低溫鋼纖維混凝土的力學(xué)性能及強(qiáng)度機(jī)理分析

關(guān)鍵詞：低溫鋼纖維混凝土；力學(xué)性能；強(qiáng)度機(jī)理

1 　低溫鋼纖維混凝土的力學(xué)性能

低溫鋼纖維混凝土是指溫度低于0℃時(shí)施工的鋼纖維混凝土?；炷恋牡蜏乜梢苑譃?/SPAN>3個(gè)階段：孔結(jié)構(gòu)形成前的低溫；具有一定強(qiáng)度時(shí)的低溫；成熟混凝土的低溫。本論文介紹拌合物從孔結(jié)構(gòu)形成前就開始受凍的鋼纖維混凝土的力學(xué)性能。

1. 1 　低溫鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度

文獻(xiàn)[1]對(duì)普通混凝土的低溫效應(yīng)進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)混凝土3個(gè)不同時(shí)期的低溫試驗(yàn)，觀察到低溫會(huì)延緩混凝土的早期強(qiáng)度，卻能提高混凝土的極限強(qiáng)度，并得出低溫對(duì)混凝土強(qiáng)度有利的結(jié)論。鋼纖維混凝土是在普通混凝土基體中摻入了少量的鋼纖維，少量高彈模鋼纖維的摻入不能改變混凝土基體的彈性模量^[2]，所以鋼纖維混凝土在低溫下的抗壓性能類似于普通混凝土。通過(guò)試驗(yàn)，得出低溫鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度如圖1所示。

從圖1可以看出，低溫鋼纖維混凝土強(qiáng)度非常低，且增長(zhǎng)緩慢，溫度越低，強(qiáng)度增長(zhǎng)速度越慢。在-20℃時(shí)，經(jīng)過(guò)60d的養(yǎng)護(hù)仍沒(méi)有什么強(qiáng)度，基本上沒(méi)有承載能力。但從-5℃的曲線可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的進(jìn)一步增長(zhǎng)，其強(qiáng)度有著非常良好的發(fā)展趨勢(shì)。

1. 2 低溫鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度

在孔結(jié)構(gòu)形成前，低溫下的混凝土抵抗拉力的能力很小。低溫鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度同抗壓強(qiáng)度一樣早期強(qiáng)度非常低，且增長(zhǎng)緩慢。只有當(dāng)構(gòu)件在低溫環(huán)境下緩慢養(yǎng)護(hù)成型后，它的抗拉強(qiáng)度才有很大提高。文獻(xiàn)[3]的作者曾在低溫下做了鋼纖維混凝土的彎曲試驗(yàn)，并從一定的角度探討了低溫對(duì)鋼纖維混凝土強(qiáng)度的影響。從實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，我們可以了解到，低溫鋼纖維混凝土的極限抗拉強(qiáng)度隨著溫度的降低而升高，并且隨負(fù)溫的增長(zhǎng)極限強(qiáng)度提高顯著。這是因?yàn)榈蜏叵禄炷粱w中的水凍結(jié)成冰，結(jié)冰增加了基體與纖維間的粘結(jié)強(qiáng)度，使纖維從基體中拔出需要更多的能量，從而提高了鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度。低溫鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度隨水灰比和纖維的摻量的提高而提高。

1. 3 　低溫鋼纖維混凝土的彎曲性能

由于彎曲實(shí)質(zhì)是上半部分的壓和下半部分的拉，所以低溫鋼纖維混凝土的彎曲性能基本上可由拉壓性能來(lái)推理分析，但彎曲性能比拉壓性能表現(xiàn)得更加顯著。在初期低溫鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度很低，增長(zhǎng)緩慢，但極限抗折強(qiáng)度卻有明顯增加，且隨負(fù)溫的增長(zhǎng)抗折強(qiáng)度增加越明顯。低溫鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度與混凝土基體的強(qiáng)度等級(jí)和水的含量有關(guān)。隨基體強(qiáng)度等級(jí)的提高而提高，與水的含量成線性遞增關(guān)系^[3]。本文通過(guò)低溫鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，得出數(shù)據(jù)如表1所示。

　   從表1可以看出，鋼纖維混凝土的抗折極限荷載隨鋼纖維摻量的提高、水灰比的提高以及溫度的降低而升高。影響鋼纖維混凝土彎曲性能的因素很多，如果從某一方面去考慮，如僅從初裂縫的寬度考慮，那么肯定得不出到滿意的結(jié)論。方獻(xiàn)[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證了鋼纖維混凝土的極限強(qiáng)度和荷載—位移曲線下包圍的面積—變形能可以很好地反映鋼纖維在低溫下的增強(qiáng)效果。

1. 4 　低溫鋼纖維混凝土的抗剪性能

鋼纖維混凝土具有非常優(yōu)異的抗剪性能，所以鋼纖維混凝土適用于承受剪力的構(gòu)件以及構(gòu)件承受剪力最大的部位。通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)得知，低溫鋼纖維混凝土在受凍初期，其抗剪強(qiáng)度較高，這主要是因?yàn)楸z固的作用。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)時(shí)，其抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步提高，這時(shí)基體對(duì)鋼纖維的膠固作用已發(fā)揮一定的作用。低溫鋼纖維混凝土的抗剪破壞形式與常溫鋼纖維的破壞形式相似，都是由于鋼纖維斜向拔出而破壞，只不過(guò)低溫時(shí)，由于冰的膠固作用，鋼纖維的拔出更難，所以低溫鋼纖維混凝土比常溫鋼纖維混凝土具有更優(yōu)越的抗剪性能。

2 　低溫鋼纖維混凝土與常溫鋼纖維混凝土的力學(xué)性能比較

鋼纖維混凝土中的主要承重部分是水化反應(yīng)的產(chǎn)物—水泥石。水泥和水的水化反應(yīng)是混凝土拌合物中的主要反應(yīng)形式，如果拌合物中的水足夠，那么水化反應(yīng)的速度則直接由溫度決定。在常溫下，反應(yīng)速度較快，所以初期強(qiáng)度較高，隨著時(shí)間的推移，反應(yīng)物減少，反應(yīng)的速度明顯趨于平緩。

　　低溫鋼纖維混凝土中的水化反應(yīng)開始較緩，但它反應(yīng)的期限較長(zhǎng)，其強(qiáng)度增長(zhǎng)的時(shí)間亦較長(zhǎng)。特別是當(dāng)鋼纖維混凝土由低溫轉(zhuǎn)至常溫養(yǎng)護(hù)情況時(shí)，其強(qiáng)度增長(zhǎng)的速度非?？?/SPAN>，且其極限強(qiáng)度大大超過(guò)常溫下的鋼纖維混凝土的極限強(qiáng)度。圖2是把20℃養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)，其它溫度下養(yǎng)護(hù)所得強(qiáng)度與它相比的相對(duì)強(qiáng)度圖。

3 　低溫鋼纖維混凝土的強(qiáng)度機(jī)理分析

鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理主要有復(fù)合力學(xué)理論和纖維間距理論^[2][4]。其它所有理論均可認(rèn)為是以這兩種理論為基礎(chǔ)經(jīng)綜合完善而發(fā)展起來(lái)的。低溫鋼纖維混凝土同樣可以用以上兩種理論解釋它高于普通混凝土強(qiáng)度的力學(xué)性能，但至于它高于常溫鋼纖維混凝土的力學(xué)性能，可以用“低溫效應(yīng)”來(lái)解釋。鋼纖維混凝土基體的水可以分三類：自由水；粘附水和毛細(xì)管水。由于水的滲透性，整個(gè)構(gòu)件內(nèi)部都充滿著水。在0℃附近所有的自由水都結(jié)成冰，結(jié)冰的自由水將細(xì)骨料和短鋼纖維結(jié)合起來(lái)，將整個(gè)構(gòu)件凍結(jié)成一個(gè)冰體承受各種外荷載；當(dāng)溫度進(jìn)一步降低時(shí)，大約降至-10℃左右，粘附水開始凍結(jié)，凍結(jié)的粘附水把粗骨料和早已凍結(jié)的冰體粘結(jié)在一起，形成一個(gè)更為堅(jiān)固的實(shí)體。毛細(xì)管水較難凍結(jié)，有的需要溫度降至-70℃～-80℃才能結(jié)冰。鋼纖維混凝土的破壞形式是鋼纖維從基體中拔出，低溫時(shí)冰的粘結(jié)作用使鋼纖維從基體中拔出需做更多的功，從而提高了鋼纖維混凝土的強(qiáng)度。

鋼纖維混凝土的基體是水泥石，水泥石是由水化產(chǎn)物和各種骨料粘結(jié)而成。由于骨料是一定的，所以水化反應(yīng)是決定混凝土強(qiáng)度的重要因素。當(dāng)溫度為負(fù)溫時(shí)，早期反應(yīng)速度非常慢，反應(yīng)產(chǎn)物較少，所以水泥石的粘結(jié)強(qiáng)度很低，但反應(yīng)時(shí)間較常溫下長(zhǎng)，所以鋼纖維混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)的期限較長(zhǎng)，使水化產(chǎn)物有足夠的時(shí)間與骨料粘結(jié)。低溫能使反應(yīng)進(jìn)行得非常徹底，若養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)，其極限強(qiáng)度將比常溫下的鋼纖維混凝土高。

從微觀上看，溫度的降低縮小了物質(zhì)內(nèi)部原子的距離，增加了各原子之間的相互吸引力，從而增長(zhǎng)了物質(zhì)構(gòu)件的力學(xué)強(qiáng)度。

4 　結(jié)束語(yǔ)

溫度對(duì)鋼纖維混凝土施工實(shí)踐具有非常重要的意義。因?yàn)榧词故强捉Y(jié)構(gòu)形成前的早期凍結(jié)，它也不會(huì)失去全部的強(qiáng)度，而是隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，鋼纖維混凝土的極限強(qiáng)度明顯提高。低溫可以增加斷裂剛度、防止應(yīng)力腐蝕及增加強(qiáng)度。不過(guò)，低溫畢竟是鋼纖維混凝土以及普通混凝土的非常不利的因素，雖增加了強(qiáng)度，但也增加了脆性，所以在施工早期仍要做好鋼纖維混凝土的保溫蓄熱工作，以防早期受凍。另外還要避免鋼纖維混凝土過(guò)早地承受荷載。這樣才能使鋼纖維混凝土既能滿足初期承載的要求，又能提高它的極限強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

[1 ] 　Chares Korhonen，M.ASCE and Sherri Orchino， Effect of Low Temperature on Concrete Strength，Cold RegionsEngineering：Put Research into Practice，1999，677～683.

[2 ] 　高丹盈. 鋼纖維混凝土及配筋構(gòu)件力學(xué)性能的研究[D]. 大連理工大學(xué)博士論文，1989，21～22.

[3 ] 　M. pigeon & R. Cantin， Flexural Properties of Steel Fiber-reinforced Concretes at Low Temperatures，Cement and Concrete Composites，1998，365～375.

[4 ] 　趙國(guó)藩，彭少民，黃承逵，等. 鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 1999.