钢纤维掺量和类型对混凝土性能的影响_秦鸿根
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( 东南大学 材料科学与工程系 , 江苏 南京, 210096) 摘要: 比较了不同形状钢纤维对不同强度等级混凝土力学性能的影响 , 分析了钢纤维掺 量与混凝土强度之间的关系. 结果表明, 随钢纤维掺量的提高, 钢纤维增强混凝土的各项 力学性能都有不同程度的提高 ; 纤维类型不同, 对混凝土的增强效果各异 , 其中弓形和哑 铃形钢纤维的增强效果优于平直形和波浪形纤维 , 并以哑铃形钢纤维为最佳. 关键词: 混凝土; 钢纤维; 增强; 增韧 ; 阻裂 中图分类号 : T U 528. 572 文献标识码: A
第 6 卷第 4 期 2003 年 12 月
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JOU RN AL O F BU I LDI NG M AT ERIA LS
Vol. 6, No. 4 Dec. , 2003
文章编号 : 1007 - 9629( 2003) 04 - 0364 - 05
钢纤维掺量和类型对混凝土性能的影响
秦鸿根, 刘斯凤, 孙 伟, 庞超明, 安 平
表1 Table 1 Fineness /% 1. 6 St andard consist ency/ % 24. 8 S oundness good 水泥的主要物理性能 Physical properties of cement Flexural st rengt h/ M Pa 3d 6. 4 28 d 10. 2 Compressive strengt h/ M Pa 3 d 32. 1 28 d 50. 6
Set t ing t im e Init ial 3 h Final 5 h 20min
表2 Table 2 Type of st eel f iber Bow Dumbbell S traight W ave A spect ratio 50. 0 62. 0 52. 0 49. 9
不同类型钢纤维的参数 Properties of steel fibers Tensile st rength/ M Pa 1 270 1 335 1 210 1 270 Equivalent diamet er/ mm 0. 60 0. 56 0. 61 0. 70
SFRC 在 60 L 强制式搅拌机中拌和, 采用水泥、 砂、 石先干拌 , 同时撒入钢纤维 , 搅拌均匀后再 加水湿拌的搅拌工艺 . 维勃稠度均在 10~ 20 s, SFRC 试件在 1 m 2 标准振动台上振动成型, 拆模后 标养 28 d, 再进行性能测试. SFRC 力学性能试验依据 CECS 13: 89 进行 .
图2 Fig. 2
钢纤维掺量对 SFRC 劈拉强度和抗剪强度的影响
Effect of content of st eel fiber on splitting str ength and shear strength o f SFRC
2. 1. 2 对初裂抗弯强度和阻裂系数的影响 初裂抗弯强度反映了 SFRC 抵御初期裂纹荷载的能力. 不同强度等级混凝土中钢纤维掺量对 初裂抗弯强度影响的试验结果如图 3( a) 所示. 可以看出 , SF RC 的初裂抗弯强度与基体的强度等级 关系不大, 而与钢纤维的掺量有着密切的关系 . 随着钢纤维掺量的提高 , SFRC 的初裂抗弯强度也 随之增加 . 当纤维掺量从 0 增加至 160 kg/ m 3 时, SF RC 的初裂抗弯强度提高了 1 倍左右 . 阻裂系数为混凝土极限抗弯强度和初裂抗弯强度的比值 , 表示 SFRC 初裂后阻止裂纹开展的 能力 . 钢纤维掺量对不同强度等级 SFRC 阻裂系数影响的试验结果如图 3( b) 所示 . 可见, 普通混 凝土的阻裂系数为 1, 即普通混凝土一旦开裂即破坏 ; 而钢纤维掺量在 40~ 120 kg / m 3 时, SF RC 的 阻裂系数为 1. 25~ 1. 5, 极限抗弯强度比初裂抗弯强度提高 25% ~ 50% , 且阻裂能力随钢纤维掺量 的增大而提高. 但 SF RC 的强度等级对阻裂系数影响不明显. 2. 1. 3 对脆性系数和弯曲韧性的影响 脆性系数为混凝土抗压强度与极限抗弯强度之比值, 用于表示混凝土脆性的大小. 不同钢纤维 掺量和强度等级 SF RC 的脆性系数试验结果见图 4( a) . 可见, 随强度等级提高 , 混凝土脆性系数增 大, 材料变脆; 随钢纤维掺量的增加 , 脆性系数明显降低 , 钢纤维掺量在 0~ 120 kg/ m 时 , 脆性系数 降低幅度较大, 而钢纤维掺量大于 120 kg/ m 3 时, 降低幅度减小 . 韧性一般定义为材料或结构在荷载作用下达到破坏或失效时吸收能量的能力, 常用荷载 - 挠
[ 1]
1
原材料与试验方法
采用 金宁羊 牌 42. 5 级 P 水泥 , 江南水泥有限公司生产 , 其物理性能如表 1 所示; 减水剂 为 JM - 型缓凝泵送 ( 粉末状) 高效减水剂 , 减水率在 20% 以上 ; 砂为河砂, 细度模数 2. 72, 表观密
收稿日期 : 2002 -9 -20; 修订日期 : 2002 -10 -30 基金项目 : 建设部基金资助项目 作者简介 : 秦鸿根 ( 1955 - ) , 男 , 江苏人 , 东南大学教授级高级工程师 , 硕士生导师 .
3 [ 3]
第4期
秦鸿根等 : 纲纤维掺量和类型对混凝土性能的影响
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( a)
( b)
图3 Fig . 3
钢纤维掺量对 SFRC 初裂抗弯强度和阻裂系数的影响
Effect of content of steel fiber on flexur al streng th at initial crack and coefficient of crack resistance of SF RC
( Department of M aterials Science and Engineering , Southeast U niversity, N anjing 210096, China)
Abstract: Effect of diff erent types of st eel fibers on the mechanical propert ies of concret e w ere invest i g ated. T he results indicat e t hat t he mechanical properties of concret e are improved w ith the increase in the volume percentage of st eel fiber. T he st reng thening effects of bow - shape and dumbbell shape steel fibers are bet ter t han that of straig ht - shape and w ave - shape st eel f ibers. T he dumbbell shape fiber has the best effect on strengt hening, toug hening and crack - controlling of concrete. Key words: concrete; steel f iber; st rengthening; toughening; crack arrest ing 钢纤维增强混凝土( 简称 SFRC) 是近 30 年来迅速发展起来的一种新型复合材料. 与普通混凝 土相比, SFRC 不仅能改善抗拉、 抗剪、 抗弯、 抗磨和抗裂性能 , 而且能大大增强混凝土的断裂韧性 和抗冲击性能, 显著提高结构的疲劳性能及其耐久性 , 加上它施工简便, 且材料性价比好 , 因此 在道路路面、 桥面、 混凝土枕轨、 机场跑道、 抗震抗爆结构等土建工程中应用日益广泛 [ 2] . SFRC 的基本性能和基础理论研究对其应用具有十分重要的意义 , 其中钢纤维的类型及其掺 量对 SFRC 的抗压、 抗折、 劈拉和初裂抗弯强度的影响是 SFRC 配合比设计中的关键 . 为此, 本文研 究了钢纤维掺量对不同强度等级混凝土的增强、 增韧和阻裂效应的影响规律, 同时还分析了不同钢 纤维对混凝土力学性能( 拉、 压、 弯、 剪强度和弯曲韧性 ) 的影响.
Effect of Types and Volume Percentage of Steel Fiber on Properties of Concrete
QIN H ong -gen , L I U Si -f eng , S UN Wei , PAN G Chao -mi ng, A N Ping
表 3 不同强度等级 SFRC 配合比 Tabl e 3 Strengt h grade CF30 CF50 CF70 Cement 324 430 500 Mi x proporti on of SFRC for di fferent strength grade S tone 1 084 1 077 1 086 W at er 165 155 150 Water reducer 2. 59 4. 30 6. 0 St eel f iber 0~ 160 0~ 160 0~ 160 kg/ m 3
Sand 817 748 694
Байду номын сангаас
2. 1. 1 对各种强度的影响 钢纤维掺量对不同强度等级混凝土抗压、 抗折强度影响的测试结果见图1. 试验结果表明 , 钢纤 维对不同强度等级混凝土抗压强度的提高幅度仅在 10% 左右; 而对抗折强度的提高非常明显 , 在 一定体积分数范围内 ( < 2% ) , 随掺量的提高 , 其抗折强度逐渐增加 , 当钢纤维体积分数增加至 1% 时, 抗折强度已达素混凝土的 2 倍 . 这是由于在弯曲荷载作用下 , SFRC 受拉区开裂 , 中和轴上移 , 受拉区钢纤维与基体的粘结力承受拉力 , 韧性增加 , 从而提高了混凝土的抗折强度. 钢纤维掺量对 CF30, CF 50, CF70 混凝土劈拉强度和抗剪强度测试结果如图 2 所示 . 由图 2 可 见, 各种强度等级的 SFRC 的劈拉强度和抗剪强度均随钢纤维掺量的增加而提高 , 而且混凝土的强 度等级越高, 其抗剪强度增长幅度越大 . 从图 2 可见, 随钢纤维掺量的增加 , 抗剪强度的提高幅度高
第4期
秦鸿根等 : 纲纤维掺量和类型对混凝土性能的影响
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度 2 610 kg/ m 3; 石子为玄武岩碎石 , 颗粒级配为 5~ 20 mm, 表观密度为 2 840 kg/ m 3 ; 钢纤维的类 型有钢板剪切的平直形, 钢丝切断的弓形、 哑铃形和波浪形, 其中弓形和哑铃型钢纤维由赣州利发 金属制品有限公司生产. 试验所用各种钢纤维的参数见表 2.
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第6卷
图1
钢纤维掺量对 SFRC 抗压强度和抗折强度的影响
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F ig. 1 Effect of content of steel fiber on compressive strengt h and flexural streng th of SFRC
于劈拉强度 , 如当钢纤维掺量从 0 增加到 80 kg / m 时, CF 30, CF 50, CF 70 混凝土的劈拉强度分别 提高 74% , 89% , 92% , 抗剪强度分别提高 90% , 91% 和 92% ; 这是由于 SFRC 的受剪破坏与普通混 凝土完全不同, 普通混凝土受剪后分三段破坏, 而 SFRC 在受剪破坏时, 其中的钢纤维阻止了它的 剪切变形和裂缝的发展, 使其仍保持整体性, 因而抗剪强度得以提高 .
2
2. 1
试验结果及分析
钢纤维掺量对 SFRC 力学性能的影响 选用哑铃形钢纤维, 纤维掺量分别为 0, 40, 80, 120 和 160 kg/ m 3 , 混凝土的强度等级分别为
CF30, CF50 和 CF70. 配合比见表 3. 抗压试件尺寸为 100 m m 100 mm 100 m m; 抗折和弯曲韧 性试件尺寸为 100 100 400 mm; 劈拉试件尺寸为 100 mm 100 mm 200 mm; 抗剪试件尺寸为 100 mm 100 mm 300 mm.
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Vol. 6, No. 4 Dec. , 2003
文章编号 : 1007 - 9629( 2003) 04 - 0364 - 05
钢纤维掺量和类型对混凝土性能的影响
秦鸿根, 刘斯凤, 孙 伟, 庞超明, 安 平
表1 Table 1 Fineness /% 1. 6 St andard consist ency/ % 24. 8 S oundness good 水泥的主要物理性能 Physical properties of cement Flexural st rengt h/ M Pa 3d 6. 4 28 d 10. 2 Compressive strengt h/ M Pa 3 d 32. 1 28 d 50. 6
Set t ing t im e Init ial 3 h Final 5 h 20min
表2 Table 2 Type of st eel f iber Bow Dumbbell S traight W ave A spect ratio 50. 0 62. 0 52. 0 49. 9
不同类型钢纤维的参数 Properties of steel fibers Tensile st rength/ M Pa 1 270 1 335 1 210 1 270 Equivalent diamet er/ mm 0. 60 0. 56 0. 61 0. 70
SFRC 在 60 L 强制式搅拌机中拌和, 采用水泥、 砂、 石先干拌 , 同时撒入钢纤维 , 搅拌均匀后再 加水湿拌的搅拌工艺 . 维勃稠度均在 10~ 20 s, SFRC 试件在 1 m 2 标准振动台上振动成型, 拆模后 标养 28 d, 再进行性能测试. SFRC 力学性能试验依据 CECS 13: 89 进行 .
图2 Fig. 2
钢纤维掺量对 SFRC 劈拉强度和抗剪强度的影响
Effect of content of st eel fiber on splitting str ength and shear strength o f SFRC
2. 1. 2 对初裂抗弯强度和阻裂系数的影响 初裂抗弯强度反映了 SFRC 抵御初期裂纹荷载的能力. 不同强度等级混凝土中钢纤维掺量对 初裂抗弯强度影响的试验结果如图 3( a) 所示. 可以看出 , SF RC 的初裂抗弯强度与基体的强度等级 关系不大, 而与钢纤维的掺量有着密切的关系 . 随着钢纤维掺量的提高 , SFRC 的初裂抗弯强度也 随之增加 . 当纤维掺量从 0 增加至 160 kg/ m 3 时, SF RC 的初裂抗弯强度提高了 1 倍左右 . 阻裂系数为混凝土极限抗弯强度和初裂抗弯强度的比值 , 表示 SFRC 初裂后阻止裂纹开展的 能力 . 钢纤维掺量对不同强度等级 SFRC 阻裂系数影响的试验结果如图 3( b) 所示 . 可见, 普通混 凝土的阻裂系数为 1, 即普通混凝土一旦开裂即破坏 ; 而钢纤维掺量在 40~ 120 kg / m 3 时, SF RC 的 阻裂系数为 1. 25~ 1. 5, 极限抗弯强度比初裂抗弯强度提高 25% ~ 50% , 且阻裂能力随钢纤维掺量 的增大而提高. 但 SF RC 的强度等级对阻裂系数影响不明显. 2. 1. 3 对脆性系数和弯曲韧性的影响 脆性系数为混凝土抗压强度与极限抗弯强度之比值, 用于表示混凝土脆性的大小. 不同钢纤维 掺量和强度等级 SF RC 的脆性系数试验结果见图 4( a) . 可见, 随强度等级提高 , 混凝土脆性系数增 大, 材料变脆; 随钢纤维掺量的增加 , 脆性系数明显降低 , 钢纤维掺量在 0~ 120 kg/ m 时 , 脆性系数 降低幅度较大, 而钢纤维掺量大于 120 kg/ m 3 时, 降低幅度减小 . 韧性一般定义为材料或结构在荷载作用下达到破坏或失效时吸收能量的能力, 常用荷载 - 挠
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原材料与试验方法
采用 金宁羊 牌 42. 5 级 P 水泥 , 江南水泥有限公司生产 , 其物理性能如表 1 所示; 减水剂 为 JM - 型缓凝泵送 ( 粉末状) 高效减水剂 , 减水率在 20% 以上 ; 砂为河砂, 细度模数 2. 72, 表观密
收稿日期 : 2002 -9 -20; 修订日期 : 2002 -10 -30 基金项目 : 建设部基金资助项目 作者简介 : 秦鸿根 ( 1955 - ) , 男 , 江苏人 , 东南大学教授级高级工程师 , 硕士生导师 .
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第4期
秦鸿根等 : 纲纤维掺量和类型对混凝土性能的影响
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( a)
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图3 Fig . 3
钢纤维掺量对 SFRC 初裂抗弯强度和阻裂系数的影响
Effect of content of steel fiber on flexur al streng th at initial crack and coefficient of crack resistance of SF RC
( Department of M aterials Science and Engineering , Southeast U niversity, N anjing 210096, China)
Abstract: Effect of diff erent types of st eel fibers on the mechanical propert ies of concret e w ere invest i g ated. T he results indicat e t hat t he mechanical properties of concret e are improved w ith the increase in the volume percentage of st eel fiber. T he st reng thening effects of bow - shape and dumbbell shape steel fibers are bet ter t han that of straig ht - shape and w ave - shape st eel f ibers. T he dumbbell shape fiber has the best effect on strengt hening, toug hening and crack - controlling of concrete. Key words: concrete; steel f iber; st rengthening; toughening; crack arrest ing 钢纤维增强混凝土( 简称 SFRC) 是近 30 年来迅速发展起来的一种新型复合材料. 与普通混凝 土相比, SFRC 不仅能改善抗拉、 抗剪、 抗弯、 抗磨和抗裂性能 , 而且能大大增强混凝土的断裂韧性 和抗冲击性能, 显著提高结构的疲劳性能及其耐久性 , 加上它施工简便, 且材料性价比好 , 因此 在道路路面、 桥面、 混凝土枕轨、 机场跑道、 抗震抗爆结构等土建工程中应用日益广泛 [ 2] . SFRC 的基本性能和基础理论研究对其应用具有十分重要的意义 , 其中钢纤维的类型及其掺 量对 SFRC 的抗压、 抗折、 劈拉和初裂抗弯强度的影响是 SFRC 配合比设计中的关键 . 为此, 本文研 究了钢纤维掺量对不同强度等级混凝土的增强、 增韧和阻裂效应的影响规律, 同时还分析了不同钢 纤维对混凝土力学性能( 拉、 压、 弯、 剪强度和弯曲韧性 ) 的影响.
Effect of Types and Volume Percentage of Steel Fiber on Properties of Concrete
QIN H ong -gen , L I U Si -f eng , S UN Wei , PAN G Chao -mi ng, A N Ping
表 3 不同强度等级 SFRC 配合比 Tabl e 3 Strengt h grade CF30 CF50 CF70 Cement 324 430 500 Mi x proporti on of SFRC for di fferent strength grade S tone 1 084 1 077 1 086 W at er 165 155 150 Water reducer 2. 59 4. 30 6. 0 St eel f iber 0~ 160 0~ 160 0~ 160 kg/ m 3
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2. 1. 1 对各种强度的影响 钢纤维掺量对不同强度等级混凝土抗压、 抗折强度影响的测试结果见图1. 试验结果表明 , 钢纤 维对不同强度等级混凝土抗压强度的提高幅度仅在 10% 左右; 而对抗折强度的提高非常明显 , 在 一定体积分数范围内 ( < 2% ) , 随掺量的提高 , 其抗折强度逐渐增加 , 当钢纤维体积分数增加至 1% 时, 抗折强度已达素混凝土的 2 倍 . 这是由于在弯曲荷载作用下 , SFRC 受拉区开裂 , 中和轴上移 , 受拉区钢纤维与基体的粘结力承受拉力 , 韧性增加 , 从而提高了混凝土的抗折强度. 钢纤维掺量对 CF30, CF 50, CF70 混凝土劈拉强度和抗剪强度测试结果如图 2 所示 . 由图 2 可 见, 各种强度等级的 SFRC 的劈拉强度和抗剪强度均随钢纤维掺量的增加而提高 , 而且混凝土的强 度等级越高, 其抗剪强度增长幅度越大 . 从图 2 可见, 随钢纤维掺量的增加 , 抗剪强度的提高幅度高
第4期
秦鸿根等 : 纲纤维掺量和类型对混凝土性能的影响
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度 2 610 kg/ m 3; 石子为玄武岩碎石 , 颗粒级配为 5~ 20 mm, 表观密度为 2 840 kg/ m 3 ; 钢纤维的类 型有钢板剪切的平直形, 钢丝切断的弓形、 哑铃形和波浪形, 其中弓形和哑铃型钢纤维由赣州利发 金属制品有限公司生产. 试验所用各种钢纤维的参数见表 2.
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图1
钢纤维掺量对 SFRC 抗压强度和抗折强度的影响
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F ig. 1 Effect of content of steel fiber on compressive strengt h and flexural streng th of SFRC
于劈拉强度 , 如当钢纤维掺量从 0 增加到 80 kg / m 时, CF 30, CF 50, CF 70 混凝土的劈拉强度分别 提高 74% , 89% , 92% , 抗剪强度分别提高 90% , 91% 和 92% ; 这是由于 SFRC 的受剪破坏与普通混 凝土完全不同, 普通混凝土受剪后分三段破坏, 而 SFRC 在受剪破坏时, 其中的钢纤维阻止了它的 剪切变形和裂缝的发展, 使其仍保持整体性, 因而抗剪强度得以提高 .
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试验结果及分析
钢纤维掺量对 SFRC 力学性能的影响 选用哑铃形钢纤维, 纤维掺量分别为 0, 40, 80, 120 和 160 kg/ m 3 , 混凝土的强度等级分别为
CF30, CF50 和 CF70. 配合比见表 3. 抗压试件尺寸为 100 m m 100 mm 100 m m; 抗折和弯曲韧 性试件尺寸为 100 100 400 mm; 劈拉试件尺寸为 100 mm 100 mm 200 mm; 抗剪试件尺寸为 100 mm 100 mm 300 mm.