基于歐洲規(guī)范的鋼纖維陶粒混凝土力學性能試驗研究

楊芳芳，莊一舟，張彬彬

(福州大學 土木工程學院， 福建 福州 350108)

基于歐洲規(guī)范的鋼纖維陶?；炷亮W性能試驗研究

楊芳芳，莊一舟，張彬彬

(福州大學 土木工程學院， 福建 福州 350108)

在歐洲規(guī)范CEB-FIP Model Code 1990可計算出普通混凝土任意齡期的抗壓強度、劈拉強度與彈性模量的基礎(chǔ)上，通過測試不同鋼纖維摻量的陶?；炷猎诓煌g期(1 d、2 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d)時的抗壓強度、劈拉強度和彈性模量，并與理論值作對比，驗證現(xiàn)有歐洲規(guī)范對鋼纖維陶?；炷亮W性能隨齡期發(fā)展規(guī)律預(yù)測的適用性和準確性。研究表明：歐洲規(guī)范對鋼纖維陶?；炷亮W性能隨齡期發(fā)展規(guī)律在最初的5 d或3 d并不適用；采用1 d、28 d抗壓強度、劈拉強度與彈性模量計算其他各齡期的抗壓強度、劈拉強度與彈性模量小于采用7 d、28 d抗壓強度、劈拉強度與彈性模量計算得到的相對誤差的最大值。建議采用1 d、28 d的抗壓強度、劈拉強度和彈性模量計算摻鋼纖維的陶粒混凝土任意齡期的抗壓強度、劈拉強度與彈性模量。

鋼纖維陶?；炷粒涣W性能；發(fā)展規(guī)律；歐洲規(guī)范

輕骨料混凝土由于其優(yōu)良的經(jīng)濟和技術(shù)特性，越來越多地被應(yīng)用在多種結(jié)構(gòu)中[1]。結(jié)合陶?；炷恋难有缘陀谄胀ɑ炷恋默F(xiàn)狀，在陶?；炷林袚饺脘摾w維，以增強其韌性。它集中了鋼纖維混凝土和輕骨料混凝土的優(yōu)點, 彌補了普通混凝土存在的抗拉強度低和自重大等不足，其中劈拉強度、抗折強度隨鋼纖維摻量的增加呈現(xiàn)線性增長的規(guī)律[2]。

另外，混凝土早期力學性能變化快速，其強度和彈性模量控制施工過程，決定高層結(jié)構(gòu)的拆模時間[3]。因此，研究混凝土的力學性能隨齡期的發(fā)展規(guī)律，可為其結(jié)構(gòu)的早期抗裂分析和裂縫控制提供參考[4]。有學者研究了摻礦物摻合料混凝土的力學性能隨齡期的發(fā)展規(guī)律，試驗結(jié)果表明，前3 d的強度提高幅度遠高于3 d～7 d，早期強度對后期強度及耐久性都有重要的影響[5]。目前，一般以某一齡期的力學性能作為混凝土力學性能的設(shè)計或評定指標，如文獻[6]將三種不同的鋼纖維混凝土齡期在28 d時的抗壓強度、抗彎強度、劈裂抗拉強度和彈性模量作為檢驗濕潤-干燥環(huán)境養(yǎng)護與標準條件養(yǎng)護的混凝土是否有增強趨勢的指標。文獻[7]將28 d抗壓強度作為輕骨料混凝土隨鋼纖維摻量變化影響的指標，或僅僅以少數(shù)幾個齡期的力學性能表征混凝土力學性能隨齡期的整個變化。陳宗平等[8]研究了15 d、30 d再生混凝土的三軸受壓力學性能在不同圍壓值下峰值應(yīng)力變化趨勢，并參照了CEB-FIP(1990)方法得出的理論值與實測值吻合較好。對能準確描述混凝土力學性能隨齡期的發(fā)展規(guī)律和預(yù)測方法卻缺乏研究。歐洲規(guī)范[9](CEB-FIP Model Code 1990)給出了適用于普通混凝土力學性能隨齡期發(fā)展的計算公式，但是否適合于鋼纖維陶?；炷粒渚热绾?，有待驗證。

此文以鋼纖維陶?；炷翞閷ο螅ㄟ^測試不同鋼纖維摻量、不同齡期陶?；炷恋目箟簭姸取⒖估瓘姸群蛷椥阅Ａ?，驗證歐洲規(guī)范是否適用于計算和預(yù)測鋼纖維陶?；炷亮W性能隨齡期發(fā)展規(guī)律，并決定采用哪兩個(7 d和28 d或1 d和28 d)齡期值能更好地預(yù)測其發(fā)展規(guī)律。

1 試驗過程

1.1 原材料

水泥：福建煉石牌42.5R普通硅酸鹽水泥；

鋼纖維：浙江海寧博恩金屬制品有限公司生產(chǎn)的剪切型鋼纖維，其各項技術(shù)指標如表1所示；

陶粒：湖北宜昌高強頁巖圓球形陶粒，各項性能指標如表2所示；

細骨料：細度模數(shù)為2.5的中砂；

水：福州地區(qū)的自來水；

減水劑：福建建筑科學研究院生產(chǎn)的TW-JS聚羧酸高效減水劑，減水率15%～18%。

表1 鋼纖維性能指標

表2 陶粒的各項性能指標

1.2 陶粒混凝土配合比

陶?；炷恋呐浜媳热绫?所示。

表3 陶粒混凝土配合比

注：Vf/表示鋼纖維體積率。

1.3 試件測試

分別用尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm的試件測量鋼纖維陶?；炷? d、2 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d的抗壓強度fc、劈裂抗拉強度ft,和試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm測試動彈性模量Ec?？箟簭姸群团瓘姸鹊臏y量參照規(guī)范《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[10](GB/T 50081—2002)進行。采用DT-15動彈模儀，按規(guī)范《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[11](GB/T 50082—2009)測量鋼纖維陶?；炷恋膭訌椥阅Ａ俊?/p>

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 鋼纖維摻量對陶粒混凝土力學性能的影響

不同鋼纖維摻量陶?；炷恋目箟簭姸?、劈拉強度和彈性模量試驗結(jié)果如表4所示。

文獻[12-18]研究得出纖維對輕骨料混凝土的抗壓強度改善并不明顯，但鋼纖維的摻入顯著提高了混凝土的劈裂抗拉強度和抗折強度。這是因為當基體混凝土出現(xiàn)拉裂紋時，鋼纖維能有效地阻止這些裂紋的繼續(xù)擴展，直到鋼纖維被拔出后混凝土才徹底破壞[19]。其中文獻[18]摻入的是聚丙烯纖維。該次試驗的測試結(jié)果從表4中可以看出陶?；炷量箟簭姸取⑴瓘姸群蛷椥阅Ａ康脑鲩L規(guī)律和上述文獻基本一致。

表4 鋼纖維陶粒混凝土力學性能測試結(jié)果

2.2 力學性能隨齡期的發(fā)展規(guī)律

2.2.1 采用7 d、28 d力學性能定義的混凝土力學性能發(fā)展系數(shù)

標準養(yǎng)護條件下，混凝土的抗壓強度、劈拉強度及彈性模量隨齡期的發(fā)展規(guī)律只與混凝土本身特性有關(guān)。歐洲規(guī)范[9](CEB-FIP Model Code1990)對混凝土力學性能隨齡期發(fā)展規(guī)律的規(guī)定如下：混凝土在齡期t時的強度與水泥品種、養(yǎng)護的溫濕度有關(guān)。在標準養(yǎng)護條件下，混凝土的力學性能隨齡期的發(fā)展規(guī)律如式(1)所示。

f(t)=βcc(t)f(28)

(1)

式中：f(t)為混凝土在齡期t時的力學性能；f(28)為混凝土28 d齡期時的力學性能；βcc(t)為混凝土在齡期t時的力學性能發(fā)展系數(shù)。

齡期t時，混凝土力學性能發(fā)展系數(shù)βcc(t)可按式(2)計算，βcc(t)等于在齡期t時的力學性能與28 d時的比值，如式(3)所示。

(2)

(3)

式中：c為與混凝土本身性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，與混凝土的齡期無關(guān)。

一般僅測量混凝土7 d、28 d的力學性能，利用混凝土7 d、28 d的抗壓強度、劈拉強度和彈性模量計算其他各齡期對應(yīng)的抗壓強度、劈拉強度和彈性模量。分別把7 d、28 d對應(yīng)的抗壓強度、劈拉強度和彈性模量代入到式(3)中，即可求得7 d齡期時的力學性能發(fā)展系數(shù)βcc(7)、βT(7)、βE(7)；再把βcc(7)、βT(7)、βE(7)代入到式(2)中，即可進一步求得各自的c、cT、cE；把任意的齡期t及c、cT、cE代入到式(2)，即可求得任意齡期t的力學性能發(fā)展系數(shù)βcc(t)、βT(t)、βE(t)，再代入到式(1)，即可求得任意齡期對應(yīng)的抗壓強度、劈拉強度和彈性模量。

按上述方法，求得此次試驗中不同鋼纖維摻量的陶?；炷? d、2 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d抗壓強度、劈拉強度和彈性模量，并把理論值與表4的實測值對比，結(jié)果如圖1～圖3所示。

由7 d、28 d抗壓強度、劈拉強度和彈性模量求得的1 d、2 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d對應(yīng)的抗壓強度、劈拉強度和彈性模量的理論值與實測值的最大誤差率及出現(xiàn)的齡期結(jié)果如表5所示。

表5 采用7 d、28 d值得到理論值與實測值誤差率及出現(xiàn)的齡期

由圖1～圖3可知，由7 d、28 d抗壓強度、劈拉強度和彈性模量求得的各齡期對應(yīng)的抗壓強度、劈拉強度和彈性模量，在初始的5 d齡期內(nèi)，均存在一段理論值與實測值之間相差較多的齡期，且齡期越早誤差越大，最大相對誤差基本發(fā)生在1 d齡期。對于抗壓強度，1 d齡期時理論值與實測值之間的最大相對誤差達到24%；對于劈拉強度，1 d齡期時，各組鋼纖維陶?；炷僚瓘姸鹊睦碚撝蹬c實測值之間相對誤差的最大值達到78%。且抗壓強度和劈拉強度都是在5 d齡期以后，理論值與實測值之間較為接近，兩條曲線基本重合。對于彈性模量，1 d齡期時，各組鋼纖維陶?；炷翉椥阅Ａ康睦碚撝蹬c實測值之間相對誤差的最大值達到25%；在3 d齡期之后，彈性模量理論值發(fā)展曲線與實測值之間基本重合,理論值與實測值相差很小。

2.2.2 采用1 d、28 d力學性能定義的力學性能發(fā)展系數(shù)

由2.2.1節(jié)的分析可知，采用歐洲規(guī)范CEB-FIP Model Code 1990中的力學性能發(fā)展公式，由7 d、28 d抗壓強度、劈拉強度、彈性模量求得的各個齡期的抗壓強度、劈拉強度、彈性模量的理論值與實測值相比，在最初的5 d齡期內(nèi)均存在理論值與實測值誤差較大的情況，故此文考慮分別采用1 d、28 d力學性能計算鋼纖維陶?；炷恋牧W性能發(fā)展系數(shù)c、cT、cE，并進一步求得各齡期抗壓強度、劈拉強度與彈性模量，計算方法與2.2.1節(jié)相同。不同鋼纖維摻量時，各齡期鋼纖維陶?；炷量箟簭姸取⑴瓘姸扰c彈性模量的理論值與實測值的對比結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖1 由7 d, 28 d抗壓強度計算不同齡期的抗壓強度理論值和實測值

圖2由7 d, 28 d劈拉強度計算不同齡期的劈拉強度理論值和實測值

圖3由7 d, 28 d彈性模量計算不同齡期的彈性模量理論值和實測值

圖4由1 d, 28 d抗壓強度計算不同齡期的抗壓強度理論值和實測值

由1 d、28 d抗壓強度、劈拉強度和彈性模量求得的1 d、2 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d對應(yīng)的抗壓強度、劈拉強度、彈性模量理論值與實測值的最大誤差率及出現(xiàn)的齡期如表6所示。

由圖4～圖6可知，對于抗壓強度，采用1 d、28 d抗壓強度求得的各齡期抗壓強度的理論值與實測值相比，相對誤差最大為15%，小于用7 d、28 d抗壓強度求得的各齡期抗壓強度理論值與實測值之間的最大相對誤差。對于劈拉強度，采用1 d、28 d劈拉強度求得的各齡期劈拉強度的理論值與實測值相比，理論值均小于或等于實測值，在齡期為3 d、5 d、7 d時，理論值與實測值相差較多，且相對誤差最大為14%，出現(xiàn)在5 d齡期時。此理論計算結(jié)果與用7 d、28 d劈拉強度計算得到的結(jié)果(相對誤差最大為78%)相比，理論值與實測值之間的最大相對誤差較小，且用1 d、28 d劈拉強度得到的理論值小于實測值，計算結(jié)果偏于安全。對于彈性模量，采用1 d、28 d彈性模量求得的各齡期彈性模量的理論值與實測值相比，在2 d～7 d齡期內(nèi)，理論值與實測值相比，相對誤差最大為8%，出現(xiàn)在2 d齡期，且小于用7 d、28 d彈性模量計算得到的彈性模量理論值與實測值之間相對誤差的最大值(25%)。

圖5 由1 d, 28 d劈拉強度計算不同齡期的劈拉強度理論值和實測值

圖6 由1 d, 28 d彈性模量計算不同齡期的彈性模量理論值和實測值

表6 采用1 d、28 d值得到的最大誤差率與對應(yīng)的齡期

比較兩種不同齡期(7 d和28 d或1 d和28 d)的抗壓強度、劈拉強度與彈性模量計算其他齡期的抗壓強度、劈拉強度與彈性模量，當采用7 d和28 d時，抗壓強度、劈拉強度與彈性模量的實測值均比理論值要小，而采用1 d和28 d計算時，抗壓強度的實測值比理論值小，但是劈拉強度和彈性模量剛好相反，其原因可能是加入的陶粒和纖維影響了系數(shù)c值的大小。這兩者的實測值大于理論值說明選用這種計算方式可以提高其安全度。并且采用1 d和28 d的抗壓強度、劈拉強度與彈性模量計算其他齡期的抗壓強度、劈拉強度與彈性模量的最大相對誤差都小于采用7 d和28 d計算的最大相對誤差。建議采用1 d、28 d抗壓強度、劈拉強度與彈性模量計算其他各齡期的抗壓強度、劈拉強度與彈性模量。

3 結(jié) 論

(1) 采用7 d、28 d的抗壓強度、劈拉強度和彈性模量計算其他各齡期對應(yīng)力學性能的理論值時，在初始的幾天齡期內(nèi)，均存在一段理論值與實測值之間相差較多的齡期，并在1 d的時候達到最大，分別為24%、78%、25%，故用7 d、28 d抗壓強度、劈拉強度、彈性模量求得各齡期對應(yīng)的抗壓強度、劈拉強度、彈性模量時，對于最初的5d齡期，對鋼纖維陶?；炷炼圆⒉贿m合。

(2) 按照歐洲規(guī)范CEB-FIP Model Code 1990的思路，采用1 d和28 d的抗壓強度、劈拉強度、彈性模量，計算其它各齡期的抗壓強度、劈拉強度、彈性模量時,理論值與實測值的相對誤差分別小于或等于15%、14%與8%，且都小于采用7 d、28 d抗壓強度、劈拉強度和彈性模量計算其他各齡期對應(yīng)力學性能的理論值與實測值之間的相對誤差。所以，對鋼纖維陶?；炷粒ㄗh采用1 d、28 d抗壓強度、劈拉強度與彈性模量計算其他各齡期的抗壓強度、劈拉強度與彈性模量。

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DevelopmentofMechanicalPropertiesofSteelFiberReinforcedCeramsiteConcreteBasedonEurocode

YANG Fangfang, ZHUANG Yizhou, ZHANG Binbin

(CollegeofCivilandArchitecturalEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350108,China)

In CEB-FIP Model Code 1990, the compressive strength, splitting strength and modulus of elasticity of 7 d and 28 d can be used to calculate the compressive strength, splitting strength and modulus of elasticity at any age. In this paper, the compressive strength, splitting tensile strength and elastic modulus of different steel fiber content of ceramsite concrete at different ages (1 d, 2 d, 3 d, 5 d, 7 d, 14 d, 28 d) is tested and compared with the theoretical value to verify the applicability and accuracy of the prediction of mechanical properties of steel fiber reinforced ceramsite concrete. The results show that development of the mechanical properties of steel fiber reinforced ceramsite concrete are not applicable for the first 5 or 3 days in European code; when calculating compressive strength, splitting tensile strength and elastic modulus of other age with compressive strength, which is less than that of 7 d, 28 d. The compressive strength, splitting tensile strength and elastic modulus of 1 d and 28 d are recommended to calculate the compressive strength, splitting tensile strength and modulus of elasticity at any age.

steelfiberreinforcedceramsiteconcrete;mechanicalproperties;development;Europeancode

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.012

2017-07-07

2017-08-09

國家自然科學基金資助項目(51278126，51578161)；福建省自然科學基金資助項目(2013J01187)

楊芳芳(1992—)，女，湖北襄陽人，碩士研究生，研究方向為超高性能混凝土。 E-mail：1436405742@qq.com

莊一舟(1964—)，男，加拿大人，博士，教授，主要從事無縫橋，超高性能混凝土的研究。 E-mail：yizhouzhuang@qq.com

TU528.572

A

1672—1144(2017)06—0057—07