限制下钢纤维自应力混凝土的长期变形试验研究

何化南,秦 杰,黄承逵

(1.大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室,辽宁 大连116024;2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210029;3.北京市建筑工程研究院,北京100039)

0 前 言

本文的研究背景是基于水电站中钢衬钢筋混凝土压力管道,在工作内水压下带裂缝工作的外包混凝土的裂缝宽度大多都超过规定限值的现状,提出将外包混凝土采用钢纤维自应力混凝土,通过钢筋和钢纤维联合约束自应力混凝土(具有较高膨胀能的膨胀混凝土)的膨胀变形,进而在管道环向形成预压应力,提高管道的环向开裂荷载,从而可以推迟或避免管道在使用荷载下开裂。并且由于钢纤维在混凝土开裂后参与一定受力和阻止裂缝扩展,可以一定程度上减小了裂缝宽度,使压力管道在正常使用情况下混凝土不开裂或开裂的裂缝很小。钢纤维自应力混凝土这种新型的高性能混凝土复合材料的优良基本力学性能在已有的研究得到了验证。采用钢纤维自应力混凝土作为钢衬钢筋混凝土压力管道的外包混凝土,可以明显地改善管道的受力性能,提高管道的耐久性,是一种很有生命力的结构形式[1～3]。

采用膨胀能力较大的自应力水泥配制混凝土,水泥水化后混凝土膨胀,在钢筋和钢纤维的约束下,膨胀受到限制钢筋受到张拉,从而在混凝土截面形成预压应力(又称为自应力),自应力值可达3.0 MPa～6.0 MPa。就像机械张拉预应力混凝土一样,较小的预应力损失或者是长期稳定的预应力水平是保证预应力混凝土能够有效地工作的重要前提,钢纤维自应力混凝土作为一种预应力混凝土同样需要长期稳定的自应力水平以保证结构实际受力状态与设计状态相符,确保结构能正常使用。因为试验周期较长,目前对钢纤维自应力混凝土的长期性能的研究较少,特别是对钢纤维自应力混凝土的膨胀变形性能随时间的发展规律几乎没有研究,本文重点就是在试验基础上讨论钢纤维自应力混凝土的限制膨胀变形随龄期发展状况,分析在整个膨胀过程中混凝土变形的发展规律。

试验方法为:分别对3 a龄期、5 a龄期的试件钢纤维自应力混凝土试件进行了测定,给出了钢纤维自应力混凝土与配筋钢纤维自应力混凝土的长期变形性能,为此种结构的设计提供了依据,也为钢纤维自应力混凝土的推广与应用奠定基础[4,5]。

1 3 a龄期的试件变形试验研究

3 a龄期的钢纤维自应力混凝土试件分为14组,共52个试件。试验从混凝土脱模后开始计算龄期,记录了1 d～987 d试件的变形值。

表1 试验用纲纤维几何参数

1.1 试件材料

水泥:石家庄市特种水泥厂生产的A型自应力水泥,分3种自应力等级为3.0级,4.0级,5.0级。

钢纤维:鞍山产剪切平直型(简称P型),长度为32.1 mm,长径比为53.6;上海哈瑞克斯公司产铣削型(简称H),长度为32.5mm,长径比为34.5;上海贝卡尔特公司产钢纤维(简称B型),长度为30.5 mm,长径比为54。

骨料:细骨料河沙为中砂,粗骨料为石灰岩碎石,粒径5 mm～15 mm。

钢筋:鞍山产Ⅱ级螺纹钢。

水:日常饮用水。

1.2 试件尺寸

膨胀混凝土或者自应力混凝土变形测量目前国内外还没有统一的标准,本文试验采用100 mm×100 mm×550 mm棱柱体试件。自应力混凝土变形试件一般分为两种:一种为不配钢筋形式(见图1),一种为配筋形式(见图2)。通过测量试件两端铜端头之间距离的变化,来观察试件的变形情况。对于配筋形式的试件,为使钢筋充分发挥作用,在试件两端用厚钢板进行限制,以使钢筋的拉应力充分传递到混凝土试件上。

图1 两端自由无配筋试件

图2 两端限制配筋试件

1.3 试件编号和配合比

本次试验考虑了钢筋配筋率 ρs,钢纤维体积率 ρf,以及自应力等级3种因素对自应力混凝土的长期变形性能的影响。参数设计包括:2种不同的配筋率0与1.13%;3种不同的自应力等级3.0级、4.0级与5.0级;4种不同的钢纤维体积率0、0.5%、1.5%、2.5%;4种钢纤维类型包括P型、加长P型、B型、H型。试件具体情况见表1。试件成型后在水中养护至28 d,然后放置在空气中,以考察其长期变形性能。

1.4 试件测量

试件成型24 h后脱模,开始测量,并由此计算龄期。本次试验的试件变形测量分为两种,一种是没有钢筋限制的自由端试件,另外一种是有钢筋约束的限制试件。对于如图1所示的第一种试件,通过游标卡尺直接测量两端的膨胀伸长值;而对于图2所示的第二种试件,采用游标卡尺测量试件中钢筋的伸长量,以脱模后的两个铜触头间的长度作为初始长度(原长),每到一个龄期测量3次两触头之间的距离,计算伸长量和伸长率,伸长率即为钢筋的平均拉伸应变。本文测量的钢筋受拉后的变形或应变,也就是通常所说的自应力混凝土限制膨胀率εs,这是计算自应力数值的重要前提条件。

1.5 试件结果分析

成型后,混凝土初期变形增加很大,膨胀显著,20 d以后变形趋于稳定,膨胀增长不再显著,甚至部分试件出现变形回缩现象,这主要是因为此时已经在混凝土中形成了较大的自应力,对混凝土产生压缩变形,并且混凝土本身的收缩与徐变也对膨胀有所影响,但总体上这些对预应力的损失影响不是很大。另外,从经过3 a的自然放置后,混凝土的膨胀变形与养护期的变形相比,非但没有显著下降,说明了经过长期的自然环境的正常使用下,钢纤维自应力混凝土的膨胀稳定性是安全可靠的,自应力水平是可以得到有效保证的。

1.5.1 钢纤维体积率ρf为一定值,自应力等级 λ,配筋率 ρs变化时的膨胀变形

3 a龄期的试件其配筋率只有两种,一种是不配钢筋的,另外一种是配筋率为1.13%。图3为P型钢纤维自应力混凝土试件,在钢纤维体积率 ρf为一定值,自应力等级λ变化的配筋与不配筋时试件的变形曲线。从曲线中可以看出,在无钢筋限制,钢纤维限制也不强的情况下,试件的自由变形很大,变形值随着自应力水泥等级的提高而提高。但是当配有钢筋时,试件的变形会显著下降。

图中曲线的最后一点就是3 a龄期时试件的变形应变。可以看出,对于使用自应力等级达到3级以上水泥的无钢筋限制试件,其3 a龄期时的试件没有出现明显回缩现象,有个别试件的变形还有少许的提高;对于有钢筋限制的试件,大部分有少许的收缩,但是数值很小。

1.5.2 自应力等级λ,配筋率 ρs为一定值,钢纤维体积率ρf变化时的膨胀变形

图4为P型钢纤维自应力混凝土试件,当自应力等级λ,配筋率ρs为一定值,钢纤维含量ρf变化时试件的变形曲线。从图中可以看出,对于不配筋试件,当钢纤维掺量增加时,其变形值下降,即使掺量仅有0.5%,也可以使其变形下降50%左右,而以后随着钢纤维含量增加试件的变形下降量没有这么迅速。对于配有钢筋的试件,随着钢纤维含量的增加,变形减小,但是减小的幅度较小。配筋试件在3 a龄期其变形量基本与3个月左右时的变形持平。

图3 3 a龄期钢纤维自应力混凝土在不同配筋率下的限制膨胀变形随时间变化曲线

图4 3 a龄期钢纤维自应力混凝土在不同钢纤维体积率下的限制膨胀变形随时间变化曲线

1.5.3 钢纤维种类不同对膨胀变形的影响

图5为配筋率为0%与配筋率为1.13%的试件变形曲线,这些试件所使用的钢纤维种类不同,主要包括4种不同的钢纤维。从试件的变形来看,它们之间的差别不是很大,尤其是对于有钢筋限制的试件。

图5 3 a龄期不同钢纤维类型自应力混凝土的限制膨胀变形随时间变化曲线

2 5 a龄期的试件变形试验研究

5 a龄期的钢纤维自应力混凝土试件分为12组,共36个试件。试验从混凝土脱模后开始计算龄期,记录了1 d～1 777 d试件的膨胀变形值。

2.1 试验材料

5 a龄期试件使用的原材料与3 a龄期使用的原材料有所不同,主要是自应力水泥的品种不同,采用的是湖南冷水滩特种水泥厂生产的45 kg级硫铝酸盐自应力水泥(自应力等级为3.0级)。钢纤维采用4种类型,分别为鞍山产剪切平直型(简称 P型)、嘉兴产异混高强剪切型(简称 J型)、上海产哈瑞克斯型(简称H型)、比利时贝卡尔特公司产佳密克丝牌(高强钢丝带钩)钢纤维型(简称B型)。细骨料河砂为中砂,粗骨料碎石为石灰岩,粒径5 mm～15 mm。拌和水为日常饮用水。试件的形式和尺寸与3 a龄期试件一样,如图1和图2所示。

2.2 试件编号和配合比

本次试验考虑了钢筋配筋率ρs和钢纤维体积率ρf对自应力混凝土的长期变形性能的影响。参数设计包括:2种不同的配筋率0与1.13%;4种不同的钢纤维体积率0、1.0%、1.5%、2.0%;4种钢纤维类型包括P型、J型、B型、H型。试件具体情况见表2。

表2 5 a龄期试件编号与混凝土配合比

2.3 试验结果分析

2.3.1 钢筋配筋率ρs一定时,不同钢纤维体积率下膨胀变形随时间变化规律

图6为自应力水平为3.0级时,配筋与不配筋试件随钢纤维含量的不同试件的变形曲线。从图中可以看出,对于不配筋试件,没有掺钢纤维时,5 a龄期时试件的回缩量比较大;而掺有一定量钢纤维的试件,回缩量较小。

2.3.2 不同钢纤维类型的自应力混凝土限制膨胀变形随时间变化规律

图7为掺有不同种类的钢纤维时,试件的变形曲线。从图中可以看出,对于配有1%钢纤维的试件,4种不同类型的钢纤维限制效果相差不多;但是对于掺有1.5%钢纤维的试件,可以看出有比较明显的差别,其中哈瑞克斯(H型)限制能力最强,而P型则较差。

3 结 论

通过本文的研究,得到如下一些结论:

(1)钢纤维自应力混凝土试件3 a龄期时的变形量与3个月龄期时试件的变形量相差不多,虽然配筋试件有少许的回缩,但回缩量数值很小,可以认为钢纤维自应力混凝土试件的长期变形与3个月龄期时的变形量相当。

(2)钢纤维自应力混凝土5 a龄期试件,当掺有钢纤维时,无论是否配筋,其回缩量都较小;但对于不掺钢纤维的无配筋试件,其回缩量比较大。

图6 5 a龄期不同配筋率下钢纤维自应力混凝土的限制膨胀变形随时间变化曲线

图7 5 a龄期不同钢纤维类型自应力混凝土的限制膨胀变形随时间变化

(3)钢纤维自应力混凝土试件的长期变形值基本维持在试件90 d左右的变形值。因此,在实际设计时可参照试件90 d左右的变形值进行设计。

(4)试验表明,采用钢纤维自应力混凝土作为钢衬钢筋混凝土压力管道的外包混凝土,其长期稳定的膨胀变形为这种高性能材料性能的发挥提供了可靠的保障。

[1] 何化南,黄承逵.配筋钢纤维自应力混凝土抗拉强度计算[J].建筑材料学报,2003,5(1):32-36.

[2] 戴建国.配筋钢纤维自应力混凝土的变形及自应力计算理论[D].大连:大连理工大学,2000.

[3] 戴建国,黄承逵.钢纤维自应力混凝土力学特性试验研究[J].建筑材料学报,2001,4(1):70-74.

[4] 黄承逵,何化南.大比尺钢衬钢纤维自应力混凝土圆形管道在内水压下的性能试验研究[J].水利发电学报,2005,24(5):43-48.

[5] 田稳苓.钢纤维膨胀混凝土增强机理及其应用研究[D].大连:大连理工大学,1998.