水工鋼纖維混凝土力學(xué)性能應(yīng)用研究

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。

1 工程背景

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。

2 材料與方法

2.1 材料

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。

2.2 基本參數(shù)

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。

2.3 方法

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)。

3 結(jié)果

3.1 抗壓強(qiáng)度

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)。

3.2 抗折強(qiáng)度

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。

3.3 劈裂抗拉強(qiáng)度

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

3.4 初裂強(qiáng)度和韌度指數(shù)

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。

3.5 荷載與撓度關(guān)系曲線比對

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

4 結(jié)語

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。

[1]O.Kayali，M.N.Haque，B.Zhu.Some characteristics of high strength fiberreinforced lightweight aggregate concrete[J].Cement&Concrete Composites，2003，25：207-213.

[2]Rami H.Haddad，Mohammed M.Smadi.Role of fibers in controlling unstrained expansion and arresting cracking in Portland cement concrete undergoing alkali-silica reaction[J].Cement and Concrete Research，2004，40：103-108.

[3]吳成三.鋼纖維混凝土技術(shù)的研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，1994，9（3）：106-111.

[4]CECS 13∶2009，鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法[S].

[5]GB50204，混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[6]JGJ55-2000，普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

[7]CECS38∶2004，纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)要求[S].

[8]GJ/T10-95，混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程[S].