钢纤维膨胀混凝土的力学性能及变形特性研究

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1、钢纤维膨胀混凝土的力学性能及变形特性研究　　〔提　要〕通过对不同配比钢纤维膨胀混凝土的力学性能及变形特性进行试验研究，详细分析了钢纤维膨胀混凝土的变形过程，深入讨论了钢纤维膨胀混凝土的纤维率、膨胀剂掺量、限制膨胀率等因素与其力学性能之间的相互关系，为钢纤维膨胀混凝土的实际应用奠定了基础。　　〔关键词〕钢纤维　膨胀混凝土　力学性能　变形特性　　膨胀混凝土是近年来发展较快的一种特种混凝土。这种混凝土中的膨胀组份能使混凝土产生体积膨胀，由此全部或部分抵消混凝土的干缩变形，从而减轻混凝土的开裂病害。若混凝土中存在限制体(如钢筋等)，限制体与混凝土之间的握裹力将使其随混凝土的膨胀而产生伸长变

2、形，并同时对混凝土施加压应力。随后，混凝土因受压应力作用而产生弹性压缩变形。这样，当混凝土承受外界荷载时，荷载所产生的拉应力可以被预先所具有的压应力抵消，混凝土实际承受的拉应力减小，因而混凝土结构的抗拉性能可得到有效的改善。这种膨胀混凝土又被称为限制膨胀混凝土。　　钢纤维膨胀混凝土是限制膨胀混凝土的一种。不过，与常用的钢筋限制膨胀混凝土相比，钢纤维膨胀混凝土又有其独特的特点。一方面，钢纤维在混凝土中呈乱向分布，其对混凝土的膨胀变形可产生均匀的限制作用，可以避免由钢筋的单向限制作用而产生的膨胀应力分布不均等弊病。另一方面，钢纤维膨胀混凝土中膨胀剂的加入，既可以避免或减小钢纤维混凝土因

3、水泥浆含量过高而产生的干缩变形或开裂，又能使钢纤维混凝土变得更加密实，提高混凝土对钢纤维的侧向压力，从而增强钢纤维与混凝土基体界面间的粘结力，改善混凝土的韧性。　　尽管钢纤维膨胀混凝土具有上述优越的物理力学性能，我国对钢纤维膨胀混凝土的研究与应用却并不多见。为了使人们能对钢纤维膨胀混凝土的各种性能有一个比较完整的认识，推动钢纤维膨胀混凝土的广泛应用，本文旨在对钢纤维膨胀混凝土的力学行为和变形性能进行全面研究，为实际工程中正确制定钢纤维膨胀混凝土的配合比提供依据。1　试验原材料　　水泥：哈尔滨水泥厂生产的天鹅牌425#早强水泥。膨胀剂：天津武青水泥厂生产的UEA型膨胀剂，由硫铝酸盐熟

4、料、明矾石、石膏和激发剂等磨制而成，呈灰色粉末状，比重2.9g/cm3，细度小于5%，其化学成份列于表1。表1　　　UEA的化学成份表(%)减水剂水灰比VB值纤维率%水泥kg/m3砂kg/m3石kg/m3水ml砂率%1.040079296818000.750.450.4515±11.540087687618001.100.500.4515±12.040097279618001.500.550.4515±13　试验方法　　混凝土试块成型24±2h后拆摸，测定其初长后，再放入20±1℃的水中养护至28天。在养护龄期为1d、3d、7d、14d、21d、28d时分别测定试块的膨胀率，然后将

5、试块取出并放在室温下干燥，并在不同龄期时分别测定其收缩率。另一部分试块在28天时取出擦干用于做力学性能试验。　　(1)膨胀试件的尺寸：100×100×400mm。　　(2)膨胀率的测定：用卧式收缩仪测试混凝土试块的轴向膨胀率，精度为0.01mm。　　(3)强度测定：按《钢纤维混凝土实验方法标准》进行试验。4　试验结果与分析4.1　钢纤维膨胀混凝土的膨胀过程　　图1所示的是纤维率Vf=1.5%的不同膨胀剂掺量钢纤维膨胀混凝土的限制膨胀率随时间变化的关系曲线。可以看出，在水化初期，混凝土的膨胀发展较快，随后逐渐减慢，到后期几乎保持不变。当膨胀剂掺量较小时，混凝土的限制膨胀率3～7天就已

6、稳定；而当膨胀剂掺量较大时，混凝土在28天龄期时仍有膨胀。　　图2示出的是膨胀剂掺量Eu=70kg/m3的不同纤维率钢纤维膨胀混凝土的限制膨胀率随时间变化的关系曲线，可以看出，尽管混凝土所含的纤维量不同，各种配比混凝土1天的膨胀率相差却并不很大。Vf=1.0%的钢纤维膨胀混凝土1天的膨胀率与自由膨胀混凝土几乎相等，3天时两者的差别也并不大。随着养护时间的增加，钢纤维的限制作用才变得明显起来。这说明，在钢纤维膨胀混凝土的膨胀初期和早期，纤维对混凝土膨胀的限制作用很小，混凝土几乎呈自由膨胀状态。换句话说，纤维在混凝土中产生了滑移。众所周知，膨胀混凝土加水拌和后，膨胀水泥迅速水化并产生大

7、量水化产物钙矾石和氢氧化钙。此时强度组份CSH凝胶的数量并不很多，水化产物不能形成网状结构，混凝土只处于塑性状态，具有很强的变形能力，因此水化产物中的膨胀组份向充水空间膨胀时，混凝土并不表现出宏观膨胀变形。混凝土进一步水化以后，水化产物逐渐搭接、连生起来，并形成一定的初始强度，此时混凝土才开始逐渐膨胀。随着水泥的进一步水化，混凝土的强度则进一步提高，钢纤维与混凝土基体间的粘结握裹强度亦逐渐提高，但还不能对混凝土形成有效的限制作用，混凝土几乎仍处于近自由膨胀状态。当混凝