超高强微钢纤维增韧混凝土的制备及其力学性能到研究(修改).doc

超高强微钢纤维增韧混凝土的制备及其力学性能研究(修改) 超高强微钢纤维增韧混凝土的制备 及其力学性能研究 王冲1, Liza O?Moore2 1: 重庆大学材料科学与工程学院，重庆，400045 2: Department of Civil Engineering, the University of Queensland, QLD 4072, Australia 摘要：高脆性是超高强混凝土难以被广泛应用的主要原因之一。为降低脆性，本研究利用长度为6mm与13mm的三种微钢纤维，制备了超高强微钢纤维混凝土，研究了不同纤维长径比及掺量条件下混凝土的力学性能指标，其中包括ASTM C-1018方法测试超高强微纤维混凝土的抗弯韧性。试验结果显示：随纤维掺量的增加，超高强混凝土能量吸收能力增加明显；与不掺纤维时相比，1.0%体积掺量下三种纤维混凝土的初始裂缝强度、抗折强度和韧性指数均有显著提高，掺量2.0%时初始裂缝强度、抗折强度和韧性指数的增加受到影响；长度为6mm的纤维在2.0%掺量时抗压强度相对较大，而长度为13mm的两种纤维在掺量1.0%时抗压强度较高；掺入3种纤维的混凝土劈拉强度和弹性模量也由于纤维的掺入而有所增加。本论文结果表明，微钢纤维用于增韧超高强混凝土时，宜采用适宜掺量。 关键词：微钢纤维；超高强混凝土；制备；力学性能 中图分类号：TU528.572 文献标识码：A Research on Preparation and Mechanical Properties of Super-high Strength Steel Micro-fiber Toughened Concrete Wang Chong, Liza O?Moore2 1: College of Materials Science and Technology, Chongqing University, Chongqing 400045, China 2: Department of Civil Engineering, the University of Queensland, QLD 4072, Australia Abstract: Super high strength concrete (SHSC) is difficult to be applied in civil engineering widely because of its high brittleness. The objective of this research is to reduce the brittleness of super high strength concrete by adding steel micro-fibers of 6 mm and 13 mm length. Mechanical properties of concrete were investigated under condition of different aspect ratio and different volume, which including flexural toughness measured by ASTM C1018. The test results show that energy absorption capability of SHSC were enhanced with increase of fiber volume. Compared with control mix, the effectivest improvement of the first crack strength, flexural strength and toughness indexies were investigated in the case of 1.0% fiber volume, which were closed to that of 2.0% fiber volume. A biger compressive strength of SHSC was tested in the case of 2.0% volume when 6 mm length fiber added, but higher compressive value were measured under the condition of 1.0% when 13 mm fibers added. The results also show that tensile strength and Young?s modulus of SHSC were improved by adding steel micro-fiber. It is concluded in this research that a reasonable fiber volume should be applied when steel micro-fiber are used to improve the toughness of SHSC. Keywords: steel micro-fiber; super high strength concrete; preparation; mechanical properties 1 E-mail: wangchnx126.com 前言 近20年来超高强混凝土(本文英文简称为 _ 作者简介：王冲（1972-），副教授，博士 SHSC)技术得到了迅速的发展，并已被应用于一些工程中。例如：美国西雅图Two Union Square （1987年）混凝土抗压强度达到138MPa 1，西雅图Pacific First Centre(1992)混凝土强度 124MPa1, 德国法兰克福Taunustor Building(1990)混凝土达到C105要求2，沈阳富 、 林大厦混凝土实际强度超过100MPa34，北京财税大楼工程混凝土强度达到127MPa5。 需要指出的是，当前超高强混凝土在工程中主要是用于承压结构形式，很少用之于拉弯结构。由于混凝土天然的脆性本质特征，其抗拉、抗折强度很低，为降低超高强混凝土脆性，需要利用韧性材料对其复合增韧，对超高强混凝土而言，目前应用比较成熟的是钢管混凝土，甚少钢筋混凝土结构形式。 同时，超高强混凝土水胶比较低，密实度提高而对耐久性有利，但伴随的自收缩变形也较大，易导致混凝土开裂，对混凝土工程耐久性有负面影响。因此，有专家提出混凝土“高强不一定耐久”6。这种说法是有一定道理的。 为解决超高强混凝土的脆性及自收缩变形问题，目前工程中主要采用钢管复合超高强混凝 、 土结构形式78。除此之外，还可以利用纤维复合，达到对超高强混凝土的增韧目的。在此情况下，以纤维增韧超高强混凝土为基础，进而复合以传统的钢筋混凝土结构形式，可以从根本上降低超高强混凝土的脆性，使之满足于抗拉、抗弯等结构形式要求。同时，利用纤维可降低收缩，抑制裂缝的特性，免除对超高强混凝土耐久性问题的担忧。 为保证在低水胶比下纤维混凝土具有合适的流动性以满足施工需求，并考虑超高强混凝土高弹性模量的特性，本研究采用长度分别为6mm和13mm，直径分别为0.16mm和0.20mm的三种微钢纤维。同时，借鉴活性粉末混凝土的经验，纤维掺量值相对较高。研究中，采用澳大 利亚相关标准91011，测试了超高强微钢纤维混凝土的抗压强度、劈拉强度以及弹性模量；采用美国ASTM C1018方法12，测试了初始裂缝强度（First Crack Strength）及韧性指数（Toughness Index）。试验在澳大利亚昆士兰大学土木系混凝土实验室进行。 、 、 1 原材料及试验方法 1.1 原材料 1.1.1 胶凝材料 水泥：澳大利亚Easy Mix 公司生产的GP 型水泥，28天强度要求不小于45MPa；粉煤灰：澳大利亚Pozzolanic Enterprises有限公司提供；硅灰：新西兰Microsilica公司生产。 1.1.2 骨料 粗骨料：来自于昆士兰州Wolffdene地区，最大粒径10mm；机制砂：昆士兰州Wolffdene地区岩石破碎制成；细砂：昆士兰Moretone Bay水洗海砂(昆士兰州东南部缺少天然河砂，工程中所用细骨料主要是机制砂与水洗海砂混合)。骨料的各项物理、化学及力学指标符合澳大利亚AS 2758.11998标准技术13要求。 1.1.3 外加剂 缓凝剂：Grace公司的Dramamine型缓凝剂，水剂；高效减水剂：Grace公司生产的ADVA142型高效减水剂，水剂。 1.1.4 微钢纤维 试验中用到了三种材质相同，长径比不同的高碳钢微纤维。所有纤维均为比利时Bekaert公司生产，澳大利亚Bosfa公司提供。纤维的物理及力学性能指标见表1，其外观形貌示于图1。 表1 微钢纤维的物理与力学性能 Table 1 Physical and mechanical properties of steel micro-fibers 1.2 试验方法 1.2.1 混凝土搅拌、成型及养护 原材料按配比要求称量后，按以下搅拌制度搅拌： 1min 粗、细骨料?胶凝材料?搅拌?90%拌和水?缓凝剂1min1min?搅拌?高效减水剂?剩余的10%拌和水?搅拌?2min纤维?搅拌?出料 混合料出料后，测试其塌落度和扩展度，并 振动成型，在室温下静置24小时左右脱模后，送入温度27 ± 2、相对湿度大于97%的标准养护室（澳大利亚标准14），养护至28天龄期，再分别测试各力学性能指标。 试验中，每一力学性能试验试件为3组，试验结果取其平均值。 1.2.2 抗弯韧性 试件尺寸100mm×100mm×400mm，按ASTM C1018方法12测试混凝土试件的荷载和挠度，采用控制变形速率方法施加荷载。同时，位移传感器用一固定架固定在试件上，以保证测得的变形值只是试件自身变形，不包含设备变形，测试装置见图2。试验中的加载速度及数据采集皆有计算机完成。 1.2.4 劈拉强度 直径200mm，高度300mm的圆柱体试件被用于测试劈裂抗拉强度，试验按照AS1012.1010规定的方法进行。 1.2.5 弹性模量 直径100mm，高度200mm的圆柱体试件被用于测试弹性模量，试验按照AS1012.1711规定的方法进行。 2超高强微钢纤维增韧混凝土的制备 本论文制备的超高强混凝土的目标要求为，28天龄期时强度不低于110MPa；为保证掺加纤维后，混凝土仍具有适当的和易性，坍落度不低于240mm。采用表2中配合比作为试验基准配合比，经多次重复试验验证，此配合比混凝土28天强度不低于113.3 MPa，坍落度为240mm。再分别按体积掺量的1.0%和2.0%，将三种纤维分别掺入超高强混凝土，按要求搅拌混凝土后，测试混凝土拌和物坍落度，试验配比及流动性结果见表3。 表3的结果表明，对于超高强混凝土而言，纤维长度6mm，体积掺量1.0%时混凝土坍落度与基准混凝土持平，扩展度略有降低，而当掺量 表2 基准混凝土配合比 1.2.3抗压强度 直径100mm， 高度200mm 的圆柱体试件被用于测试抗压强度，试验按照AS1012.99规定的方法进行。 表3超高强微纤维混凝土纤维掺量与流动性 Table 3 Fiber contents and fluidities of steel 增加至2%时，其坍落度仍然有165mm；而纤维长度为13mm的另四组混凝土流动性降低非常明显，在2.0%的高掺量条件下，混凝土拌和物已近于干硬性混凝土，特别是纤维直径为0.16时，混凝土振动密实异常困难。 需要注意的是，长度13mm，直径0.16mm的第二种纤维在掺量2.0%时，纤维团聚成球明显，而长度13mm，直径0.20mm的第三种的纤维则有少许团聚成球。 3超高强微钢纤维混凝土的力学性能 本研究涉及到的力学性能指标包括：在弯折荷载作用下的初始裂缝强度、抗折强度及韧性指数等，以及抗压强度、劈拉强度、弹性模量。试验结果示于表4与表5以及图4图8。 3.1 抗折韧性 在本文中，纤维掺入超高强混凝土最主要的目的是用以降低混凝土脆性，增加韧性。 纤维混凝土的韧性可以用荷载作用下的能量吸收能力来表征，也可以以混凝土的初始裂缝强度以及韧性指数表征。钢纤维混凝土的能量吸收能力定义为弯折荷载作用下达到特定挠度变形值时荷载-挠度曲线下的面积。本试验中，以跨中挠度达到4%时的荷载-挠度曲线下面积表征能量吸收能力。ASTM C1018定义了弯折荷载作用下初始裂缝强度：纤维混凝土荷载-挠度曲线上第一次出现非线性特征时混凝土的强度（如图3所示）。韧性指数被定义为：达到一定挠度变形时，荷载-挠度曲线下的面积除以曲线下初始裂缝所对应的面积，根据挠度变形不同，按ASTM C1018-97，韧性指数分别有I5，I10以及I20等三个指标（如图3所示）。通过计算材料在荷载作用下变形过程中吸收的能量相对值得到 Deflection 图其韧性特征也不一样。图7与图8显示，长度为13mm，直径为0.20mm的第三种纤维有着更好的增加韧性，及阻止裂缝产生与扩展的作用，而长度6mm，直径0.16mm的第一种纤维的增韧阻裂效果相对较差，这应该归因于此时纤维长度为6 mm，小于粗骨料的最大粒径10 mm，纤维的增韧阻裂作用受到了影响。 3.1.2 初始裂缝强度 表4的试验结果表明，掺入微钢纤维后的超高强混凝土初始裂缝强度增加非常明显。基准混凝土的初始裂缝强度只有9.5 MPa，而掺入纤维后，初始裂缝强度均超过10 MPa。同时，基准混凝土的极限抗折强度为9.7 MPa，掺入纤维后抗折强度全部超过11 MPa。显然，微钢纤维对超高强混凝土裂缝的产生与发展起到了很好的抑制作用。对比同一纤维下不同体积掺量时的初始裂缝强度，不难发现，1.0%体积掺量时三种 图4不同纤维掺量下超高强混凝土的荷载 -挠度曲线（纤维1） Fig. 4 Load-deflection curve of SHSC containing different fiber volume (Fiber 1) 2.0% 1.0% 基准 图5 不同纤维掺量下超高强混凝土的荷载-挠度曲线（纤维2） Fig. 5 Load-deflection curve of SHSC containing different fiber volume (Fiber 2) 图6不同纤维掺量下超高强混凝土的荷载-挠度曲线（纤维3） Fig. 6 Load-deflection curve of SHSC containing different fiber volume (Fiber 3) 1-基准; 2-纤维1; 3- 纤维2; 4-纤维3 4 1 2 3 图7 不同纤维时超高强混凝土的荷载-挠度曲线（掺量1.0%） Fig. 7 Load-deflection curve of different fibers in the case of 1.0% content 1-基准; 2-纤维1; 3-纤维2; 4-纤维3 1 4 3 2 图8 不同纤维种类时超高强混凝土的荷载-挠度曲线（掺量2.0%） Fig. 8 Load-deflection curve of different fibers in the case of 2.0% content 纤维混凝土的初始裂缝强度、抗折强度和韧性指数均有显著提高，而掺量2.0%时初始裂缝强度、抗折强度和韧性指数的增加受到影响。 3.1.3 韧性指数 表4中，基准混凝土的韧性指数测试结果为1.1，意味着即使脆性很高的超高强混凝土，在裂缝产生后并没有马上完全破坏，还是经历了一个时间很短的裂缝扩展过程，直至裂缝完全贯穿，达到极限荷载，试件破坏。 表4中的试验结果也明确显示，微纤维掺入超高强混凝土中，混凝土韧性增加极为明显。相比于基准混凝土各韧性指数（1.1），掺入纤维后混凝土韧性指数I5均达到5.0以上；I10最低值9.3，最高值为10.8；而I20则最高达到了20.8。这表明在初始裂缝产生后，由于微纤维对裂缝扩展的约束以及对基体的增强作用，裂缝产生后，超高强混凝土仍然能抵抗很大的荷载破坏，并保持有足够大的变形。 表4 超高强微钢纤维混凝土的抗折韧性 Table 4 Flexural toughness of steel micro-fiber toughened SHSC 纤维掺量对韧性指数的影响必须考虑纤维的临界纤维体积率。超高强纤维混凝土的临界纤维体积率可借鉴如下公式15计算得到： Vf,cr? ?m ?fu?mu?Ef?mu 表5 超高强微纤维混凝土的其它力学性能 Table 5 Other mechanical properties of steel micro-fiber toughened SHSC 式中，mu、mu分别为不掺纤维的超高强混凝土的抗拉强度及对应的极限拉应变；fu 、Ef 分别为纤维的极限抗拉强度和弹性模量。高强混凝土的最大拉应变为250350 ×10-6。现假定mu为300 ×10-6。mu、mu、fu、Ef分别见表1和表5。得出三种纤维的临界纤维体积率为0.37%。 本研究中，纤维体积掺量为1%和2%，远超过临界体积率。因此，当掺量为1%时，纤维尚能很好的发挥增韧阻裂作用，而当掺量为2%时，纤维分散不均匀，影响了纤维增韧效果的发挥，表现为2%时的韧性指数并不比1%时增加，甚至还减小。这也解释了2.0%掺量时钢纤维混凝土的初始裂缝强度并不比掺量1.0%时增加明显。 在本研究中，表4的结果也表明，纤维直径一定，韧性指数随纤维长度增加而增加（配比S1-1与S2-1，S1-2与S2-2）；而纤维长度一定，纤维直径小（配比S2-1，S2-2）的混凝土韧性指数较直径大（配比S3-1，S3-2）的韧性指数小。 3.2 抗压强度 表5的试验结果表明，掺入微钢纤维后，混凝土28天龄期的抗压强度均高于不掺任何纤维的基准混凝土。特别是纤维长度为6mm时，强度增加最为明显。这主要归因于纤维长度短，纤维在混凝土中的分布更为均匀，从而对混凝土强度有利。此外，较短的纤维混凝土流动性更好（表3结果），使得混凝土更容易成型密实，抗压强度自然也高。 此外，需要注意的是，长度6mm的纤维在2.0%掺量时的抗压强度高于1.0%掺量，而较长纤维（13mm）在两种直径条件下，掺量高反而对抗压强度不利，这应该是因为在高掺量时纤维有团聚成球现象发生，纤维分布的不均匀造成强度下降。 3.3 劈裂抗拉强度 相对于抗压强度，微钢纤维对超高强混凝土劈裂抗拉强度的增加更为明显。同时，分别掺入三种纤维，随着掺量的增加，混凝土劈拉强度皆有所增加。 比较三种纤维对混凝土劈拉强度的影响，不难发现，掺入长度6mm，直径0.13mm（配比S1-1与S1-2）的第一种纤维时，混凝土的劈拉强度比另外两种纤维混凝土的强度小。掺入第二种纤维及第三种纤维的混凝土劈拉强度相互较为接近。在纤维分散较好的1.0%体积含量时，强度与长径比成正比，这也符合纤维混凝土强度规律；而在2.0%掺量时，则正好相反，这可能是此时纤维的分散性对强度的影响超过纤维长径比的影响。 3.4 弹性模量 表5的试验结果显示，掺入微钢纤维后，混凝土的弹性模量比基准混凝土有所增加，且增加明显。不过，试验结果没有明确反映出纤维体积率，长径比与弹性模量之间的关系。 4 结论 根据本论文试验，可以得出以下几点结论： （1）三种微钢纤维的分别掺入都影响到超高强混凝土的流动性，相对而言，较短纤维混凝土的流动性好于较长纤维混凝土，其坍落度在1%掺量时为240mm，2%掺量时仍达到165mm。 （2）随纤维掺量的增加，超高强混凝土韧性特征增加明显；与不掺纤维时相比，1.0%体积掺量下混凝土的初始裂缝强度、抗折强度和韧性指数有显著提高，掺量过大时初始裂缝强度、抗折强度和韧性指数的增加不明显。 （3）长度为6mm的纤维掺入时混凝土的抗压强度随掺量增加而增加，长度为13mm的纤维掺量高反而对抗压强度不利；随着掺量的增加，掺入3种纤维的混凝土劈拉强度皆有所增加。与基准混凝土相比，掺入微钢纤维后混凝土的弹性模量增加明显。 （4）力学性能试验结果表明，微钢纤维用于增韧超高强混凝土时，宜采用适宜掺量。本试验适宜掺量为1%。 5 参考文献 1Edward G Nawy. Fundamentals of high performance concrete (2nd edition) M). New York: John Wiley & Son?s, Inc, 2001, 424 2Philipp Holzmann AG. Developments and applications of high-performance concrete J. Materials and Structures, 31(1998), 209-215 3林立岩, 刘宇丹, 林敢. 混凝土与钢组合促进高层建筑结构的发展C. 长沙:高强与高性能混凝土及其应用第四届学术讨论会论文集，2001，536 （Lin Liyan, Liu Yudan, Lin Gan. Integration of Concrete with Steel for Promoting Development of High-rise building Structures C. Proceeding of 4th Symposium on ?High Strength and High Performance Concretes and Their Application?, Changsha, 2001, 536 (In Chinese) 4徐欣, 韩素芳, 于大忠. C80C100高性能混凝土在程中的应用C. 福州:高强与高性能混凝土及其应用专题研讨会论文集, 2002, 279 （Xu Xin, Han Sufang, Yu Dazhong. Application of C80 - C100 High Performance Concrete in Engineering C. Papers of Symposium on ?High Strength and High Performance Concretes and Their Application?, Fuzhou, 2002, 279 (In Chinese) 5北京城建集团有限责任公司主编. 建筑施工实例应用手册M. 北京：中国建筑工业出版社，1999 （Beijing Urban Construction Group Co. Ltd (ed.) Practical Handbook of Building Construction Cases M. Beijing: China Building Industry Press, 1999 (In Chinese) 6冯乃谦. 高性能混凝土结构M. 北京：机械工业出版社. 2004.7 （Feng Naiqian. High Perfformance Concrete M. China Machine Press, 2004.7 (In Chinese) 7蔡绍怀，钢管混凝土结构计算与应用M，北京：中国建筑工业出版社，1989 （Cai Shaohuai. Structural Calculation and Application of Steel Tube Concrete M. Beijing: China Building Industry Press, 1989 (In Chinese) 8蔡绍怀. 钢管高强混凝土结构技术在我国的最新进展 J, 土木工程学报，Vol.32，No.4, 1999 （Cai Shaohuai. Recent Advancement of Technology for Steel Tube High Strength Concrete Structures in China J. Journal of Civil Engineering, 1999, (4) (In Chinese) 9SAI Global online. AS 1012.9, Method for the determination of the compressive strength of concrete specimens S. Australian Standard. 1999 10SAI Global online. AS 1012.10, Determination of indirect tensile strength of concrete cylinders (?Brazil? or splitting test) S. Australian Standard, 2000 11SAI Global online. AS 1012.17, Determination of the static chord modulus of elasticity and Poisson's ratio of concrete specimens S. Australian Standard, 1997 12ASTM International. ASTM C1018, Standard test method for flexural toughness and first crack strength of fiber-reinforced concrete using beam with third-point loading S. ASTM, 1997 13SAI Global online. AS 2758.1. Aggregates and rock for engineering purposes - Concrete aggregates S. Australian Standard, 1998 14SAI Global online. AS 1012.8.1, Methods of testing concrete: Method 8.1: Method for making and curing concrete - Compression and indirect tensile test specimens S. Australian Standard, 2000 15赵国藩, 彭少民等. 钢纤维混凝土结构M. 北京: 中国建筑工业出版社, 1999 （Zhao Guopan,. Peng Shaomin, et al. Structure of Steel Fiber Concrete M. Beijing: China Building Industry Press, 1999 (In Chinese)