第15卷第6期 2 0 1 7年1 2月 水利与建筑工程学报 er Resources andArchitectural Journal of WatV01.15 No.6 Dec.,2017 DOI:10.3969/j.issn.1672—1144.2017.06.012 基于欧洲规范的钢纤维陶粒混凝土 力学性能试验研究 杨芳芳,庄一舟,张彬彬 (福州大学土木工程学院,福建福州3501o8) 摘要:在欧洲规范CEB—FIP Model Code 1990可计算出普通混凝土任意龄期的抗压强度、劈拉强度与 弹性模量的基础上,通过测试不同钢纤维掺量的陶粒混凝土在不同龄期(1 d,2 d.3 d,5 d,7 d、14 d、28 d) 时的抗压强度、劈拉强度和弹性模量,并与理论值作对比,验证现有欧洲规范对钢纤维陶粒混凝土力学 性能随龄期发展规律预测的适用性和准确性。研究表明:欧洲规范对钢纤维陶粒混凝土力学性能随龄 期发展规律在最初的5 d或3 d并不适用;采用1 d、28 d抗压强度、劈拉强度与弹性模量计算其他各龄期 的抗压强度、劈拉强度与弹性模量小于采用7 d、28 d抗压强度、劈拉强度与弹性模量计算得到的相对误 差的最大值。建议采用1 d、28 d的抗压强度、劈拉强度和弹性模量计算掺钢纤维的陶粒混凝土任意龄 期的抗压强度、劈拉强度与弹性模量。 关键词:钢纤维陶粒混凝土;力学性能;发展规律;欧洲规范 中图分类号:TU528.572 文献标识码:A 文章编号:1672一l144(2017)06—0o57—07 Development of Mechanical Properties of Steel Fiber Reinforced Ceramsite Concrete Based on Eurocode YANG Fangfang,ZHUANG Yizhou,ZHANG Binbin (College ofCivil and Architectural Engineering,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian 350108,Ch/na) Abstract:In CEB—FIP Model Code 1990,the compressive strength,splitting strength and modulus of elasticity of 7 d and 28 d can be used to calculate the compressive strength,splitting strength nd amodulus of elasticiy tat ny aage.In this paper,the compressive strength,splitting tensile strength and elstaic modulus of different steel fiber content of eeramsite concrete at diferent ages(1 d,2 d,3 d,5 d,7 d,14 d,28 d)iS tested and compared with the tl1eoretical value to verify the applicability and accuracy of he prediction of tmechanical properties of steel fier rbeinforced ceramsite concrete. The results show that development of the mechanical properties of steel fiber reinforced eemmsite concrete are not applica. ble f0lr the ifrst 5 or 3 days in European code;when calculating compressive stengtrh.splitting tensile strength and elstaic modulus of other age with compressive stren ,which is less than that of 7 d,28 d.The compressive strength,splitting tensile strength and elastic modulus of 1 d and 28 d are recommended to calculate the compressive strength,splitting ten- sile strength and modulus of elasticity at any age. Keywords:steel fiber reinforced ceramsite concrete;mechanical properties;development;European code 轻骨料混凝土由于其优良的经济和技术特性, 越来越多地被应用在多种结构 。结合陶粒混凝 土的延性低于普通混凝土的现状,在陶粒混凝土中 掺人钢纤维,以增强其韧性。它集中了钢纤维混凝 土和轻骨料混凝土的优点,弥补了普通混凝土存在 的抗拉强度低和自重大等不足,其中劈拉强度、抗折 收稿日期:2017-07—07 修稿日期:2017-08-09 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51278126,51578161);福建省自然科学基金资助项目(2013J01187) 作者简介:杨芳芳(1992一),女,湖北襄阳人,硕士研究生,研究方向为超高性能混凝土。E-mmI:1436405742@qq.corn 通讯作者:庄一舟(1964一),男,加拿大人,博士,教授,主要从事无缝桥,超高性能混凝土的研究。E-mail:yizhouzhuang@qq.corn 58 水利与建筑工程学报 第15卷 强度随钢纤维掺量的增加呈现线性增长的规律[ 。 另外,混凝土早期力学性能变化快速,其强度和 弹性模量控制施工过程,决定高层结构的拆模时 间 J。因此,研究混凝土的力学性能随龄期的发展 规律,可为其结构的早期抗裂分析和裂缝控制提供 参考_4j。有学者研究了掺矿物掺合料混凝土的力学 性能随龄期的发展规律,试验结果表明,前3 d的强 度提高幅度远高于3 d~7 d,早期强度对后期强度 及耐久性都有重要的影响_5]。目前,一般以某一龄 期的力学性能作为混凝土力学性能的设计或评定指 标,如文献[6]将三种不同的钢纤维混凝土龄期在 28 d时的抗压强度、抗弯强度、劈裂抗拉强度和弹性 模量作为检验湿润一干燥环境养护与标准条件养护 的混凝土是否有增强趋势的指标。文献[7]将28 d 抗压强度作为轻骨料混凝土随钢纤维掺量变化影响 的指标,或仅仅以少数几个龄期的力学性能表征混 凝土力学性能随龄期的整个变化。陈宗平等 J研究 了15 d、30 d再生混凝土的三轴受压力学性能在不 同围压值下峰值应力变化趋势,并参照了CEB—HP (1990)方法得出的理论值与实测值吻合较好。对能 准确描述混凝土力学性能随龄期的发展规律和预测 方法却缺乏研究。欧洲规范 J(CEB—FIP Model Code 199o)给出了适用于普通混凝土力学性能随龄 期发展的计算公式,但是否适合于钢纤维陶粒混凝 土,其精度如何,有待验证。 此文以钢纤维陶粒混凝土为对象,通过测试不 同钢纤维掺量、不同龄期陶粒混凝土的抗压强度、抗 拉强度和弹性模量,验证欧洲规范是否适用于计算 和预测钢纤维陶粒混凝土力学性能随龄期发展规 律,并决定采用哪两个(7 d和28 d或1 d和28 d)龄 期值能更好地预测其发展规律。 1试验过程 1.1原材料 水泥:福建炼石牌42.5R普通硅酸盐水泥; 钢纤维:浙江海宁博恩金属制品有限公司生产 的剪切型钢纤维,其各项技术指标如表1所示; 陶粒:湖北宜昌高强页岩圆球形陶粒,各项性能 指标如表2所示; 细骨料:细度模数为2.5的中砂; 水:福州地区的自来水; 减水剂:福建建筑科学研究院生产的Tw—Js 聚羧酸高效减水剂,减水率15%一18%。 表1钢纤维性能指标 表2陶粒的各项性能指标 种类 怒 筒 吸1d水( 24 h) 宜昌圆球型 1478 850 6.1 42.5 2(4.06) 1.2陶粒混凝土配合比 陶粒混凝土的配合比如表3所示。 表3陶粒混凝土配合 匕 注: 表不钢纤维体积率。 1.3试件测试 分别用尺寸均为100 mill×100 nlln×100 rain的 试件测量钢纤维陶粒混凝土1 d,2 d、3 d、5 d,7 d、14 d、28 d的抗压强度.厂c、劈裂抗拉强度 ,和试件尺寸 为100 IlllI1×100 Bin×400 InlTl测试动弹性模量E 。 抗压强度和劈拉强度的测量参照规范《普通混凝土 力学性能试验方法标准》l1o_(GB/T 50081--2002)进 行。采用DT一15动弹模仪,按规范《普通混凝土长 期性能和耐久性能试验方法标准》_1 (GB/T 50082--2009)测量钢纤维陶粒混凝土的动弹性模 量。 2试验结果与分析 2.1钢纤维掺量对陶粒混凝土力学性能的影响 不同钢纤维掺量陶粒混凝土的抗压强度、劈拉 强度和弹性模量试验结果如表4所示。 文献[12—18 3研究得出纤维对轻骨料混凝土的 抗压强度改善并不明显,但钢纤维的掺人显著提高 了混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度。这是因为当 基体混凝土出现拉裂纹时,钢纤维能有效地阻止这 些裂纹的继续扩展,直到钢纤维被拔出后混凝土才 彻底破坏[19]。其中文献[18]掺人的是聚丙烯纤维。 该次试验的测试结果从表4中可以看出陶粒混凝土 抗压强度、劈拉强度和弹性模量的增长规律和上述 文献基本一致。 第6期 杨芳芳,等:基于欧洲规范的钢纤维陶粒混凝土力学性能试验研究 59 表4钢纤维陶粒混凝土力学性能测试结果 2.2力学性能随龄期的发展规律 2.2.1采用7 d、28 d力学性能定义的混凝土力学 性能发展系数 标准养护条件下,混凝土的抗压强度、劈拉强度 及弹性模量随龄期的发展规律只与混凝土本身特性 有关。欧洲规范l9j(CEB—FIP Model Code1990)对混 凝土力学性能随龄期发展规律的规定如下:混凝土 在龄期t时的强度与水泥品种、养护的温湿度有关。 在标准养护条件下,混凝土的力学性能随龄期的发 展规律如式(1)所示。 f(t)=Pc (t)f(28) (1) 式中:.厂(t)为混凝土在龄期t时的力学性能;厂(28) 为混凝土28 d龄期时的力学性能; (t)为混凝土 在龄期t时的力学性能发展系数。 龄期t时,混凝土力学性能发展系数 (t)可 按式(2)计算, (t)等于在龄期t时的力学性能与 28 d时的比值,如式(3)所示。 , ‘(t)=exp(c—C ̄/28/t) (2) ,r+、 (£)= (3) 式中:c为与混凝土本身性质有关的系数,与混凝土 的龄期无关。 一般仅测量混凝土7 d、28 d的力学性能,利用 混凝土7 d、28 d的抗压强度、劈拉强度和弹性模量 计算其他各龄期对应的抗压强度、劈拉强度和弹性 模量。分别把7 d、28 d对应的抗压强度、劈拉强度 和弹性模量代入到式(3)中,即可求得7 d龄期时的 力学性能发展系数 (7)、 (7)、 (7);再把 。 (7)、 (7)、 (7)代入到式(2)中,即可进一步求得 各自的C、C 、c ;把任意的龄期 及C、C 、CE代入到 式(2),即可求得任意龄期t的力学性能发展系数 (t)、 (t)、 (t),再代人到式(1),即可求得任意 龄期对应的抗压强度、劈拉强度和弹性模量。 按上述方法,求得此次试验中不同钢纤维掺量 的陶粒混凝土1 d.2 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d抗压强 度、劈拉强度和弹性模量,并把理论值与表4的实测 值对比,结果如图1~图3所示。 由7 d、28 d抗压强度、劈拉强度和弹性模量求 得的1 d,2 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d对应的抗压强 度、劈拉强度和弹性模量的理论值与实测值的最大 误差率及出现的龄期结果如表5所示。 表5采用7 d、28 d值得到理论值与实测值 误差率及出现的龄期 由图1~图3可知,由7 d、28 d抗压强度、劈拉 强度和弹性模量求得的各龄期对应的抗压强度、劈 拉强度和弹性模量,在初始的5 d龄期内,均存在一 段理论值与实测值之间相差较多的龄期,且龄期越 早误差越大,最大相对误差基本发生在1 d龄期。 对于抗压强度,1 d龄期时理论值与实测值之间的最 大相对误差达到24%;对于劈拉强度,1 d龄期时, 各组钢纤维陶粒混凝土劈拉强度的理论值与实测值 之间相对误差的最大值达到78%。且抗压强度和 劈拉强度都是在5 d龄期以后,理论值与实测值之 间较为接近,两条曲线基本重合。对于弹性模量,1 d龄期时,各组钢纤维陶粒混凝土弹性模量的理论 值与实测值之间相对误差的最大值达到25%;在3 d龄期之后,弹性模量理论值发展曲线与实测值之 间基本重合,理论值与实测值相差很小。 2.2.2采用1 d、28 d力学性能定义的力学性能发 展系数 由2.2.1节的分析可知,采用欧洲规范CEB— FIP Model Code 1990中的力学性能发展公式,由7 d、 28 d抗压强度、劈拉强度、弹性模量求得的各个龄期 水利与建筑工程学报 第l5卷 的抗压强度、劈拉强度、弹性模量的理论值与实测值 相比,在最初的5 d龄期内均存在理论值与实测值 与弹性模量,计算方法与2.2.1节相同。不同钢纤 维掺量时,各龄期钢纤维陶粒混凝土抗压强度、劈拉 误差较大的情况,故此文考虑分别采用1 d、28 d力 学性能计算钢纤维陶粒混凝土的力学性能发展系数 c、c cE,并进一步求得各龄期抗压强度、劈拉强度 "如” Ed \ 疆出 强度与弹性模量的理论值与实测值的对比结果如图 4~图6所示。 Bd \ 嘿 &苫\ 嚼 躲 母 茎 \ 鹱 0 4 8 l2 16 20 24 28 32 龄期/d (a)SF00 龄期/d fb1 SF05 暑\赵喂 遥 观 ∞" 0 4 12 16 20 24 28 龄期/d fc1 SFl0 龄期/d (d1 SF20 图1 由7 d。28 d抗压强度计算不同龄期的抗压强度理论值和实测值 日3 要 2 骥 2 龄期,d (a)SF00 龄期/d (b)SF05 0 4 8 12 l6 20 24 28 龄期/d (c)SF10 (d)SF20 图2 由7 d,28 d劈拉强度计算不同龄期的劈拉强度理论值和实测值 62 水利与建筑工程学报 第15卷 最大相对误差。对于劈拉强度,采用1 d、28 d劈拉 强度求得的各龄期劈拉强度的理论值与实测值相 比,理论值均小于或等于实测值,在龄期为3 d、5 d、 d、28 d劈拉强度计算得到的结果(相对误差最大为 78%)相比,理论值与实测值之间的最大相对误差较 小,且用1 d、28 d劈拉强度得到的理论值小于实测 值,计算结果偏于安全。对于弹性模量,采用l d、28 d弹性模量求得的各龄期弹性模量的理论值与实测 7 d时,理论值与实测值相差较多,且相对误差最大 为14%,出现在5 d龄期时。此理论计算结果与用7 西 山 舟 山 鳗 慧 0 4 8 12 16 20 24 28 龄期/d (a)SF00 fb)SF05 日 对 凸_ 苫 嘿 麓 数 躲 0 4 8 12 l6 2O 24 28 龄期,d (c、SFl0 (d1 SF20 图5 由1 d,28 d劈拉强度计算不同龄期的劈拉强度理论值和实测值 山 0 敲 0 4 8 1 2 16 20 24 28 龄期,d (a)SF00 fb、SF05 d 0 散 (c)SF10 rd、SF20 图6由1 d,28 d弹一眭模量计算不同龄期的弹性模量理论值和实测值 0\州 毒 加 拍 第6期 杨芳芳,等:基于欧洲规范的钢纤维陶粒混凝土力学性能试验研究 63 表6采用1 d、28 d值得到的最大误差率与对应的龄期 参考文献: f1]Grabois T M,Cordeiro G C,Filho R D T.Fresh and hard— ened—state properties of serf-compacting lightweight concrete reinforced with steel fibers[J].Construction&Building Ma— terials,2016,104(2):284.292. 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[3]周勇,高杰,屈文俊.混凝土早龄期力学性能的影响因 值相比,在2 d~7 d龄期内,理论值与实测值相比, 相对误差最大为8%,出现在2 d龄期,且小于用7 d、28 d弹性模量计算得到的弹性模量理论值与实测 值之间相对误差的最大值(25%)。 比较两种不同龄期(7 d和28 d或1 d和28 d) 的抗压强度、劈拉强度与弹性模量计算其他龄期的 抗压强度、劈拉强度与弹性模量,当采用7 d和28 d 时,抗压强度、劈拉强度与弹性模量的实测值均比理 论值要小,而采用1 d和28 d计算时,抗压强度的实 测值比理论值小,但是劈拉强度和弹性模量刚好相 反,其原因可能是加入的陶粒和纤维影响了系数C 值的大小。这两者的实测值大于理论值说明选用这 种计算方式可以提高其安全度。并且采用1 d和28 d的抗压强度、劈拉强度与弹性模量计算其他龄期 的抗压强度、劈拉强度与弹性模量的最大相对误差 都小于采用7 d和28 d计算的最大相对误差。建议 采用1 d、28 d抗压强度、劈拉强度与弹性模量计算 其他各龄期的抗压强度、劈拉强度与弹性模量。 3结论 (1)采用7 d、28 d的抗压强度、劈拉强度和弹 性模量计算其他各龄期对应力学性能的理论值时, 在初始的几天龄期内,均存在一段理论值与实测值 之间相差较多的龄期,并在1 d的时候达到最大,分 别为24%、78%、25%,故用7 d、28 d抗压强度、劈拉 强度、弹性模量求得各龄期对应的抗压强度、劈拉强 度、弹性模量时,对于最初的5d龄期,对钢纤维陶粒 混凝土而言并不适合。 (2)按照欧洲规范CEB—FIP Model Code 1990 的思路,采用1 d和28 d的抗压强度、劈拉强度、弹 性模量,计算其它各龄期的抗压强度、劈拉强度、弹 性模量时,理论值与实测值的相对误差分别小于或 等于15%、14%与8%,且都小于采用7 d、28 d抗压 强度、劈拉强度和弹性模量计算其他各龄期对应力 学性能的理论值与实测值之间的相对误差。所以, 对钢纤维陶粒混凝土,建议采用1 d、28 d抗压强度、 劈拉强度与弹性模量计算其他各龄期的抗压强度、 劈拉强度与弹性模量。 素[J].铁道科学与工程学报,2015,12(6):1324-1329. [4]侯景鹏,黄玉林,袁勇.高性能混凝土早龄期力学性 能试验研究[J].混凝土,2010(10):63—64. 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