当前位置: 首页 > >

补偿收缩钢纤维混凝土试验研究

发布时间:

           168

四川建筑科学研究 Sichuan Building Science

第 34 卷   6 期 第   2008 年 12 月

   

补偿收缩钢纤维混凝土试验研究
罗成立 ,王硕太 ,崔   浩
(空军工程大学工程学院 ,陕西 西安  710038)

摘   : 为解决目前东部沿海地区地下防护工程结构强度与抗侵彻能力低 、 要 易开裂 、 易渗漏等问题 , 选取普通钢筋混凝土 、 单 掺膨胀剂补偿收缩混凝土 、 单掺钢纤维混凝土和膨胀剂与钢纤维双掺的补偿收缩钢纤维混凝土等 4 种类型进行对比试验研 究 。结果显示 : 双掺法补偿收缩钢纤维混凝土较之普通钢筋混凝土 、 单掺膨胀剂补偿收缩混凝土 、 单掺钢纤维混凝土的抗压 、 抗折 、 抗劈拉强度及抗渗 、 抗收缩能力有了显著地提高 ,是一种适于地下防护工程结构自防水的高性能混凝土 。 关键词 : 地下防护工程 ; 补偿收缩混凝土 ; 膨胀剂 ; 钢纤维 中图分类号 : TU5281572     文献标识码 : A     文章编号 : 1008 - 1933 ( 2008 ) 06 - 168 - 03

Study on expan sive adm ixture and steel f iber compound i g concrete n

LUO Chengli,WAN G Shuotai, CU I Hao

Abstract:A t the eastern part of China along the seaboard, the p rotective p rojects underground often get p roblem s of being easy to be attacked, fracture, crack, leak and so on. This paper chooses four kinds of different types of concretes which are conventional concrete, expansive adm ixture concrete, steel fiber reinforced concrete and expansive adm ixture and steel fiber compounding concrete to research their abilities and performances The experim entation result indicates that: compared w ith the conventional concrete, steel fiber . reinforced concrete and expansive adm ixture concrete, the expansive adm ixture and steel fiber compounding concrete w ill p roduce remarkable enhancement in the comp ressive strength, bending strength, especially in the sp litting strength and the ability of anti2

*年来 ,沿海地下防护工程逐渐增多 ,由于地下 工程处于岩层中 ,修建后成为所穿过山体附*地下 水集聚的通道 ,时刻受地下水的渗透作用 ,如果防水 及排水设施不完善 , 地下水就会侵入地下工程发生 渗漏 ,严重影响地下防护工程的正常使用 。地下防 护工程防水是工程的重要组成部分 , 可以采用在结 构内附加防水层的建筑防水 , 但钢筋混凝土结构的 自身结构防水是根本 ,对于特别重要的地方 ,都采用 结构和建筑防水双保险 。 我国已故资深工程院 院士 吴中伟 先生 认为 , “ 复合化是水泥基材料高性能化的主要途径 , 纤维 [1] 增强是其核心 ” 。在混凝土中掺入一定量的钢纤 维后 ,不仅提高了混凝土的抗拉 、 抗折强度和韧性 , 而且提高了混凝土的抗裂性能及极限拉应变 , 再掺
收稿日期 : 2007 2 2 03 26 作者简介 : 罗成立 ( 1982 - ) , 男 , 湖南娄底人 , 硕士研究生 , 研究方 向 : 机场施工与材料 。
E - ma il: luochengli007@126. com

penetration and anti2cracking .

Key words: p rotective p roject underground; expansive adm ixture concrete; expansive adm ixture; steel fiber

0    前 言

( The Engineering Institute, A ir Force Engineering University, Xiπ  710038, China ) an

入一定量的膨胀剂 , 通过混凝土自身的膨胀和钢纤 维对混凝土的约束变形获得预压应力 , 抵消混凝土 的收缩 ,避免或减少开裂 ,尤其是成倍提高了混凝土 的抗拉强度 ,大大提高了混凝土的抗裂性和抗渗能 力 。本文选取普通钢筋混凝土 、 掺膨胀剂补偿收缩 混凝土 、 掺钢纤维混凝土和膨胀剂与钢纤维双掺的

补偿收缩钢纤维混凝土 4 种类型混凝土进行立方体 抗压 、 、 抗折 劈裂抗拉三方面力学性能及抗渗性能 、 收缩性能的试验研究 , 寻求适合东部沿海地区地下 防护工程设计与施工使用要求的高强度 、 高流动性 、 高抗裂 、 高抗渗的高性能混凝土 。

1  试验概况

1. 1   试验用原材料

水泥 : 陕西 耀县 秦岭 牌 4215R 普通硅 酸盐 水 泥 。 28 d抗折强度 818 M Pa,抗压强度 4813 M Pa,密 度 3110 kg / l。

砂 : 灞 河 中 砂 , 细 度 模 数 为 2150, 含 泥 量 < 110% ,密度 2163 kg / l,堆积密度 1150 kg / l。

表 1  钢纤维的主要力学性能
直径
/mm 0. 7

表 2  混凝土配合比
材料 编号
P E S SE

1. 3   试验结果及分析 1. 3. 1   强度试验

混凝土的搅拌及成型 : 首先把胶凝材料 、 钢纤维 (或无 ) 、 细骨料和粗骨料搅拌约 2 m in,再加入水和 外加剂拌和 2 m in,将混凝土拌和物装入钢模 , 在振 动台上振捣并压实 ,放入标准养护室养护 7 d 或 28 d 后测强度 。 [2] 按照 CECS13: 89 《钢纤维混凝土试验方法 》
表 3  混凝土强度试验结果
强度

   试验结果分析如下 : 单掺膨胀剂混凝土 7 d 和 28 d 强度均有提高 。 7 d抗压 、 抗折 、 劈裂抗拉强度分别增加了 6% , 3% , 14% 。 28d 强度分别增长了 5% , 3% , 12% 。这主要 是膨胀剂与水泥发生水化反应生成了膨胀性的钙矾 石 ,使混凝土基体更加致密 ,也提高了水泥石与骨料 的界面强度 。 单掺钢纤维混凝土 7 d和 28 d劈裂抗拉强度分 别提高了 108% , 102% ,抗折强度分别提高了 54% , 57% ,抗压强度分别提高了 16%和 18% , 受压韧性 大幅度提高 ,从初裂到破坏的时间延长 ,且从受压过 程中观察到钢纤维混凝土受压破坏时 , 没有明显的

石 : 玄武岩碎 石 , 最大 粒径 20 mm , 表 观密 度 217 kg / l,堆积密度 115 kg / l,压碎值 617% 。 粉煤灰 :渭电正元牌 Ⅰ 级粉煤灰 ,密度 215 kg/ l。 钢纤维 : 主要力学性能见表 1。
Table 1  M a in m echan ica l properties of steel f iber
种类 长度
/mm 32

  2008 No16
铣削型 试件
P E S SE

罗成立 ,等 : 补偿收缩钢纤维混凝土试验研究

     169   

1. 2   混凝土配合比

抗拉强度

弹性模量
/MPa 200, 000

/MPa 380 ~800

拉断时伸 长率 / % 0. 5 ~3. 5

Table 2  M ix proportion of concrete
膨胀剂 水泥
/ ( kg/m 3 ) 0 60 0 60 / ( kg/m 3 ) 420 360 420 360

Table 3  The results of the force test of concrete
7d 52. 3 55. 6 60. 5 65. 0

   膨胀剂 :北京产 UEA 型膨胀剂 ,密度 3110 kg / l。 外加剂 : 自配高效减水剂 。 水 : 饮用水 。
粉煤灰 砂
/ ( kg/m 3 ) 110 110 110 110

/ ( kg/m 3 ) 687 687 719 719

抗压强度 /MPa 对比强度 28d
1. 1. 1. 1. 00 06 16 24 61. 64. 72. 78. 4 2 2 6

对比强度
1. 1. 1. 1. 00 05 18 28

7d 6. 3 6. 5 9. 7 11. 0

抗折强度 /MPa 对比强度 28d
1. 1. 1. 1. 00 03 54 75 7. 7. 11. 13. 4 6 6 3

为使水泥基体的强度足够高 , 通过掺入高效减 水剂 ,水胶比控制在 0128 以内 , 膨胀剂掺量控制在 12%以内 ,钢纤维掺量为体积掺量 2% , 混凝土坍落 度控制在 160 mm 以上 。试验根据混凝土和钢纤维
石 水 钢纤维 减水剂
/ ( kg /m 3 ) 1059 1059 1020 1020 / ( kg /m 3 ) 147 147 147 147 / ( kg /m 3 ) 0 0 156 156 / ( kg/m 3 ) 10 10 10 10

混凝土配合比设计技术标准 , 通过水泥用量 、 砂率 、 石子级配 、 膨胀剂掺量 、 钢纤维掺量的优选 , 在计算 和试拌的基础上 ,最终确定普通钢筋混凝土 ( P ) ,单 掺钢纤维混凝土 ( S) , 单掺膨胀剂补偿收缩混凝土 ( E )和膨胀剂与钢纤维双掺的补偿收缩钢纤维混凝 土 ( SE )等 4 种类型的混凝土配合比 ,见表 2。

进行试件的力学性能测试 ,包括立方体抗压强度 、 劈 裂抗拉强度 、 抗折强度 。 试件尺寸如下 : 立方体抗压 ,劈裂抗拉强度试件 尺寸为 100 mm × mm × 100 100 mm , 抗折试件尺寸 为 100 mm × mm × 100 400 mm。在不同龄期 , 分别 测试抗压 、 抗折和劈裂抗拉强度 ,抗压强度实测值乘 以 019 折算 ,抗折强度实测值乘以 0182 折算 , 劈裂 抗拉强度实测值乘以 0. 8 折算 。试验结果见表 3。
对比强度
1. 1. 1. 1. 00 03 57 80 7d 3. 6 4. 1 7. 5 8. 7

劈裂抗拉强度 /MPa 对比强度 28d 对比强度
1. 1. 2. 2. 00 14 08 42 4. 4. 8. 10. 3 8 7 3 1. 1. 2. 2. 00 12 02 40

碎片和崩落 ,仍保持着整体性 。这主要是由于钢纤 维接受基体通过界面粘结力传递的荷载 , 可以约束 裂缝的延伸和横贯裂缝传递内力 ,这时 ,钢纤维与基 体作为整体共同承担荷载 ,使承载能力显著提高 。 补偿收缩钢纤维混凝土对 7 d和 28 d 抗压强度 较普通钢筋混凝土增加了 24% , 28% , 抗折强度增 加达到了 75% , 80% , 对劈裂抗拉强度的增强竟高 达 142% , 140% 。这主要是因为补偿收缩钢纤维混 凝土中 ,钢纤维限制了水泥的膨胀 ,从而在混凝土内 部将膨胀转换为混凝土的自应力 ,约束混凝土膨胀 , [3] 使钢纤维受拉而混凝土受压 。除了钢纤维之外 , 膨胀的限制也来源于模板 , 膨胀剂确保混凝土在持

170

     四川建筑科学研究

第 34 卷  

续养护以后 ,仍处于轻微压应力下 ,不仅可以保证混 凝土收缩时不产生拉伸开裂 , 而且大大改善了混凝 土的力学性能 。 1. 3. 2   抗渗试验 本文采用 AST C1202 - 97 测试方法 —— M —将 (直径 100 mm、 55 mm 的圆柱体 ) 一 混凝土试件 厚 端浸在 NaCl溶液中 , 另一端浸在 NaOH 溶液中 , 试 件的两端保持 60 V 直流电位差 ,记录 6 h 内通过试 件的电量 ( C ) , 以该电量的大小评价混凝土抗 C l 渗透的能力 。试验结果见表 4。
表 4  混凝土抗渗试验结果 Table 4  The results of the an ti2penetra tion test of concrete
混凝土类型 通电量 /C Cl - 渗透评价
P 2682 E 1020 S 896 SE 560
[4]

表 5  混凝土收缩试验结果 Table 5  The results of the shr in k in g test of concrete
编号
P E S SE

最大裂 缝宽度
W max /mm

0. 0. 0. 0.

10 05 03 01

裂缝*均 单位面积开 单位面积上 抗裂 开裂面积 裂裂缝数目 的总裂开面 2 2 2 2 等级 / (mm /条 ) / (条 /m ) 积 / (mm /m ) 1. 98 139 275. 22 Ⅳ 0. 76 32 24. 32 Ⅱ 0. 51 14 7. 41 Ⅱ 0. 31 7 2. 17 Ⅰ

抗裂等级为 Ⅱ ,而膨胀剂与钢纤维双掺的补偿收 级 缩钢纤维混凝土抗裂效果最好 , 抗裂等级达到了 Ⅰ 级 ,明显优于其他混凝土 ,更适合于东部沿海地下防 护工程 。

2    结 论
( 1 ) 单独掺入膨胀剂或钢纤维较之普通钢筋混







极低

由于钢纤维与微膨胀的复合效应 , 钢纤维限制 了膨胀和收缩 ,微膨胀又补偿了收缩 ,且因微膨胀效 应 ,增进了混凝土致密性 , 改变了孔形貌 , 提高了抑 制裂缝引伸与发展的能力 ,最终改善了孔结构 ,减少 与缩小了裂缝源的尺度和数量 , 改善了孔形貌和孔 分布状态 ,使大孔变小 , 连通孔封闭 , 均使抗渗性提 [5] 高 。从表 4 的试验结果可以看出 : 单掺钢纤维或 单掺膨胀剂均能提高混凝土的抗渗性能 , 较普通钢 筋混凝土的氯离子通过量分别减少了 68% , 63% , 补偿收缩钢纤维混凝土的抗渗能力最好 , 较普通钢 筋混凝土的氯离子通过量减少了 80% , C l 渗透评 价为极低 ,抗渗能力较其他有了大幅度提高 。 1. 3. 3   收缩试验 混凝土的收缩最主要和常见的是干缩和冷缩 , 干缩是由于混凝土中水分散失或湿度下降引起的 , 冷缩是因混凝土中热量散失或温度下降引起的 , 补 偿收缩混凝土主要是通过对这两种收缩的补偿以达 到防止混凝土开裂的目的 。在补偿收缩混凝土中掺 入适量的 、 均匀分布的钢纤维 ,既可均匀限制混凝土 的收缩和膨胀 ,改善混凝土内部结构组织 ,阻止和减 少微裂缝的发生 ,又可发挥阻裂作用 ,抑制混凝土裂 缝的扩展 ,减少裂缝尖端应力 ,提高抗裂性能 。 本文参照美国混凝土协会 AC I - 544 纤维增强 “ 混凝土的性能测试 ” 技术报告中 P. P. Kraai提出的 [6] 试验方法 ,采用*板法进行混凝土的收缩抗裂试 验 。试验时 ,用电风扇直接吹表面 ,风速 215 m / s,温 度 20 ℃ ± ℃,相对湿度 60 ± 。并参考《 2 3% 混凝土结 构耐久性设计与施工指南 》 中笠井芳夫的试验评价方 [7] 法对试验结果进行分析评价 。试验结果见表 5。 表 5 表明 , 掺膨胀剂补偿收缩混凝土和掺钢纤 维混凝土的 4个评价指标均低于普通钢筋混凝土 ,

凝土可以改善混凝土的力学性能 。钢纤维补偿收缩 混凝土产生了单掺膨胀剂和单掺钢纤维混凝土力学 性能的叠加效果 ,提高了混凝土的抗压强度 、 抗折强 度 ,尤其是成倍增强了劈裂抗拉强度 。 ( 2 )单掺钢纤维或单掺膨胀剂虽均能提高混凝 土的抗渗性能 ,但提高幅度远不及钢纤维和膨胀剂 复合掺入时的大 。膨胀剂的掺入起到了补偿收缩作 用 ,不仅使混凝土在受到钢筋限制时减少收缩裂缝 , 而且使结构更加密实 ,能够自防水 。 ( 3 )如同预应力钢筋对普通混凝土基体能起到 增强增韧的作用效果一样 , 钢纤维在基体中起到了 微筋材的作用 。膨胀剂和钢纤维两种作用叠加产生 了 1 + 1 > 2 的效果 , 使补偿收缩钢纤维混凝土的力 学性能和抗渗与抗裂性能较普通钢筋混凝土 、 普通 钢纤维混凝土和补偿收缩混凝土均有了显著的提 高 ,是一种适于地下防护工程结构自防水的高性能 混凝土 。 参 考 文 献:
[1 ]  吴中伟 . 纤维增强 — 水泥基材料的未来 [ A ]. 叶启汉 . 纤维水 泥制品行业论文选集 ( 1965 ~1999) [ C ]. 北京 : 中国建材工业

出版社 , 2000.
[ 2 ]  CECS13: 89 钢纤维混凝土试验方法 [ S ]. [3 ]  沈荣熹 ,等 . 纤维增强水泥与纤维增强混凝土 [M ]. 北京 : 化学 [ 4 ]  AST C 1202 - 05, Standard Test Method for Electrical Indication M [ 5 ]   Kayali O , Haque M N and Zhu B. Some characteristics of high strength fiber reinforced lightweight aggregate concrete[ J ]. Cement and Concrete Composites, 2003, 25 ( 2) : 207 2 213. of Concreteπ Ability to Resist Chloride I Penetration[ S ]. s on Journal, 1998, 95 ( 4) : 429 2 435.

[ 6 ]  Parvis Soroushian, Siavosh Ravanbakhsh. Control of Plastic Shrink2 age Cracking with Specialty Cellulose Fibers [ J ]. AC I Materials [ 7 ]  CECS38 - 2004 混凝土结构耐久性设计与施工指南 ( 2005 年修 订版 ) [ S ].

工业出版社 , 2006: 224 2 235.




友情链接: