第37卷第3期
2004年3月
土木工程学报
CHINACIVILENGINEERINGJOURNAL
V01.37No3
Mar.2004
钢纤维对混凝土裂纹的抑制及其对抗渗性能的影响
易 成谢和平 高伟
(中国矿、Ik大学北京校区岩百力学与分形研究所)
摘要:按照高强度(HSC)与普通强度(NSC)两个系列分别配制了素混凝土与钢纤维混凝土。通过劈裂试验测
试r混凝土的抗裂纹扩展能力与卸载后的裂纹闭合能力,获得了具有不同扩展宽度的裂纹;然后通过对带裂纹
试件的水渗透性试验,确定了裂纹宽度COD(CrackOpeningDisplaeement)对混凝土渗透系数母的影响关系;通
过研究劈裂试验中获得的纤维对卸载后裂纹闭合能力的提高关系,可阱推知纤维对渗透系数的影响。试验发现,
由于HSC对纤维的握裹力高等原因,卸载后钢纤维HSC的裂纹闭合能力高于钢纤维NSC,因此,钢纤维HSC的
水渗透性低于钢纤维NSC。
关键词:高强混凝十;钢纤维混凝土;劈裂;裂缝;渗透性
中圈分类号:TU528572 文献标识码:A
文章编号:1000-131X(2004)03,0019.07
E】腿'ECISoFS11既LFIBERONTHERE跚l^D玎心『GFORPROPAGATIONOF
CONCRETECRACKANDONTHEPERMEABILITYOFCONCRETE
HChengXieHepingC,aoWei
(ChinaUniversityofMining&Technology,BeringCampus)
Abstract:SteelfibersinconcreterestrainthepropagationofcrackandthusthepermeabilityofcrackedeOllCrelecanbede-
creasedwithfibers.ThisstudyfocusesontileaffectofsteelfiberoncrackedconcDgtepermeability.Inthepaper,thepenile—
abletestsforcrackedconcretespecimenwemcarriedout.Plainhighstrengthconcreteandplainnormalstrengthconcrete,n—
berhighstrengthconcreteandfibernormalstrengthconereteweretestedrespectivelywithsplittestandtheircapacitytoresist
propagationofcrackwasobserved,andtherelationshipbetweencrackwidthCODaridpemieabilitycoefficient耳wasdeter-
mined.ItWaSfoundthat,steelfiberinhighstrengthconcreteprovidedhigberrecoveryoferackthaninnormalstrengthcon—
creteduringunloading.therefore,highstrengthfiberconcretepossesseslowerpermeabilitythannormalstrengthfiberencrete.
Keywords:highstrengthconcrete;SFRC(SteelFiberReinforcedConcrete);split;crack;permeability
1前 言
近年来,混凝土的抗渗性和耐久性问题越来越引
起人们的关注,因为单一的强度指标弗不足以揭示混
凝土
的工作状态,1997年,StmhandWang指出,
在耐久混凝土配合比设计中要考虑三个标准:强度、
渗透性和抗裂能力⋯。
渗透系数是能够综合反映混凝土抗渗性能和耐久
性能的重要指标。然而,服役期间的混凝土,渗透系
数并非是一个常数;目前人们在这方面获得的研究成
果还远远不能令人满意;这是因为涉及的影响因素太
多,实验耗功耗时;因此,有必要在这方面进一步进
行研究。
收稿日期:2002472-22
国家自然基金委员会创新研究群体基金(S0221402);国家重点基础研
究发展规划项目(2002CB4127(f1);广州市建委科研基金资助
.本课题不准备从材料的组分及配合比方面研究混
凝土的抗渗性能及耐久性能,因为以往研究表明:只
要将水灰比限制在0.4以内。就能够获得渗透性非常
低的混凝土,能够抵抗很高的水压力”1。事实上,屡
屡出现的工程渗漏及耐久性问题往往是由于混凝土的
裂纹造成的。因此.本课题围绕受损伤开裂后混凝土
的渗透系数的量测进行,将研究重点放在混凝土抵抗
裂纹扩展的能力及微裂隙对混凝土渗透性能的影响
上。考虑到钢纤维能够显著抑制混凝土裂纹的扩展,
将探讨钢纤维的掺人对混凝土渗透性能的影响。
2试验
的确定
试验分两步进行:(1)以圆柱体试件进行劈裂试
验获得宽度COD(CrackOpeningDisplacement)不等的
裂纹。加卸载过程均记录P—c0D关系并记录残余
COD值;(2)对进行过劈裂试验的试件进行渗透试
万方数据万方数据
20· 土木工程学报 2004庄
验,测试试件的抗渗性能,求出K,一COD关系。
2.1劈裂试验
劈裂试验所用试件系采用jIlOOroanx350ram的混
凝土或纤维混凝土圆柱试件,按要求切割成厚度
30ram的圆饼状试件,然后将两圆面磨平。
混凝土分为素NSC、素HSC、钢纤维NSC和钢纤
维HSC四个系列组,纤维组的纤维掺量皆为体积率
1.2%;素混凝土与相应的纤维混凝土基本配比相同,
抗压强度也比较接近,见表1及文献[3];通过调整
高效减水剂掺量来避免纤维混凝土塌落度损失过大。
钢纤维为上海哈瑞克斯公司生产的s阳l一32洗削型
钢纤维,长径比35~40,长度32ram。
劈裂试验系参照国家标准(G埘81—85)进行,
以3mm厚胶合板垫于试件受压点‘j实验机压头之问
(如图1)。没胶合板垫条的作用一方面是为防止实验
机压头与试件线接触使试件局部承受过高的压力,另
一方面是为使试件的横向变形尽可能不受约束。
将夹式引伸计的刀口插人粘贴于试件表面的钢块
之间测量裂缝扩展,引伸计的测量精度为1坤·。实验
图l劈裂试验测试示意
ng1 SketchfortestandnleasⅧntofsplittest
机为CSS型电子万能实验机,试验中用位移控制加载
进程;加载速率为0.2nml,min;由实验机本身携带的
计算机数据采集系统采集荷载、裂纹扩展宽度COD
值△、压头行程等数据。根据弹性力学,在劈裂面上
产生的拉应力为:
1D
矾=蒜 (1)
其中,P是荷载;d是试件直径;h是试件厚
度。
表1混凝土配合比(kg/m3)
Table1Ⅶlxtureratioofemlerete(吲m3)
注:At)为瓢殁碱水剂;f'A为粉煤灰。
2.2抗渗试验
我国抗渗实验标准采用的抗渗标号法及相应的没
备无法测量水渗流量,因此,本研究专门研制了适合
量测渗流量的仪器如图2所示。试件用环氧树脂密封
于钢模套内,上紧螺栓后橡胶垫将各部件接缝密封。
测试前用逆向加水压等办法排除系统内残存空气。
如果裂纹宽度小,穿越裂纹的流量小,可以从图
2所示的压力水进口对试件施加较高的水压
(0.7MPa),渗透系数墨可以直接根据‰v定律
(公式(2))来确定。如果裂纹宽度较大,穿越裂缝
的流量大,一般在低压下用变高度的水柱在大气压力
下的自然渗透来量测试件的渗透性能。在这一过程
中,图2所示滴管内水头高度是变量(从风~鼠),
渗透系数可以通过公式(3)计‘算“J。
K,=p^·圩h (2)
图2自制的渗透仪及工作原理示意
ng.2Sketchforperrt瑚nretermadebyoneselfandl忸warkingpd懈ipk
万方数据万方数据
第37卷第2期 易成等·钢纤维对混凝土裂纹的抑制及其对抗渗性能的影响
畸=AA'£h1“瓦no (3)
在此,坼是渗透系数;,z是液体的黏度;Q是
液体流量;A是流动液体穿越的试件截面积;t是流
量Q穿越试件所花时间;h是试件厚度;H是水头
高度;A’是滴管截面积。
3劈裂试验结果及分析
劈裂试验获得的部分劈裂应力一横向位移关系曲
线见图3。严格地说,只有开裂以后的横向位移才等于
COD,但为简便起见,讨论时往往不严格区分二者。
AlanF.Karr等人在进行素混凝土试件的劈裂试
验时,发现吼一COD曲线在开裂点有一个尖锐的峰
值;一旦开裂,试件承载力(或哦)迅速下降至某一
点,然后平缓地逐渐下降14’51。然而,我们所进行的
试验,除图3(d)等少数者外,大都未发现上述尖
锐峰值;这可能由于本研究采用的粗骨料为卵石居多
的混合料,微裂纹会聚时多绕过骨料表面,骨料断裂
少,这种情况下极限强度也低。
从图3(a)~(d)可见,大多数没有钢纤维增
强的试件,在开裂后劈裂面上承受拉麻力的能力旱现
单调下降的趋势。在横向位移发展到l叽m~20tma
左右,大都会呈现裂纹局部失稳扩展的现象(裂纹迅
速扩展,但遇到骨料阻碍时,失稳扩展结束),局部
失稳后,曲线发展呈“假直线”(曲线的一种失真反
映,见图)。何时停止局部失稳扩展,取决于卸载及
骨料分布情况;出现骨料断裂情况的试件,其裂纹的
失稳扩展大都首先受到有效的抑制,但骨料一且断
裂,失稳扩展将是迅速而猛烈的。
由此得出结论,骨料的种类与级配对于制止细微
裂纹的失稳扩展非常霞要。由于耐久混凝土要考虑混
凝土的抗裂性能⋯,因此,骨料的种类与级配是配制
耐久混凝土的一个重要因素。
从图3(e)~(h)可见,有钢纤维增强的试
件,由于钢纤维的有效抑制,在开裂后劈裂面上承受
拉应力的能力大都呈现l:升的趋势;卸载后的残余
COD值COD,相对于索混凝土比较小。随着裂纹的进
一步缓慢扩展,纤维抑制力被突破,裂纹有时会呈现
局部的快速失稳扩展.但也有个别试件C01)达到
900pro仍未出现失稳扩展现象。至于是否出现局部失
稳扩展?在COD达到何值时出现局部失稳扩展?局
部失稳扩展持续多大范围?这些问题除r取决于实验
机刚度与加卸载荷的情况外,主要取决于跨越裂纹的
纤维数量及骨料嵌固情况。砂浆基体裂纹的局部失稳
扩展延伸到与新的纤维或骨料相交时,新的约束出现
了,基体失稳扩展停止,裂纹重新呈现缓慢扩展的情
彤。
此外,在某些曲线的局部,还有一些特别的表
现:1)曲线在达到或接近峰值荷载后,COD突然向
减小的方向发展;随后_义继续向COD增大的方向发
展。之所以出现COD的反向发展,是由于裂纹首先
在试件的另外一侧出现,导致测试一侧表面出现横向
收缩,参见图3(a)、(e)、(h);2)试件受荷载后,
初始刚度就不大,曲线很快就出现弯折。这是由于试
件内存在初始缺陷.参见图3(f)。
4渗透试验结果及分析
典型的实测累积流量一时间关系曲线见图4。对
大多数试件,在试验初期渗流量都相对较大,之后流
量随着时间的发展呈单调递减的趋势,直至达到某一
相对比较稳定的值。产生渗流量先大后小的原因,是
由于随着时间的增加,试件逐渐饱和;混凝土遇水后
有一定的膨胀作用。导致裂缝略有闭合。
但对于残余COD,为29pm的试件,其在0.7MPa
水压力下,试验的第一、第二天没有发现水流穿越试
件;初步分析后认为,一方面是由于裂纹非常细微,
渗水通道易为杂质堵塞,渗透缓慢;另外一方面,也
有贯穿试件的裂缝宽度在i局部趋向于零的可能。
流量稳定后,根据达西定律式(2),可以计算出
渗透系数断。图5为裂隙宽度相对较大的试件采用
自然渗透法测试获得的渗透系数随时问变化的规律,
渗透系数群在开始测试的阶段也相对较大,随时间
增加逐渐递减,一周~两周时间内趋于相对稳定。
表2实测c∞一置对应关系
Table2 Corrcs'00adingrelafionslfilabetweeanMa&删COD—K
万方数据万方数据
土木工程学报 2004年
0 20 40 60 go 100120140160
横向位穆(“m)
横向位移(um)
(c)
0 20 40 60 80 100120140160
横向位移(ttm)
(e)
0 20 40 60 80 l∞
横向位咎(mn)
(g)
56
言
姜:
≤:
:
0 50 100150200250300350
横向位移(um)
(b
100 2∞ 3∞4005∞
横向位移(¨m)
(d)
横向位苷(um)
0 25 50 75 100125150175200
攒向位#(pan)
(h)
图3部分试件的劈裂应力一裂纹扩展宽度关系曲线
Fig.3Relationship0Rivesforsplitstress-lateraldiBplacementofpanialspecimen
屣
~/,
T
打
~
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万方数据万方数据
第37卷第2期 易成等·钢纤维对混凝土裂纹的抑制及其对抗渗性能的影响 -23
350
300
—250
丑200
■
毽150
《
_100
50
0 2 4 6 8 IO 12 14 16 18 20
时问(d)
330n
言27f10
州7,44}0
鬈2100
群18∞
1500
1200
o 2 4 6 8器(嚣”1⋯8”22
图4渗透试验中典型的累积流量随时间的变化规律
Fig.4neg“tyof晒cdcumulativewaterflowvsvariationoftimeinpermeabilitytest
时问(d) 时问(d)
图5自然渗透法下测试的渗透系数随时闻变化规律
Fig.5RegIIlarityofpermeabilityeoe盛cientV8variationoflimemeasuredraidermtllmlpermeablemethod
将COD,一K对应关系列于表2,logK—COD,关
系见图6。在这里假设混凝土开裂后的渗透性能主要
受裂纹宽度影响,混凝土种类对其影响不大,因此将
不同种类的开裂试件放在一起研究渗透性。按照水力
学理沦,理想光滑的单裂隙块体,其渗流量与裂隙宽
度之间存在所谓Poiseuillc定律。即:
q=i}"。Jf (4)Ⅲ
式中,P、岸分别为水的密度和黏度;if为裂隙中水
力梯度;”为裂隙宽度。式(4)也称为裂隙水流立
方定律⋯J。
=
{=
i一
鬻m,
=
COD(gin
图6实测IogK—COD关系
Fig.6RelationshipbetweenmeasuredlogK—COD
我们将实测的COD,宽度与流量的关系按照三次
方关系进行回归,效果并不理想,本文对文献[4]
测试裂纹对混凝土抗渗性能的影响时的有关数据进行
『分析,发现其也不服从立方定律。这充分
了混
凝土裂隙渗流问题的复杂性。
导致与立方定律产生误差的主要原因是:①裂缝
表面凹凸不平,裂宽变化,且这种变化随COD值的
增大而越趋明显;随着COD值增加,表面裂纹的条
数也有所增加;②试验用水未进行非离子化处理,随
时间增长有沉积作用;③混凝土内ca(on):等物质
的析出造成裂缝的自然愈合;④试件中的膨胀混凝土
遇水膨胀,使得裂隙的实际宽度产生一定的变化。
从图4的左图可见,裂缝较小的试件,在试验期
间,渗流趋向于停止;我们认为这是后三条原因的共
同作用。而裂缝相对较大的裂缝,这后j项因素的影
响在试验期间内表现得升i如裂缝小的试件那样明显。
但随着时间的进一步增加,这种效果也将有一定程度
的表现。
从理论上的立方定律到实测的C01)与流量关系
都反映,裂纹宽度确实对渗流量起决定性的作用。以
往的研究结果表明,混凝土的裂纹扩展随着纤维掺量
的增加从宽而疏趋向于窄而密;尤其能够抑制疲劳荷
载作用下的裂纹扩展”1;由此可知,纤维混凝土的
裂纹扩展方式相对更有利于混凝土抗渗。
m
”
1
“
~
百
∽
~
而麓
*
w
爵
~
裂~
4
4
4
●
‘
●
旷
旷
旷
旷
旷
驴
瓜
献
“
舨
融
础
5
5
5
4
4
4
一{_g一蒜懈焖鞋
万方数据万方数据
士木工程学报 2004芷
钢纤维除控制加载状态下COD的扩展,还影响
卸载后的残余COD,。
为研究纤维对COD,的影响,将实测COD,/COD
对应关系分为NSC、HSC、纤维增强NSC和纤维增强
HSC四个系列,分别绘制成图7(a)、(b)、(C)、(d)。
coo(tm)
(d)
图7混凝土与纤维混凝上卸载点COD与残余COD,的关系
(图中△、△,分别为COD、残余COD,)
Fig7 RelationshipbetweenCODvaluesatunloadingpoinland
correspmldingresiduesCOD,ofconcreteandfiber
reinforcedconcrete(FirguredA、△,indicate
COD、l∞)dlleCOD,respeefiv由)
比较图7(a)、(b)、(c)、(d)后可见,纤维增
强的高强度混凝土,其COD,一COD关系受纤维影响
较大;纤维增强的普通强度混凝土,其COD,一COD
关系受纤维影响相对较小。
上述现象是由于高强混凝土与纤维之间的粘结强
度高,同样COD下高强混凝土的纤维所受的拉应力
大,纤维弹性伸长所占的比重也大,卸载后COD的
恢复值也就大,残余C01),小。
图7(b)中回归方程与图7(d)中回归方程的
差,可以认为体现了纤维对高强混凝土残余c0口的
影响大小(见图8),为:
冒
3
占
8
图8纤维对HSC残余COD,的影响
Fig.8Effectoffiber∞residueCOD,forHSC
△,=一1.195+1.191A+0.00009048,52(5)
式中,COD为△,∞曰,为A,且△的值域为
[0,150](单位Ⅲ)。
同样道理,考察图7(a)、(c),得纤维对普通强
度混凝土残余COD,的影响大小(见图9),表达式为:
25。
200
童-so
§-∞
5。
.i
备堆产氍},.÷j’
,,7
素鼍凝土!,,,t/
,,1.:.j:。彝雏对残枷D的髟响.=。:::!://
、-.:。.』7
COD(um)
图9纤维对NSC残余COD,的影响
Fig9 EffectoffiberOnre{sidueCOD,forNSC
△.:2.252—0.247A+0.00122,5
2
其中△的值域为[0,350](单位岬)。
(6)
万方数据万方数据
第37卷第2期 易成等·钢纤维对混凝土裂纹的抑制及其对抗渗性能的影响
在图9中,当COD超过2751Lm后,出现纤维混
凝土的残余COD,超过素混凝土的现象,足混凝土的
离散性造成的,而非普遍规律。
巾于纤维恢复力使得残余COD,减少,将极大地
减少纤维混凝士的渗透系数。减少的程度可以由图8
或图9与图6对照得出。
5结 论
从本文对混凝t与纤维混凝士进行的劈裂试验和
对带裂缝混凝土进行的渗透试验,我们获得如下主要
结沦:
(1)没有钢纤维增强的劈裂试件,在开裂后劈裂
面上承受拉应力的能力呈现单调下降的趋势。在横向
位移发展到10ban~20pro左右,大都会呈现裂纹局
部失稳扩展的现象。何时停止局部失稳扩展,取决于
卸载及骨料分布情况;出现骨料断裂情况的试件,其
裂纹的失稳扩展大都首先受到有效的抑制,但骨料一
旦断裂,失稳扩展将是迅速而猛烈的;由于骨料的种
类与级配对于制止素混凝土细微裂纹的失稳扩展非常
重要,其是配制耐久混凝土的一个重要因素。
(2)有钢纤维增强的劈裂试件,由于钢纤维的有
效抑制,在开裂后劈裂面上承受拉应力的能力大都呈
现上升的趋势;在COD发展柑当长的范围内(大于
2001_tm)裂纹不会失稳扩展。随着裂纹的进一步缓慢
扩展,纤维抑制力被突破,裂纹会呈现局部的快速失
稳扩展现象,在口。一COD曲线』:呈现假直线。是否
出现局部失稳扩展,在COD达副何值时出现局部失
稳扩展,局部失稳扩展持续多大范围,除了取决于实
验机刚度与加卸载荷的情况外,主要取决于跨越裂纹
的纤维数量及骨料嵌固情况。
(3)本文研究制做了适合于测量混凝土受损伤开
裂后渗透系数的抗渗仪。
(4)对带裂纹试件进行的渗透试验结果表明,渗
透流量与裂纹宽度之间不服从立方定律。这充分说明
了混凝土裂隙渗流问题的复杂性。
(5)纤维混凝土的裂纹扩展随着纤维掺量的增加
从宽而疏趋向于窄而密,尤其能够抑制疲劳荷载F的
裂纹扩展;因此,掺人纤维后混凝土的裂纹扩展方式
更有利于混凝土抗渗。
(6)掺人钢纤维后,混凝土卸载后的残余裂宽减
小;纤维增强的商强混凝土比纤维增强的普通强度混
凝土卸载后COD的恢复值大,残余COD,小。分别
给出了随COD的发展,普通强度混凝土和高强度混
凝土掺人1.2%钢纤维后残余CODr所受到的影响,
由此可以评估纤维产生的裂纹闭合对混凝土抗渗性能
产生的影响。
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易成博士,教授,现为中国矿业大学北京校区土木工程系副主任,主要从事结构工程、T程力学和工程材料的研究。
发表论史30余篇。通讯地址:100083北京学院路丁II号,中国矿业大学北京校区
谢和平博士.教授,博士生导师,中国工程院院士,啄为中国矿业大学校长,现为四川大学校长,主要从事J.程力学、
土木工程的研究。发表
200余篇,现为国家973项目首席科学家。
高伟硕上,主要从事土木工程和工程力学的研究。
万方数据万方数据
钢纤维对混凝土裂纹的抑制及其对抗渗性能的影响
作者: 易成, 谢和平, 高伟
作者单位: 中国矿业大学北京校区岩石力学与分形研究所
刊名: 土木工程学报
英文刊名: CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNAL
年,卷(期): 2004,37(3)
被引用次数: 11次
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6. 易成.沈世钊.谢和平 局部高密度钢纤维混凝土弯曲疲劳性能研究[期刊论文]-土木工程学报2001,34(6)
7. 韩菊红.高丹盈.丁自强.Han juhong.Gao Danying.Ding Ziqiang 钢纤维混凝土替代构造配筋混凝土梁受弯性能
试验研究[期刊论文]-土木工程学报2006,39(8)
8. 季韬.钱在兹.庄一舟.Ji Tao.Qian Zaizi.Zhuang Yizhou 钢纤维混凝土及扁梁宽度对扁梁柱节点抗震性能的影
响[期刊论文]-土木工程学报2000,33(3)
9. 郑七振.魏林.Zheng Qizhen.Wei Lin 钢纤维混凝土框架节点抗剪承载力的试验研究与机理分析[期刊论文]-土
木工程学报2005,38(9)
10. 谢慧才.申豫斌 碳纤维混凝土对新老混凝土粘结性能的改善[期刊论文]-土木工程学报2003,36(10)
引证文献(11条)
1.杨晓华.周朝阳.贺学军.张亦静 钢纤维对混凝土裂纹尖端应力强度因子的影响[期刊论文]-湖南科技大学学报
(自然科学版) 2009(3)
2.朱建国 某桥面钢纤维混凝土配合比与施工控制研究[期刊论文]-四川建筑 2006(2)
3.陈军.朱建国 钢纤维混凝土配合比设计及施工措施探讨[期刊论文]-安徽建筑 2006(2)
4.张东焕.刘顶平.王利民 钢纤维混凝土劈裂断裂电测试验研究[期刊论文]-混凝土 2011(1)
5.马芹永.袁文华.付传清.卢小雨 早龄期钢纤维混凝土弯曲韧性试验与分析[期刊论文]-特种结构 2009(4)
6.李艺.赵文.梁磊.李慎刚 温度作用对于纤维混凝土抗渗性能影响[期刊论文]-四川大学学报(工程科学版)
2009(5)
7.王利民.戈晓霞.刘露.张东焕 钢纤维混凝土断裂过程测试与力学性能[期刊论文]-水利学报 2009(8)
8.陈送财.陈方葵 佛子岭大坝喷射钢纤维混凝土现场试验研究[期刊论文]-水利水电技术 2010(7)
9.程秀菊 钢纤维混凝土的增强机理及断裂韧性的研究[学位论文]硕士 2005
10.易成.刘燕.安新正 混凝土耐久性评价体系的缺陷与解决途径[期刊论文]-混凝土 2008(11)
11.王忠彬 混凝土收缩徐变对自锚式悬索桥的影响分析[学位论文]硕士 2006
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