水利工程論文-新型抗裂防滲水工混凝土基本性能及其配筋壓力管研究摘要：新型抗裂防滲水工混凝土是將鋼纖維亂向分散于膨脹混凝土中，形成的一種集承重與防滲為一體的新型建筑材料，本文對(duì)其立方體抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彎曲韌性、膨脹變形性能及配筋混凝土管件在內(nèi)水壓力下的軸拉性能，進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼纖維能有效限制膨脹混凝土的膨脹變形；鋼纖維的限脹、阻裂增強(qiáng)作用，大大提高了膨脹混凝土的抗壓、抗拉、極限抗折、抗折初裂強(qiáng)度，提高了彎曲韌性，改善了其抗?jié)B性能；配筋鋼纖維膨脹混凝土管，是經(jīng)濟(jì)、合理、實(shí)用的結(jié)構(gòu)形式。初步探討了該混凝土的增強(qiáng)機(jī)理；給出了膨脹變形方程。關(guān)鍵詞：鋼纖維混凝土膨脹混凝土基本力學(xué)性能為解決大型儲(chǔ)油和儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)中的防滲問題，本文提出了一種兼具承重與防滲兩項(xiàng)功能的新型混凝土鋼纖維膨脹混凝土，且其施工工藝與普通混凝土相同。鋼纖維膨脹混凝土是以自應(yīng)力硫鋁酸鹽水泥混凝土為基體，將鋼纖維亂向分散于其中而形成的一種新型復(fù)合材料，以下簡(jiǎn)稱為SFEC.其基本原理為：亂向分散于膨脹混凝土中的鋼纖維，能有效地限制混凝土的膨脹變形，充分利用膨脹混凝土的膨脹變形特性及鋼纖維的限脹增強(qiáng)和阻裂增強(qiáng)作用，使混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗?jié)B性及氣密性得以提高和改善。此外，由于SFEC有足夠的膨脹能來張拉鋼筋產(chǎn)生化學(xué)預(yù)應(yīng)力，使配筋SFEC結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗裂、抗?jié)B及耐久性得以很大的提高和改善；因此，SFEC可望在水工結(jié)構(gòu)中推廣應(yīng)用。本文對(duì)其基本力學(xué)性能和膨脹變形性能，及其配筋軸拉試件的力學(xué)、變形性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析，研究成果將為這一新型復(fù)合材料的進(jìn)一步深入研究和工程應(yīng)用提供一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。1試驗(yàn)概況1.1材料、配比及試件養(yǎng)護(hù)選用湖南冷水灘特種水泥廠生產(chǎn)的45Kg級(jí)硫鋁酸鹽自應(yīng)力水泥，鞍山產(chǎn)剪切平直型鋼纖維，平均長(zhǎng)度為32mm、等效直徑0.6mm、長(zhǎng)徑比53.細(xì)骨料河砂為中砂，粗骨料碎石為石灰?guī)r，粒徑515mm.日常自來水，管體配筋采用冷拔低碳鋼絲。水泥用量為564kg/m3，水灰比為0.45，水泥、砂、石的質(zhì)量比為11.201.68，試件編號(hào)如表1所示。試件成型后24h脫模，脫模后放入常溫水中養(yǎng)護(hù)17d，然后在陰涼處繼續(xù)澆水覆蓋草袋在空氣中養(yǎng)護(hù)至齡期65d.表1試件f(%)0.01.01.52.0試件E0E1E2E31.2試驗(yàn)方法基本力學(xué)性能試驗(yàn)包括立方體抗壓、劈拉、抗折強(qiáng)度和彎曲韌性。試件制作及試驗(yàn)均按照鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法(CECS13：89)1進(jìn)行。鑒于我國(guó)尚無統(tǒng)一的膨脹變形測(cè)定方法2，膨脹收縮性能試驗(yàn)按文獻(xiàn)1進(jìn)行，試件尺寸為100mm100mm515mm，并分為自由膨脹試件和限制膨脹試件。自由膨脹試件在試件兩端軸心處預(yù)埋測(cè)頭；限制膨脹試件在試件中心加一根12的鋼筋(配筋率為s=1.13%)，且兩端加焊限制鋼板，與表1試件相對(duì)應(yīng)的鋼筋限制試件的編號(hào)為E0L、E1L、E2L和E3L，試件成型后按試驗(yàn)要求如期量測(cè)試件的變形。為探討配筋SFEC構(gòu)件的軸拉力學(xué)及變形特性，本文選水工工程中最具代表性的壓力水管作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)配筋SFEC管狀試件內(nèi)壓作用下的力學(xué)、變形性能進(jìn)行試驗(yàn)研究和理論分析。管件內(nèi)直徑為500mm，外直徑為610mm，高為300mm.試件共成型16組，每組成型2個(gè)試件，試件參數(shù)及編號(hào)如表2所示。采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌合混凝土，之后將拌合物裝入鋼模，振搗成型。本試驗(yàn)采用橡膠水袋內(nèi)壓試驗(yàn)方法，通過自行設(shè)計(jì)、加工的環(huán)狀試件內(nèi)壓加載設(shè)備，使試件沿軸向處于自由狀態(tài)，保證試件只受環(huán)向拉力作用。試驗(yàn)裝置及具體試驗(yàn)方法詳見文獻(xiàn)3。表2試件參數(shù)及編號(hào)序號(hào)試件類型編號(hào)f(%)s(%)序號(hào)試件類型編號(hào)f(%)s(%)1PE111.00.5310膨脹混凝土管PE000.00.02PE211.50.5311鋼纖維PE101.00.03PE312.00.5312膨脹混PE201.50.04配筋PE121.00.9913凝土管PE302.00.05SPEC管PE221.50.9914鋼筋膨脹PE010.00.536PE322.00.9915混凝土管PE020.00.997PE131.01.2216(自應(yīng)力混凝土管)PE030.01.228PE231.51.229PE332.01.222力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)測(cè)得的強(qiáng)度值如表3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼纖維體積率是其抗壓性能的重要影響因素，隨鋼纖維體積率的增加，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)很快。同時(shí)，鋼纖維的摻入大大提高了膨脹混凝土的劈拉強(qiáng)度、極限抗折強(qiáng)度和抗折初裂強(qiáng)度。2.2強(qiáng)度增強(qiáng)效應(yīng)及增強(qiáng)機(jī)理分析強(qiáng)度提高系數(shù)K(%)=(鋼纖維膨脹混凝土強(qiáng)度-基體混凝土強(qiáng)度)/基本混凝土強(qiáng)度100根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出的強(qiáng)度提高系數(shù)如表4所示，可以看出，隨著鋼纖維體積率的增加，混凝土的抗壓、劈拉、抗折強(qiáng)度均大幅度提高，這充分肯定了鋼纖維對(duì)具有較大膨脹變形能力混凝土的限制作用和良好的約束效果。表3實(shí)測(cè)強(qiáng)度值(MPa)試件抗壓強(qiáng)度劈拉強(qiáng)度抗折初裂強(qiáng)度極限抗折強(qiáng)度E034.962.833.874.84E138.933.574.846.16E240.753.777.318.76E352.105.098.229.24表4強(qiáng)度提高系數(shù)K(%)試件抗壓強(qiáng)度劈裂強(qiáng)度抗折初裂強(qiáng)度極限抗折強(qiáng)度E111.4026.242.727.5E216.6033.385.681.0E349.3080.2116.890.9由于基體混凝土性能的差別，SFEC的增強(qiáng)機(jī)理與普通鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理有所不同。試驗(yàn)結(jié)果表明，SFEC的增強(qiáng)效應(yīng)是鋼纖維與混凝土膨脹變形聯(lián)合作用的結(jié)果。文獻(xiàn)3認(rèn)為在SFEC中，鋼纖維的增強(qiáng)作用體現(xiàn)在兩方面：(1)鋼纖維通過限制膨脹變形使基體混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)得以改善，同時(shí)也將使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生自應(yīng)力，因而提高了基體混凝土的初裂強(qiáng)度，即限脹增強(qiáng)作用。(2)在基體混凝土微裂后，鋼纖維作為裂縫開裂的限制體，依靠其與基體間的粘結(jié)力，抑制裂縫的引發(fā)和開展，提高混凝土的強(qiáng)度，即阻裂增強(qiáng)作用，這一點(diǎn)與普通鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理是相同的。由此可見，膨脹混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)得以提高的原因：鋼纖維的限脹作用，提高了混凝土基體強(qiáng)度；鋼纖維的阻裂作用，改善了基體裂縫尖端的應(yīng)力場(chǎng)。表5彎曲韌度指數(shù)試件f(%)m5m10m30E00.03.4006.6205.060E11.04.1957.0669.930E21.54.7917.75220.526E32.05.59311.05022.2652.3彎曲韌性實(shí)測(cè)的SFEC的彎曲荷載撓度曲線如圖1所示，圖中橫坐標(biāo)S為跨中撓度值，縱坐標(biāo)P為荷載值；表5為按圖1計(jì)算出的SFEC彎曲韌度指數(shù)。試驗(yàn)及分析結(jié)果表明：鋼纖維的加入明顯改善了膨脹混凝土的彎曲變形性能，彎曲韌性隨鋼纖維體積率的增加而提高。3膨脹收縮特性3.1自由變形特征圖2為SFEC自由變形曲線，從圖中可以看出：膨脹混凝土(E0)的自由膨脹率較大，齡期28d的膨脹率達(dá)到2.27210-3，且后期仍有一定量的膨脹變形增加，155d時(shí)回水3d后，有較快的膨脹變形產(chǎn)生。鋼纖維對(duì)其膨脹變形有較大影響，隨著鋼纖維摻量的增加，膨脹率減小，但當(dāng)鋼纖維摻量大到一定程度時(shí)，鋼纖維摻量的增加對(duì)膨脹率影響逐漸減小(如f=1.5%與f=2.0%時(shí)的混凝土膨脹收縮變形曲線很接近)，同時(shí)可以看出其膨脹變形有一穩(wěn)定期。膨脹混凝土的膨脹變形穩(wěn)定期一般為56d4，本文SFEC的試驗(yàn)結(jié)果也基本反映了這一穩(wěn)定期特點(diǎn)。圖1彎曲荷載-撓度曲線圖2SFEC膨脹變形3.2限制變形特征圖3(a)、(b)、(c)分別為f=1.0%，1.5%，2.0%的SFEC在鋼筋(配筋率為1.13%)限制下的變形曲線圖。試驗(yàn)曲線表明，鋼纖維與鋼筋聯(lián)合限制效果較單獨(dú)限制效果顯著。同時(shí)也可以看出SFEC(f=1.0%，f=1.5%，f=2.0%)的自由膨脹率比相應(yīng)混凝土在鋼筋(s=1.13%)限制下的膨脹率大很多，而這一膨脹率之差，可張拉鋼筋使混凝土產(chǎn)生自應(yīng)力?？梢?，SFEC作為一種增強(qiáng)的特殊膨脹混凝土，用于自應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，形成鋼纖維增強(qiáng)自應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，以提高結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度和抗?jié)B性能是完全可行的。3.3膨脹變形方程根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及統(tǒng)計(jì)回歸計(jì)算分析，建議SFEC膨脹率按下式計(jì)算。自由膨脹率方程f(t)=f(t)0(1)f(t)0=2.42310-3t/2.610+t(2)式中：為鋼纖維體積率影響系數(shù)，f1.0%時(shí)，=0.708，f1.5%時(shí)，=0.627，其間按直線插入；t為膨脹混凝土齡期，單位：(d).(a)f=1.0%(b)f=1.5%(c)f=2.0%圖3鋼筋膨脹限制下的膨脹變形fs(t)=fs(t)01(3)fs(t)0=8.710-4t/2.061+t(4)式中：1為鋼筋限制情況下，鋼纖維體積率影響系數(shù)，f1.0%，1=1.002，f1.5%時(shí)，1=0.75，其間按直線插入。為檢驗(yàn)所建議公式的精確性，與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了比較，如圖4所示實(shí)測(cè)值與計(jì)算值吻合較好。4配筋SFEC管的試驗(yàn)結(jié)果及分析4.1荷載-位移曲線圖5所示為試驗(yàn)管件在內(nèi)壓作用下，內(nèi)壓荷載(P)與管件環(huán)向平均變形(S)的關(guān)系曲線。從圖5(a)可知，隨配筋率的增加管體的開裂荷載、極限荷載及延性均有較大幅度提高，但PE02和PE03的開裂荷載較接近，說明當(dāng)配筋率超過一定值時(shí)，配筋率的增加對(duì)開裂荷載的提高作用很小。由圖5(b)可見，管體的開裂荷載隨鋼纖維體積率的增加而增加，且開裂后，由于鋼纖維的阻裂效應(yīng)，使極限荷載仍有較大幅度提高，但PE21和PE31破壞延性較差，這是因?yàn)殇摾w維的增強(qiáng)作用，大幅度提高了試件的開裂荷載，開裂荷載與極限荷載相近，使構(gòu)件一裂即壞，延性較差。圖5(c)表明，隨鋼纖維體積率的增加，開裂荷載和極限荷載顯著增加，破壞時(shí)的變形較大。圖5(d)表明，管體的開裂荷載隨鋼纖維體積率的增加而增大，而極限荷載基本不受鋼纖維摻量的影響，延性隨鋼纖維體積率的增加略有減少，但破壞時(shí)的變形仍較大。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析、比較和對(duì)試件破壞過程的觀察