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        配套使用電感試驗(yàn)和抗折試驗(yàn)對(duì)鋼纖維混凝土力學(xué)特性及纖維分布的研究*

        2020-06-04 03:03:28申俊敏
        交通科技 2020年2期
        關(guān)鍵詞:混凝土

        申俊敏

        (1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201804; 2.山西交通控股集團(tuán)有限公司 太原 030006)

        在過去的幾十年里,鋼纖維混凝土(SFRC)的應(yīng)用研究得到了快速發(fā)展。在混凝土中加入鋼纖維可增強(qiáng)混凝土構(gòu)件的抗疲勞能力及開裂后的承載力等。鑒于鋼纖維混凝土的這些優(yōu)良性能,使得用鋼纖維部分甚至全部取代傳統(tǒng)鋼筋作為混凝土的加強(qiáng)筋成為了一種可能。隨著建筑行業(yè)熟練工人的逐步減少,要建設(shè)高質(zhì)量的混凝土結(jié)構(gòu)變得越來越難,為解決這些棘手的問題,自密實(shí)混凝土(SCC)于1988年在日本應(yīng)運(yùn)而生[1]。鑒于其在人力成本,安全性能及噪音污染等方面的顯著優(yōu)勢(shì),SCC自發(fā)明以來就受到了世界各國專家學(xué)者的青睞。在SCC里加入鋼纖維形成鋼纖維自密實(shí)混凝土(SFRSCC),可以同時(shí)具備SFRC和SCC的共同優(yōu)點(diǎn),因此,關(guān)于SFRSCC的研究自其第一次在實(shí)際工程中應(yīng)用以來,就一直進(jìn)行中[2]。為了確保SFRC的質(zhì)量,對(duì)于鋼纖維混凝土的裂后性能及纖維含量的評(píng)估是十分重要的。通常情況下,SFRC的裂后性能使用三點(diǎn)或四點(diǎn)抗折試驗(yàn)結(jié)果表征;另一方面,纖維含量是根據(jù)規(guī)范UNE-EN 14721[3]所使用的方法來進(jìn)行的。然而,在所用方法中,要測(cè)得鋼纖維的含量,必須碾碎SFRC試件或?qū)π掳杌炷吝M(jìn)行清洗,從而分離出纖維來進(jìn)行稱重。完成這些流程,不僅程序繁瑣而且價(jià)格昂貴,單位時(shí)間試件測(cè)試數(shù)量受到嚴(yán)重限制,不能很好地為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠詳實(shí)的數(shù)據(jù)。

        本文的研究目的在于,結(jié)合電感試驗(yàn)和三點(diǎn)抗折試驗(yàn)結(jié)果,提出一種鋼纖維混凝土質(zhì)量控制更有效的替代方法。首先,對(duì)普通鋼纖維混凝土(CSFRC)和鋼纖維自密實(shí)混凝土(SFRSCC)進(jìn)行三點(diǎn)抗折試驗(yàn)以表征其裂后性能;然后,利用電感試驗(yàn)對(duì)澆筑的立方試件和從小梁切割出來的立方體試件進(jìn)行纖維含量及纖維分布的評(píng)估。最后,進(jìn)一步分析以上試驗(yàn)結(jié)果,從而對(duì)所測(cè)試?yán)w維混凝土材料性能給出客觀的評(píng)價(jià)。

        1 試驗(yàn)概述

        1.1 傳統(tǒng)鋼纖維混凝土和自密實(shí)鋼纖維混凝土配比

        試驗(yàn)擬制備C60混凝土試件若干,CSFRC和SFRSCC的材料配合比如表1所示,其中GLENIUM TC1425是活性減水劑,X-SEED為早強(qiáng)劑。試驗(yàn)所采用的鋼纖維為Master Fiber502,其抗拉強(qiáng)度不小于1 000 MPa,長(zhǎng)度為(50±1) mm,長(zhǎng)徑比為50。

        表1 CSFRC和SFRSCC的配合比 kg/m3

        1.2 試驗(yàn)測(cè)試

        分別制作3組纖維含量為30,45和60 kg/m3的CSFRC和SFRSCC試件若干(分別標(biāo)記為CSFRC-30、CSFRC-45、CSFRC-60和SFRSCC-30、SFRSCC-45、SFRSCC-60)。在試件進(jìn)行28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)以后,根據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)硬化混凝土進(jìn)行如表2中的試驗(yàn)測(cè)試[4-5]。最終測(cè)試結(jié)果均取平均值。

        表2 硬化混凝土試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目

        1.3 電感試驗(yàn)

        電感試驗(yàn)由Torrents等人發(fā)明并被Cavalaro等人優(yōu)化,通過該試驗(yàn)可以初步判定鋼纖維在混凝土試件內(nèi)的分布及纖維數(shù)量,其測(cè)試所需時(shí)間短,可靠度高,能夠在短時(shí)間里測(cè)試大量試件,進(jìn)而更準(zhǔn)確地掌握材料屬性[6-7]。

        該測(cè)試設(shè)備見圖1a),它包含由絕緣銅線繞制而成的螺旋管及LCR阻抗分析儀。試驗(yàn)時(shí),通電螺旋管會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生電磁場(chǎng),當(dāng)放入SFRC試件以后,由此所引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變量可通過LCR儀轉(zhuǎn)化為電感強(qiáng)度值顯示出來,進(jìn)而判斷出鋼纖維在空間不同方向的分布。

        在試驗(yàn)過程中,對(duì)2類邊長(zhǎng)為150 mm的立方體試件進(jìn)行了電感試驗(yàn)。其中一類為150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體澆筑試件;另一類為小梁三點(diǎn)抗折之后進(jìn)行切割出來的立方體試件,見圖1b)。之所以要把小梁兩邊75 mm混凝土切掉,主要是為了排除鋼纖維混凝土“邊墻效應(yīng)”的干擾。對(duì)于每一組試件,共8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊和6個(gè)切割塊進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

        圖1 試驗(yàn)設(shè)備及試件(單位:mm)

        電感試驗(yàn)的X,Y及Z軸方向測(cè)試結(jié)果的平均值反映了該軸方向的纖維含量及纖維分布比例。根據(jù)Cavalaro的研究表明,SFRC試件的纖維含量和其電感值呈線性關(guān)系,因此,可以通過破碎少量試件來得到纖維含量和電感值的關(guān)系以進(jìn)一步預(yù)測(cè)纖維含量。為進(jìn)一步校核測(cè)試結(jié)果,試驗(yàn)結(jié)束后任意選取4個(gè)測(cè)試試件進(jìn)行破碎,篩選鋼纖維稱重并精確到0.000 1 kg。采用最小二乘法擬合可得電感強(qiáng)度(L)-纖維含量(Cf)的線性關(guān)系,見圖2。由圖中線性回歸系數(shù)可以看出,電感試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果能夠很好地預(yù)測(cè)SFRC中鋼纖維的含量。

        圖2 電感強(qiáng)度-纖維含量擬合關(guān)系圖

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 抗壓強(qiáng)度

        抗壓試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表可見,CSFRC 28 d的平均抗壓強(qiáng)度為64.7 MPa,SFRSCC的為67.5 MPa,比前者稍高。

        同時(shí),還可以得出,鋼纖維的含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響并不明顯;而且纖維含量對(duì)測(cè)試結(jié)果的離散性影響也在可接受范圍內(nèi)(CSFRC 和 SFRSCC分別為1.13 MPa,2.65 MPa)。

        表3 SFRC抗壓強(qiáng)度平均值和變異系數(shù)

        2.2 剩余抗折強(qiáng)度

        為了探究SFRC的彎曲性能,根據(jù)規(guī)范EN 14651∶2005所推薦的方法,對(duì)SFRC梁進(jìn)行了三點(diǎn)抗折試驗(yàn)。根據(jù)規(guī)范規(guī)定,試驗(yàn)過程需要記錄峰值荷載fLOP, 開口位移CMOD分別為0.5,1.5,2.5,3.5 mm時(shí)試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的荷載強(qiáng)度值F0.5,F(xiàn)1.5,F(xiàn)2.5,F(xiàn)3.5,見圖2~圖5?;炷恋谋壤龢O限強(qiáng)度fLOP及其殘余抗彎拉強(qiáng)度fR,j可以根據(jù)公式(1)計(jì)算得到。三點(diǎn)抗折試驗(yàn)結(jié)果F(荷載)-CMOD(開口位移)曲線關(guān)系見圖3。

        圖3 抗折試驗(yàn)測(cè)試F-CMOD關(guān)系圖

        由圖3可見,荷載強(qiáng)度達(dá)到峰值之前,所有試件F-CMOD均表現(xiàn)為線性關(guān)系;接著由于試件剛度的突然降低,峰值荷載急劇下降。在SFRC試件開裂后,分散其中的鋼纖維開始參與工作,以提升試件的剩余抗折強(qiáng)度。從圖3可以看出,SFRSCC總體上比CSFRC表現(xiàn)出更好的裂后性能,在纖維含量為60 kg/m3表現(xiàn)的更加明顯。

        (1)

        式中:b,h分別為試件截面的寬度和高度,均為150 mm;hsp為試件割縫頂?shù)巾斆娴母叨?125±1) mm;L為試驗(yàn)時(shí)試件的跨距,500 mm;F為試驗(yàn)時(shí)的荷載強(qiáng)度,kN。

        從表4中可見,除了纖維含量為30 kg/m3系列外,所有試件的峰值強(qiáng)度(fLOP)差別不大,但是纖維使用量與其峰值強(qiáng)度大小成正相關(guān)。另外,SFRSCC比CSFRC具有更好的裂后性能(fR,2,fR,3和fR,4),這樣的趨勢(shì)隨著纖維含量的增加表現(xiàn)地愈加明顯。出現(xiàn)這樣的結(jié)果,主要?dú)w咎于SFRSCC良好的流動(dòng)性會(huì)引導(dǎo)鋼纖維更多地分布在試件開裂的垂直方向。相反地,CSFRC也許由于其流動(dòng)性較差原因,不能為纖維分布創(chuàng)造良好的流動(dòng)環(huán)境,故其在混凝土內(nèi)的分布趨向性不明顯。

        表4 三點(diǎn)抗折平均值和變異系數(shù)

        2.3 電感試驗(yàn)結(jié)果

        鋼纖維的摻入很容易降低混凝土的流動(dòng)性。然而,迄今為止也尚不明確鋼纖維的增加是否會(huì)導(dǎo)致纖維在混凝土內(nèi)的分布改變。所以,了解纖維含量與纖維分布關(guān)系的具體信息對(duì)了解和掌握SFRC的性能至關(guān)重要。圖4為鋼纖維不同方向分布關(guān)系。其橫坐標(biāo)代表試件的3個(gè)軸方向,縱坐標(biāo)代表各個(gè)方向電感值在3個(gè)軸所占的比例。

        圖4 鋼纖維不同方向分布關(guān)系圖

        由圖4可知,對(duì)于澆筑的標(biāo)準(zhǔn)試件而言,X和Y軸方向擁有相似的纖維分布量,且纖維分布數(shù)量總是比Z軸大。值得一提的是三者維持在一個(gè)基本恒定的比例,即X∶Y∶Z=4∶4∶2。從圖4還可知,對(duì)于從小梁切割出來的立方體試件而言,X軸方向纖維分布比Y軸略大,兩者同時(shí)也都大于Z軸方向的纖維分布。三軸方向纖維分布比例也基本為一恒定值,即X∶Y∶Z=4.5∶3.5∶2。綜上所述可知,纖維含量的多少不影響纖維在混凝土內(nèi)部的分布規(guī)律。

        3 結(jié)論

        1) 鋼纖維的加入有效增加了混凝土的韌性,且SFRC的剩余抗折強(qiáng)度與鋼纖維含量成正比。

        2) 在鋼纖維含量相同的情況下,SFRSCC一般均比CSFRC具有更好的裂后性能。

        3) 配套使用三點(diǎn)抗折試驗(yàn)和電感試驗(yàn)分析結(jié)果,可以很好地分析SFRC的材料屬性及力學(xué)性能。

        4) 通過電感試驗(yàn)得到的電感值和纖維含量的關(guān)系中R2接近于1,表明電感試驗(yàn)對(duì)預(yù)測(cè)鋼纖維的分布及纖維含量的評(píng)估等方面具有明顯效果。

        5) 電感試驗(yàn)測(cè)得纖維方向系數(shù)在X、Y、Z軸方向上的比例大致保持恒定,其與纖維含量關(guān)系不大。

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