何化南,秦 杰,黃承逵

(1.大連理工大學(xué)海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連116024;2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 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電站中鋼襯鋼筋混凝土壓力管道,在工作內(nèi)水壓下帶裂縫工作的外包混凝土的裂縫寬度大多都超過規(guī)定限值的現(xiàn)狀,提出將外包混凝土采用鋼纖維自應(yīng)力混凝土,通過鋼筋和鋼纖維聯(lián)合約束自應(yīng)力混凝土(具有較高膨脹能的膨脹混凝土)的膨脹變形,進(jìn)而在管道環(huán)向形成預(yù)壓應(yīng)力,提高管道的環(huán)向開裂荷載,從而可以推遲或避免管道在使用荷載下開裂。并且由于鋼纖維在混凝土開裂后參與一定受力和阻止裂縫擴(kuò)展,可以一定程度上減小了裂縫寬度,使壓力管道在正常使用情況下混凝土不開裂或開裂的裂縫很小。鋼纖維自應(yīng)力混凝土這種新型的高性能混凝土復(fù)合材料的優(yōu)良基本力學(xué)性能在已有的研究得到了驗(yàn)證。采用鋼纖維自應(yīng)力混凝土作為鋼襯鋼筋混凝土壓力管道的外包混凝土,可以明顯地改善管道的受力性能,提高管道的耐久性,是一種很有生命力的結(jié)構(gòu)形式[1～3]。

采用膨脹能力較大的自應(yīng)力水泥配制混凝土,水泥水化后混凝土膨脹,在鋼筋和鋼纖維的約束下,膨脹受到限制鋼筋受到張拉,從而在混凝土截面形成預(yù)壓應(yīng)力(又稱為自應(yīng)力),自應(yīng)力值可達(dá)3.0 MPa～6.0 MPa。就像機(jī)械張拉預(yù)應(yīng)力混凝土一樣,較小的預(yù)應(yīng)力損失或者是長期穩(wěn)定的預(yù)應(yīng)力水平是保證預(yù)應(yīng)力混凝土能夠有效地工作的重要前提,鋼纖維自應(yīng)力混凝土作為一種預(yù)應(yīng)力混凝土同樣需要長期穩(wěn)定的自應(yīng)力水平以保證結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)相符,確保結(jié)構(gòu)能正常使用。因?yàn)樵囼?yàn)周期較長,目前對鋼纖維自應(yīng)力混凝土的長期性能的研究較少,特別是對鋼纖維自應(yīng)力混凝土的膨脹變形性能隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律幾乎沒有研究,本文重點(diǎn)就是在試驗(yàn)基礎(chǔ)上討論鋼纖維自應(yīng)力混凝土的限制膨脹變形隨齡期發(fā)展?fàn)顩r,分析在整個膨脹過程中混凝土變形的發(fā)展規(guī)律。

試驗(yàn)方法為:分別對3 a齡期、5 a齡期的試件鋼纖維自應(yīng)力混凝土試件進(jìn)行了測定,給出了鋼纖維自應(yīng)力混凝土與配筋鋼纖維自應(yīng)力混凝土的長期變形性能,為此種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù),也為鋼纖維自應(yīng)力混凝土的推廣與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[4,5]。

1 3 a齡期的試件變形試驗(yàn)研究

3 a齡期的鋼纖維自應(yīng)力混凝土試件分為14組,共52個試件。試驗(yàn)從混凝土脫模后開始計(jì)算齡期,記錄了1 d～987 d試件的變形值。

表1 試驗(yàn)用綱纖維幾何參數(shù)

1.1 試件材料

水泥:石家莊市特種水泥廠生產(chǎn)的A型自應(yīng)力水泥,分3種自應(yīng)力等級為3.0級,4.0級,5.0級。

鋼纖維:鞍山產(chǎn)剪切平直型(簡稱P型),長度為32.1 mm,長徑比為53.6;上海哈瑞克斯公司產(chǎn)銑削型(簡稱H),長度為32.5mm,長徑比為34.5;上海貝卡爾特公司產(chǎn)鋼纖維(簡稱B型),長度為30.5 mm,長徑比為54。

骨料:細(xì)骨料河沙為中砂,粗骨料為石灰?guī)r碎石,粒徑5 mm～15 mm。

鋼筋:鞍山產(chǎn)Ⅱ級螺紋鋼。

水:日常飲用水。

1.2 試件尺寸

膨脹混凝土或者自應(yīng)力混凝土變形測量目前國內(nèi)外還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),本文試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×550 mm棱柱體試件。自應(yīng)力混凝土變形試件一般分為兩種:一種為不配鋼筋形式(見圖1),一種為配筋形式(見圖2)。通過測量試件兩端銅端頭之間距離的變化,來觀察試件的變形情況。對于配筋形式的試件,為使鋼筋充分發(fā)揮作用,在試件兩端用厚鋼板進(jìn)行限制,以使鋼筋的拉應(yīng)力充分傳遞到混凝土試件上。

圖1 兩端自由無配筋試件

圖2 兩端限制配筋試件

1.3 試件編號和配合比

本次試驗(yàn)考慮了鋼筋配筋率 ρs,鋼纖維體積率 ρf,以及自應(yīng)力等級3種因素對自應(yīng)力混凝土的長期變形性能的影響。參數(shù)設(shè)計(jì)包括:2種不同的配筋率0與1.13%;3種不同的自應(yīng)力等級3.0級、4.0級與5.0級;4種不同的鋼纖維體積率0、0.5%、1.5%、2.5%;4種鋼纖維類型包括P型、加長P型、B型、H型。試件具體情況見表1。試件成型后在水中養(yǎng)護(hù)至28 d,然后放置在空氣中,以考察其長期變形性能。

1.4 試件測量

試件成型24 h后脫模,開始測量,并由此計(jì)算齡期。本次試驗(yàn)的試件變形測量分為兩種,一種是沒有鋼筋限制的自由端試件,另外一種是有鋼筋約束的限制試件。對于如圖1所示的第一種試件,通過游標(biāo)卡尺直接測量兩端的膨脹伸長值;而對于圖2所示的第二種試件,采用游標(biāo)卡尺測量試件中鋼筋的伸長量,以脫模后的兩個銅觸頭間的長度作為初始長度(原長),每到一個齡期測量3次兩觸頭之間的距離,計(jì)算伸長量和伸長率,伸長率即為鋼筋的平均拉伸應(yīng)變。本文測量的鋼筋受拉后的變形或應(yīng)變,也就是通常所說的自應(yīng)力混凝土限制膨脹率εs,這是計(jì)算自應(yīng)力數(shù)值的重要前提條件。

1.5 試件結(jié)果分析

成型后,混凝土初期變形增加很大,膨脹顯著,20 d以后變形趨于穩(wěn)定,膨脹增長不再顯著,甚至部分試件出現(xiàn)變形回縮現(xiàn)象,這主要是因?yàn)榇藭r(shí)已經(jīng)在混凝土中形成了較大的自應(yīng)力,對混凝土產(chǎn)生壓縮變形,并且混凝土本身的收縮與徐變也對膨脹有所影響,但總體上這些對預(yù)應(yīng)力的損失影響不是很大。另外,從經(jīng)過3 a的自然放置后,混凝土的膨脹變形與養(yǎng)護(hù)期的變形相比,非但沒有顯著下降,說明了經(jīng)過長期的自然環(huán)境的正常使用下,鋼纖維自應(yīng)力混凝土的膨脹穩(wěn)定性是安全可靠的,自應(yīng)力水平是可以得到有效保證的。

1.5.1 鋼纖維體積率ρf為一定值,自應(yīng)力等級 λ,配筋率 ρs變化時(shí)的膨脹變形

3 a齡期的試件其配筋率只有兩種,一種是不配鋼筋的,另外一種是配筋率為1.13%。圖3為P型鋼纖維自應(yīng)力混凝土試件,在鋼纖維體積率 ρf為一定值,自應(yīng)力等級λ變化的配筋與不配筋時(shí)試件的變形曲線。從曲線中可以看出,在無鋼筋限制,鋼纖維限制也不強(qiáng)的情況下,試件的自由變形很大,變形值隨著自應(yīng)力水泥等級的提高而提高。但是當(dāng)配有鋼筋時(shí),試件的變形會顯著下降。

圖中曲線的最后一點(diǎn)就是3 a齡期時(shí)試件的變形應(yīng)變?？梢钥闯?對于使用自應(yīng)力等級達(dá)到3級以上水泥的無鋼筋限制試件,其3 a齡期時(shí)的試件沒有出現(xiàn)明顯回縮現(xiàn)象,有個別試件的變形還有少許的提高;對于有鋼筋限制的試件,大部分有少許的收縮,但是數(shù)值很小。

1.5.2 自應(yīng)力等級λ,配筋率 ρs為一定值,鋼纖維體積率ρf變化時(shí)的膨脹變形

圖4為P型鋼纖維自應(yīng)力混凝土試件,當(dāng)自應(yīng)力等級λ,配筋率ρs為一定值,鋼纖維含量ρf變化時(shí)試件的變形曲線。從圖中可以看出,對于不配筋試件,當(dāng)鋼纖維摻量增加時(shí),其變形值下降,即使摻量僅有0.5%,也可以使其變形下降50%左右,而以后隨著鋼纖維含量增加試件的變形下降量沒有這么迅速。對于配有鋼筋的試件,隨著鋼纖維含量的增加,變形減小,但是減小的幅度較小。配筋試件在3 a齡期其變形量基本與3個月左右時(shí)的變形持平。

圖3 3 a齡期鋼纖維自應(yīng)力混凝土在不同配筋率下的限制膨脹變形隨時(shí)間變化曲線

圖4 3 a齡期鋼纖維自應(yīng)力混凝土在不同鋼纖維體積率下的限制膨脹變形隨時(shí)間變化曲線

1.5.3 鋼纖維種類不同對膨脹變形的影響

圖5為配筋率為0%與配筋率為1.13%的試件變形曲線,這些試件所使用的鋼纖維種類不同,主要包括4種不同的鋼纖維。從試件的變形來看,它們之間的差別不是很大,尤其是對于有鋼筋限制的試件。

圖5 3 a齡期不同鋼纖維類型自應(yīng)力混凝土的限制膨脹變形隨時(shí)間變化曲線

2 5 a齡期的試件變形試驗(yàn)研究

5 a齡期的鋼纖維自應(yīng)力混凝土試件分為12組,共36個試件。試驗(yàn)從混凝土脫模后開始計(jì)算齡期,記錄了1 d～1 777 d試件的膨脹變形值。

2.1 試驗(yàn)材料

5 a齡期試件使用的原材料與3 a齡期使用的原材料有所不同,主要是自應(yīng)力水泥的品種不同,采用的是湖南冷水灘特種水泥廠生產(chǎn)的45 kg級硫鋁酸鹽自應(yīng)力水泥(自應(yīng)力等級為3.0級)。鋼纖維采用4種類型,分別為鞍山產(chǎn)剪切平直型(簡稱 P型)、嘉興產(chǎn)異混高強(qiáng)剪切型(簡稱 J型)、上海產(chǎn)哈瑞克斯型(簡稱H型)、比利時(shí)貝卡爾特公司產(chǎn)佳密克絲牌(高強(qiáng)鋼絲帶鉤)鋼纖維型(簡稱B型)。細(xì)骨料河砂為中砂,粗骨料碎石為石灰?guī)r,粒徑5 mm～15 mm。拌和水為日常飲用水。試件的形式和尺寸與3 a齡期試件一樣,如圖1和圖2所示。

2.2 試件編號和配合比

本次試驗(yàn)考慮了鋼筋配筋率ρs和鋼纖維體積率ρf對自應(yīng)力混凝土的長期變形性能的影響。參數(shù)設(shè)計(jì)包括:2種不同的配筋率0與1.13%;4種不同的鋼纖維體積率0、1.0%、1.5%、2.0%;4種鋼纖維類型包括P型、J型、B型、H型。試件具體情況見表2。

表2 5 a齡期試件編號與混凝土配合比

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 鋼筋配筋率ρs一定時(shí),不同鋼纖維體積率下膨脹變形隨時(shí)間變化規(guī)律

圖6為自應(yīng)力水平為3.0級時(shí),配筋與不配筋試件隨鋼纖維含量的不同試件的變形曲線。從圖中可以看出,對于不配筋試件,沒有摻鋼纖維時(shí),5 a齡期時(shí)試件的回縮量比較大;而摻有一定量鋼纖維的試件,回縮量較小。

2.3.2 不同鋼纖維類型的自應(yīng)力混凝土限制膨脹變形隨時(shí)間變化規(guī)律

圖7為摻有不同種類的鋼纖維時(shí),試件的變形曲線。從圖中可以看出,對于配有1%鋼纖維的試件,4種不同類型的鋼纖維限制效果相差不多;但是對于摻有1.5%鋼纖維的試件,可以看出有比較明顯的差別,其中哈瑞克斯(H型)限制能力最強(qiáng),而P型則較差。

3 結(jié) 論

通過本文的研究,得到如下一些結(jié)論:

(1)鋼纖維自應(yīng)力混凝土試件3 a齡期時(shí)的變形量與3個月齡期時(shí)試件的變形量相差不多,雖然配筋試件有少許的回縮,但回縮量數(shù)值很小,可以認(rèn)為鋼纖維自應(yīng)力混凝土試件的長期變形與3個月齡期時(shí)的變形量相當(dāng)。

(2)鋼纖維自應(yīng)力混凝土5 a齡期試件,當(dāng)摻有鋼纖維時(shí),無論是否配筋,其回縮量都較小;但對于不摻鋼纖維的無配筋試件,其回縮量比較大。

圖6 5 a齡期不同配筋率下鋼纖維自應(yīng)力混凝土的限制膨脹變形隨時(shí)間變化曲線

圖7 5 a齡期不同鋼纖維類型自應(yīng)力混凝土的限制膨脹變形隨時(shí)間變化

(3)鋼纖維自應(yīng)力混凝土試件的長期變形值基本維持在試件90 d左右的變形值。因此,在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可參照試件90 d左右的變形值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(4)試驗(yàn)表明,采用鋼纖維自應(yīng)力混凝土作為鋼襯鋼筋混凝土壓力管道的外包混凝土,其長期穩(wěn)定的膨脹變形為這種高性能材料性能的發(fā)揮提供了可靠的保障。

[1] 何化南,黃承逵.配筋鋼纖維自應(yīng)力混凝土抗拉強(qiáng)度計(jì)算[J].建筑材料學(xué)報(bào),2003,5(1):32-36.

[2] 戴建國.配筋鋼纖維自應(yīng)力混凝土的變形及自應(yīng)力計(jì)算理論[D].大連:大連理工大學(xué),2000.

[3] 戴建國,黃承逵.鋼纖維自應(yīng)力混凝土力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J].建筑材料學(xué)報(bào),2001,4(1):70-74.

[4] 黃承逵,何化南.大比尺鋼襯鋼纖維自應(yīng)力混凝土圓形管道在內(nèi)水壓下的性能試驗(yàn)研究[J].水利發(fā)電學(xué)報(bào),2005,24(5):43-48.

[5] 田穩(wěn)苓.鋼纖維膨脹混凝土增強(qiáng)機(jī)理及其應(yīng)用研究[D].大連:大連理工大學(xué),1998.