层布式钢纤维混凝土在公路路面中的应用

1、层布式钢纤维混凝土,在公路路面中的应用,陈应波,Email:,2005,年,4,月,18,日,一、层布式钢纤维混凝土的基本概念,钢纤维混凝土（指整体掺配的）,?,有机纤维混凝土（聚丙烯、聚丙烯腈、聚酰,胺、改性聚酯纤维等）,?,层布式钢纤维混凝土,?,有机纤维与钢纤维混杂纤维混凝土,?,其它纤维混凝土,?,二、效应计算及规范,1,极限状态方程,(JTG D40-2002 3.0.3),?,r,(,?,pr,?,?,tr,),?,f,r,2,荷载疲劳应力系数,?,pr,?,k,r,k,f,k,c,?,ps,?,(JTG D40-2002 B.1.2),k,f,?,N,e,;,?,?,0,.,05

2、3,?,0,.,017,?,f,;,?,f,?,?,f,(JTG D40-2002 B.1.4-1,2),l,f,d,f,荷载疲劳应力系数,k,f,?,N,e,0,.,0516,(JTJ012-94),老规范,k,ff,?,(,1,?,0,.,30,?,f,),N,e,0,.,057,;,?,f,?,?,f,l,f,d,f,(CECS 38:2004 9.1.6-2),k,ff,l,?,(,1,?,0,.,18,?,fl,),N,e,0,.,057,;,?,fl,?,?,fl,l,f,d,f,(CECS 38:2004 9.1.6-2),3,温度疲劳应力计算,?,tr,?,k,t,?,tm,?

3、,tm,?,?,c,E,c,hT,g,2,c,(JTG D40-2002 B.2.1),B,x,(JTG D40-2002 B.2.2),?,f,r,?,?,?,tm,?,?,?,a,?,k,t,?,?,b,?,?,?,?,tm,?,?,f,r,?,?,?,?,(JTG D40-2002 B.2.3),公路水泥混凝土路面设计规范,(JTG D40-2002),公路水泥混凝土路面施工技术规范,(JTG F30-2003),纤维混凝土结构技术规程,(CECS 38:2004),钢纤维混凝土试验方法,(CECS 13),三、层布式钢纤维混凝土的力学性能,3.0.,材料及掺量：,本报告各图表中,AF,

4、代表以下材料及掺配量试件,A,：素混凝土,(,水泥,360,，石子,1300,，砂子,620,，水,170,，减水剂,2.0,。单位：,kg/m3),B,：聚丙烯纤维混凝土,(0.1%,0.91kg/m3 ),C,：聚丙烯睛纤维混凝土,(0.1%,1.18kg/m3 ),D,：层布式钢纤维混凝土,(,体积率,1.2%,长径比,80),E,：层布式钢纤维聚丙烯纤维混杂纤维混凝土,F,：层布式钢纤维聚丙烯腈纤维混杂纤维混凝土,3.1.,抗压强度,抗,压,强,度,（,M,P,a,）,35,34,33,32,31,30,29,32.4,31.2,30.8,33.9,32.5,32.2,A,B,C,D,

5、E,F,混凝土类型,图3.1 不同类型混凝土抗压强度对比图,?,?,聚丙烯纤维混凝土的抗压强度低,3.7%,，聚丙烯睛纤维混凝土的抗压强度比素混凝土低,4.9%,，,层布,式钢纤维混凝土的抗压强度比素混凝土高,4.6%,，层布式钢纤维聚丙烯纤维混杂纤维混凝土的抗压强,度比素混凝土高,0.3%,，层布式钢纤维聚丙烯睛纤维混杂纤维混凝土的抗压强度比素混凝土低,0.6%,。,层布式钢纤维聚丙烯纤维混杂纤维混凝土的抗压强度比聚丙烯纤维混凝土高,4.2%,，比层布式钢纤维,混凝土低,4.1%,，层布式钢纤维聚丙烯睛纤维混杂纤维混凝土的抗压强度比聚丙烯睛纤维混凝土高,4.5%,，比层布式钢纤维混凝土低,5

6、.0%,。,混杂纤维混凝土在抗压强度上的增强效果并不明显，与素混凝土的抗压强度基本相等，比合成纤维,混凝土的抗压强度略高,(4%),，略低于层布式钢纤维混凝土,(4%),，总体上与其他学者的相关试验结果,是符合的。因此，,以掺入纤维来改善混凝土的抗压强度是不经济的,。,3.2.,劈拉强度,劈,拉,强,度,（,M,P,a,）,2.8,2.6,2.4,2.2,2,2.32,2.43,2.51,2.55,2.58,2.62,F,混凝土类型,图3.2 不同类型混凝土劈拉强度对比图,?,A,B,C,D,E,?,聚丙烯纤维混凝土的劈拉强度比素混凝土高,4.7%,，聚丙烯腈纤维混凝土的劈拉强度比素混凝土高,

7、8.2%,，,层布式钢纤维混凝土的劈拉强度比素混凝土高,9.9%,，层布式钢纤维聚丙烯纤维混杂纤维混,凝土的劈拉强度比素混凝土高,11.2%,，层布式钢纤维聚丙烯腈纤维混杂纤维混凝土的劈拉强度比素,混凝土高,12.9%,。层布式钢纤维聚丙烯纤维混杂纤维混凝土的劈拉强度比聚丙烯纤维混凝土高,6.2%,，,比层布式钢纤维混凝土高,1. 1%,，层布式钢纤维聚丙烯腈纤维混杂纤维混凝土的劈拉强度比聚丙烯,腈纤维混凝土高,4.4%,，比层布式钢纤维混凝土高,2.7%,。,掺加适量钢纤维、有机纤维的混凝土，其劈裂抗拉强度有所提高,。从图中可发现：在提高劈拉强度,方面，层布式混杂纤维混凝土综合了合成纤维混凝

8、土和层布式钢纤维混凝土的优点，实现了优势叠,加。层布式混杂纤维混凝土的脆性低于素混凝土，韧性亦得到了提高。,3.3.,抗弯拉弹模,抗,折,弹,性,模,量,（,M,P,a,）,34,32,30,28,26,30.6,31.0,30.1,29.7,30.9,30.8,A,B,C,D,E,F,混凝土类型,图3.3 不同类型混凝土抗折弹性模量对比图,?,?,聚丙烯纤维混凝土的抗弯拉弹模比素混凝土低,1.6%,，聚丙烯腈纤维混凝土的抗弯拉弹模比素混凝土,低,2.9%,，层布式钢纤维混凝土的抗弯拉弹模比素混凝土高,1.3%,，层布式钢纤维聚丙烯纤维混杂纤,维混凝土的抗弯拉弹模比素混凝土高,1. 0%,，层

9、布式钢纤维聚丙烯腈纤维混杂纤维混凝土的抗弯拉,弹模比素混凝土高,0.7%,。层布式钢纤维聚丙烯纤维混杂纤维混凝土的抗弯拉弹模比聚丙烯纤维混凝,土高,2.7%,，比层布式钢纤维混凝土低,0.3%,，层布式钢纤维聚丙烯腈纤维混杂纤维混凝土的抗弯拉,弹模比聚丙烯腈纤维混凝土高,3.7%,，比层布式钢纤维混凝土低,0.6%,。,试验结果显示,纤维对混凝土抗折弹性模量的影响并不明显,。由于纤维的掺量对基体来说是微小的，,试验值与相关文献的理论预测值结果一致。,3.4.,轴心受压应力应变关系,应,力,（,M,P,a,）,25,20,15,10,5,0,0,1000,2000,层布式钢纤,维混凝土,层布式钢

10、纤维-聚,丙烯睛纤维混凝土,层布式钢纤维聚丙,素混凝土,聚丙烯纤维,烯纤维混凝土,混凝土,聚丙烯睛纤,维混凝土,应变,（1e-6）,3000,4000,图3.4 不同类型混凝土应力-应变曲线,?,?,聚丙烯纤维混凝土的极限压应变比素混凝土高约,15%,，聚丙烯腈纤维混凝土的极限压应变比素混凝,土高约,16%,，,层布式钢纤维混凝土的极限压应变比素混凝土高约,31%,，层布式钢纤维聚丙烯混杂纤,维混凝土的极限压应变比素混凝土高约,39%,，层布式钢纤维聚丙烯腈混杂纤维混凝土的极限压应变,比素混凝土高约,40%,。,层布式钢纤维混凝土、层布式混杂纤维混凝土由于钢纤维的掺入，其,最大压应变比未掺入钢

11、纤维的,混凝土要提高许多,。纤维虽然不能明显提高混凝土的抗压强度，但可以,提高混凝土的抗压韧性和变,形能力,。,3.5.,弯拉强度,弯,拉,强,度,（,M,P,a,）,8,6,4,2,0,A,F,混凝土类型,图3.5 不同类型混凝土弯拉强度,B,C,D,E,5.81,6.13,6.06,7.10,7.28,7.18,?,聚丙烯纤维混凝土的弯拉强度比素混凝土高,5.5%,，聚丙烯腈纤维混凝土的弯拉强度比素混凝土高,4.3%,，,层布式钢纤维混凝土的弯拉强度比素混凝土高,22.2%,，层布式钢纤维聚丙烯纤维混凝土的弯,拉强度比素混凝土高,25.3%,，层布式钢纤维聚丙烯腈纤维混凝土的弯拉强度比素混

12、凝土高,23.5%,。,层布式钢纤维聚丙烯纤维混凝土的弯拉强度比聚丙烯纤维混凝土高,18.8%,，比层布式钢纤维混凝土,高,2.5%,，层布式钢纤维聚丙烯腈纤维混凝土的弯拉强度比聚丙烯腈纤维混凝土高,18.5%,，比层布式,钢纤维混凝土高,1.2%,。综上分析，合成纤维混凝土的弯拉强度比素混凝土提高约,5%,，层布式钢纤,维混凝土的弯拉强度比素混凝土提高约,22%,，层布式混杂纤维混凝土的弯拉强度比素混凝土提高约,25%,，可见在,提高弯拉强度方面，层布式混杂纤维混凝土综合了合成纤维混凝土和层布式钢纤维混,凝土的优点，实现了优势叠加，增强较为明显,。,3.6.,弯曲韧性,12,8,4,0,E,

13、F,混凝土类型,图3.6.1 弯曲韧性指数（ASTM）,?,6.2,4.1,4.2,1,A,B,C,D,7.8,7.9,5,4.28,4.31,3.89,4,3,1.63,1.68,2,1,0.51,0,A,B,C,D,E,F,混凝土类型,图3.6.2 弯曲韧性指数（JCI）,根据美国材料与试验协会,(ASTM),标准的计算结果，层布式钢纤维聚丙烯,(,腈,),纤维混凝,土弯曲韧度指数约为素混凝土的,7.8,倍，层布式钢纤维混凝土的弯曲韧度指数约为素混,凝土的,6.2,倍,，聚丙烯,(,腈,),纤维混凝土的弯曲韧度指数约为素混凝土的,4.1,倍。根据日本,JCI,标准，层布式钢纤维聚丙烯,(,

14、腈,),纤维的弯曲韧性指数约为素混凝土的,8.4,倍，层布式,钢纤维混凝土的弯曲韧性指数约为素混凝土的,7.5,倍,，聚丙烯,(,腈,),纤维混凝土约为素混,凝土的,3.3,倍。两种标准的评价结果都表明，,层布式混杂纤维显著提高了混凝土弯曲韧,性,。鉴于两种评价混凝土弯曲韧性方法的结果比较接近，考虑到在确定弯曲韧度指数,时，初裂挠度的确定比较困难，建议采用,JCI,提出的弯曲韧性指数来评价混凝土的弯曲,韧性。,3.7.,弯拉疲劳性能,图,3.7,疲劳试验设备及破坏表征,?,在循环荷载作用下，结构或构件产生疲劳破坏的应力循环数或应变循环数，,称为疲劳寿命。疲劳寿命的长短取决于应力水平的高低，施加

15、的应力水平越,高，则疲劳寿命越短。当应力水平大于等于,0.80,时，荷载作用频率取,5-10HZ,；,当应力水平小于,0.80,时，荷载作用频率取,10-15HZ,。往复循环荷载加载设备,见上图。,表,3.7 .1,不同应力水平下层布式钢纤维混凝土抗折疲劳试验结果,应力水平,0.75,编号,B-1,D-1,B-2,次数,3359,11670,156962,编号,D-8,G-5,D-10,0.80,次数,700,881,1444,编号,D-6,D-4,E-7,0.85,次数,505,583,1433,编号,D-3,G-4,G-1,0.90,次数,23,40,195,C-8,C-7,F-8,E-5

16、,E-9,159120,280920,440037,473040,943924,E-4,C-6,D-2,C-9,D-5,E-3,C-3,18793,27068,88778,104357,114033,127168,154818,B-6,B-7,B-4,D-7,D-9,F-10,B-8,5326,7335,8672,9608,19089,23454,24106,E-6,G-3,C-5,E-2,C-2,E-8,276,381,578,637,652,2024,表,3.7 .2,不同应力水平下层布式混杂纤维混凝土抗折疲劳试验结果,应力水平,0.75,编号,#A10,#A11,C11,B7,C2,B1

17、,C3,C15,C19,次数,3029,4731,102960,103312,256877,302796,384031,727159,1519560,0.80,编号,#A2,#A5,C21,C1,C6,B12,B13,C8,C17,次数,2725,4045,19372,25225,38749,122484,137111,411778,738990,0.85,编号,A3,B5,A4,B6,C24,C6,A1,C7,C5,次数,1540,5079,6003,6142,6282,7619,19478,21654,44730,0.90,编号,#D1,C20,A7,C18,C14,C9,D9,B3,D2

18、,次数,95,303,324,432,462,474,586,796,884,表,3.7 .3,不同应力水平下层布式钢纤维、混杂纤维混凝土试件的疲劳寿命对比,试件个,数,9,9,9,9,9,10,10,8,不同应力比例下的,疲劳寿命总和,4266,118527,1500482,3404455,4806,99571,638040,2469032,不同应力比下单个试,件的平均疲劳寿命,484,13170,166720,378272,534,9957,63804,308629,应力比,0.9,层布式钢纤维,聚丙烯纤维混,杂纤维混凝土,试件疲劳寿命,0.85,0.80,0.75,0.9,层布式钢纤维,

19、混凝土,试件疲劳寿命,0.85,0.80,0.75,层布式钢纤维混凝土,层布式混杂纤维混凝土,378272,疲,劳,寿,命,350000,308629,300000,250000,200000,150000,100000,50000,534,484,9957,13170,63804,166720,0,s=0.90,s=0.85,s=0.80,s=0.75,应力比,图3.7 不同应力比下的疲劳寿命对比图,疲劳试验数据分析及拟合,层布式钢纤维混凝土试件在各级应力水平下的疲劳寿命比较离散，最长寿命分别达到,最短寿命的,28,、,48,、,107,、,281,倍，应力水平越低越分散，与以前学者所做的整

20、体掺配,钢纤维混凝土及混凝土疲劳试验结果相吻合。另外，可以直观的看出，层布式钢纤维,混凝土的疲劳性能明显优于素混凝土疲劳性能。,在相同应力水平下，层布式钢纤维混,凝土的疲劳次数高出素混凝土疲劳次数一个数量级以上,。,?,?,对试验数据可以用正态分布和两参数威布尔分布来拟合层布式钢纤维混凝土疲劳寿命,的概率分布。在大多数情况下，两参数威布尔分布的相关系数比对数正态分布的要大，,从图的拟合程度的角度来讲，它更适合描述上下层布式钢纤维混凝土的疲劳寿命。在,试件寿命离散性相对较小的时候，对数正态分布更适合拟合上下层布式钢纤维混凝土,的疲劳寿命；而两参数威布尔分布比较适合数据离散性较大的情况，具有更大的

21、适应,性。研究得到的疲劳方程与其他文献比较吻合，且为修订的纤维混凝土结构技术规,程,(CECS 38:2004),采用。,四、孔隙率测试,Diameter,（,m,）,图,4.1,素混凝土孔隙体积率柱状图,Diameter,（,m,）,图,4.2,层布式钢纤维混凝土孔隙体积率柱状图,Diameter,（,m,）,图,4.3,层布式混杂纤维混凝土孔隙体积率柱状图,表,4.1,各种形式混凝土孔隙体积率,类别,孔隙率,素混凝土,11.53%,层布式钢纤维混凝土,6.92%,层布式混杂纤维混凝土,6.46%,?,孔隙率试验显示，素混凝土孔隙率最高，层布式钢纤维次之，层布式,混杂纤维混凝土最低。,层布式钢纤维混凝土的总孔隙率比素混凝土的,总孔隙率低,39