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层布式纤维自密实混凝土力学性能建筑工程研究

时间:2018-11-19 20:03来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇建筑工程论文,建筑工程是为人类需要服务的,所以它必然是集一定历史时期社会经济、技术和文化艺术于一体的产物,是技术、经济和艺术统一的结果。
本文是一篇建筑工程论文,建筑工程是为人类需要服务的,所以它必然是集一定历史时期社会经济、技术和文化艺术于一体的产物,是技术、经济和艺术统一的结果。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇建筑工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 研究背景
近年来,我国经济飞速发展,公路发展更是突飞猛进,截止 2017 年底,我国公路通车总里程数已超过 477 万公里,其中高速公路通车里程 13.6 万公里,均居世界第一位。公路技术等级的提高对路面整体性能提出了更高的要求。与沥青路面相比水泥混凝土路面具有很高的抗压强度,较高的抗弯强度和抗磨耗能力,水稳性和热稳性均较好,其强度随着时间的延长而提高,不存在沥青路面的“老化”现象,经久耐用,且日常养护工作量小;水泥混凝土路面色泽鲜明,能见度好,有利于夜间行车[1]。自 20 世纪 90 年代,中国修筑了大量水泥混凝土路面,普通水泥混凝土虽然具有抗压强度高、成本低、原材料来源丰富等优点,但其也有抗拉强度与抗折强度低、易收缩开裂、韧性低、抗冲击性差、自重大等缺点,应用于公路路面时因刚性过大而柔性不足、变形能力较小,历经多年的使用后,这些路面基本上都进入了大修期。由于翻修投资大,且施工周期较长,严重影响交通畅通及行车安全[2-4]。如何改善水泥混凝土的性能成为热门话题。经过研究人员的不断探索发现,在水泥混凝土中加入纤维可以改良混凝土的性能。纤维混凝土是人们在考虑如何改善混凝土脆性,提高其抗拉、抗弯、抗冲击等力学性能的基础上发展起来的[5],在 1910 年,H. F. Porter 就发表了关于短钢纤维增强混凝土的第一篇文章。由于整体式纤维混凝土在搅拌时,存在结团、不易搅拌均匀、施工困难等问题,而且纤维用量较大,造价比较高,在实际工程中很难获得大面积的推广和应用。经过大量工程实践及理论研究表明,对路面整体性能影响最大的是路面上、下表层一定范围内的混凝土,中部混凝土的作用并不是很大[6]。因此,早在 1997 年,武汉理工大学卢哲安教授等便提出一种新型的钢纤维混凝土路面结构形式——上、下层布式钢纤维混凝土(Layer Steel Fiber Reinforced Concrete,简称 LSFRC)路面结构[7]。层布式纤维混凝土(LFRC,Layered Fiber Reinforced Concrete)作为一种新型的混凝土,其以自身良好的抗弯强度、抗冲击性和韧性,获得了工程界的青睐,用这种混凝土对水泥路面进行改造不但能够延长路面的使用寿命,而且经济效益良好[2]。
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1.2 国内外研究现状
 
1.2.1 玄武岩自密实混凝土的研究现状
纤维混凝土是以水泥净浆、砂浆或混凝土为基体,以金属纤维、无肌纤维或有机纤维增强材料组成的一种水泥基复合材料。在混凝土中加入玄武岩、纤维素、聚丙烯或其他纤维制品,可改善混凝土的力学特性,增强混凝土拉伸强度、弯曲强度、冲击强度以及韧性,从而提高耐久性[8-10]。1988 年由东京大学副教授 Ozawa 首次提出了自密实混凝土的概念。自密实混凝土(Self-Compacting Concrete,简称 SCC),是指在浇筑过程中不需要振捣。而是靠混凝土自重就能完全填充至模板内任何角落的高性能混凝土,具有均匀的自密实成型性能[11,12]。具有填充性好、流动性好、抗离性优良等优点。1970 年左右美国就已经修筑了大量的纤维自密实混凝土路面,同时也将这种混凝土应用在了修建机场跑道,停机坪,超高层大体积混凝土等地方。1991 年在东京大学实验室中就有 13 家总承包公司的研究员研究自密实高性能混凝土。在 1992 年出席关于自密实混凝土的日本混凝土学会的单位增加到 30 家。国内对自密实混凝土的研究和应用始于 20 世纪 90 年代初期。1987 年教授冯乃谦提出了流态混凝土的概念,奠定了这一研究的基础。1993 年,北京城建集团构件厂对于 C60~C80 大流动性高强度混凝土的基础上开始进行了免振捣自密实高性能混凝土上的研制[13,14]。玄武岩纤维(BF,Basalt Fiber)是 1953~1954 年由前苏联与莫斯科玻璃和塑料研究院开发的无机纤维,取自天然岩石,外观呈现金褐色,是在 1450~1500℃高温环境下将玄武岩熔融,利用铂铑合金拔丝漏板拉拔而成,具有很高的热稳定性及化学稳定性,且对人体无害,是一种绿色的建筑材料[15-17]。玄武岩纤维作为一种新型的无机环保绿色材料,具有很高的韧性、耐腐蚀、耐温性和抗裂性等功能,其性价比优于其它纤维。可用于混凝土道路的增强材料,从而提高路面使用寿命。Jong sung Sim[18]将玄武岩纤维混凝土和普通纤维混凝土进行对比,得出当玄武岩纤维体积掺量在小于 0.5%时,其受拉强度高出 1.5~1.9 倍,延伸率高出 3~6 倍,破坏形态及特征、承载力也有了改善,并且纤维掺量增加时,混凝土塑性变形能力改善就越显著。2005 年 Dylmar Penteado Dias[19]等科学家研究了玄武岩纤维掺量对 BFRC 断裂韧性的影响,研究结果显示:当加入 1.0%短切玄武岩纤维后,BFRC 的抗压强度与劈裂抗拉强度降低了 26.4%和 12%;而抗弯拉强度却增加了 45.8%,并且通过梁极限荷载试验研究得出,梁的破坏时间因玄武岩纤维的掺入而得到了延长,并且破坏前表现出更高的极限承载力和挠度。
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2 层布式纤维自密实混凝土试验方案
 
2.1 概述
层布式纤维自密实混凝土(LFRSCC)是在以胶凝材料、细骨料、粗骨料、水组成的免振捣混凝土上下表面各 20mm 处铺设金属纤维、无机非金属纤维或天然有极限为为增强材料的无机复合材料。各组分材料的性能在很大程度上影响着 LFRSCC 的力学性能,其中胶凝材料的性能与掺量,骨料级配,纤维种类与掺量,减水剂的减水效果对LFRSCC 的力学性能等影响显著。试验时应选取合适的材料。本文主要考虑纤维的掺量与长度对 LFRSCC 力学性能的影响。
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2.2 试验材料
 
2.2.1 水泥
水泥作为混凝土胶凝材料之一,其性能对自密实混凝土的工作性能有着显著影响。配置自密实混凝土时,宜选用质量稳定、活性较高的水泥,比如普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、硅酸盐水泥。本试验采用了辽宁渤海水泥有限责任公司生产的渤海牌 42.5 级普通硅酸盐水泥。水泥的技术指标如表 2.1。粗骨料是混凝土中掺量最大的组成材料,粗骨料分碎石、卵石两种。碎石是由天然岩石、卵石或矿山废石经机械破碎、筛分制成的;其表面粗糙有—棱角。卵石是由自然风化、水流搬运和分选、堆积而成的;其表面较光滑、无明显棱角。粗骨料在混凝土中起骨架和支撑作用。在颗粒组成方面,粗骨料粒径过大,则会引起粗骨料在新拌自密实混凝土中下沉和浆体上浮,造成自密实混凝土不均匀等现象,当石子的粒径越小,其本身的缺陷几率越小,匀质性越好,但粒径过小又会影响混凝土的强度。且颗粒形状多为圆形、或少量针状、片状。故在配置自密实混凝土时,应选用颗粒级配良好的粗骨料。粗骨料级配越连续,配置的自密实混凝土就会越紧密,较细的骨料能有效填充较大骨料之间的孔隙,不同级配的骨料相互填充,从而使硬化后的自密实混凝土更密实。因此,应严格控制粗骨料的最大粒径、形状与级配。因此,配置自密实混凝土时,应选用颗粒直径应在 5-20mm之间,含泥量小于 0.5%。针片状颗粒含量小于 8%。本试验采用锦州市某碎石厂生产的碎石,按照 JTGF30-2015《公路水泥混凝土路面施工技术规范》与《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52 对碎石进行筛分,实验结果见表 2.2、表 2.3。
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3 玄武岩纤维对层布式纤维自密实混凝土力学性能的影响.......... 18
3.1 概述....... 18
3.2 立方体抗压强度试验...... 18
3.2.1 试验方法....... 18
3.2.2 试验结果与分析.... 19
3.2.3 试件破坏特征分析......... 23
3.3 劈裂抗拉强度试验.......... 24
3.4 抗折强度........ 30
3.5 本章小结........ 37
4 层布式纤维自密实混凝土冻融后力学性能试验研究......... 38
4.1 冻融试验........ 38
4.1.1 试验设计....... 38
4.1.2 试验内容....... 38
4.1.3 试验方法与仪器.... 38
4.2 试验结果与分析..... 40
4.3 冻融机理分析......... 50
4.3.1 混凝土冻融破坏机理..... 50
4.3.2 层布式纤维混凝土抗冻机理分析............ 51
4.4 本章小结........ 52
5 结论与展望..... 53
5.1 主要结论........ 53
5.2 展望....... 53
 
4 层布式纤维自密实混凝土冻融后力学性能试验研究
 
4.1 冻融试验
混凝土的抗冻性能是指混凝土在饱和水的状态下,能承受多次冻融循环而未破坏,同时强度也不严重降低的性能[56]。它是混凝土材料耐久性最重要的指标之一,在寒冷地区混凝土的建筑易导致冻融破坏,从而降低了建筑物的耐久性,由于还没有统一的能完整反映混凝土耐久性的指标,所以大多数情况下就用抗冻性衡量混凝土的耐久性。研究表明在混凝土中掺入纤维可防止混凝土开裂,从而可对混凝土的抗冻性起到一定的改善作用。目前对纤维混凝土的抗冻性研究已有一定的成果。层布式纤维自密实混凝土是一种新兴的混凝土,目前对其耐久性的研究还比较少见,层布式纤维自密实混凝土结构设计是否可使其具备比普通纤维混凝土更显著的抗冻优势目前尚不清楚。本章节选取特定的抗冻性能试验,对比研究了层布式玄武岩纤维自密实混凝土、层布式混杂纤维自密实混凝土、自密实混凝土等的抗冻性能,为其耐久性的系统研究提供参考。
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结论
 
层布式纤维混凝土作为一种新型的混凝土结构,层布式纤维混凝土就是在混凝土上下表面各 20mm 处撒布一层纤维。本文对玄武岩纤维的掺量与长度对 SCC、LBFRSCC、LHFRSCC 和 BFRSCC 力学性能的影响。通过大量试验得出以下几点结论:
(1)LBFRSCC、LHFRSCC和BFRSCC的力学性能均高于SCC,LHFRSCC的力学性能明显高于BFRSCC和LBFRSCC,且BFRSCC和LBFRSCC的力学性能接近,LBFRSCC和LHFRSCC的玄武岩纤维用量只是LBFRSCC的 26.7%,明显降低了成本。
(2)随着纤维体积掺量和长度的增加LBFRSCC、LHFRSCC和BFRSCC的劈裂抗拉强度呈上升趋势,所以最佳的纤维长度为18mm、体积掺量为0.2%,LBFRSCC、LHFRSCC和BFRSCC劈裂抗拉强度比SCC分别提高了 29.5%、33.9%、28.8%,整体单掺与层布单掺纤维对混凝土的劈裂抗拉强度影响不大。
(3)BF的加入提高了SCC的抗压强度与抗折强度,最佳的纤维长度与体积掺量分别为 12mm、0.15%,LBFRSCC、LHFRSCC和BFRSCC的抗压强度比SCC分别提高了11.5%、18.4%、10.6%,抗折强度分别提高了 15.8%、20.1%、16.5%,混掺纤维比单掺纤维对混凝土的抗压强度与抗折强度影响更大。
(4)随着冻融循环次数的增加,SCC、LHFRSCC和LBFRSCC的质量在不断损失,质量损失率在不断增大,SCC跟LBFRSCC的质量损失率曲线接近,但SCC的质量损失率明显高于LHFRSCC,层布式混掺纤维比层布式单掺纤维的抗冻性好。
(5)100 次冻融循环后,SCC、LHFRSCC和LBFRSCC的抗压强度、抗折强度与劈裂抗拉强度均减小,且强度损失率随着纤维长度与体积的增加在不断减小,LHFRSCC的强度损失率明显低于LBFRSCC。SCC抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度损失率分别为 12.6%、47.0%、20.9%;在纤维长度为 18mm、体积掺量为 0.2%时,LHFRSCC的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度分别为 6.0%、10.8%、6.2%,LBFRSCC的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度分别为 8.1%、22.0%、11.0%。混掺纤维比单掺纤维的抗冻性好。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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