楊芳芳，莊一舟，張彬彬

(福州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350108)

基于歐洲規(guī)范的鋼纖維陶?；炷亮W(xué)性能試驗(yàn)研究

楊芳芳，莊一舟，張彬彬

(福州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350108)

在歐洲規(guī)范CEB-FIP Model Code 1990可計(jì)算出普通混凝土任意齡期的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度與彈性模量的基礎(chǔ)上，通過測(cè)試不同鋼纖維摻量的陶?；炷猎诓煌g期(1 d、2 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d)時(shí)的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量，并與理論值作對(duì)比，驗(yàn)證現(xiàn)有歐洲規(guī)范對(duì)鋼纖維陶?；炷亮W(xué)性能隨齡期發(fā)展規(guī)律預(yù)測(cè)的適用性和準(zhǔn)確性。研究表明：歐洲規(guī)范對(duì)鋼纖維陶粒混凝土力學(xué)性能隨齡期發(fā)展規(guī)律在最初的5 d或3 d并不適用；采用1 d、28 d抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度與彈性模量計(jì)算其他各齡期的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度與彈性模量小于采用7 d、28 d抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度與彈性模量計(jì)算得到的相對(duì)誤差的最大值。建議采用1 d、28 d的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量計(jì)算摻鋼纖維的陶?；炷寥我恺g期的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度與彈性模量。

鋼纖維陶?；炷粒涣W(xué)性能；發(fā)展規(guī)律；歐洲規(guī)范

輕骨料混凝土由于其優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)特性，越來越多地被應(yīng)用在多種結(jié)構(gòu)中[1]。結(jié)合陶?；炷恋难有缘陀谄胀ɑ炷恋默F(xiàn)狀，在陶?；炷林袚饺脘摾w維，以增強(qiáng)其韌性。它集中了鋼纖維混凝土和輕骨料混凝土的優(yōu)點(diǎn), 彌補(bǔ)了普通混凝土存在的抗拉強(qiáng)度低和自重大等不足，其中劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的增加呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的規(guī)律[2]。

另外，混凝土早期力學(xué)性能變化快速，其強(qiáng)度和彈性模量控制施工過程，決定高層結(jié)構(gòu)的拆模時(shí)間[3]。因此，研究混凝土的力學(xué)性能隨齡期的發(fā)展規(guī)律，可為其結(jié)構(gòu)的早期抗裂分析和裂縫控制提供參考[4]。有學(xué)者研究了摻礦物摻合料混凝土的力學(xué)性能隨齡期的發(fā)展規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明，前3 d的強(qiáng)度提高幅度遠(yuǎn)高于3 d～7 d，早期強(qiáng)度對(duì)后期強(qiáng)度及耐久性都有重要的影響[5]。目前，一般以某一齡期的力學(xué)性能作為混凝土力學(xué)性能的設(shè)計(jì)或評(píng)定指標(biāo)，如文獻(xiàn)[6]將三種不同的鋼纖維混凝土齡期在28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量作為檢驗(yàn)濕潤(rùn)-干燥環(huán)境養(yǎng)護(hù)與標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)的混凝土是否有增強(qiáng)趨勢(shì)的指標(biāo)。文獻(xiàn)[7]將28 d抗壓強(qiáng)度作為輕骨料混凝土隨鋼纖維摻量變化影響的指標(biāo)，或僅僅以少數(shù)幾個(gè)齡期的力學(xué)性能表征混凝土力學(xué)性能隨齡期的整個(gè)變化。陳宗平等[8]研究了15 d、30 d再生混凝土的三軸受壓力學(xué)性能在不同圍壓值下峰值應(yīng)力變化趨勢(shì)，并參照了CEB-FIP(1990)方法得出的理論值與實(shí)測(cè)值吻合較好。對(duì)能準(zhǔn)確描述混凝土力學(xué)性能隨齡期的發(fā)展規(guī)律和預(yù)測(cè)方法卻缺乏研究。歐洲規(guī)范[9](CEB-FIP Model Code 1990)給出了適用于普通混凝土力學(xué)性能隨齡期發(fā)展的計(jì)算公式，但是否適合于鋼纖維陶粒混凝土，其精度如何，有待驗(yàn)證。

此文以鋼纖維陶?；炷翞閷?duì)象，通過測(cè)試不同鋼纖維摻量、不同齡期陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量，驗(yàn)證歐洲規(guī)范是否適用于計(jì)算和預(yù)測(cè)鋼纖維陶?；炷亮W(xué)性能隨齡期發(fā)展規(guī)律，并決定采用哪兩個(gè)(7 d和28 d或1 d和28 d)齡期值能更好地預(yù)測(cè)其發(fā)展規(guī)律。

1 試驗(yàn)過程

1.1 原材料

水泥：福建煉石牌42.5R普通硅酸鹽水泥；

鋼纖維：浙江海寧博恩金屬制品有限公司生產(chǎn)的剪切型鋼纖維，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如表1所示；

陶粒：湖北宜昌高強(qiáng)頁(yè)巖圓球形陶粒，各項(xiàng)性能指標(biāo)如表2所示；

細(xì)骨料：細(xì)度模數(shù)為2.5的中砂；

水：福州地區(qū)的自來水；

減水劑：福建建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的TW-JS聚羧酸高效減水劑，減水率15%～18%。

表1 鋼纖維性能指標(biāo)

表2 陶粒的各項(xiàng)性能指標(biāo)

1.2 陶?；炷僚浜媳?/h3>

陶?；炷恋呐浜媳热绫?所示。

表3 陶?；炷僚浜媳?/p>

注：Vf/表示鋼纖維體積率。

1.3 試件測(cè)試

分別用尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm的試件測(cè)量鋼纖維陶?；炷? d、2 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d的抗壓強(qiáng)度fc、劈裂抗拉強(qiáng)度ft,和試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm測(cè)試動(dòng)彈性模量Ec?？箟簭?qiáng)度和劈拉強(qiáng)度的測(cè)量參照規(guī)范《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10](GB/T 50081—2002)進(jìn)行。采用DT-15動(dòng)彈模儀，按規(guī)范《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11](GB/T 50082—2009)測(cè)量鋼纖維陶?；炷恋膭?dòng)彈性模量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋼纖維摻量對(duì)陶?；炷亮W(xué)性能的影響

不同鋼纖維摻量陶粒混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

文獻(xiàn)[12-18]研究得出纖維對(duì)輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度改善并不明顯，但鋼纖維的摻入顯著提高了混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。這是因?yàn)楫?dāng)基體混凝土出現(xiàn)拉裂紋時(shí)，鋼纖維能有效地阻止這些裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展，直到鋼纖維被拔出后混凝土才徹底破壞[19]。其中文獻(xiàn)[18]摻入的是聚丙烯纖維。該次試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果從表4中可以看出陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量的增長(zhǎng)規(guī)律和上述文獻(xiàn)基本一致。

表4 鋼纖維陶?；炷亮W(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2.2 力學(xué)性能隨齡期的發(fā)展規(guī)律

2.2.1 采用7 d、28 d力學(xué)性能定義的混凝土力學(xué)性能發(fā)展系數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度及彈性模量隨齡期的發(fā)展規(guī)律只與混凝土本身特性有關(guān)。歐洲規(guī)范[9](CEB-FIP Model Code1990)對(duì)混凝土力學(xué)性能隨齡期發(fā)展規(guī)律的規(guī)定如下：混凝土在齡期t時(shí)的強(qiáng)度與水泥品種、養(yǎng)護(hù)的溫濕度有關(guān)。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土的力學(xué)性能隨齡期的發(fā)展規(guī)律如式(1)所示。

f(t)=βcc(t)f(28)

(1)

式中：f(t)為混凝土在齡期t時(shí)的力學(xué)性能；f(28)為混凝土28 d齡期時(shí)的力學(xué)性能；βcc(t)為混凝土在齡期t時(shí)的力學(xué)性能發(fā)展系數(shù)。

齡期t時(shí)，混凝土力學(xué)性能發(fā)展系數(shù)βcc(t)可按式(2)計(jì)算，βcc(t)等于在齡期t時(shí)的力學(xué)性能與28 d時(shí)的比值，如式(3)所示。

(2)

(3)

式中：c為與混凝土本身性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，與混凝土的齡期無關(guān)。

一般僅測(cè)量混凝土7 d、28 d的力學(xué)性能，利用混凝土7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量計(jì)算其他各齡期對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量。分別把7 d、28 d對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量代入到式(3)中，即可求得7 d齡期時(shí)的力學(xué)性能發(fā)展系數(shù)βcc(7)、βT(7)、βE(7)；再把βcc(7)、βT(7)、βE(7)代入到式(2)中，即可進(jìn)一步求得各自的c、cT、cE；把任意的齡期t及c、cT、cE代入到式(2)，即可求得任意齡期t的力學(xué)性能發(fā)展系數(shù)βcc(t)、βT(t)、βE(t)，再代入到式(1)，即可求得任意齡期對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量。

按上述方法，求得此次試驗(yàn)中不同鋼纖維摻量的陶?；炷? d、2 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量，并把理論值與表4的實(shí)測(cè)值對(duì)比，結(jié)果如圖1～圖3所示。

由7 d、28 d抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量求得的1 d、2 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量的理論值與實(shí)測(cè)值的最大誤差率及出現(xiàn)的齡期結(jié)果如表5所示。

表5 采用7 d、28 d值得到理論值與實(shí)測(cè)值誤差率及出現(xiàn)的齡期

由圖1～圖3可知，由7 d、28 d抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量求得的各齡期對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量，在初始的5 d齡期內(nèi)，均存在一段理論值與實(shí)測(cè)值之間相差較多的齡期，且齡期越早誤差越大，最大相對(duì)誤差基本發(fā)生在1 d齡期。對(duì)于抗壓強(qiáng)度，1 d齡期時(shí)理論值與實(shí)測(cè)值之間的最大相對(duì)誤差達(dá)到24%；對(duì)于劈拉強(qiáng)度，1 d齡期時(shí)，各組鋼纖維陶?；炷僚瓘?qiáng)度的理論值與實(shí)測(cè)值之間相對(duì)誤差的最大值達(dá)到78%。且抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度都是在5 d齡期以后，理論值與實(shí)測(cè)值之間較為接近，兩條曲線基本重合。對(duì)于彈性模量，1 d齡期時(shí)，各組鋼纖維陶?；炷翉椥阅Ａ康睦碚撝蹬c實(shí)測(cè)值之間相對(duì)誤差的最大值達(dá)到25%；在3 d齡期之后，彈性模量理論值發(fā)展曲線與實(shí)測(cè)值之間基本重合,理論值與實(shí)測(cè)值相差很小。

2.2.2 采用1 d、28 d力學(xué)性能定義的力學(xué)性能發(fā)展系數(shù)

由2.2.1節(jié)的分析可知，采用歐洲規(guī)范CEB-FIP Model Code 1990中的力學(xué)性能發(fā)展公式，由7 d、28 d抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、彈性模量求得的各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、彈性模量的理論值與實(shí)測(cè)值相比，在最初的5 d齡期內(nèi)均存在理論值與實(shí)測(cè)值誤差較大的情況，故此文考慮分別采用1 d、28 d力學(xué)性能計(jì)算鋼纖維陶?；炷恋牧W(xué)性能發(fā)展系數(shù)c、cT、cE，并進(jìn)一步求得各齡期抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度與彈性模量，計(jì)算方法與2.2.1節(jié)相同。不同鋼纖維摻量時(shí)，各齡期鋼纖維陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度與彈性模量的理論值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖1 由7 d, 28 d抗壓強(qiáng)度計(jì)算不同齡期的抗壓強(qiáng)度理論值和實(shí)測(cè)值

圖2由7 d, 28 d劈拉強(qiáng)度計(jì)算不同齡期的劈拉強(qiáng)度理論值和實(shí)測(cè)值

圖3由7 d, 28 d彈性模量計(jì)算不同齡期的彈性模量理論值和實(shí)測(cè)值

圖4由1 d, 28 d抗壓強(qiáng)度計(jì)算不同齡期的抗壓強(qiáng)度理論值和實(shí)測(cè)值

由1 d、28 d抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量求得的1 d、2 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、彈性模量理論值與實(shí)測(cè)值的最大誤差率及出現(xiàn)的齡期如表6所示。

由圖4～圖6可知，對(duì)于抗壓強(qiáng)度，采用1 d、28 d抗壓強(qiáng)度求得的各齡期抗壓強(qiáng)度的理論值與實(shí)測(cè)值相比，相對(duì)誤差最大為15%，小于用7 d、28 d抗壓強(qiáng)度求得的各齡期抗壓強(qiáng)度理論值與實(shí)測(cè)值之間的最大相對(duì)誤差。對(duì)于劈拉強(qiáng)度，采用1 d、28 d劈拉強(qiáng)度求得的各齡期劈拉強(qiáng)度的理論值與實(shí)測(cè)值相比，理論值均小于或等于實(shí)測(cè)值，在齡期為3 d、5 d、7 d時(shí)，理論值與實(shí)測(cè)值相差較多，且相對(duì)誤差最大為14%，出現(xiàn)在5 d齡期時(shí)。此理論計(jì)算結(jié)果與用7 d、28 d劈拉強(qiáng)度計(jì)算得到的結(jié)果(相對(duì)誤差最大為78%)相比，理論值與實(shí)測(cè)值之間的最大相對(duì)誤差較小，且用1 d、28 d劈拉強(qiáng)度得到的理論值小于實(shí)測(cè)值，計(jì)算結(jié)果偏于安全。對(duì)于彈性模量，采用1 d、28 d彈性模量求得的各齡期彈性模量的理論值與實(shí)測(cè)值相比，在2 d～7 d齡期內(nèi)，理論值與實(shí)測(cè)值相比，相對(duì)誤差最大為8%，出現(xiàn)在2 d齡期，且小于用7 d、28 d彈性模量計(jì)算得到的彈性模量理論值與實(shí)測(cè)值之間相對(duì)誤差的最大值(25%)。

圖5 由1 d, 28 d劈拉強(qiáng)度計(jì)算不同齡期的劈拉強(qiáng)度理論值和實(shí)測(cè)值

圖6 由1 d, 28 d彈性模量計(jì)算不同齡期的彈性模量理論值和實(shí)測(cè)值

表6 采用1 d、28 d值得到的最大誤差率與對(duì)應(yīng)的齡期

比較兩種不同齡期(7 d和28 d或1 d和28 d)的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度與彈性模量計(jì)算其他齡期的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度與彈性模量，當(dāng)采用7 d和28 d時(shí)，抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度與彈性模量的實(shí)測(cè)值均比理論值要小，而采用1 d和28 d計(jì)算時(shí)，抗壓強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值比理論值小，但是劈拉強(qiáng)度和彈性模量剛好相反，其原因可能是加入的陶粒和纖維影響了系數(shù)c值的大小。這兩者的實(shí)測(cè)值大于理論值說明選用這種計(jì)算方式可以提高其安全度。并且采用1 d和28 d的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度與彈性模量計(jì)算其他齡期的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度與彈性模量的最大相對(duì)誤差都小于采用7 d和28 d計(jì)算的最大相對(duì)誤差。建議采用1 d、28 d抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度與彈性模量計(jì)算其他各齡期的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度與彈性模量。

3 結(jié) 論

(1) 采用7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量計(jì)算其他各齡期對(duì)應(yīng)力學(xué)性能的理論值時(shí)，在初始的幾天齡期內(nèi)，均存在一段理論值與實(shí)測(cè)值之間相差較多的齡期，并在1 d的時(shí)候達(dá)到最大，分別為24%、78%、25%，故用7 d、28 d抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、彈性模量求得各齡期對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、彈性模量時(shí)，對(duì)于最初的5d齡期，對(duì)鋼纖維陶粒混凝土而言并不適合。

(2) 按照歐洲規(guī)范CEB-FIP Model Code 1990的思路，采用1 d和28 d的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、彈性模量，計(jì)算其它各齡期的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、彈性模量時(shí),理論值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差分別小于或等于15%、14%與8%，且都小于采用7 d、28 d抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量計(jì)算其他各齡期對(duì)應(yīng)力學(xué)性能的理論值與實(shí)測(cè)值之間的相對(duì)誤差。所以，對(duì)鋼纖維陶粒混凝土，建議采用1 d、28 d抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度與彈性模量計(jì)算其他各齡期的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度與彈性模量。

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DevelopmentofMechanicalPropertiesofSteelFiberReinforcedCeramsiteConcreteBasedonEurocode

YANG Fangfang, ZHUANG Yizhou, ZHANG Binbin

(CollegeofCivilandArchitecturalEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350108,China)

In CEB-FIP Model Code 1990, the compressive strength, splitting strength and modulus of elasticity of 7 d and 28 d can be used to calculate the compressive strength, splitting strength and modulus of elasticity at any age. In this paper, the compressive strength, splitting tensile strength and elastic modulus of different steel fiber content of ceramsite concrete at different ages (1 d, 2 d, 3 d, 5 d, 7 d, 14 d, 28 d) is tested and compared with the theoretical value to verify the applicability and accuracy of the prediction of mechanical properties of steel fiber reinforced ceramsite concrete. The results show that development of the mechanical properties of steel fiber reinforced ceramsite concrete are not applicable for the first 5 or 3 days in European code; when calculating compressive strength, splitting tensile strength and elastic modulus of other age with compressive strength, which is less than that of 7 d, 28 d. The compressive strength, splitting tensile strength and elastic modulus of 1 d and 28 d are recommended to calculate the compressive strength, splitting tensile strength and modulus of elasticity at any age.

steelfiberreinforcedceramsiteconcrete;mechanicalproperties;development;Europeancode

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.012

2017-07-07

2017-08-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278126，51578161)；福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013J01187)

楊芳芳(1992—)，女，湖北襄陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)槌咝阅芑炷痢?E-mail：1436405742@qq.com

莊一舟(1964—)，男，加拿大人，博士，教授，主要從事無縫橋，超高性能混凝土的研究。 E-mail：yizhouzhuang@qq.com

TU528.572

A

1672—1144(2017)06—0057—07