（水工结构工程专业论文）钢纤维高强混凝土弯曲与粘结性能的试验研究.pdf

摘要 本文进行了钢纤维高强混凝土弯曲性能和粘结性能的试验研究，提出了适合于钢纤维 高强混凝土力学性能特点的计算方法和相应的计算公式。主要研究成果如下： 1 通过5 1 根尺寸为1 5 0 m m 1 5 0 m m 5 5 0 r a m 和5 l 根尺寸为l o o m m l o o m m 4 0 0 r a m 高强混凝土和钢纤维高强混凝土小梁的抗折试验，研究了钢纤维体积率和钢纤维类 型对钢纤维高强混凝土抗折初裂强度、抗折极限强度、破坏形态以及裂缝的发生和发展的 影响探讨了小梁试件的尺寸效应，给出了钢纤维高强混凝土的尺寸换算系数，建立了钢 纤维高强混凝土抗折强度的计算模型并推导出与普通混凝土计算公式相衔接的钢纤维高 强混凝土抗折初裂强度和抗折极限强度计算公式。 2 根据6 8 根尺寸为l o o m m xl o o m m 4 0 0 m m 的高强混凝土和钢纤维高强混凝土小 梁的弯曲韧性试验，分析了钢纤维体积率及钢纤维类型对钢纤维高强混凝土弯曲性能的影 响，计算了钢纤维高强混凝土的弯曲韧性指数和承载能力变化系数，并将弯曲韧性试验所 得的抗折初裂强度和抗折极限强度与抗折试验所得结果进行了比较。研究结果表明，钢纤 维高强混凝土弯曲韧度指数及承载能力变化系数均随着钢纤维体积率的增大而增大。 3 进行了1 2 6 个尺寸为1 5 0 m m x1 5 0 m m x1 5 0 m m 的全长粘结试件和1 0 2 个尺寸为 1 5 0 m m x1 5 0 m m x 1 5 0 r a m 的局部粘结试件中心拔出试验，分别量测了光圆钢筋、变形钢筋 与钢纤维高强混凝土的荷载与自由端及荷载与加载端的粘结滑移关系曲线，观察了钢纤维 高强混凝土粘结性能受力破坏全过程及其破坏形态探讨了变形钢筋与钢纤维高强混摄土 的粘结机理，分析了钢纤维体积率、钢纤维类型及粘结长度对极限粘结强度的影响，提出 了与普通混凝土相衔接的钢纤维高强混凝土极限粘结强度计算公式。 关键词：钢纤维高强混凝土钢纤维体积率抗折强度尺寸效应弯曲韧性 粘结计算公式 a b s t r a c t t h ep e r f o r m a n c e so ff l e x u r ea n db o n do fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dh i g h s t r e n g t hc o n c r e t ea r e s t u d i e da n dt h es u i t a b l ec a l c u l a t i n gm e t h o d sa n df o r m u l a sa r ep r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n n e m a i na c h i e v e m e n t sa r ea sf o u o w s ： 1 b yt h e f l e x u r a le x p e r i m e n to f5 1 h i 曲s t r e n g t hc o n c r e t ea n ds t e e lf i b e rr e i n f o r c e d h i g h - s t r e n g t hc o n c r e t eb e a m so f1 5 0 x 1 5 0x5 5 0 m r na n d5 1b e a m so fl o o 1 0 0 x 4 0 0 m m , t h e e f f e c t so ft h ev o l u m ef r a c t i o na n dt h et y p eo fs t e e lf i b e ro nt h ec r a c k i n gb e n d i n gs t r e n g t h ，t h e u l t i m a t eb e n d i n gs t r e n g t h ，t h ef a i l u r em o d ea n dt h ec r a c kd e v e l o p m e n to fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e d l l i 曲- s t r e n g t hc o n c r e t ea r cd i s c u s s e d t h ed i m e n s i o n a le f f e c to f t h es p e c i m e n s i ss t u d i e da n dt h e c o e f f i c i e n to fd i m e n s i o n a lc o n v e r s i o ni s g i v e n t h ec a l c u l a t i n gm o d e la n dt h ef o r m u l a so f t h e b e n d i n gs t r e n g t h o fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dh i g h s t r e n g t hc o n c r e t ea r e e s t a b l i s h e d ，w h i c ha r e c o n n e c t e d 、v i t i lt h o s e o f p l a i n c o n c r e t e 2 b a s e do nt h el o a d - d e f l e c t i o nc u r v e so b t a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n to f b e n d i n gt o u g h n e s s o f6 8t e s tb e a m s t h ee f f e c t so ft h ev o l u m ef r a c t i o na n dt h et y p eo fs t e e lf i b e ro nt h eb e n d i n g p e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d t h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n to fb e n d i n gt o u g h n e s sa l ec o m p a r e d 、析t l lt h o s eo ft h ee x p e r i m e n to ff r a c t u r es t r e n g t hi nt h et w oa s p e c t so ft h ec r a c k i n gb e n d i n g s t r e n g t ha n d t h eu l t i m a t eb e n d i n gs t r e n g t h f u r t h e r m o r e 砧ef l e x u r a lt o u g h n e s si n d e x e sa n dt h e v a r i a t i o nc o e f f i c i e n t so f l o a d c a r r y i n gc a p a b i l i t y a l ec a l c u l a t e da n d d i s c u s s e d ，a n d i ti s d e m o n s t r a t e dt h a tt h e yi n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f t h ev o l u m ef r a c t i o no fs t e e lf i b e r 3 t h ep u l l - o u te x p e r i m e n t sa r et e s t e dw i t ht w ok i n d so f b o n d l e n g t h , n a m e l y , t h ef u l l - l e n g t h b o n do f12 6s p e c i m e n sa n dt h el o c a lb o n do f1 0 2s p e c i m e n s t h ec o n c r e t eb l o c ki sac u b eo f 15 0 - m m t h eb o n ds t r e s s - s l i pr e l m i o no ft h ef r e ee n da n dt h a to ft h el o a d e de n db e t w e e ns t e e l f i b e rr e i n f o r c e dh i g h - s t r e n g t hc o n c r e t ea n dt h er e b a r s ，s u c ha sd e f o r m e dr e b a r sa n ds m o o t h r e b a r s ，a r em e a s u r e d t h ew h o l ef a i l u r ep r o c e s sa n dt h ef a i l u r em o d eo fb o n dt e s to f s t e e lf i b e r 1 1 i 曲s t r e n g t hc o n c r e t ea r es u r v e y e d t h eb o n dm e c h a n i s mb e t w e e nd e f o r m e dr e b a r sa n ds t e e l f i b e rr e i n f o r c e dh i 曲一s t r e n g t hc o n c r e t ei sd i s c u s s e da n dt h ee f f e c t so f t h ev o l u m ef r a c t i o na n dt h e t y p eo f s t e e lf i b e ra n dt h eb o n dl e n g t ho nt h eu l t i m a t eb o n ds t r e n g t ha 糟a n a l y z e d b e s i d e s t h e c a l c u l a t i n gf o r m u l ao f t h eu l t i m a t eb o n ds t r e n g t ho fs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dh i g h - s t r e n g t hc o n c r e t e i sp u tf o r w a r d ，w h i c hi sr e l e v a n tt ot h a to f n o r m a lc o n c r e t e k e y w o r d s ：s t e e lf i b e r ；h i g h - s t r e n g t hc o n c r e t e ；t h ev o l u m ef r a c t i o no f s t e e lf i b e r ；b e n d i n gs t r e n g t h ； d i m e n s i o n a l e f f e c t ；b e n d i n gt o u g h n e s s ；b o n d ；c a l c u l a t i n gf o r m u l a 【i 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 摘要：本章简述了普通钢纤维混凝土( 简称钢纤维混凝土) 的基本力学性能和钢纤维高强 混凝土的研究现状，提出了本文的主要研究内容和研究方法。 钢纤维混凝土( s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ，简称s f r c ) 是近年来迅速发展起来的 一种性能优良且应用广泛的新型复合材料。由于钢纤维阻滞基体混凝土裂缝的开展，从而 使其抗拉、抗弯、抗剪强度等较普通混凝土显著提高，其抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐 久性也有较大改善。目前，建设部已将高强混凝土作为新技术项目在全国推广，高强混凝 土在我国已经实用化，但高强混凝土的脆性性质仍是制约其发展及应用的重要因素。如果 将二者结合起来，不仅能充分发挥钢纤维和高强混凝土各自的优势，而且两者的耦合作用 还将使这种优势进步扩大。但目前对钢纤维高强混凝土的基本力学性能以及钢筋钢纤维 高强混凝土构件受力性能的试验和理论研究还较少，直接影响钢纤维高强混凝士的推广应 用。因此深入研究钢纤维高强混凝土的力学性能，为钢纤维高强混凝土结构设计和分析 提供试验资料和基础数据，以及对钢纤维高强混凝土生产技术的发展和推广应用等具有重 要的理论意义和实用价值。 1 一l 普通钢纤维混凝土的基本性能 1 1 1 普通钢纤维混凝土的强度及影响因素 在普通钢纤维混凝土( 简称钢纤维混凝土) 中，纤维的主要作用是限制在外力作用下 混凝土基体中裂缝的扩展。在受荷( 拉、弯) 初期，混凝土基体与纤维共同承受外力，前 者是外力的主要承受者：当基体开裂后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。若纤维 体积率超过某一临界值，整个复合材料可继续承受较高的荷载，并产生较大的变形，直至 纤维被拉断或纤维从基体中被拔出，以致复合材料破坏。因此，与普通混凝土相比，钢纤 维混凝土具有较高的抗拉和抗弯极限强度，而尤以韧性提高的幅度为大f 】1 扪。 大量试验表明，当钢纤维体积率在1 2 范围内，抗拉强度提高2 5 5 0 ，抗弯 强度提高4 0 8 0 ，直接双面剪试验所测定的抗剪强度提高5 0 1 0 0 。抗压强度提高 幅度较小，一般在0 2 5 之间1 2 j 。 与普通混凝土相似在相对锚长、相对保护层厚度等条件相同的情况下，钢纤维混凝 土与变形钢筋之间的粘结强度同钢纤维混凝土的抗拉强度成正比；随钢纤维含量的增加， 平均极限粘结强度和剐度明显提高。试验表明：在混凝土c f 2 0 c f 4 0 ，钢纤维体积率为 1 5 时，极限粘结强度可提高4 0 左右【2 1 | 2 ”。 根据纤维增强机理的各种理论，诸如纤维间距理论、复合材料理论和微观断裂理论， 以及大量的试验数据的分析，纤维的增强效果主要取决于基体强度( 厶) 、纤维的长径比 ( t d y ) 、纤维的体积率( p ，) 、纤维与基体间的粘结强度( r ) 以及纤维在基体中的分布 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 和取向的影响( _ f 7 ) ，即钢纤维混凝土的强度办为以上各因素的函数，即： f f = f u 。，l f a f ，pr r l l 许多研究者根据试验数据回归出实用的半经验半理论公式。 对于普通强度的钢纤维混凝土，其破坏大都是纤维被拔出而不是被拉断，因此改善纤 维与基体间的粘结强度是改善纤维增强效果的主要控制因素之一。改善的办法有3 种： ( 1 ) 增加纤维的粘结长度( 即增加长径比) 。但纤维太长易于成团，会影响拌合物的 和易性和施工质量，导致强度降低，所以钢纤维长度一般为2 0 4 0 m m ，最长不超过6 0 r a m ， 长径比一般在4 0 1 2 0 之间。 ( 2 ) 改善基体与钢纤维的粘结性能。例如掺入1 0 硅灰可使钢纤维的粘结强度提高 2 0 ，钢纤维混凝土抗折强度提高4 0 ，如再加入超塑化剂使水灰比降低，提高的幅度还 要大些。 ( 3 ) 改善纤维的形状，增加纤维与混凝土基体问的摩阻力和咬合力。一般情况下， 圆直纤维粘结性能较差，变截面纤维和波形纤维较好，两端带钩纤维介于中间。纤维品种 不同，粘结强度最大可相差1 倍咀上。日本用钢锭借助于专用铣床生产的带压痕、带毛刺 的纤维性能也很好 4 1 。熔抽法生产的截面为月牙形的纤维，其表面粗糙，比表面积大，对 粘结也有利。澳大利亚生产的端部扩大的骨杆形纤维，其目的也在于增加与基体间的咬台 力。 纤维分布和取向的影响也是很重要的。若能使纤维分布在受拉区并按受拉方向定向排 列，则增强效果将大大加强 4 1 。将钢纤维混凝土与普通混凝土制成复合梁板，当纤维混凝 土处于受拉区并达总厚度的1 2 时，其抗弯强度接近其他条件相同的钢纤维混凝土板梁睁j 。 此外，钢纤维混凝土试验中试件的尺寸效应比普通混凝土显著，也与纤维的分布和取向有 关i 扪。骨料尺寸与纤维长度之比，对增强效果也有影响。 l ，l 一2 普通钢纤维混凝土的变形性能 钢纤维混凝土的受压弹性模量和泊松比与普通混凝土相比，没有显著差别。但钢纤维 混凝土的受拉弹性模量随纤维体积率的增加提高约0 2 0 。 韧性是衡量塑性变形性能的重要指标，随钢纤维体积率的增加而大幅度提高。在通常 的钢纤维体积率下，抗压韧性可提高2 7 倍抗弯韧性可提高几倍到几十倍嗣，弯曲冲击 韧性可提高2 4 倍1 3 , 7 】。 l 一2 钢纤维高强混凝土的研究现状 研究和实践表明，混凝土随强度增高而延性降低。当单轴抗压强度超过1 0 0 m p a 后， 混凝土破坏表现出很高的脆性1 2 。许多建筑物或构筑物在外荷载尤其是动荷载作用下的破 坏并非因为结构或构件的强度不足，丽主要是由于混凝土的延性或韧性较差所致。虽然可 以通过改善结构形式、调整配筋数量等方式使结构或构件具有一定延性，但难以从根本上 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 解决该问题。因此，发展一种强度高、延性好的混凝土材料来满足工程需要成为亟待解决 的一个重要课题。钢纤维高强混凝土技术为解决混凝土的高强度和高延性问题提供了一条 新途径。钢纤维高强混凝土是在高强混凝土基体中掺入适量钢纤维和外加剂所形成的一种 混凝土复合材料，它不同于普通高强混凝土和普通钢纤维混凝土，而兼具普通高强混凝土 的高强度和普通钢纤维混凝土的延性和韧性好的特征。为了探讨钢纤维高强混凝土及其配 筋构件的力学性能，国内外学者进行了初步的试验研究和理论分析。 t a t s e n gl o k 等【1o 】和h v d w a r a k a n a t h 等【1 1 】分别对钢纤维高强混凝土的弯曲韧性和钢 纤维高强混凝土的抗弯强度进行了试验研究，综合评价了钢纤维高强混凝土抗弯性能，给 出了合理的抗弯强度计算公式。 s a m i ra a s h o u r 等i 幢】对钢筋钢纤维高强混凝土梁的抗剪性能迸行了试验研究。试验采 用等效直径为o 8 m m 、长度为6 0 m m 的端钩型低碳钢纤维，钢纤维体积率p 1 = 0 5 、1 0 、 1 5 ，波兰特水泥：砂( 细度模数3 1 ) ：碎花岗岩( 最大粒径1 0 n u n ) = l ：0 2 5 ：2 5 ， 水灰比= o 2 5 ，每立方米混凝土加二氧化硅微粒1 1 5 4 k g ，减水剂2 9 0 9 蚝，制作剪跨比为1 、 2 、4 、6 ，纵向配筋率为0 3 7 4 ( 最小配筋率) 、2 8 3 5 、4 5 8 ( 最大配筋率) 的钢筋 钢纤维高强混凝土梁1 8 根。试验表明：钢纤维的加入，提高了混凝土梁的韧性，抑制了 裂缝的发生和发展，改善了粱的破坏形式，提高了抗剪强度；同时，由于加入钢纤维，提 高了梁的刚度，减少了给定荷载下的挠度。 东南大学的刘伟庆f 1 3 1 等对钢筋钢纤维高强混凝土梁进行了试验研究。试验采用的钢纤 维混凝土强度等级c f 6 0 c f s 0 级钢( f ，o = 5 0 3 n m m 2 ) ，钢纤维体积率p ，= 司、1 0 、 1 5 ，共1 3 根钢纤维混凝土梁。试验表明：钢纤维高强混凝土梁与同等级的钢筋混凝土 梁相比，抗裂荷载提高3 5 5 0 ( p 尸1 5 时) ，承载能力提高1 0 左右( p = 1 5 时) ； 短期荷载下最大裂缝宽度国一随纤维含量增大而减小，刚度显著增大，延性良好。 东南大学的孙伟【1 4 1 等对钢纤维高强混凝土特种轨枕的阻裂性能进行了试验研究。该试 验采用纤维型与颗粒型复合增强技术，分别在预应力混凝土轨枕中掺加1 0 1 2 的钢 纤维或与1 5 硅灰复合来增强预应力高强混凝土轨枕。系统测试了在不同荷载作用下，当 疲劳次数从0 到2 0 0 万次时各类轨枕在不同疲劳荷载和不同疲劳次数下裂缝的数量、宽度 和高度的变化规律，充分揭示了钢纤维对混凝土优异的阻裂效应，硅灰对混凝土内部结构 的细化及界面结构的改善，共同减少与缩小了裂缝源的数量与尺度，并进一步提高了钢纤 维的阻裂效应，使得该类轨枕可带裂缝工作：在疲劳性能不变的情况下，当1 o 1 2 n 的钢纤维和1 5 硅灰复合掺入时可取代5 0 的预应力钢筋，从而达到节约钢筋，降低轨 枕生产成本，并提高预应力轨枕工作性能的目的。 大连理工大学的张远鹏【1 9 1 等采用等效直径为o 5 2 m m 、长度为3 5 1 m m 的剪切型钢纤 维，等效直径为o 5 6 m m 、长度为2 6 4 m m 的熔抽型钢纤维和等效直径为0 5 2 m m 、长度为 3 0 m m 的贝卡尔特弓型钢纤维，钢纤维体积率为o 、0 5 、1 o 、1 5 、2 o ，混凝 郑翔太掌顿学位馥文第一章肇论 强凌为c f 6 0 、c f 8 0 ，进行了钢纤缎毒强澎凝土抗娠强度、劈拉强度、抗势强度秘抗弯 强度试验，并对钢纤雅混凝士的抗弯韧性和轴压曲线筒素混凝土相应指标进行对照分析。 试验裘明：钢纾维对糍强混掇的抗难强度掇高不大，但是改变了试件的破螺方式，使其 在极限压应力下并未敷素混凝土那样突然崩裂，而楚艇现出许多裂缝和蜕皮；随着钢纤维 体积率的提高，钢纤维高强提凝应力应变麒线的峰德应力赂有提赢，应力威变曲线趋于 丰满。 华北水利水电学院的孙晓燕 2 0 l 采朋0 9 型、波纹挺、弓型及异混型四种铜纤维，钢纤 维体秘率为0 5 、1 o 、l 。5 麓、2 , 0 、2 5 、3 0 籁，滢凝强度蔻c f s o 、c f 6 5 、c f 8 0 ， 对钢纤维高强混凝土的抗压强度、劈j 立强度、抗折强度、弯曲韧性及钢纤维黼强混凝士无 疆筋粱篇截面的受力僚l 送行了试验轿究。试验表鞠：铟绎缭站高强满凝拣篷强震瓣提 高作用并不显著；随潞钢纤维体积率的增大，正向劈拉强度增加，而侧向劈救强度有轻微 降低瓣趋势：锈纤维蠢强滢凝静抗囊覃强度纛著疆离，弯馥勃性缮强；寮终绦麓掺入，畜 效抑制了斜裂缝的发生和发展，改善了斜截酾抗裂性能，提高了钢筋钢纤维高强无腹筋梁 兹勰裁鬻承载为。 除了上述典型的试验研究和理论分析外，国内外对钢纤维高强混凝土及其配筋构件还 逶器7 其氇类黧秘牲施方瑟载疆究。凌疆凝孛蛰入镄纤维掰班翳显提蹇漫凝戆抗拉强 度和与抗拉强度相关的其他力学性能，并在钢纤维混凝土的熬本力学性能、潮纤维增强机 理襄镄纾维混凝敦及键簇镄缍维瀑凝各秘撞 孛粒结构热能等方瑟豹研究孛取褥了很 多试验研究和理论分析成果8 ；4 1 。 嚣嚣，瑟购淫凝结构设计援菠( g b5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 ) 慰发布实撼，该蠼范在滋凝土 方面新增加了有关高强混凝土的内容，丽我国现行的钢纤维混凝士结构设计与旖工规程 ( c e c s 3 8 ：9 2 ) 还没有关予镪纾维麓强混凝的设谤计算方法，在新旧规范更新交替、 修订党善的特殊时期，钢纤维高强混凝土基本力学性能及其结构构件设计计算方法的研究 具有定豹理论意义釉实用价值。但是，将镧纤维加入高强混凝土艏，使报雾根据蔫通钢 纤维涡凝土试验研究获得的结论及其有关公式已不爵适用。就整体丽吉，对静力荷载下钢 纾维嬲强掘凝士豹基零力学燃能、钢纾维高焱混凝土豹本构褒论、钢筋钢纤维高强混凝土 构件健能，以及其德荷载工况( 如动力荷载、疲劳荷载、长藕荷载等) 下镧纤维高强混凝 土及其配筋构件的试验研究和理论分析还相激缺乏。 1 - 3 本文的主要研究内容 幽于钢纤维高强混凝土缀成材料的复杂住使得其力学性能表现岛不同的特点，裰多由 钢纾缨罄通滢凝获褥约结论襄公式已不再遁用，尤其是钢纤维和礴强混凝土基体闯界面 的优化，使其力学性能表现出不同的规律性。尽管国内外近年来对铜纤维高强混凝士的基 本力学性能逃行了多方面的试验研究和探索，但迄今取得的成果还比较分散，缺乏比较成 熟的镧纤维商强混凝土基本力学性能、本构关系等的试验和等此裙纛的系统游理论磷究， 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 如钢筋与钢纤维高强混凝土的粘结性能试验，国内外很少有人做过。因此，本文通过一系 列的试验，旨在了解钢纤维体积率、钢纤维类型对钢纤维高强混凝土弯曲性能和钢纤维高 强混凝土与钢筋粘结性能的影响，并探讨钢纤维对高强混凝土的增强增韧机理，从而为钢 纤维高强混凝土结构设计和分析提供试验依据，以促进钢纤维高强混凝土生产技术的发展 和在工程中的推广应用。 本次试验主要是通过变换试验参数，如钢纤维体积率、钢纤维类型等，并参照钢纤 维混凝土试验方法【15 】( c e c s l 3 ：8 9 ) ，对钢纤维高强混凝土的下列力学性能进行研究： 1 钢纤维高强混凝土的抗折强度试验 通过对5 1 根尺寸为1 5 0 m m 1 5 0 m m x 5 5 0 m m 及5 l 根尺寸为l o o m m 1 0 0 m m 4 0 0 m m 的高强混凝土和钢纤维高强混凝土小梁的抗折试验，研究钢纤维体积率和钢纤维类 型对钢纤维高强混凝土抗折强度的影响，建立钢纤维高强混凝土抗折强度的计算模型，并 推导出抗折强度的计算公式，力求与普通混凝土的计算公式相衔接。 2 钢纤维高强混凝土的弯曲韧性和初裂强度试验 通过对6 8 根尺寸为1 0 0 m m xl o o m m x 4 0 0 m m 的高强混凝土和钢纤维高强混凝土小梁 的弯曲韧性试验，研究钢纤维体积率和钢纤维类型对钢纤维高强混凝土的初裂强度和弯曲 韧性的影响，根据试验得到的荷载一挠度曲线，计算出弯曲韧度指数和承载能力变化系数。 3 钢纤维高强混凝土与钢筋粘结强度试验 通过1 2 6 个尺寸为1 5 0 m m 1 5 0 m m 1 5 0 m m 的全长粘结试件和1 0 2 个尺寸为1 5 0 m m 1 5 0 m m x1 5 0 m m 的局部粘结试件的拔出试验，分别量测出光圆钢筋、变形钢筋与钢纤维 高强混凝土的荷载与自由端及荷载与加载端的粘结滑移关系，研究钢纤维体积率和钢纤维 类型对钢纤维高强混凝土粘结性能的影响，提出与普通混凝土相衔接的钢纤维高强混凝土 与变形钢筋粘结强度的计算公式。 参考文献 1 程庆国，高路彬，徐蕴贤，吴淑华钢纤维混凝土理论及应用北京：中国铁道 出版社，1 9 9 9 2 赵国藩，彭少民，黄承逵钢纤维混凝土结构北京：中国建筑工业出版社，1 9 9 9 3 汉南特著，陈建业译纤维水泥与纤维混凝土北京：中国建筑工业出版社，1 9 8 6 4 小林一辅著，蒋之峰译钢纤维混凝土北京：冶金部建筑研究总院情报室，1 9 8 4 5 z h a og u o f a na n dh u a n gc h e n g k u i t e s tm e t h o d sa n da p p l i a t i o f i so fs f r c i a b s e 13 “c o n g r e s s h e l s i n k i 1 9 8 8 6 钢纤维混凝土试验方法编制组试验研究报告集大连理工大学，哈尔滨建筑工程 学院印，1 9 8 8 7 王璋水，陆惠棠高强钢纤维混凝土的性能及应用北京：空军设计研究局，1 9 8 6 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 8 a c l 5 4 4 2 r - 7 8 ( r e v i s e d1 9 8 3 ) m e a s u r e m e n to fp r o p e r t i e s o ff i b e rr e i n f o r c e d c o n c r e t e f i b e rr e in f o r c e dc o n c r e t ei n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u m ，d e t r o i t ，1 9 8 4 9 a c ic o m m i t t e er e p o r t ：g i u d ef o rs p e c i f y i n g ，p r o p o r t i o n i n g ，m i x i n g ，p l a c i n g ， a n df i n i s h i n gs t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e a c im a t e r i a l sj o u r n a l ，j a n f e b ，1 9 9 3 l o t a t - s e n gl e k ，m e m b e r ，a s c e ，a n dj i n s o n gp e i ，f l e x u r a lb e h a v i o ro f s t e e lf i b e r c o n c r e t e j o u r n a ro fm a t e r i a l si nc i v i le n g i n e e r i n g ，m a y ，1 9 9 8 11 h v d w a r a k a n a t ha n dt s a g a r a j c o m p a r a t i v es t u d yo fp r e d i c t i o n so ff l e x u r a l s t r e n g t ho fs t e e lf i b e rc o n c r e t e a c is t r u a t u r a lj o u r n a l n o v e m b e r d e c e m b e r ， 1 9 9 1 1 2 s a m i ra a s h o u r ，g h a z is h a s a n a i n ，a n d f a i s a if w a f a s h e a rb e h a v i o ro f h i g h s t r e n g t h f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m s a c is t r u a t u r a lj o u r n a l ， m a r c h a p r i l 1 3 刘庆伟，丁大钧，蒋永生钢纤维高强混凝土梁刚度的试验研究建筑结构学报，n o l ， 1 9 9 2 1 4 孙伟，严捍东，蒋立新在疲劳荷载作用下钢纤维增强高强混凝土特种轨枕的阻裂效 应混凝土与水泥制品，2 0 0 0 1 0 1 5 中国工程建设标准化协会标准钢纤维混凝土试验方法，c e c s l 3 ：9 2 中国计划出版 社，1 9 9 6 1 6 赵人达，李方元，周益云高强混凝土和高强钢纤维混凝土的配制及其性能研究混 凝土与水泥制品，2 0 0 1 1 0 1 7 金琳钢纤维混凝土的弯曲性能研究鞍山钢铁学院学报，2 0 0 1 8 ：2 9 6 2 9 8 1 8 高丹盈，刘建秀钢纤维混凝土基本理论北京：科学技术文献出版社，1 9 9 4 1 9 张远鹏高强钢纤维混凝土抗弯韧性及弯曲疲劳性能的研究大连理工大学研究生学 位论文，1 9 9 8 3 2 0 孙晓燕高强钢纤维混凝土力学性能试验研究华北水利水电学院硕士研究生学位论 文，2 0 0 1 6 2 1 唐九如，严永成，周起敬钢纤维混凝土与变形钢筋的粘结强度建筑结构，1 9 8 9 6 ： 2 7 2 2 章文纲，程铁生钢纤维混凝土与钢筋粘结锚固性能的研究，工业建筑，1 9 8 9 1 0 ：9 1 4 2 3 r n 斯瓦梅，h 斯塔弗里兹高和易性钢纤维混凝土的某些特性国际材料与结构试 验室联合会一九七五年会议论文集：2 3 8 2 4 0 2 4 n m 德鸟兹钢纤维混凝土的试验方法与力学性能国际材料与结构试验室联合会一 九七五年会议论文集：1 5 4 1 5 5 郑州大学硕士学位论文第二章钢纤维高强混凝土抗折性能试验研究 第二章钢纤维高强混凝土抗折性能试验研究 摘要：本章通过钢纤维高强混凝土小梁的抗折试验，探讨了小梁试件的尺寸换算系数，研 究了钢纤维体积率和钢纤维类型对钢纤维高强混凝土抗折初裂强度和抗折极限强度的影 响，并统计回归出与普通混凝土的计算公式相衔接的钢纤维高强混凝土抗折强度的计算公 式。 关键词：钢纤维；高强混凝土；抗折强度：尺寸效应；计算方法 2 1 试件设计与试验方法 2 一l 一1 试验目的 钢纤维混凝土在路面、桥面、机场跑道等领域的应用中主要是承受弯曲应力。研究钢 纤维混凝土的弯鳆性能、抗折强度，为设计提供数据和作为检验施工期混凝土质量的指标 具有实际意义。因此，本章通过钢纤维高强混凝土小梁的抗折性能试验，旨在探讨钢纤维 体积率、钢纤维类型对钢纤维高强混凝土抗折强度的影响，以及钢纤维高强混凝土试件的 尺寸效应或换算系数。同时，通过试验研究与理论分析，提出钢纤维高强混凝土的抗折初 裂强度和抗折极限强度的计算方法，并使之与普通钢纤维混凝土计算公式相衔接，从而为 钢纤维高强混凝土结构设计和分析提供一些试验资料和计算方法。 2 - 1 2 试件设计 根据试验研究目的，试件设计时考虑的主要参数是钢纤维体积率、钢纤维类型及试件 的尺寸。 1 钢纤维类型试验采用三种钢纤维：铣削型、切断弓形、剪切波纹形，其中以铣 削型钢纤维为主导纤维。 2 钢纤维体积率钢纤维体积率分别取为o 5 、1 o 、1 5 、2 o 。对应于每一种 钢纤维体积率，分别设计出与该体积率对应的混凝土配合比，并同时浇筑高强混凝土试件， 作为同一种钢纤维体积率下的对比试件。 3 钢纤维高强混凝土抗折性能试验采用了两种尺寸的试件，即1 5 0 r a m 1 5 0 m m x 5 5 0 m m 和1 0 0 m m x1 0 0 m m x 4 0 0 m m 的小梁。 4 试验所采用的混凝土强度等级为c f 6 0 ，并预留相应的抗压、劈拉试块作强度测试。 试件的设计参照钢纤维混凝土试验方法( c e c s l 3 ：8 9 ) 和钢纤维混凝土结构设 计与施工规程( c e c s l 3 ：9 2 ) 中的有关规定进行。试件制作及基本参数分别列于表2 l 及表2 2 。 2 - 1 3 试件制作 1 试验材料 试验所用材料的选择及性能如下 郑州大学硬士学位论文 第二章钢纤维高稍混凝土抗折性能试验研究 袋2 - 1 试件制作寝 每天浇筑蕴数 试骏类型试枯_ 怒寸( r a m )薄龌试 串个数 钢纤维高强混凝士高强棍凝土 1 5 0 1 5 0 5 5 03l 抗攒试验 i o o 1 0 0 x 4 0 03ll 抗簇试验1 5 0 x1 5 0 x1 5 03l l 劈觳试骏1 5 0 1 5 0 x 1 5 03 表2 - 2 试件纂李参数夜 钢纤维 钢奸维体积率p ，( ) 类裂 0 5 l 奄 5 2 0 弼 铣削挺 切断型 势钫篷 ( 1 ) 窳漉：滔南雷屯震岗承漉厂壅产静4 2 5 酱邋硅鼗盏永溅，稽标含格； ( 2 妙：孛粳砂，绥发模数秀2 ，戮，缓酴连续、鑫好； ( 3 ) 石予：5 2 5 m m 石荻岩碎石，连续较缀，缀配合格； ( 4 ) 努热裁：海藩省建甍混凝羚鸯蟊裁鸯壤公司生产熬f d n - 1 嵩效疆隶麴； ( 5 ) 锾纤维：采蕊三耱娄鳌的钢纾缀，帮铣麓鍪、甥断弓澎及赘坊波绞澎辅野维。 其姆廷参数霓袭2 - 3 。 袭2 - 3 钢纤维特征参数表 钢纤维类型 平璃长度承m m )等效直径d r a m )长裰托l d ： 铣削疆3 2 _ 3 1 20 9 4 3 6 3 4 2 4 留断藿 3 2 4 2 6o 5 6 4 $5 7 4 0 剪切篷3 0 5 2 9 0 5 5 9 25 4 6 0 2 锈纤维离鬣澹凝聚合配设计簧煮 本次试验磷突巾，设计载瀑凝强发等级炎c f 6 0 。圭要参照警遴滋凝配套毙设计 瓣稷，逶涎设诗计算，然螽经试聚磷霆镄绎缭嵩溢混凝黪鬣台毙。 ( 1 ) 水获比灼确定 按设计攘蹙强疫确定瘩灰跑。镄纾维混凝生粒拳获魄一般必0 ，4 5 。5 0 ，慰予套醚久 性瓣求时，一般不大于o 5 0 。搿强混凝土的水灰比一般小于o 3 5 。本次试验的水灰比采甩 郑州大学硕士学位论文第二章钢纤维高强混凝土抗折性能试验研究 w j c = 0 3 。 ( 2 ) 水泥用量 钢鲜维混凝士中，由于包裹钢纤维和粗细臀料表面的水泥浆用量较普通混凝土多，因 而单位体积水泥用量较大。钢纤维混凝土单位体积水泥用量一般为3 6 0 4 5 0k g m 3 ，根据 强度和钢纤维体积率面定。当体积率较大时，肇位体积水泥用麓也可邋当增翻。 ( 3 ) 单位体积用水量 禳器w c 帮拳泥溺藿计算瓣萃位溺水量；闯时，锻纾维秫积率每增减0 5 ，单稼俸 积用水量相应增减8 k g 。 ( 毒 砂率的确定 试验表明，当使用中砂时，铜纤维混凝土的砂率一般为0 4 o 5 。经过试配，本次试 骚采鼹戆移率为s 。= 0 。4 。 ( 5 ) 钢纤维体积率的确定 钢纤维体积率的大小，直接影响钢纤维混凝土的力学性能。随着纤维体积率的增加， 拌合物的坍落度恩著减小。当钢纤维体积率低于0 5 时，增强效果不明显；巍钢纤维体 积率过蔫靖，将使施工捧和更翱嗣难，镅纤维不能均匀分布。溺筵，一般钢纤维体积率控 制在混凝土体积的1 o 2 0 。本次试验中，钢纤维体积率p ，是一个主要的参数，分刚 设计了p ，为0 、0 5 、1 o 、1 5 及2 o 的钢纤维高强混凝土试件。 依撵上述设计愚路，经计算褥本次钢纤维体积率为o 5 辩钢纤维搿强混凝土的试验 配合比为水：水泥：砂：丽：钢纤维：高效减水剂= 1 5 6 ：5 2 0 ：7 1 0 ：1 0 6 4 ：3 9 1 3 ：1 0 4 ( k g m 。) 。 簌藐基垂窭士，可谲整萃缓体积溺容量，计算密冀它镶纤维掺量翁试验配合院。 3 试件的制作 ( 1 由于钢纡缝裹强混凝豹强度在很大程度上取决于凝骨料的强度以及钢纤缵豹 增强效果，因此，浇筑前人工把碎石中的超径( 2 5 m m ) 石子筛分出去，并将石子反复冲 洗干净，拣遗片嚣、驳淀块等杂物。 ( 2 ) 为了与粗骨料的粒径相衔接，使集料的级配连续，称量前将砂子用5 m m 筛予筛 分一逮，除去其中戆小嚣子。 ( 3 ) 浇筑试件时，采用强制式搅拌机拌和。为了保证钢纤维拌和均匀，先搅拌除钢 纾维步 的其他材料，再将钢纤维均匀数入，全部投入后嚣搅拌2 势钟。搅拌过程中，人工 用钢棒辅助搅拌，以避免出现钢纤维结团现象。搅拌过程的投科流程如图2 一l 所示。 圈2 - 1 镶纤维高强混凝投料流程圈 ( 4 ) 浇筑辩，在搬动台上振动密实。2 4 小时后拆模，试件在室内洒水养护2 8 天厢进 行试验。 2 一l - 4 试验方法 t 测试内容 掇掰试验目的，本次试验主要禊8 试内容为试件的开裂荷载、破坏荷载及破坏位置。 2 加载制度 抗辑强度试验在3 0 0 k n 抗折试验枫上进行。本次试验静船栽量溺镱9 度按铜纤维撬凝 士试验方法( c e c s l 3 ：8 9 ) 进行，以o 0 5 o 0 8 m p a s 的速度对试彳牛进行连续、均匀加 荷。麓载方式为三势点澍稼加载，试验装置如瀚2 - 2 所示。 l t 一、j ，冷打l 打i 牟驹 l = 3 h + 1 5 0 ( 或1 0 0 ) 图2 - 2 抗折试验示意图 2 * 2 试验结果分析与讨论 表2 4 试件尺寸为1 5 0 m m x1 5 0 r a m 5 5 0 m m 的抗折试验结聚 撬捺裙裂抗折撮袋 试件初裂荷载( k n ) 最大荷载曩。o ( n ) ，7 强度歹m 编号 强度。一 l2 3警均l23平斑 ( m p a )氆哇p a ) c 0 04 9 84 7 54 5 54 7 36 3 l m c 0 54 3 5 6 2 05 2 55 2 7 7 0 3 m ：f 0 55 4 55 9 o6 2 55 8 77 8 3 醚e 0s o5 3 o5 6 。55 3 57 1 3 伊1 06 0 85 9 56 3 56 1 36 1 48 1 9 m c l 55 1 o5 3 棼5 1 o5 l 。76 s 9 m f l 56 7 5 6 1 5 6 2 56 3 。86 8 06 6 07 1 56 8 5s 5 l9 1 3 黧型查兰塑圭兰堡鎏堇 篓三塞黧堑竺妻璧堡丝圭苎篓璧璧兰塑墼彗 抗拆初裂抗折极敝 试件 初裂荷载f k ( k n )最大荷载k n ) 编号 强发易 强度髓 l23平均123 平均 ( i p a )( 脚a ) m c 2 04 7 24 5 55 0 + 54 7 76 3 6 m f 2 08 7 58 0 57 9 08 2 39 1 58 5 59 4 59 0 51 0 9 71 2 0 7 b c l 05 2 。45