新型抗裂防渗水工混凝土基本性能及其配筋压力管研究

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1、新型抗裂防渗水工混凝土基本性能及其配筋压力管研究摘要：新型抗裂防渗水工混凝土是将钢纤维乱向分散于膨胀混凝土中，形成的一种集承重与防渗为一体的新型建筑材料，本文对其立方体抗压强度、劈拉强度、抗折强度、弯曲韧性、膨胀变形性能及配筋混凝土管件在内水压力下的轴拉性能，进行了系统的试验研究和理论分析。试验结果表明：钢纤维能有效限制膨胀混凝土的膨胀变形；钢纤维的限胀、阻裂增强作用，大大提高了膨胀混凝土的抗压、抗拉、极限抗折、抗折初裂强度，提高了弯曲韧性，改善了其抗渗性能；配筋钢纤维膨胀混凝土管，是经济、合理、实用的

2、结构形式。初步探讨了该混凝土的增强机理；给出了膨胀变形方程。关键词：钢纤维混凝土膨胀混凝土基本力学性能为解决大型储油和储水结构中的防渗问题，本文提出了一种兼具承重与防渗两项功能的新型混凝土——钢纤维膨胀混凝土，且其施工工艺与普通混凝土相同。钢纤维膨胀混凝土是以自应力硫铝酸盐水泥混凝土为基体，将钢纤维乱向分散于其中而形成的一种新型复合材料，以下简称为SFEC.其基本原理为：乱向分散于膨胀混凝土中的钢纤维，能有效地限制混凝土的膨胀变形，充分利用膨胀混凝土的膨胀变形特性及钢纤维的限胀增强和阻裂增强作用，使混凝

3、土的抗拉强度、抗渗性及气密性得以提高和改善。此外，由于SFEC有足够的膨胀能来张拉钢筋产生化学预应力，使配筋SFEC结构构件抗裂、抗渗及耐久性得以很大的提高和改善；因此，SFEC可望在水工结构中推广应用。本文对其基本力学性能和膨胀变形性能，及其配筋轴拉试件的力学、变形性能进行了系统的试验研究和理论分析，研究成果将为这一新型复合材料的进一步深入研究和工程应用提供一定的试验数据和理论依据。1试验概况1.1材料、配比及试件养护选用湖南冷水滩特种水泥厂生产的45Kg级硫铝酸盐自应力水泥，鞍山产剪切平直型钢纤维，

4、平均长度为32mm、等效直径0.6mm、长径比53.细骨料河砂为中砂，粗骨料碎石为石灰岩，粒径5～15mm.日常自来水，管体配筋采用冷拔低碳钢丝。水泥用量为564kg/m3，水灰比为0.45，水泥、砂、石的质量比为1∶1.20∶1.68，试件编号如表1所示。试件成型后24h脱模，脱模后放入常温水中养护17d，然后在阴凉处继续浇水覆盖草袋在空气中养护至龄期65d.表1试件ρf(%)0.01.01.52.0试件E0E1E2E31.2试验方法基本力学性能试验包括立方体抗压、劈拉、抗折强度和弯曲韧性。试件制作及

5、试验均按照《钢纤维混凝土试验方法》(CECS13：89)[1]进行。鉴于我国尚无统一的膨胀变形测定方法[2]，膨胀收缩性能试验按3膨胀收缩特性3.1自由变形特征图2为SFEC自由变形曲线，从图中可以看出：膨胀混凝土(E0)的自由膨胀率较大，龄期28d的膨胀率达到2.272×10-3，且后期仍有一定量的膨胀变形增加，155d时回水3d后，有较快的膨胀变形产生。钢纤维对其膨胀变形有较大影响，随着钢纤维掺量的增加，膨胀率减小，但当钢纤维掺量大到一定程度时，钢纤维掺量的增加对膨胀率影响逐渐减小(如ρf=1.5%

6、与ρf=2.0%时的混凝土膨胀收缩变形曲线很接近)，同时可以看出其膨胀变形有一稳定期。膨胀混凝土的膨胀变形稳定期一般为56d[4]，本文SFEC的试验结果也基本反映了这一稳定期特点。图1弯曲荷载-挠度曲线图2SFEC膨胀变形3.2限制变形特征图3(a)、(b)、(c)分别为ρf=1.0%，1.5%，2.0%的SFEC在钢筋(配筋率为1.13%)限制下的变形曲线图。试验曲线表明，钢纤维与钢筋联合限制效果较单独限制效果显著。同时也可以看出SFEC(ρf=1.0%，ρf=1.5%，ρf=2.0%)的自由膨胀率

7、比相应混凝土在钢筋(ρs=1.13%)限制下的膨胀率大很多，而这一膨胀率之差，可张拉钢筋使混凝土产生自应力。可见，SFEC作为一种增强的特殊膨胀混凝土，用于自应力混凝土结构，形成钢纤维增强自应力混凝土结构，以提高结构的抗拉强度和抗渗性能是完全可行的。3.3膨胀变形方程根据试验结果及统计回归计算分析，建议SFEC膨胀率按下式计算。自由膨胀率方程εf(t)=εf(t)0β(1)εf(t)0=2.423×10-3t/2.610+t(2)式中：β为钢纤维体积率影响系数，ρf≤1.0%时，β=0.708，ρf≥1

8、.5%时，β=0.627，其间按直线插入；t为膨胀混凝土龄期，单位：(d).(a)ρf=1.0%(b)ρf=1.5%(c)ρf=2.0%图3钢筋膨胀限制下的膨胀变形εfs(t)=εfs(t)0β1(3)εfs(t)0=8.7×10-4t/2.061+t(4)式中：β1为钢筋限制情况下，钢纤维体积率影响系数，ρf≤1.0%，β1=1.002，ρf≥1.5%时，β1=0.75，其间按直线插入。为检验所建议公式的精确性，与实测值进行了比较，如图4