２０１２年第２期 混凝土与水泥制品 ２０１２ Ｎｏ．２ ２月 ＣＨＩＮＡ Ｃ０ＮＣＲＥＴＥ ＡＮＤ ＣＥＭＥＮＴ ＰＲＯＤＵＣＴＳ Ｆｅｂｒｕａｒｙ 钢纤维和膨胀剂复合效应对喷射混凝土 弯曲韧性的影响分析 赵晓晶，马芹永 （安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，淮南２３２００１） 摘要：基于韧性在混凝土结构中的重要性，采用三分点加载的方式，探讨了膨胀荆和钢纤维的复合效应对喷 射混凝土弯曲韧性的影响规律。结果表明，当钢纤维和膨胀剂的掺量分别为１．２％和８％时，喷射补偿收缩钢纤维混凝 土的荷载一挠度曲线最为饱满；弯曲韧度指数和承载能力变化系数均大于理想弹性材料的相应值。 关键词：膨胀剂；钢纤维；喷射补偿收缩钢纤维混凝土；弯曲韧性 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｉｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｒｅｅ－ｐｏｉｎｔ ｌｏａｄｉｎｇ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｎｇ ｌａｗｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｅｘｐａｎｓｉｖｅ ａｇｅｎｔ ａｎｄ ｓｔｅｅｌ ｆｉｂｅｒ ｏｎ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ｓｈｏｔｃｒｅｔｅ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ山ｅ ｌｏａｄ—ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ＣＨＩＶｅ ｏｆ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ—ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｓｔｅｅｌ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｅｅｄ ｓｈｏｔｃｒｅｔｅ ｉｓ ｆｉｎｅｓｔ ｗｈｅｎ ｈｔｅ ｓｔｅｅｌ ｆｉｂｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｓ １．２％ａｎｄ ｅｘｐａｎｓｉｖｅ ａｇｅｎｔ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｓ ８％．Ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｉｎｄｅｘ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｌｏａｄｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ａｒｅ ｂｏｔｈ ｂｉｇｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｉｄｅａｌ ｅｌａｓｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｅｘｐａｎｓｉｖｅ ａｇｅｎｔ；Ｓｔｅｅｌ ｉｆｂｅｒ；Ｓｈｒｉｎｋａｇｅ—ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｓｔｅｅｌ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｓｈｏｔｃｒｅｔｅ；Ｆｌｅｘｕｒａｌ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ 中图分类号：ＴＵ５２８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—４６３７（２０１２）０２—４５—０４ ０前言 为深入的研究，但对于喷射补偿收缩钢纤维混凝土 在煤矿建设与支护中，喷射混凝土是一种应用 这种新型复合材料的研究却很少见。本课题组崔朋 很多的材料。普通混凝土的脆性显著，安全性低，为 勃得出嘲，与膨胀剂掺量为０、６％、８％、１０％的喷射补 克服这一缺点，在深部软岩巷道支护中，钢纤维混 偿收缩混凝土相比，钢纤维掺量为１．２％的喷射补偿 凝土的应用广泛［１］。利用现代喷射技术，在普通喷射 收缩钢纤维混凝土２８ｄ劈裂抗拉强度分别提高了 混凝土中掺入适量的钢纤维，用膨胀剂等量取代水 ３２．８％、３７．０％、６３．１％和５６．６％。说明这种新型建筑 泥，利用物理化学共同作用，可避免或减少开裂，使 复合材料的基本力学性能良好，但为了更好地应用 混凝土的破坏模式由脆性转为延性囱。 于实际工程中，需要从韧性的角度对其继续做较为 钢纤维喷射混凝土的韧性是指钢纤维喷混凝 深入的研究。因此，本文以喷射素混凝土为基体，掺 土在承载过程中承受变形的能力，亦即材料开裂产 入膨胀剂和钢纤维制成喷射补偿收缩钢纤维混凝 生较大变形的仍可保持材料强度不明显降低，这是 土，研究了膨胀剂和钢纤维的复合效应对混凝土弯 钢纤维喷混凝土的一个重要特性［３】。但评价弯曲韧 曲韧性的影响，为其在煤矿巷道工程应用提供理论 性的方法并没有统一的标准，目前最具代表性的方 基础。 法是美国的ＡＳＴＭ Ｃ１０１８韧度指数法，我国在ＪＧＪ／Ｔ １ 试验概况 ２２１—２０１０｛纤维混凝土应用技术规程》中所采用的 １．１ 原材料 弯曲韧度指数法即是以此为基础的。马芹永等［４１在 水泥：Ｐ・０ ４２．５级普通硅酸盐水泥 早龄期钢纤维混凝土弯曲韧性试验与分析中得出， 细骨料：中砂 随着钢纤维掺量的增加，韧性指数及剩余强度系数 粗骨料：粒径为５－１０ｍｍ的碎石 有较大提高；赵顺波等［５Ｊ对高强钢纤维混凝土的弯 速凝剂：淮南某厂产Ｄ型速凝剂 曲韧性进行了研究，认为带弯钩的弓形钢纤维与混 膨胀剂：天津某公司产ＨＣＳＡ高性能？昆凝土膨 凝土基体有更好的粘结锚固作用，增强增韧效果非 胀剂 常明显。国内外虽对钢纤维混凝土的弯曲韧性有较 钢纤维：上海某厂生产的剪切端钩型钢纤维， 基金项目：高校博士学科点专项基金（２００９３４１５１１０００１）；安 长径比４５，长２５ｍｍ，抗拉强度大于８００ＭＰａ 徽省高校省级自然科学研究项目（ＫＪ２０１０Ａ１０３）。 水：日常饮用水 —．４５—． ２０１２年第２期 混凝土与水泥制品 总第１９０期 １．２配合比设计 根据试验研究目的进行正交试验。混凝土强度 按Ｃ３０进行设计，水灰比采用０．４８，砂率取４５％，基 准配合比如表１所示。 表１混凝土基准配合比 ｋｒＣｍ。 其中，钢纤维采用外掺法，体积掺量为０、１．２％； Ｄ型速凝剂和ＨＣＳＡ膨胀剂均采用内掺法，即速凝 剂等量取代水泥２％，膨胀剂等量取代水泥０、６％、 ８％、１０％。 １．３试验方法 依据ＪＧＪ／Ｔ ２２１—２０１０［７１，本试验采用尺寸为 １００ｍｍｘ１００ｍｍｘ４ＯＯｍｍ的小梁试件，跨度为３００ ｌｎｍ，每组４根，共６４个试件。混合料经搅拌、振捣成 型后，放人标准养护室内养护７ｄ、２８ｄ，试验前１ｄ拿 出试件进行弯曲韧性测试。仪器采用ＷＡＷ一６００型 ｚ 挺 微机控制电液伺服万能试验机，位移闭环控制，速 ６ ４ ２ Ｏ ８ ６ ４ ２ Ｏ 率取０．０５￣０．１ｍｍ／ｍｉｎ，一次加载时间至少为１５ｍｉｎ， 采用三分点加载，加载示意图如图１所示。 图１弯曲韧性试验不意图 ２试验结果与分析 ２．１荷载一挠度曲线 图２为钢纤维体积率为１．２％时，掺入０、６％、 ８％、１０％膨胀剂的喷射补偿收缩钢纤维混凝土弯曲 韧性试验中的荷载一挠度曲线。钢纤维体积率为０ 时的喷射补偿收缩混凝土的荷载一挠度曲线未列 出，是因为其破坏模式体现为一裂即断，如图３（ａ） 所示。 从图２中可以看出，单掺钢纤维已使普通混凝 土由脆性转为延性，这是因为钢纤维在混凝中形成 均匀的三维约束，对混凝土有增强增韧和阻裂的效 —．４６—． ０ Ｕ．５ １．Ｕ １．５ ２．０ 挠度／ａｒｍ 图２荷载一挠度曲线 应，但其强度并不高，从第一峰值到第二峰值的过 程缓慢，承载力不高，韧性也不显著，且试验破坏现 象表现为钢纤维拔出，说明钢纤维与混凝土基体的 粘结力不好。双掺钢纤维和膨胀剂的情况下，当膨 胀剂掺量为６％时，喷射补偿收缩钢纤维混凝土的 抗弯极限荷载提高，第一峰值后承载力下降幅度不 大，韧性也有一定程度的提高，但在承受荷载的后 期，荷载一挠度曲线不饱满，说明少量的膨胀剂所充 当的粘结剂并不能使钢纤维与基体有很好的粘结 力。当膨胀剂掺量为８％时，混凝土的抗弯极限荷载 和初裂荷载均有很大程度的提高，在承受荷载的过 程中，韧性显著提高，混凝土宏观裂缝出现后，承载 力下降幅度较小，从破坏形态来看【图３（ｂ）】，混凝土 延性较好，在破坏前有一定的预兆，从曲线３可以 看出，荷载一挠度曲线饱满，此时，混凝土的变形和 强度同步发展，膨胀剂和钢纤维的复合效应达到了 最佳状态旧。当膨胀剂掺量为１０％时，喷射补偿收缩 钢纤维混凝土的抗弯极限荷载明显降低，自从混凝 土由微观裂缝转为宏观裂缝，混凝土裂缝宽度迅速 增大，承受荷载的能力逐渐下降，这是因为膨胀剂 经水化后产生的膨胀源过多，块体过大，非但混凝 土原有的裂缝、孑Ｌ洞中未填实，反而在缺陷处产生 过大的膨胀压，使裂缝更为迅速的延伸，混凝土结 构内部缺陷过多，表现出一定的脆性，弯曲韧性很 低，且从断裂面可以观察到小部分颜色较深、纤维 （ａ）普通喷射补偿收缩混凝土 （ｂ）钢纤维喷射补偿收缩混凝土 图３弯曲韧性试验破坏模式对比 赵晓晶，马芹永 钢纤维和膨胀剂复合效应对喷射混凝土弯曲韧性的影响分析 结团、孔洞大且多的现象。 根据美国ＡＳＴＭ Ｃ１０１８韧度指数法嘲，对于理 ２．２弯曲韧度指数和承载能力变化系数 想弹性材料，弯曲韧性指数Ｉｓ、Ｉｌｏ Ｉ加、Ｉ３０分别为５、 根据ＪＧＪ仃２２１—２０１０￣ｎ和ＣＥＣＳ ３８：２００４《纤 １０、２０、３０。根据弯曲韧性指数的计算方法，喷射素 维混凝土结构技术规程》［３］计算得出的喷射钢纤维 混凝土和喷射补偿收缩混凝土的Ｉ５＝Ｉ。０：＝Ｉ２０＝Ｉ３０＝１。由 混凝土和喷射补偿收缩钢纤维混凝土的弯曲韧性 表２和表３可以看出，以喷射钢纤维混凝土为基 各参数如表２和表３所示。 体，当掺人一定量的膨胀剂时。，可提高混凝土的弯 表２膨胀剂和钢纤维共同作用下混凝土弯曲韧性各参数（７ｄ龄期） 注：表中仅列出各参数的平均值；ＰＧ一１代表喷射钢纤维混凝土，其中，钢纤维体积率为１．２％，膨胀剂掺量为０；ＰＢＧ代表钢 纤维体积率为１．２％的喷射补偿收缩钢纤维混凝土，其中，ＰＢＧ一１的膨胀剂掺量为６％，ＰＢＧ一２的膨胀剂掺量为８％，ＰＢＧ一３的 膨胀剂掺量为ｌＯ％。 表３膨胀剂和钢纤维共同作用下混凝土弯曲韧性各参数（２８ｄ龄期） 注：同表２。 曲韧性指数。膨胀剂掺量为８％时，各弯曲韧性指数 均大于理想弹性材料的相应值，而其余各量都有低 Ｚ 于此值的现象。以普通混凝土为参照，标养２８ｄ后， 糖 Ｉ５、Ｉｉ０、１２ｏ、Ｉ３０分别提高了５１％ｏ、９８．６‰、１９２．２％ｏ和 醛 辎 ３０１．６％０，韧性表现的相当明显。对于理想弹性材料， 静 其承载能力变化系数 ｌ，适量的膨胀剂可以提高 混凝土的承载能力变化系数。表中得出，７ｄ龄期的 混凝土，考 一般在０．２５～１．０２之间变化，２８ｄ龄期 的考 ，３ｏ． 一般为０．３９￣１．１０，均小于毫ｍ．５． 和￣ｍ，１０． 的 图４抗弯极限荷载和膨胀剂掺量的关系 变化范围，说明随着荷载强度的增大，混凝土后期 的承载能力下降，并逐渐接近于破坏。混凝土养护 ７ｄ后，膨胀剂掺量从０增加到８％，弯曲韧度比由 ０．６９增大到０．９３，提高了３４．７８％；混凝土养护２８ｄ ｌ ● 后，膨胀剂掺量从０增加到１０％，弯曲韧度比则下 犀 降了３２．３５％。综合弯曲韧性各参数，喷射补偿收缩 屦 钢纤维混凝土的最佳匹配掺量是１．２％的钢纤维和 ８％的膨胀剂。 ２．３极限荷载和初裂韧性 图４和图５分别为各类型喷射混凝土的７ｄ、 ２８ｄ抗弯极限荷载和初裂韧性与膨胀剂掺量的关系 图５初裂韧性和膨胀剂掺量的关系 ——４７—— ２０１２年第２期 曲线。 混凝土与水泥制品 总第１９０期 （１）单掺膨胀剂的喷射混凝土和素混凝土一样 具有很大的脆性，但适量掺入膨胀剂可以提高混凝 土的极限抗弯强度；单掺钢纤维的混凝土虽有一定 的延性，但其韧性并不高，且部分钢纤维拔出使混 凝土破坏，说明钢纤维本身的性质是其对喷射钢纤 维混凝土增强增韧的一个重要因素，但钢纤维与混 凝土基体之间的粘结与强度具有一定的匹配关系。 （２）钢纤维和膨胀剂的复合效应使得喷射混凝 从图４、图５的１、２曲线可以看出，在钢纤维掺 量一定的条件下，喷射补偿收缩钢纤维混凝土７ｄ、 ２８ｄ抗弯极限荷载和初裂韧性与膨胀剂掺量的关系 趋势体现了一致性。随着膨胀剂掺量的增加，抗弯 极限荷载和初裂韧性均是先增大后减小。相对于喷 射素混凝土，喷射补偿收缩钢纤维混凝土的７ｄ、２８ｄ 极限抗弯强度最大，能够提高２９．２７％、１７．０５％；相对 于喷射钢纤维混凝土，膨胀剂掺量为８％的喷射补 土的弯曲韧度指数均大于理想弹性材料各数值，承 偿收缩钢纤维混凝土养护７ｄ后的抗弯极限荷载增 加了７．５６％，２８ｄ增加了９．３３％；７ｄ、２８ｄ的初裂韧性 分别提高了９．９１％、１３．８９％。由图可见，在膨胀剂掺 量为８％时，抗弯极限荷载和初裂韧性达到峰值。 从图４中的３、４曲线可以看出，掺人一定量 （６％）的膨胀剂可以使普通混凝土的强度提高，７ｄ、 ２８ｄ极限抗弯强度最大能够提高７．７３％和３．２８％。众 所周知，水泥在水化硬化时能够生成一种名为水化 硅酸钙凝胶（Ｃ—Ｓ—Ｈ）的物质，其结晶不完整，且排列 错综复杂，形成蜂窝型的网状结构。在膨胀剂掺量 合适的条件下，水化过程中形成的钙矾石能够切断 和堵塞毛细孔缝，降低总孔隙率，使混凝土更加密 实，从而提高混凝土的强度。但当膨胀剂掺量过大 （１０％）时，喷射补偿收缩混凝土的抗弯极限荷载出 现了急剧下降的现象。这是因为掺量过大时，膨胀 剂经水化硬化后产生大量的Ｃａ（ＯＨ）：等结晶体，在 混凝土中局部聚集，使该部分应力过大而产生膨胀 开裂，无法起到对混凝土补偿收缩的作用。 可见，混凝土基体中约束力的存在直接影响着 膨胀剂作用效果的发挥。喷射补偿收缩钢纤维混凝 土中，膨胀剂充当粘结剂的角色，钢纤维有微筋的 作用。单掺膨胀剂时，混凝土强度提高并不明显，且 依旧一裂即断。单掺钢纤维时，虽对强度有一定的 提高也使得混凝土有一定的韧性，但提高并不显 著。双掺膨胀剂和钢纤维时，钢纤维在混凝土基体 中的三维约束了混凝土的膨胀和收缩，其乱向 分布的特性又能有效阻止裂缝的继续延伸和新裂 缝的形成。由以上分析也可看出，钢纤维的最大作 用不在于对混凝土的极限强度有很大的提高，最重 要的在于其对混凝土有明显的增韧作用，而膨胀剂 水化后会在混凝土基体中形成微膨胀，有效地补偿 了收缩，使钢纤维与基体之间的粘结力提高，而钢 纤维又对膨胀剂的微膨胀有一定的约束，两者取长 补短、相辅相成，使得喷射补偿收缩钢纤维混凝土 的弯曲韧性各性能均比普通混凝土优越。 ３结论 —．４８—— 载能力显著提高。当膨胀剂掺量为８％时，养护７ｄ 后，喷射补偿收缩钢纤维混凝土的弯曲韧度提高了 ３４．７８％，且荷载一挠度曲线饱满；但继续增加膨胀剂 的量，则使混凝土的弯曲韧度呈下降趋势。 （３）在混凝中掺人适量的钢纤维和膨胀剂，对 其抗弯极限荷载、初裂韧性和弯曲韧度比的提高较 为明显，荷载一挠度曲线最饱满。当钢纤维和膨胀剂 的掺量分别为１．２％和８％时，喷射补偿收缩钢纤维 混凝土养护２８ｄ后，其抗弯极限荷载和初裂韧性分 别提高了９．３３％、１３．８９％。在基本力学性能优良的基 础上，证实其弯曲韧性性能优越，如在煤矿建设与 支护中应用，可提高安全系数。 参考文献： ［１］马芹永，葛祥．钢纤维混凝土及其在矿山上的应用［Ｊ］．东 北煤炭技术，１９９９（１）：２７～２９． 【２Ｊ Ｗｅｉ Ｓｕｎ，Ｈｕｉｓｕ Ｃｈｅｎ，Ｘｉｎ Ｌｕｏ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｈｙｂｒｉｄ ｉｆｂｅｒｓ ａｎｄ ｅｘｐａｎｓｉｖｅ ａｇｅｎｔ ｏｉｌ ｔｈｅ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ａｎｄ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．Ｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， ２００１（３１）：５９５—６０１． ［３］中国工程建设标准化协会标准．纤维混凝土结构技术规 程（ＣＥＣＳ３８：２００４）［Ｓ］． ［４］马芹永，袁文华，付传清，等．早龄期钢纤维混凝土弯曲韧 性试验与分析【Ｊ１．特种结构，２００９，２６（４）：５３－５５． ［５】赵顺波，孙晓燕，李长永，等．高强钢纤维混凝土弯曲韧性 试验研究［Ｊ】．建筑材料学报，２００３，６（１）：９５—９９． ［６］崔朋勃，马芹永．膨胀剂对喷射补偿收缩钢纤维混凝土力 学性能的影响ＩＪ１．混凝土与水泥制品，２ＯＬＯ（５）：４５—４７． 【７】中国工程建设标准化．纤维混凝土应用技术规程（ＪＧＪ／Ｔ ２２１－２０１０）【ｓ】． ［８】ＡＳＴＭ Ｃ１０１８－８５．Ｓｔａｎｄａｒｄ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ａｎｄ ｆｉｓｒｔ—ｃｒａｃｋ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｅｏｎｅｒｅｔｅ （ｕｓｉｎｇ ｂｅａｍ ｗｉｔｈ ｔｈｉｒｄ ｐｏｉｎｔ ｌｏａｄｉｎｇ）［Ｓ］． 收稿日期：２０１１－１２－２８ 作者简介：赵晓晶（１９８５一）女，硕士研究生。 通讯地址：安徽理工大学土木建筑学院 联系电话：１５１５６６４Ｏ８６５ Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｊｚｈａｏ＠ａｕｓｔ．ｅｄｕ．ｏｎ
