纤维增强混凝土.ppt
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1、纤维增强混凝土,黄政宇,纤维增强混凝土的定义,以水泥浆、砂浆或混凝土为基材,以金属纤维、无机纤维或有机纤维为增强材料组成的一种复合材料。,水泥混凝土的特点,优点 就地取材、价格便宜 可塑性好、易于成型 抗压强度高、耐久性好缺点 抗拉强度低、脆性大 受拉变形能力小、易开裂,纤维在纤维混凝土中的作用,限制在外力作用下混凝土中裂缝的扩展:在受荷初期,混凝土与纤维共同承受外力,而混凝土是外力的主要承担者着;当基体(混凝土)发生开裂后,横跨裂缝的纤维成为外力的主要承担者。若纤维的体积掺量超过某一临界值,纤维混凝土可继续承受较高的荷载,并产生较大的变形,直到纤维被拉断或从基体中拔出,纤维混凝土破坏。,纤维
2、混凝土的特点,与普通混凝土相比,纤维混凝土具有如下特点:1、较高的抗拉和抗弯极限强度。2、较大的极限变形,抗裂性能显著改善;3、韧性和抗冲击性能大幅度提高;4、抗疲劳性能大幅度提高。,纤维混凝土中常用的纤维,按纤维种类:金属纤维:钢纤维和不锈钢纤维等 无机纤维:耐碱玻璃纤维、碳纤维和天然矿物纤维等 有机纤维:聚乙烯醇纤维(维纶PVA)、聚丙烯纤维(丙纶PP)、聚丙烯腈纤维(腈纶PAN)和芳族聚酰胺纤维(芳纶Kevlar)等。,按弹性模量:高弹性模量纤维:弹性模量高于混凝土的纤维,如钢纤维、碳纤维和玻璃纤维等;低弹性模量纤维:弹性模量低于混凝土的纤维,如聚丙烯纤维、天然植物纤维等。按纤维长度:非
3、连续的短纤维和连续的长纤维。,纤维混凝土的发展历史,公元前2500年左右,芬兰人曾用石棉纤维增强陶瓷。1910年H.F.Porter提出掺用短钢纤维提高水泥混凝土的抗拉性能的想法。1963年J.P.Romualdi和G.B.Batson发表有关纤维水泥混凝土的一系列研究成果。,20世纪70年代,美国Battelle公司开发了熔抽技术,降低了钢纤维的价格,为钢纤维混凝土的实际应用创造了条件。20世纪7080年代,钢纤维混凝土开始广泛应用,芳纶(Kevlar)纤维和改性晴纶等有机纤维开始在水泥砂浆和混凝土中应用。其他纤维在水泥混凝土中的应用也有较大进展。,我国纤维混凝土的发展,20世纪70年代,开
4、始钢纤维混凝土的研究;90年代前后,编制并颁布了钢纤维混凝土试验方法(CECS13:89)和钢纤维混凝土结构设计与施工规程(CECS38:93),近十几年的发展异常迅速,广泛应用于公路路面、机场道面、桥面铺装、结构构件等结构中。20世纪90年代末,开始有机纤维混凝土的研究,近年也已有相当应用。,第一篇钢纤维混凝土,钢纤维混凝土的基本特性,钢纤维混凝土的力学性能:一、抗压性能 当钢纤维掺量较低(2%)时,钢纤维对提高普通混凝土的抗压强度不显著,抗压强度的提高在20%以内;但抗压韧性却大幅度提高,受压极限应变增加,下降段的残余强度提高。,钢纤维掺量对钢纤维混凝土轴向应力-轴向应变曲线的影响,钢纤维
5、混凝土单轴压缩应力-应变典型曲线,钢纤维掺量对钢纤维混凝土单轴抗压性能的影响如下:1、随着钢纤维掺量的增加,钢纤维混凝土单轴压缩情况下的不连续点强度、临界应力、极限应力以及临界剪切点强度均得到不同程度的提高;2、随着钢纤维掺量的增加,钢纤维混凝土单轴压缩情况下与极限应力对应的极限应变以及临界剪切点的应变均得到提高 3、随着钢纤维掺量的增加,钢纤维混凝土单轴压缩情况下的应力-应变曲线的下降段变得更加平缓,残余强度提高。,二、抗拉性能 钢纤维的掺入对钢纤维混凝土的抗拉性能有明显的改善,拉伸峰值应力可提高40%,拉伸峰值应变可提高100%,也就是说钢纤维的掺入对变形的影响要比对强度的影响大约大2倍。
6、另外,钢纤维的掺入对钢纤维混凝土拉伸应力-应变曲线软化段的影响尤其显著,并且钢纤维对抗拉性能的改善效果要比对抗压性能的影响大。,CF45钢纤维混凝土拉伸应力应变曲线,CF50钢纤维混凝土拉伸应力-应变曲线,钢纤维混凝土拉伸峰值应力和峰值应变,钢纤维掺量对劈拉强度的影响,钢纤维混凝土的劈拉强度与纤维直径、纤维长径比、基材质量以及纤维掺量有关,随着纤维掺量的增加而提高。同时随着纤维混凝土等级的提高,劈拉强度提高的幅度加大。,三、抗剪强度 钢纤维混凝土制成受弯构件,更能充分发挥纤维在混凝土中的作用。钢纤维混凝土的抗剪强度随着纤维掺量的增加而提高。同样随着钢纤维混凝土强度的提高,抗剪强度提高幅度加大。
7、,钢纤维掺量对抗剪强度的影响,四、抗弯强度 钢纤维混凝土的抗弯强度,随着纤维掺量的增加而提高。钢纤维混凝土等级提高,使抗弯强度提高越明显。,钢纤维掺量对抗弯强度的影响,钢纤维混凝土抗弯挠度与荷载变化曲线,钢纤维混凝土受弯破坏过程可分为三个阶段:1、当荷载从零增加到初裂时,荷载与变形基本成线性增加。2、从初裂荷载继续增加到极限荷载时,钢纤维通过界面粘结力横贯裂缝传递内力,使钢纤维混凝土仍能继续承载。3、当荷载继续增加到破坏,此时钢纤维与混凝土的界面粘结力被破坏,钢纤维从基材中拔出,吸收大量能量。,钢纤维混凝土韧性指数比较,钢纤维混凝土的力学性能比较,钢纤维混凝土主要力学性能增长情况,五、钢纤维混
8、凝土的抗冲击性能 钢纤维混凝土能提高冲击性能。当钢纤维掺量为体积的1%时,终裂时冲击次数是素混凝土的4倍。钢纤维掺量为2%时,终裂抗冲击次数为普通混凝土的12倍。钢纤维混凝土的耐冲击性能随着纤维掺量的增加而大幅度提高。此外,钢纤维混凝土具有受冲击裂而不碎的良好性能。,六、钢纤维混凝土的疲劳性能 1、单轴受压疲劳 a、钢纤维混凝土的疲劳变形及疲劳损伤特性得到显著改善,疲劳寿命约提高20%左右;b、基材混凝土强度等级对钢纤维混凝土的疲劳变形及疲劳损伤影响不明显。c、随着钢纤维掺量的增加,钢纤维混凝土的疲劳性能得到了改善。,2、弯曲疲劳 a、钢纤维明显改善了混凝土的弯曲疲劳性能。b、当疲劳应力比为0
9、.7时,对钢纤维掺量1%的钢纤维混凝土,寿命可延长1.2倍。当钢纤维掺量为 1.5%时,疲劳寿命可延长6.5 倍。,七、钢纤维混凝土的受压弹性模量 混凝土的弹性模量取决于混凝土集料的体积、种类、以及配合比。钢纤维混凝土中的纤维占有的体积较小,一般对弹性模量影响不大。,八、收缩与徐变 钢纤维混凝土的收缩和徐变值都低于相同配合比的普通混凝土。,钢纤维混凝土与普通混凝土的收缩变形曲线,钢纤维混凝土与普通混凝土徐变值比较,钢纤维混凝土的原材料,水泥 可采用硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣硅酸盐水泥等通用水泥;也可采用快硬水泥、膨胀水泥、硫铝酸盐水泥等专用水泥和特性水泥。骨料 细骨料:宜用中偏粗砂,不得使用海
10、砂,也 不得掺加氯盐及氯盐类早强剂、防冻剂。粗骨料:可用质量符合要求的卵石和碎石,粗骨料的最大粒径不宜大于20mm和钢纤维长 度的2/3。,外加剂 钢纤维混凝土宜选用优质的高效减水剂,对抗冻性有要求的钢纤维混凝土宜选用引气型减水剂。常用的高效减水剂有多环芳香族磺酸盐类减水剂、水溶性树脂类减水剂和聚羧酸类减水剂。常用的引气剂有松香热聚物、松香皂和烷基苯磺酸盐。,常用的高效减水剂 1、多环芳香族磺酸盐系减水剂。此类减水剂的主要成分为萘或萘的同系物的磺酸盐与甲醛的缩合物,故又称萘系减水剂。2、水溶性树脂类减水剂 此类减水剂是以一些水溶性树脂为主要原料的减水剂,如三聚氰胺树脂,古玛隆树脂等。,3、聚羧
11、酸类减水剂 它是通过不饱和单体(不饱和酸、聚苯乙烯磺酸盐和甲基丙烯酸盐等)在引发剂作用下共聚,将带活性基团的侧链接枝到聚合物的主链上而获得的一类减水剂。,常用的引气剂 松香热聚物:它是松香与石炭酸、硫酸、氢氧化钠以一定配比经加热缩聚而成,适宜掺量为水泥质量的 0.005%0.02%。松香皂:它是由松香经氢氧化钠皂化而成,掺量为水泥质量的0.005%0.01%。,掺和料 钢纤维混凝土中掺入优质的掺合料,如硅灰、优质粉煤灰、磨细矿渣等,可显著改善混凝土的抗侵蚀性(如抗海水侵蚀、酸雨侵蚀、硫酸盐侵蚀及除冰盐侵蚀等)和耐磨性。,粉煤灰 粉煤灰是由燃烧煤粉的锅炉烟气中收集到的细粉末,其颗粒多呈球形,表面
12、光滑。根据氧化钙含量,粉煤灰有高钙粉煤灰(CaO 10%)和低钙粉煤灰(CaO 10%)低钙粉煤灰的来源广泛,是当前用量最大、使用范围最广的混凝土掺合料。掺入混凝土中不仅可以节约水泥,还能改善混凝土拌合物的和易性、可泵性和抹面性,降低水化热,提高混凝土的抗渗性、抗硫酸盐腐蚀性,抑制碱骨料反应。,粉煤灰质量指标与等级(GB 1596-91),磨细矿渣 将粒化高炉矿渣经干燥、磨细达到相当细度且符合相应活性指数的粉状材料,其细度大于350m2/kg,一般为400600 m2/kg。作为混凝土的掺合料,粒化高炉矿渣粉根据细度、活性指数和流动性比,分为S105,S95和S75三个级别。粒化高炉矿渣粉可以
13、等量取代水泥,并降低水化热、提高抗渗性和耐蚀性、抑制碱骨料反应和提高长期强度等。,硅灰 硅灰又称硅粉,是从生产硅铁或硅钢时排放的烟气中收集到的颗粒极细的烟尘,呈玻璃球状,其粒径为0.11.0m,是水泥粒径的1/501/100,比表面积为18.520m2/g。由于比表面积高,需水量大,作为混凝土掺合料,必须与减水剂配合使用,才能保证混凝土的和易性。硅灰具有很高的火山灰活性,可配置高强、超高强混凝土,掺量一般为水泥用量的5%10%,在配制超高强混凝土时,掺量可达20%30%。硅灰用作混凝土掺合料,可提高混凝土强度,改善混凝土的孔结构,提高混凝土抗渗性、抗冻性及抗腐蚀性,抑制碱骨料反应。,钢纤维按其
14、制造方式分切断钢纤维、切削钢纤维、剪切钢纤维和熔抽钢纤维四种:1、切断钢纤维:切断钢纤维的截面有圆形或长方形。切断钢纤维是将冷拔至一定直径的钢丝按一定长度切断而成。这种纤维的抗拉强度很高,一般为10002000MPa,因较平直光滑,故与混凝土的粘结强度较低。为克服上述缺陷,可对纤维表面进行变形处理,有的加工成大头纤维或弯钩纤维。,2、切削钢纤维 切削钢纤维是由厚钢板或钢锭,用旋转的平铣刀切削而成。在切削过程中,纤维产生较大的塑性变形,其断面呈现三角形,强度比原材料有很大提高,与混凝土的粘结强度也有所增加。,3、剪切钢纤维 剪切钢纤维是将一定厚度的带钢,用旋转切削的刀具,将带钢剪切扭曲成矩形断面
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