一ＢＮ型钢纤维掺量为 ２５ ｋｇ／ｍ。时，
摘 要 ：配制了超高性能纤维增 强混凝土 （ＵＨＰＦＲＣ），采 用三边承 载实验研 究 ＵＨＰＦＲＣ管 （配筋和 不配筋）的承载能力 、变 形能
三 力、应变和裂纹分布等。结果表 明，钢筋增强 ｕＨＰＦＲＣ管的承载能力和管顶挠度分别为无筋 ＵＨＰＦＲＣ管的 ２．５倍和 ３．５倍。钢筋增
强 ＵＨＰＦＲＣ管的变 形率 为 ６．５％，埋地后能呈现非刚性混凝土管 的特征 。强度等级和 内径相 同时，钢筋增强 ＵＨＰＦＲＣ管 的管壁厚度
ｔｉｍｅｓ ａｎｄ ３．５ ｔｉｍｅｓ ｈＪｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ＵＨＰＦＲＣ ｐｉｐｅ． ｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ＵＨＰＦＲＣ ｐｉｐｅ ｉｓ ６．５％ ，ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｎ ｒｉｇｉｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐｉｐｅ ａｆｔｅｒ ｂｅｉｎｇ ｂｕｒｉｅｄ． Ｉｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｗａｌｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｇｒａｄｅ ａｎｄ ｉｎｎｅｒ ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ＵＨＰＦＲＣ ｐｉｐｅ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ，ｔｈｅ ｐｉｐｅ ｗａｌｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｏｒｄｉｎａｒｙ ｒｅｉｎ ｆｏｒ ｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐｉｐｅ．Ｉｔ ｉｓ ａ ｔｈｉｎ－ｗａｌｌｅｄ ｔｕｂｅ．Ｗ ｈｅｎ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｌｏａｄ ｉｓ ｒｅａｃｈｅｄ，ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒａｉｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ＵＨＰＦＲＣ ｐｉｐｅ ａｙｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｕｎｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ＵＨＰＦＲＣ ｐｉｐｅ．Ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｒｅｉｒｆｏｒｃｅｄ ＵＨＰＦＲＣ ｐｉｐｅ ｅｘｈｉｂｉｔｓ ｍｕｌｔｉ ｃｒａｃｋ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｗｉｄｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｌｏａｄ．
·４２· 新 型建筑材料
２０１８．７
刘 利斌 ，等 ：超 高性 能 纤维增 强 混凝土 管 的三 边承 载 实验 研 究
制得的 ＵＨＰＦＲＣ的抗压强度为 （１６４．５２＋５．２１）ＭＰａ，抗折 筋管和有筋管在强化阶段均产生较大的变形，无筋管仅依靠
强度为 （３５．７２＋２．８１）ＭＰａ，拉伸强度为 （１２．５６ｉ－０．３４）ＭＰａ。３个 钢纤维控制裂纹张开，而有筋管由于钢纤维和钢筋的协同作
水 泥 １９．２Ｏ ６４．９３ ４．１８ １．６１ ３．３２ ３．３５ ０．７８ ２．４９ 验方法》和澳大利亚标准 ＡＳ－４１９３标准【ｌｌ１，采用三边承载实验
硅 灰 ９４．６５ ０．３６ ０．２５ ０．４７ ０．１５ ０．６９ ０．８４ ２．２９ 粉 煤 灰 ４６．４４ ７．５０ ３８．Ｏ１ ０．２３ ３．１２ ０．６９ ０．８８ ２．７９
ｃｏ ｍ ０
更高的抗拉、抗压强度、密实度和耐久性 。但这种材料应用
ＮＥＷ ＢＵＩ ＬＤ ＪＮＧ Ｍ ＡＴＥＲＩＡＬＳ
·４１·
刘利 斌 ，等 ：超 高性 能纤维 增 强混 凝土 管 的三 边承 载实 验研 究
于混凝土管道方面的研究较少。本文采用三边承载实验研究 将砂加入搅拌 ６０ ｓ；在混合料中加入 ３／４的水，搅拌 ６０ ｓ；再