新型高力学性能钢纤维增强预置集料混凝土外文翻译资料

 2022-07-07 14:49:46

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新型高力学性能钢纤维增强预置集料混凝土

摘要

本研究开创了纤维增强预置集料混凝土的概念，将钢纤维与集料预置在横板中，之后注入流动性砂浆。有别于传统钢纤维混凝土因考虑工作性能而对纤维用量、长度和纵横比产生的限制，本研究消除了纤维对工作性能、浇灌性能及坚固性的影响。因此，纤维用量超过了常规技术中可达到的水平。在不同的钢纤维长度及用量下评估了此新型钢纤维增强预置集料混凝土的抗压、抗拉和抗弯强度、载荷-变形曲线。结果表明，在预置集料混凝土中应用更多钢纤维的能力使其获得了优异的工程性能。并且，这种材料轻易地在超过6％的钢纤维用量下生产出来，这使得这一创新能更简单地生产混凝土，使之在建筑应用中具备强大的竞争力。

1.介绍

预置集料混凝土，又称二级混凝土。（TSC）是通过有别于常规混凝土的浇筑方式制造的一种特殊的混凝土。在TSC中，先将粗集料放置在模板中，然后集料之间的空隙被流动性砂浆填充。自1939年以来，TSC已成功应用于水下建筑、大体积混凝土、水下混凝土和混凝土修补等多个领域。TSC性能被认为主要受粗集料性能及砂浆配合比（即水/胶凝材料比（w/b）和砂/胶凝材料比（s/b））。不过，到目前为止未见关于利用纤维增强预置集料混凝土的文献报道。

钢纤维在许多混凝土中已经使用了几十年。例如在行人路面、桥面、隧道衬里及各种预制元件都有使用。众所周知，在混凝土中加入钢纤维可以减少裂缝的形成，减少裂纹宽度并通过裂纹桥接的机制限制其扩展。此外，钢纤维在水泥里还提高了其断裂韧性。

钢纤维材料增强的工程性能混凝土（SFRC）依赖于多个变量，包括纤维用量、形状、长度和纵横比以及水泥基底的性能等。据报道，使用1％钢纤维的用量对抗压强度的影响很小，但它显著改善了SRFC的劈裂和弯曲强度。然后，高钢纤维的加入量（超过3％）会对压缩和拉伸以及混凝土强度产生不利影响。这归咎于于高掺量纤维的成团聚集及对工作性能的不利影响，增加里混凝土中的孔隙并侵害其力学性能。因此，在ACI544.1（混凝土纤维增强报告）限制普通搅拌浇筑法生产的普通混凝土实际钢纤维最大用量为1.5-2％。

本文首次探索了研究了不同钢纤维长度及掺量下钢纤维增强预置集料混凝土（TSSFRC）的力学性能。可预计TSSFRC高度强化的力学强度及与其高效浇灌技术强烈相关的节约效果，将为其在现代建设中单位广泛应用铺平道路。

2.实验程序

2.1材料及砂浆配合比

本研究采用的普通硅酸盐水泥比重为3.15，表面积为371㎡/㎏的。采用的细骨料为细度模量为1.47，饱和面干比重为2.65的硅砂。要注意的是这种细砂在TSC中是可取的，因其是用与浇灌填充预先放置的粗骨料之间空隙的。制备TSSFRC所用的砂浆砂胶比（s/b=1.0）、水胶比（w/b=0.45）。为改善砂浆流动性掺入了高性能减水剂。在拌合后立即根据ASTM C939（预置集料混凝土标准试验方法）的指标测试砂浆流出时间是。进行了若干组试配，探究为满足ACI304.1（大体积混凝土预置集料混凝土使用指标）中规定的流出时间：35-40plusmn;2s所需要的减水剂用量。所用的粗集料为破碎石灰石粗骨料，其最大公称粒径为40mm，饱和表面干比重为2.65、吸水率为1.63％的预置粗骨料。采用了两种冷加工微型端钩钢纤维钢纤维，其性能见表1，钢纤维用量（即体积分数）为1％、2％、4％和6％。

2.2实验程序

为了制备混合物预先准备6个TSSFRC圆柱试件（150mmtimes;300mm）和3个TSSFRC棱柱试件（150mmtimes;150mmtimes;550mm）。首先，粗骨料和钢纤维经混合后预放置在模具中，如图1所示。而注浆过程中没有对骨料施加压力载荷。随后用重力法注入浆液，即把浆液浇在预置骨料纤维混合物表面上，在重力下渗透到模具底部（见图2）。所有TSSFRC样品均在一天后拆除，并在20℃温度和95％相对湿度下硬化、养护28天。根据ASTM C943（实验室下预置集料混凝土强度测试标准）对TSSFRC试件进行了抗压强度和劈裂拉伸强度的测试和评价。在实验室中分别用圆柱和棱柱试件的标准测法确定了预置骨料的强度和密度。对于抗压强度试验，每个TSSFRC棱柱试件放置在压缩试验机上，以0.25MPa/s的稳定速率施加负载，直至破裂。通过将试件破裂时的最大负荷除以压力横截面积来计算每个样品的抗压强度。对于劈裂拉伸试验，将每个TSSFRC圆柱试件水平放置于压缩试验机上，通过在垂直方向上施加相对的线性荷载，使之沿试件直径向破坏，用所测值来计算劈裂拉伸强度，公式如下:

其中，是劈裂抗拉强度（MPa），P是测试机显示应力负载最大值，L是试件长度，D是试件直径。

TSSFRC棱柱试件的弯曲性能是按照ASTM C1609标准（用第三点荷载梁测试纤维增强混凝土弯曲性能的标准试验方法）进行三点弯曲试验测试，图三即为弯曲试验装置。该试验将进行闭环挠度控制测试，加载速率为0.1mm/min，加载方向是垂直于竖直方向。出现第一个裂缝时的载荷被确定为负载载荷曲线的初始线性斜率，而峰值/极限荷载就是负载载荷曲线的最大荷载。根据ASTM C1609的规定，以弯曲挠度为3mm下的载荷大小和面积来计算弯曲韧性。此外，根据ASTM C1018标准，弯曲韧性指数定义为产生第一个裂缝所需要的能量与给定的挠度值之间的比值。标准韧性指数，，和分别为3delta;cr，5.5delta;cr，10.5delta;cr和15.5delta;cr挠度，其中delta;cr为产生第一条裂纹时的挠度，而5，10，20，30对应于，，，的线性弹性模量，是材料产生第一条裂纹和完美塑性后的性能表现。弯曲韧性指数可按以下公式计算:

此外，在ASTM C1018标准下，根据第一个裂缝形成时的弯曲韧性值和相应的强度值，计算出不同挠度的初始裂纹强度百分比，公式为:

并且，还采用方差分析（ANOVA）来检验实验数据。调查一个具有统计学意义的实验变量（如纤维用量或纤维长度），统计量F值（如不同的钢纤维剂量）被确定为平均值的平方的比值，而处理其误差只能在同一组样本上。然后将F值与标准值进行比较，F分布密度函数的临界F值是基于重要性级别（a）的统计所得值，即当假设为空时，这种假设便不存在，而数字上的误差要由自由度实验来观察确定。在本研究中，为0.05等级的显著性水平，在土木工程中是具有足够的重要性和可靠性的价值，而F分布密度函数的临界值反映了测试变量对其结果的影响。

图1.预置粗骨料和钢纤维

图2.重力法注浆工艺（第2级）

表1.钩状钢纤维的性能

图3.弯曲试验装置

3.结论和讨论

3.1抗压强度

表2显示了不同钢纤维用量的TSSFRC试件养护28天后的抗压强度测试结果。结果表明，TSSFRC试件抗压强度随着钢纤维用量增加而增加。而等级为0.05的方差分析结果证实了纤维用量变化对总抗压强度的均值有显著影响。通过计算出得到抗压强度F值为276.03，大于临界F值（）的5.19。f分布密度函数的临界值反映了变量会影响结果的平均值。

根据表2中的结果，MS1和MS2混合物（短纤维用量分别为1％和2％）的抗压强度分别为无钢纤维对照试样（M0）的14％和8％。钢纤维用量在传统的钢纤维混凝土中，由于工作性能并且考虑钢纤维均匀分布的原因，通常限制在2％以下。因此，较高的钢纤维用量（即超过2％）倾向于制造纤维成球团聚类混凝土，否则可能会由空隙和微裂纹导致薄弱处和缺陷，从而降低抗压强度。相反，TSSFRC试件的生产方法缓解了这些问题，因此，钢纤维用量达到6％的试件在TSC中却获得了较高的抗压强度值。例如，MS4和MS6混合物（短纤维用量分别为4％和6％）相比于MS2混合物（短纤维用量为2％）分别高出9％和26％，抗压强度也超过MS2混合物的抗压强度。这可以归因于一个事实，即增加钢纤维用量降低了裂纹的形成和传播，产生了更高的抗压强度。

然而，钢纤维长度即使在纤维用量较高时对TSSFRC试件的抗压强度影响也较小。例如，当钢纤维用量为6％时，在弯曲挠度测试实验中，长度为33mm和60mm的钢纤维，其测试值均为2％，见表2。这一点在方差分析中得到了表现，这表明纤维长度的变化对总抗压强度的平均值影响不大，见抗压强度结果表3。例如，钢纤维用量为4%和6%的试件的总抗压强度F值为0.09，低于相应的临界F值5.99()。然而，在普通SFRC中，纤维长度可以显著提高抗压强度。高钢纤维用量（即超过2％）的长纤维一般倾向于用在球状混凝土中，并且可以减少相关的工作能力问题。相反，这样的问题不会发生在TSSFRC中，是由于在注浆前粗骨料和纤维是先混合并预放置在模具中。

3.2劈裂抗拉强度

含有不同用量和各种长度的钢纤维混合物TSSFRC 试件的28天劈裂抗拉强度试验结果见表2。可以观察到，这些值都异常高。表4是TSSFRC试件的抗拉强度与抗拉强度预测值间的经验关系公式。非均质材料在拉伸载荷下的诱导拉伸场一般都是不统一的。因此，断裂从拉伸应力最高的地方开始，然后跟随应力方向，不断产生不均匀的断口。当应力降到进一步扩展所需的应力值以下时，或当断裂区相交时，断裂停止。因此，当非均匀材料中的诱导拉伸应力高到足以引发裂缝，裂缝表面就会呈现波浪形状沿着应力方向传播。

类似的现象也会发生在TSFRC试件中。然而，钢纤维会干扰应力曲线。因此，要使钢纤维试件裂缝继续扩展，需要更高的负载。在普通混凝土中，纤维和骨料混合在一起，纤维和骨料之间的颗粒相互摩擦，这样就控制着合成物的性能。因此，要避免纤维混合的不均，就必须进行大量的混合，使纤维均匀分布。并且，通过已有的研究报告，了解到添加了纤维的混凝土其抗拉强度可提升大约40%。

生产TSSFRC试件的新工艺保证纤维均匀分布，消除了纤维球化和团聚现象。因此，TSSFRC试件由于增加了纤维用量与传统混凝土相比分裂拉伸强度有明显的改善。方差分析证实了这一点，因为 F值为76.17明显大于相应的临界F值5.19()(表3)。例如，用MS1和MS2混合物分别与无纤维混合物M0进行对照比较，劈裂抗拉强度分别增强了大约30％和60％。一般来说，混凝土的抗拉强度随着纤维用量的增加而增加，但是纤维要沿拉力方向排列。因此，水泥基体中的纤维方向在很大程度上决定了其抗拉强度。在常规钢纤维混凝土中，纤维分布方向和混凝土浇筑方向会影响混凝土工作性能。

常规钢纤维混凝土的钢纤维用量超过2%时会出现工作能力不足的现象，因为纤维球团聚和不适当的分布会降低其抗拉强度等其它10种性能。相反，对于高钢纤维用量(即2%以上)的TSSFRC试件，纤维随机分布在预置的集料中，多根纤维交叉穿过集料平面。因此，高纤维掺量提高了试件的抗拉强度。而与MS2混合物相比，MS4和MS6混合物的劈裂拉伸强度分别提高到14%和31%。此外，6％纤维用量的TSSFRC试件的劈裂抗拉强度约为M0试件的两倍。这要归因于钢纤维通过交叉来阻止和拦截裂纹的继续扩展。

纤维长度对TSSFRC试件的劈裂拉伸强度的影响较小。例如，ML2混合物（长钢纤维（即60毫米）用量为2%）的抗拉强度仅比MS2混合物(短钢纤维（即33毫米）用量为2%)高5%。此外，方差分析证实了纤维长度对抗拉强度结果的平均值影响不大。 纤维用量为1%和2%的TSSFRC试件的抗拉强度F值计算为0.38， 低于相应的临界F值5.99 () (表3)。

然而，长纤维TSSFRC试件发生轻微的开裂，可归因于在TSC聚合体中有相对较大的内部空隙。这些空隙会对纤维-基体键产生不利影响，特别是用短钢纤维时，会导致抗拉强度的下降。长钢纤维具有较强的宏观裂纹桥联能力和有效的抗裂能力，比短纤维有更好的粘合，这会增强抗拉强度。

表2.TSSFRC试样的压缩和拉伸强度

表3.方差分析（ANOVA）

3.3抗弯强度和荷载-变形特性

具有不同长度和不同用量的钢纤维TSSFRC试件抗弯强度试验结果见表5。与传统混凝土相比，钢纤维的加入改变了试样的性能，使其从易碎到具有延展性。并且，随着钢纤维的加入，TSSFRC试件的抗弯强度有了明显的改善。例如，MS1和MS2混合物的抗弯强度比无纤维混合物（M0）分别高22%和41%。而方差分析也证明了这一点，见表3。抗弯强度结果的方差分析F值为8.85，它大于相应的临界F值5.19()。这意味着纤维用量的变化对总抗弯强度的平均值有显著影响。

一般情况下，普通钢纤维混凝土的抗弯强度受纤维用量、长度、形状和分布方向的影响，并具有胶凝基质的特性。它的弯曲强度随着纤维的增加而增加。在传统的纤维混凝土中，纤维的分布和分布方向是受纤维用量以及混凝土浇筑的方向影响的。高纤维用量(例如超过2%)会导致纤维过分混合，导致它们的不适当分布。因此，需要钢纤维用量的混凝土克服这一工作性能问题。并且，高钢纤维用量的混凝土可能会受到纤维和聚集体的影响，导致其弯曲性能的降低。另一方面，在钢纤维混凝土浇铸过程中，纤维趋向于混凝土流动方向垂直分布，这导致混凝土的抗弯强度降低。相反,在TSSFRC试件中纤维可以随机分布和存在，即使在高纤维剂量的情况下，也会分散得很均匀，使试件的抗弯强度显著提高，这在普通混凝土搅拌法中是得不到的。例如，ML4和ML6混合物的弯曲强度与ML2混合物相比较分别增加了64%和87%。表6比较了不同类型的TSSFRC混凝土试件的压缩和弯曲强度。它可以看出，TSSFRC试件与HSFRC试件在弯曲性能上有明显的提高。有趣的是，钢纤维用量为6%，长度为60mm的TSSFRC混合物与钢纤维用量为6％，长度为16mm的超高性能钢纤维混凝土(UHPFRC)相比，抗弯强度提高了约9％。这表明了可以通过预放置技术提高纤维用量，以产生较好的收益。

图4和图5为不同用量，长、短的钢纤维TSSFRC试件的荷载-变形曲线。可以看出，随着钢纤维用量的增加，荷载-挠度曲线的初始曲线一般是相似的，而峰值负荷却增加了。在低钢纤维用量(即1%)下，TSSFRC

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