高强混凝土论文十篇

高强混凝土论文篇1

关键词：钢管混凝土叠合柱；箍筋约束；强度理论；极限承载力

中图分类号：TU312；TU398

文献标志码：A文章编号：1674-4764（2016）05-0020-07

Abstract：Based on the unified strength theory and the influences of intermediate principal stress and the material of tension and compression ratio were considered when coming down to the ultimate bearing capacity of square steel tube-reinforced high strength concrete column. Effective constraint coefficient and ineffective constraint coefficient were introduced to consider the different constraint functions of concrete derived from the stirrups， the constraint concrete outside steel tube was divided into effective constraint region and ineffective constraint region. The square section was equivalent to circular section to consider the double constraint function to concrete in steel tube derived from steel tube and outer steel reinforced concrete. Then a new method for the axial ultimate bearing capacity of square steel tube-reinforced concrete column was deduced. The results were in good agreement with the experimental results and the correctness of the theory formulae was proved. Influential effects of some parameters were analyzed and the analysis results showed that the ultimate bearing capacity of square steel tube-reinforced high strength concrete column increased with the increase of the side pressure coefficient. Influence coefficient of intermediate principal stress， the material of tension and compression ratio and the longitudinal reinforcement ratio， while it decreases with the increase of radius-thickness ratio.

Keywords：steel tube-reinforced concrete column；stirrup constraint； strength theory； ultimate bearing capacity

高强钢管混凝土叠合柱是由截面中部的高强钢管混凝土柱和钢管外的钢筋混凝土叠合而成的柱，也可以看成是在钢筋混凝土内置钢管混凝土而成的柱，内截面钢管形式有圆钢管、方钢管和矩形钢管，又可称为核心高强钢骨混凝土组合柱。高强混凝土有强度高、变形小的优点，但其延性差、脆性大，不利于抗震；将其与钢管结合，可以充分发挥二者的性能，同时也具有较好的变形能力、较大的刚度和良好的抗火性能等优点，经济效益良好[1-2]。

国内外对钢管混凝土已经进行了较多的研究。Evirgen等[3]通过钢管混凝土柱的轴压试验，分析了宽厚比、混凝土强度等因素对钢管混凝土柱极限承载力、延性和屈曲行为的影响；Wang等[4]基于18根圆形钢管混凝土柱轴压和偏压的试验结果，详细地介绍了该型构件的失效模式、承载能力等性能；吕学涛等[5]对圆钢管钢筋混凝土短柱进行明火试验，分析了升温时间和配筋率对受火后钢管钢筋混凝土短柱剩余承载力、刚度和延性的影响规律。而对钢管混凝土叠合柱的研究相对较少：幸坤涛等[6]利用数值分析方法对高强钢管混凝土核心短柱在轴心受压时的荷载变形关系曲线进行了全过程分析；聂建国等[7]考虑核心钢管混凝土和普通混凝土受压性能存在的明显差异，分析了混凝土体积配箍率等因素对柱协同工作的影响；龙跃凌等[8]在分析核心钢管混凝土组合柱受力机理的基础上，同时考虑圆形截面和方形截面对钢管外混凝土的影响，对核心钢管混凝土组合柱承载力进行了分析；郭全全等[9]进行了叠合柱短柱偏心受压试验，并基于试验采用截面极限平衡理论提出了叠合柱偏心受压短柱的正截面承载力公式；徐蕾等[10]利用有限元分析软件和试验结果对钢管混凝土叠合柱火灾下的温度特性和力学性能进行了研究。

目前，对于高强钢管混凝土叠合柱轴压承载力的计算，部分研究只考虑钢管对混凝土的约束作用而未考虑箍筋的约束作用；部分考虑钢管对混凝土的约束作用和箍筋对混凝土的约束作用，但均未考虑混凝土对钢管内混凝土的约束，即未考虑钢管内混凝土受到的双重约束。在实际工程中，叠合柱配箍量较多，在达到极限状态时，箍筋约束混凝土不会过分剥离，能和钢管内混凝同承担荷载。而尧国皇[11]的有限元结果也表明钢管核心混凝土受到钢管和钢筋混凝土的双重约束，其承载力比同样条件下普通钢管混凝土中混凝土要大。因此，考虑内部混凝土受到的双重约束作用是有必要的。本文以内配圆钢管的方形截面高强钢管混凝土柱为研究对象。构件处于较高应力状态时，箍筋约束混凝土角部受到约束强，边缘中部受到的约束弱，对箍筋约束混凝土利用Mander模型[12]进行有效约束区和非有效约束区的划分，推导出有效约束区系数和非有效约束区系数，同时，本文考虑钢管核心混凝土受到钢管和钢筋混凝土的双重约束效应，基于统一强度理论对钢管和钢管约束混凝土承载力分析，推导出方形截面高强钢管混凝土叠合柱的轴压极限承载力，与文献试验值对比验证，并分析了径厚比、中间主应力影响系数、材料拉压比、纵筋配筋率、侧压系数的影响特性。

1 双剪统一强度理论

俞茂宏以双剪单元体和双剪屈服准则为基础，考虑应力状态的所有应力分量以及它们对材料屈服和破坏的不同影响，建立了一个全新的强度理论和一系列新的典型计算准则。统一强度理论包含了无限多个计算准则，几乎可以适用于各种材料，应用十分方便。其表达式为[13]

2 极限承载力的计算

2.1 箍筋约束钢管外混凝土承载力

实际工程中，构件达到极限状态时，内部钢管的横向变形较小，故不再考虑钢管变形对箍筋约束混凝土的影响[1]。研究表明，方形截面的箍筋对混凝土约束较弱，且对混凝土的约束不均匀，仅在箍筋转角处对混凝土有较大的约束[8]。箍筋约束混凝土有效约束区和非有效约束区划分如图1所示。

基于文献[8]的假设：箍筋对其约束混凝土的约束应力均匀分布，则箍筋受力如图2所示。

2.3 钢管约束混凝土的承载力

基于文献[8]的结论，本文考虑钢管混凝土对钢管混凝土的约束作用。且箍筋对混凝土的约束作用均匀分布。而方钢管对于混凝土的约束效应，等同于间距为零的箍筋对混凝土的约束承载力的效应。方钢管轴压承载力的计算过程中，认为钢管对混凝土的约束也均匀分布[18]。箍筋约束混凝土和厚度与箍筋直径相同的钢管约束混凝土，二者不同的是侧面对于混凝土的约束：钢管是连续的，箍筋是间断的。本文在方钢管的基础上引入侧向约束系数ke2来考虑箍筋对混凝土约束的不均匀性，从而将箍筋约束混凝土转化为方形钢管约束混凝土。

按照截面面积和含钢率相等将方钢管的有效约束应力等效为圆形钢管混凝土的侧压力p，则混凝土和钢管受力如图3所示。

2.4 钢管混凝土叠合柱轴压承载力

在构件达到极限承载力之前，外侧的保护层混凝土早已被压碎[21]，因此，在本文计算承载力时不再考虑混凝土保护层对极限承载力的贡献。并且在构件达到极限承载力时钢管和纵向钢筋已经屈服。方形高强钢管混凝土叠合柱的承载力由箍筋约束钢管外混凝土、纵筋、钢管、钢管约束混凝土构成。计算公式为

3 算例验证与分析

3.1 计算结果对比

由于钢材的拉压强度相近，取拉压比为α=1，取k=2.1，b=1时[16]，将文献[22]和文献[23]中的部分试验数据代入式（21）中进行计算并与试验值对比，结果见表1。

3.2 影响因素分析

3.2.1 侧压系数和纵向配筋率的影响

取文献[22]中试件FZ-2和FZ-3柱为对象，取不同的侧压系数k值（1.5、2.0、2.5、3.0）以及不同的纵向钢筋配筋率（0.85%、1.15%、1.51%），得到的极限承载力的变化情况如图4、图5所示。

试件破坏时，纵筋已经屈服[8]，在一定范围内，纵向配筋率的增加会贡献更多的承载力。图中也可以看出：承载力随着纵向配筋率的增大而增大；侧压系数越大，对混凝土的约束越强，故承载力越大。经分析，k值每增大1，承载力约提高917 kN。

3.2.2 钢管径厚比对极限承载力的影响

径厚比的影响主要表现在对核心混凝土的约束作用上。径厚比不同，其对混凝土的约束作用就不同，钢管径厚比越大，其对混凝土的约束作用越弱，反之，约束作用越强。以文献[22]中FZ-1柱，采用不同的径厚比，得到的承载力变化如图6所示。

由图6可知，随着径厚比的增大，极限承载力逐渐变小，并且减小的速率越来越慢。故为获得较大的承载力，钢管的径厚比不宜过大。

3.2.3 材料拉压比α与中间主应力影响系数b的影响

以文献[22]中试件FZ-2为例进行分析，取α分别为0.8、0.9、1.0，取b分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0进行承载力的计算，如图7所示。

由图可见，在中间主应力系数b不变的情况下，承载力随着α值的增加而增加；在材料拉压比α不变的情况下，中间主应力系数b越大，承载力越高；而理论上b值越大，极限面也越大，理论与试验分析相吻合。在中间主应力增加量相同的情况下，材料拉压比越大，承载力曲线斜率越大，即承载力增加越多。综上所述，中间主应力和材料拉压比对承载力有影响，故计算时考虑二者对承载力的影响会使结果更加精确。

4 结 论

1）基于双剪统一强度理论，综合考虑了材料拉压比、中间主应力的影响，并且考虑了内部混凝土受到的双重约束作用，推导出了高强钢管混凝土叠合柱轴压承载力的计算公式。该公式能合理的考虑材料的实际性能，又能真实的反应构件各部分的受力状况。通过试验值与本文理论计算值的对比，证明本文推出的方形高强钢管混凝土叠合柱轴压极限承载力计算方法是正确的。

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高强混凝土论文篇2

关键词：统一强度理论；碳纤维增强复合材料；方钢管混凝土；轴压短柱；极限承载力

中图分类号：TU375.3 文献标志码：A

0 引 言

钢管混凝土因具有三向受压混凝土抗压强度高的优点而越来越广泛地被应用于工业厂房、桥梁结构和超高层建筑结构中，取得了很好的力学及经济效果，虽然方钢管混凝土较截面面积和含钢率相同的圆钢管混凝土承载力有所降低[1]，但因其具有节点构造简单，便于梁柱连接，施工方便等优点[2]，在实际工程中得到了广泛的应用。混凝土的存在可以消除钢管的内凹，却不能避免其外凸，而且实际工程中还会遇到方钢管混凝土轻微受损或需要增加新功能的情况，这些都涉及到采取某种措施对方钢管混凝土进行约束、加固或修复的问题。近年来，碳纤维增强复合材料（CFRP）外包结构构件加固技术在各国已进行了大量的研究[3-4]，其优良的加固效果和便捷的施工工艺越来越多地受到人们的重视。由此出现的CFRP-圆钢管混凝土已经成为一个研究热点[5-6]，参照CFRP-圆钢管混凝土，笔者在方形钢管混凝土的外壁包裹CFRP以进一步改善其受力性能。利用CFRP约束钢管混凝土不仅提高了钢管混凝土的承载力、有效延缓了钢管的局部屈曲，且弥补了CFRP约束钢筋混凝土的延性不足[2]，考虑到CFRP直接粘贴在方柱（未经任何倒角）上的约束效果不理想[7]，因此本文研究对象为带倒圆角截面形式的CFRP-方钢管混凝土柱。目前关于CFRP-方钢管混凝土的研究相对较少，且主要为试验研究和数值模拟，王庆利等[2]对CFRP-方钢管混凝土轴压短柱进行了试验研究和有限元模拟，并提出了受约束混凝土的应力-应变表达式，刘洋[8]对CFRP-方钢管混凝土柱的压弯性能进行了试验研究，并分析了CFRP厚度、长细比和偏心率的大小等因素对承载力的影响，Choi等[9]提出一个简化模型分析不同参数下外贴CFRP对钢管混凝土的加强，Sundarraja等[10]研究了用条状CFRP加固方钢管混凝土轴压短柱的力学性能，并用钢管和混凝土各自承载力进行简单的叠加，不能真实反映钢管和混凝土的受力特性。本文充分考虑中间主应力的影响，根据统一强度理论与CFRP-方钢管混凝土的材料特点，引入了考虑厚度比ζ（ζ=tf/ts，tf为CFRP层厚度，对于采用CFRP条间隔粘贴加固的情况tf取其满铺时的平均厚度，ts为方钢管壁厚）影响的等效应力系数ξ，将方CFRP筒对内部钢管混凝土的约束等效为圆CFRP筒对钢管混凝土的约束。同时引入混凝土强度折减系数[11]和等效约束折减系数[12]，将内部方钢管混凝土轴压短柱等效为圆钢管混凝土轴压短柱，进而推导出CFRP-方钢管混凝土轴压短柱的极限承载力公式，与文献试验数据进行比较验证，并得出各参数对极限承载力的影响特性。

1 统一强度理论

统一强度理论是俞茂宏在双剪强度理论的基础上建立的一种考虑了中间主应力影响的计算准则，该理论采用一个统一的力学模型，可以十分灵活地适用于各种不同特性的材料，其表达式为[13]

F=σ1-α1+b（bσ2+σ3）=σs σ2≤σ1+ασ31+α

F′=11+b（σ1+bσ2）-ασ3=σs σ2≥σ1+ασ31+α

α=σsσc，b=（1+α）τs-σsσs-τs

（1）

式中：F，F′均为主应力强度理论函数；σ1，σ2，σ3为最大主应力、中间主应力和最小主应力；σs，σc，τs分别为材料的拉伸、压缩、剪切屈服强度；α为材料的拉压比，对于韧性金属材料一般为0.77～1.0，对于脆性金属材料为0.33～0.77，对于岩土类材料一般小于0.5；b为反映中间剪应力以及相应面上的正应力对材料破坏影响程度的参数，0≤b≤1。2 极限承载力分析

2.1 CFRP受力分析

CFRP-方钢管混凝土柱在轴向压力作用下，钢管混凝土的横向膨胀使CFRP布的水平段产生水平弯曲，并对方钢管混凝土提供约束力。另外，在方形截面的角部，CFRP布受到2个相互垂直方向的拉力作用，其合力形成对方钢管混凝土对角线方向的强约束，故方钢管混凝土承受的约束力是沿对角线的集中挤压力和沿边长分布均匀的横向力[14]。本文引入考虑厚度比ζ影响的等效应力系数ξ，将方CFRP筒对内部钢管混凝土的约束等效为圆CFRP筒对钢管混凝土的约束，并采用等效约束力frf来简化计算，计算简图如图1所示，其中B为方钢管的外边长，σr为混凝土所受的侧向压力，ff为CFRP应力，其原理是使简化后的均匀约束分布与原来的非均匀约束具有相同的约束效果。对文献[10]中的试验数据进行拟合（图2），得等效应力系数ξ与厚度比ζ的表达式为

对于采用CFRP条间隔粘贴加固的情况，由于CFRP粘贴的不均匀，可采用安全系数Fs=1.2对ξ进行折减[10]。

等效约束力frf的计算公式如下

frf=ξr

（3）

式中：r为平均约束应力，r=2tfff/B。

2.2 方钢管受力分析

CFRP-方钢管混凝土向CFRP-圆钢管混凝土面积相等转换时，由于方钢管对混凝土约束的不均匀，使得这种等代有困难。本文引入等效约束折减系数β [12]将方钢管对混凝土的约束转换为圆钢管对混凝土的约束，其值为

β=66.474 1v2-0.991 9v+0.416 18

（4）

式中：v为钢管的厚边比，v=ts/B。

方钢管对核心混凝土的等效均匀径向压力P可表示为

P=βPI

（5）

式中：PI为等效外圆钢管在径向压力作用下的塑性极限荷载。

根据统一强度理论，PI值为[15]

PI=σs1-α[（rcrc+ts）2（1+b）（α-1）2+2b-bα-1]=

σs1-α[（1+μ/2）2（1+b）（1-α）2+2b-bα-1]

（6）

式中：μ为含钢率；rc为等效圆钢管的内壁半径，rc=（B-2ts）/π。

由塑性力学的厚壁圆筒理论得[16]等效外圆钢管的纵向抗压强度σzp为

σzp=4（P+frf）r2c-frf（rc+ts）2（rc+ts）2-r2c=

4PIβ4μ+μ2-frf

（7）

2.3 核心混凝土的轴压强度

CFRP-方钢管混合筒对核心混凝土的约束分布很不均匀，角部混凝土受到的约束较强，边部中间管壁受到的约束作用较弱。根据Varma等[17]的研究，核心混凝土所受的约束可分为有效约束区和非有效约束区，分界线为抛物线，其约束模型见图3，其中，re为等效圆钢管的外壁半径，re=B/π。有效约束区混凝土2个方向的约束力相近，其应力状态与CFRP-圆钢管混凝土中的核心混凝土相似，而非有效约束区，垂直于表面的约束较小。

核心混凝土处于三向受压状态，0>σ1=σ2>σ3，满足式（1），代入得

σ1-ασ3=ft

（8）

式中：ft为混凝土抗拉强度，ft=2ccos（φ）1+sin（φ），φ为混凝土的内摩擦角，c为混凝土的内聚力。

令k=1+sin（φ）1-sin（φ），并按习惯一般取压为正、拉为负，得

σ3=fc+kσ1

（9）

式中：σ1=P+frf；fc为核心混凝土的单轴抗压强度，fc=2ccos（φ）1-sin（φ）。

鉴于CFRP-方钢管混合筒对核心混凝土的约束存在一定的困难，现有CFRP-方钢管混凝土的研究多是建立在试验基础上的。本文对核心混凝土不做有效约束区和非有效约束区的划分，而采用混凝土强度折减系数[11]γu=1.67D-0.112c来考虑非有效约束区侧向约束减弱的影响，其中Dc为等效圆钢管的内径。核心混凝土的纵向抗压强度fcc为

fcc=fc+γuk（P+frf）

（10）

2.4 极限承载力计算

由于CFRP布只能承受拉力而不能承受压力，所以CFRP-方钢管混凝土的极限承载力Nu为钢管和核心混凝土的纵向承载力之和，即

Nu=Asσzp+Acfcc

（11）

As=4ts（B-ts）

（12）

Ac=（B-2ts）2

（13）

式中：As，Ac分别为方钢管和核心混凝土的截面面积。

将式（3），（5），（7），（10），（12），（13）代入式（11）可得

Nu=4ts（B-ts）（4PIβ4μ+μ2-ξr）+

（B-2ts）2[fc+γuk（PIβ+ξr）]

（14）

当没有CFRP管，即r=0时，式（14）退化为方钢管混凝土轴压短柱承载力公式，即

Nu=4ts（B-ts）4PIβ4μ+μ2+

（B-2ts）2（fc+γukPIβ）

（15）

当ξ=β=γu=1时，对钢管和混凝土截面面积As，Ac和r分别做简单数学变换，则式（14）退化为CFRP-圆钢管混凝土轴压短柱承载力公式， 即

Nu=As（4PI4μ+μ2-r）+

Ac[fc+k（PI+r）]

（16）

在式（16）的基础上，令r=0，则式（14）退化为圆钢管混凝土轴压短柱承载力公式，即

Nu=As4PI4μ+μ2+Ac（fc+kPI）

（17）3 极限承载力的验证和影响因素分析

3.1 计算结果对比

大多数的钢材是有明显屈服点的，并且各向同性，因此在应用统一强度理论时取α=1，则统一强度理论就变为统一屈服准则，这时不同的b值就对应不同已知的屈服准则或还没有定义的新屈服准则。将α=1代入式（6）并求极限得

PI=limα1σs1-α[（1+μ/2）2（1+b）（1-α）2+2b-bα-1]=

2σs1+b2+bln（1+μ2）

（18）

将文献[2]，[15]，[18]，[19]中部分试验数据代入本文公式进行计算，并与其试验结果进行比较，结果见表1。

从表1可以看出，本文理论计算结果与试验结果吻合良好，验证了该理论公式的正确性，并且极限承载力Nu随着b的增加而增大，说明考虑参数b即中间剪应力以及相应面上的正应力对材料破坏的影响，可以更充分地发挥材料的强度潜能。当b=1时，统一强度理论退化为双剪应力屈服准则，这时本文计算值与试验值比值的平均值为0.981，方差为0.001，表明本文公式计算结果具有较高的精度。

3.2 影响因素分析

对于高强钢材，材料拉压比α将不再等于1。图4给出了试件B-1的极限承载力Nu随α，b的变化情况。从图4可以看出：当α一定时，Nu随着b的增加而增大；当b一定时，Nu随着α的增加而增大，说明当外钢管为高强度钢时考虑α的影响是有必要的。

对文献[2]中的数据进行分析，得出极限承载力Nu与CFRP粘贴层数、fc之间的关系，如图5所示。从图5可以看出，极限承载力Nu随着fc的增加而增加，且承载力的提高幅度取决于CFRP的厚度。粘贴1层时极限承载力平均提高63 kN，粘贴2层时极限承载力平均提高87 kN，粘贴3层时极限承载力平均提高105 kN，说明CFRP的约束效率随其厚度的增加而减

fc钢管厚边比v反映的是钢管的厚度和外边长的比值，厚边比不同会影响钢管对内部核心混凝土的约束，图6给出了文献[2]中试件A-1和B-1在其余条件均不变的情况下极限承载力Nu随厚边比v的变化情况。从图6可以看出，极限承载力Nu随着厚边比v的增大而显著增大，说明在构件外边长、CFRP和内部混凝土不变的情况下增大钢管的壁厚能显著提高构件的承载力。

4 结 语

（1）本文在统一强度理论的基础上推导出了CFRP-方钢管混凝土轴压短柱极限承载力的计算公式，并将理论计算结果与相关文献的试验结果做比较，验证了该公式的正确性，同时也说明了将CFRP-方钢管混凝土转化为CFRP-圆钢管混凝土的思路是可行的。

（2）CFRP-方钢管混凝土轴压短柱的极限承载力Nu随着α和b的增加而增大，说明考虑材料的拉压比α和参数b的影响是有必要的。由于CFRP筒的约束作用，方钢管混凝土柱的承载力得到较大幅度提高，承载力提高的幅值直接取决于CFRP的厚度。当钢管边长、CFRP和混凝土一定时，增大钢管的壁厚能显著提高构件的承载力。

（3）本文公式是考虑了各种影响因素的统一解，改变公式中参数就对应了不同的边界情况，CFRP-圆钢管混凝土轴压短柱承载力、圆形和方形截面钢管混凝土轴压短柱承载力都是本文结果的特例。

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高强混凝土论文篇3

关键词：建筑施工，大体积混凝土，裂缝控制

 

引言

大体积混凝土的特点除体积较大外，更主要是由于混凝土的水泥水化热不易散发，在外界环境或混凝土内力的约束下，极易产生温度收缩裂缝。因此仅用混凝土的几何尺寸大小来定义大体积混凝土，就容易忽视温度收缩裂缝及为防止裂缝而应采取的施工要求。目前建筑工程中经常使用的高强、高性能混凝土，由于单方水泥用量大，即使最小边尺寸很小，水化热也不能忽视，也应按大体积混凝土对待，必须采取温度控制措施。

1 合理布置分布钢筋间距

混凝土是以水泥为主要胶结材料，拌合一定比例的粗、细骨料和水，一般还加入少量的各种添加剂，经过搅拌、注模、振捣、养护等工序，逐渐凝固硬化而成的人工混合材料。各种组成材料的成分、性质和相互比例，以及设备和硬化过程中的各种条件和环境因素，都会对混凝土的力学性能产生不同程度的影响。如进行适当的配筋，虽然适当的配筋不能有效的阻止裂缝的产生，但适当的配筋可以约束混凝土的塑性变形，从而分担混凝土的内应力，加强结构的整体性和减小温度裂缝的宽度，同时也提高了混凝土的极限拉伸。在实际大体积混凝土的工程中，配置钢筋并非越多效果越好。混凝土配置钢筋不仅能够提高混凝土的极限拉伸，同时还增加了混凝土的自约束应力。当混凝土发生收缩时，钢筋不收缩，因而必然产生收缩应力，但在配筋率比较低的条件下，收缩应力是微小的，一般可以忽略不计。但是当配筋率比较高的情况下，产生的收缩应力就可以导致混凝土开裂。。变形钢筋与混凝土之间产生的粘结力要远大于光圆钢筋和混凝土之间产生的粘结力，更能有效的约束混凝土的塑性变形，控制温度裂缝的宽度。所以，在大体积混凝土的配筋过程中，要根据情况尽可能的选用变形钢筋。

2 避免采用高强混凝土

高强混凝土的划分范围，国内外没有一个确定的标准。从我国现今的结构设计和施工技术水平出发，也考虑到混凝土材性的变化，采用高强混凝土虽然可以提高混凝土的抗压强度，但是混凝土的抗拉强度随着抗压强度增长增长缓慢，而且高强混凝土的明显呈现出“脆性”，极限应变变小，更容易产生裂缝。采用高强混凝土必然要提高水泥的标号、减小水灰比或者使用各种聚合物作为胶结材料来代替水泥，这不仅使施工过程和施工质量难以保证，并且提高了工程造价。所以，基础混凝土宜选用中低强度混凝土，强度等级宜在 C20~C35的范围内选用，利用后期强度R60。

3 水泥的选择

大体积混凝土产生裂缝的最主要的原因是因为水泥水化时释放出大量的热量在混凝土内部产生温度应力而产生裂缝。为此，在施工中应合理的选用选用低热和中热水泥以及尽量减少单位水泥用量，从根本上控制因水泥的水化热引起的温升。一般来说水泥用量每增减10kg，度亦相应升降1℃。日前，在工程中常用的水泥，主要有硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。在一些特殊工程中，还使用专用水泥和特性水泥，如铝酸盐水泥、膨胀水泥、快硬水泥、低热水泥和抗硫酸盐水泥等。

为了降低因水泥水化产生的热量引起的温升，在保证基础有足够的强度满足使用要求的前提下，可以利用混凝土60天或90天的后期强度，这样既可以避免混凝土在前期就释放出大量的水化热而使混凝土产生较大的温差，也可以减少混凝土中水泥的用量，以降低混凝土浇筑块体的温升。

4 骨料的选择

在混凝土中，砂、石等粗细骨料的体积占混凝土体积的70%以上，起到骨架的作用。在选用骨料的时候应优先选用热学性能好的骨料。因骨料占混凝土组成比例的绝大部分，因此混凝土的热学性能在很大程度上取决于骨料的矿物性质，优先选用热学性能好的骨料是混凝土温度控制的基本措施之一。目前，我国各地工程所需的骨料是就地取材的天然骨料，对于天然骨料应该按规范要求进行物理力学性能试验。

5 掺入其他材料

在混凝土中掺入聚丙烯网状纤维是利用“抗”的方法来阻止裂缝的出现和裂缝的开展。其原理主要在于，混凝土中水泥作为胶凝材料来握裹聚丙烯网状纤维，这些聚丙烯网状纤维起到微细配筋作用，利用水泥和聚丙烯网状纤维之间的握裹力来消耗混凝土变形开裂能量、调高混凝土的韧性、掌托骨料和减少混凝土离析泌水，从而控制水泥基体内部微细裂缝的生成和扩展，提高混凝土的抗裂性能。

另外，在混凝土中掺用粉煤灰作为混合料，在我国已经广泛使用。通过实验，在混凝上中掺入适量的粉煤灰后，不但可以节约水泥，降低工程造价，而且混凝土的许多性能都可获得改善。。在混凝土中掺入适量的粉煤灰，使水泥的用量减少，水泥中放热量大、放热速度快的铝酸三钙和硅酸三钙的含量减少，造成了掺入了粉煤灰的混凝土放热速度慢，放热量少。

6 大体积混凝土的处理

用木抹子进行表面提浆找平处理，以闭合水裂缝，初步标高用长刮杆刮平，再用木抹子收压两遍，这样既能排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部生成的水分和空隙，提高混凝土与钢筋的握裹力，又能防止因混凝土沉落而出现裂缝，减少内部微裂，增加混凝土密实度，提高混凝土抗裂性能。在混凝土二次收面时立即覆盖一层彩条布，并浇水养护。及时调节运输车辆，防止压车，断车而造成坍落度损失，影响泵送和基础浇筑质量。

保温养护过程中，应保持混凝上表面湿润。保温可以提高混凝土的表面抗裂能力。有资料表明，潮湿养护时，混凝土极限拉伸值比干燥养护时要大20－50%。在常温季节，混凝土终凝后也可采取蓄水养护的办法，替代前两种保湿保温养护办法。。根据混凝土内外温差数据，及时调整蓄水高度，也能收到预期效果。

结语

为了防止大体积混凝土的变形开裂，仅仅控制温度是不够的，还需要采取其它一定的技术措施来防止混凝土的开裂。比如优化混凝土的配合比、选择合适水泥的品种来提高混凝土的抗裂能力;改善混凝土结构的约束条件、改善混凝土的养护条件、严格控制混凝土的施工质量来防止混凝土的开裂等等。这些措施不是孤立的，而是相互联系、相互制约的、在实施的过程中必须结合结构的要求、现场的情况来全面考虑，合理采用。

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高强混凝土论文篇4

关键词：钢纤维 混凝土 增强机理

在复合材料中,钢纤维增强混凝土是近年来迅速发展的一种新兴的建筑材料。在建筑业发展历史上它是一个必然的科学研究成果。钢纤维增强混凝土即在普通的混凝土中加入多向分布的短钢纤维而形成的一种复合材料。由于钢纤维在混凝土内部多向分布的原因，能够有效地阻止混凝土内部微小裂缝的扩大延伸及大裂缝的形成。

所以向混凝土中加入钢纤维，除了能增强抗拉、抗剪、抗弯、抗磨和抗裂等力学性能，混凝土的抗断裂韧性和抗冲击性能也都大大增强。钢纤维增强混凝土造价成本低，制作相对简单，因此广泛用于公路路面、桥面、混凝土路轨及抗震抗爆结构工程中。

一．钢纤维的增强机理分析

钢纤维混凝土增强机理的研究在理论上有两种定义：一是复合力学理论，二是纤维间距理论。从不同角度出发，两种理论分别解释了钢纤维的增强作用，其最终结果是相同的。

(1)钢纤维的复合力学理论

在复合力学理论中，钢纤维混凝土被看成是一种纤维强化作用体系。钢纤维混凝土的应力、弹性模量和强度是根据混合原理推算而出的。根据纤维在钢纤维基体中的分布与取向引入纤维方向系数，正确选择纤维方向系数是取决纤维增强效果的主要因素之一。

(2)钢纤维的纤维间距理论

在钢纤维间距理论中，是根据线弹性断裂力学原理来解释钢纤维对混凝土裂缝的产生或抑制的作用。混凝土是一种脆性材料，要想增强其抗拉强度，而多方向加入钢纤维后，使钢纤维与混凝土裂缝两边之间的粘应力对裂缝混凝土的扩展有抑制作用。

二.混凝土受钢纤维力学性能的影响

(1) 钢纤维对混凝土抗压强度的影响。

根据力学试验数据的分析，混凝土的抗压强度的大小和混凝土的基本性能有关。钢纤维的加入对混凝土的抗压强度没有太大的影响，相反因为纤维的加入，使混凝土的和易性变差，内部界面会增加许多微裂缝，使抗压强度反而降低。但是钢纤维的加入改变了混凝土被破坏后的形式，混凝土被破坏后碎但不散，这就是抗压韧性的作用。钢纤维混凝土抗压强度的尺寸效应比普通混凝土高。

受力学因素的影响，混凝土产生裂缝是内部尖端的应力集中引起。而这些裂缝发展程度有所不同，其过程可分为几个阶段：弹性阶段、裂缝扩展稳定阶段、裂缝扩展失稳阶段、纤维被拔出阶段。根据钢纤维混凝土材料裂缝的发展程度，其破坏性又可分为4个等级，第一个等级为混凝土的破坏。混凝土对应于应力应变关系中弹性阶段的末端，这时混凝土(砂浆和骨料)结合面上开始有缓慢发展的裂纹。但由于骨料对钢纤维有一种边壁效应，使钢纤维平行于骨料的边壁状态来分布，与混凝土界面的裂缝平行，这样就起不到阻止裂缝的增强作用。第二个等级为砂浆的破坏。混凝土为裂缝稳定扩展阶段的末端，此时裂缝发生了解体破坏，而导致裂缝扩展进入到硬化的水泥浆，这时钢纤维开始起到纤维的增强作用，进而使使裂缝发展的速度变慢。混凝土变形的不断发展会达到混凝土的极限强度(抗压强度)。第三个等级为硬化水泥浆体的破坏，此时的状态是裂缝迅速扩展、宏观裂缝不断增长，这时多方向加入的钢纤维能有效地阻止裂缝的发展，同时使混凝土结构韧性增强。第四个级为纤维被拔出时的破坏。混凝土宏观裂缝的不断增大，使钢纤维逐渐被拔出。通过以上分析可以得出结论：钢纤维产生的增强作用只有在钢纤维混凝土结构达到一定的抗压强度后，裂缝扩展到水泥石之中钢纤维才能发挥作用。这就从理论上解释了钢纤维加入后对混凝土抗压强度影响不大，而对混凝土的抗压韧性却有很大改善的原因。

(2)钢纤维对混凝土抗剪强度的影响。

2.1钢纤维特性对混凝土抗剪强度的影响。

由于钢纤维自身的特性，对钢纤维混凝土有着一定的抗剪强度。钢纤维的自身特性主要包括钢纤维的类型、形状、长径比以及自身强度等等。

在钢纤维抗剪破坏的过程中，钢纤维会对混凝土的抗剪强度有明显的影响，因此截面刚度和等效直径对钢纤维高强混凝土抗剪强度的影响变得更加显著。钢纤维的截面刚度和自身强度都比较高，另外铣削型纤维与基体的粘结非常牢固。再加上该纤维的两端有弯钩，都使铣削型钢纤维能大大提高混凝土的抗剪强度。

对于剪切端钩形纤维和剪切长直形纤维，其纤维均为剪切型，纤维的表面粗糙程度也很相似，这两种纤维对于提高混凝土抗剪强度有着重要作用。其中剪切端钩形纤维的抗剪强度要优于剪切长直形纤维。

冷拉钢丝切断型纤维的等效直径是这几种纤维中最小的一种，其断面是圆形而且表面非常光滑。尽管冷拉钢丝切断型纤维强度非常高，而且两端设有坚固的弯钩，但这种纤维对混凝土的抗剪强度在4种纤维中是最小的。由此可见，钢纤维具有横断面对高强混凝土有着非常大的抗剪强度。钢纤维的其他自身特性也决定了钢纤维对混凝土的抗剪强度。

2.2钢纤维掺量对混凝土抗剪强度的影响。

钢纤维的成分和掺入量的多少也决定了钢纤维混凝土的抗剪强度的大小。钢纤维体积掺和率的越高，钢纤维混凝土的抗剪强度就高。但是在混凝土基体的强度升高以后,提高钢纤维的掺入量就减弱了钢纤维混凝土的抗剪强度，但不很明显。随着钢纤维掺量的不断增多，钢纤维混凝土受到的剪切破坏现象完全是由脆性破坏向半脆性破坏发展.由于钢纤维的作用，混凝土在产生裂缝之后，仍能继续保持一定的承载能力。

对钢纤维混凝土抗剪强度的影响主要取决于钢纤维的横断面性质。还包括钢纤维的其他自身性质，如钢纤维的自身长度或两端的变形、纤维自身强度、纤维表面的粗糙程度的变化也会引起钢纤维混凝土的抗剪强度的变化。随着钢纤维体积掺率的增加，钢纤维混凝土的抗剪强度逐步增高。但在混凝土基体强度较高时，提高钢纤维掺量对钢纤维高强混凝土抗剪强度的改善作用反而减弱。

高强混凝土论文篇5

关键词：混凝土试件强度；理论分析；实际操作；影响因素

前言

混凝土试件强度是检验和评定混凝土构件质量的主要依据。但在工程质量检测工程中经常会出现混凝土试件的强度过高，比如设计强度C30的混凝土，其试件强度达到45MPa，甚至超过45MPa。对此质量管理部门与施工单位经常发生分歧，反应强烈。

为了切实有效的加强建设工程质量的监督管理，提高工程质量管理水平，公司组织相关人员对这一焦点问题进行了调查和分析。现从理论和实际操作两个方面对调查结果做一下总结：

一、从理论角度分析混凝土试件强度超标的可能性

在正常的原材料供应和施工条件下，混凝土的强度有时偏高，有时偏低，但总是在配制强度的附近波动，质量控制越严，施工管理水平越高，则波动的幅度越小；反之，则波动的幅度越大。通过大量的数理统计分析和工程实践证明，混凝土的质量波动符合正态分布规律，正态分布曲线见图1

图1

正态分布的特点：

1．曲线形态呈钟型，在对称轴的两侧曲线上各有一个拐点。拐点至对称轴的距离等于1个标准差 。

2．曲线以平均强度为对称轴两边对称。即小于平均强度和大于平均强度出现的概率相等。平均强度值附近的概率（峰值）最高。离对称轴越远，出现的概率越小。

3．曲线与横座标之间围成的面积为总概率，即100%。

4．曲线越窄、越高，相应的标准差值（拐点离对称距离）也越小，表明强度越集中于平均强度附近，混凝土匀质性好，质量波动小，施工管理水平高。若曲线宽且矮，相应的标准差越大，说明强度离散大、匀质性差、施工管理水平差。因此从概率分布曲线可以比较直观地分析混凝土质量波动的情况。

依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2000）混凝土配制强度按下式计算：

fcu,o≥fcu,k+1.645σ

式中：fcu,o―混凝土配制强度（MPa）

fcu,k―混凝土立方体抗压强度标准值（MPa）

σ―混凝土强度标准差（MPa）

我们以 C30混凝土为例，假定某一家商品混凝土公司根据同类混凝土的统计资料确定标准差为5Mpa，则该批C30混凝土的配制强度为38.2Mpa，从理论上讲混凝土的配制强度等于该批混凝土强度的平均值，则以该配比配制的混凝土强度小于30Mpa的可能性为5%，（如图2所示阴影部分P1的面积为5%）这也就是我们平时所说的95%的保证率。

图2

根据正态分布曲线的对称性，则该批混凝土强度超过46.4Mpa的可能性也为5%。（如图2所示阴影部分P2的面积为5%）而46.4Mpa已经超过设计值的150%了，因此从理论上说混凝土强度超标是存在一定的可能性的。

二、混凝土试件在实际操作过程各个影响因素的作用下产生波动

混凝土试件的强度是受实际操作过程中许多因素影响的，这其中包括配合比、试件的制作方法、养护环境、试验条件等。

1、配合比

配合比是决定混凝土质量的关键因素，影响配合比的因素包括：砂细度模数和级配的波动；粗骨料最大粒径和级配的波动；超逊径含量的波动；骨料含泥量的波动；骨料含水量的波动；水泥强度（不同批或不同厂家的实际强度可能不同）的波动；外加剂质量的波动（如液体材料的含固量、减水剂的减水率等）等等。在现场施工或预拌工厂生产混凝土时，必须对原材料的质量加以严格控制，及时检测并对配合比加以调整，尽可能减少原材料质量波动对混凝土质量的影响。但是在有些情况下，比如遇到小方量混凝土的生产时，由于生产数量小，对于混凝土配合比的控制比较难，再加上小方量的混凝土在评定时，多采用非统计的方法，较统计方法提高了对混凝土强度的要求，因此在最初确定配合比时往往人为的提高配合比等级，这在一定程度上成为了混凝土试件超标的原因。

2、混凝土试件的制作

混凝土试件的制作水平也是影响试件强度的重要因素，制作水平较高的试验人员所做的试件强度高，均匀性好。而水平较低的则容易产生试件强度离散甚至达不到设计要求。比如同样的混凝土在制作时，所用的工具和试模表面如果未事先润湿，则在制作过程中会吸附掉混凝土中一部分的水，相当于降低了水灰比，因此所做的试件强度就偏高。另外在混凝土的取样过程中，如果取的骨料较多而砂浆较少，所做的试件强度也会偏高，反之则强度偏低。

3、试件的试验和养护条件

混凝土试件在测试过程中应控制一定的加载速度，如果加载速度过快会造成检测数据偏高。而混凝土试件如果采用标准养护的，由于养护条件与实体有较大的差别，也会造成混凝土事件强度与实体的强度不一致。

试件成型后立即用湿布覆盖表面(或其他保持湿度办法)，同条件养护试件可按实际构件拆模时间进行拆模。试件应放置在取样部位，与取样部位的混凝土构件进行同条件养护。标准养护试件应在温度为20℃±5℃，相对湿度大于50％的环境中，静置1―2昼夜，然后拆模并作第一次外观检查、编号，拆模后立即放人温度为20℃±2℃，相对湿度在95％以上的标准养护室中养护，试件彼此间距10―20 mm，试件表面应保持一层水膜，不得被水直接冲淋；或在温度为20℃,4-2℃的不流动ca(oI-I)2饱和溶液中养护，养护龄期28 d,当混凝土试件因制作、养护不符合国家标准要求，使混凝土试件强度不能真实反映混凝土结构实体质量时，对混凝土结构实体质量的评定只能采用无损检测或局部有损检测。

在影响混凝土试件强度的众多因素中，有些因素会造成试件强度偏高，而有些则会使强度偏低，但在实际的操作过程中对于那些会使混凝土试件强度偏低的因素控制的比较严格，而对于使试件强度偏高的因素则不够重视，有时甚至人为的将其放大。这就在很大程度上造成了混凝土试件强度的超标。

三、结束语

综上所述，导致混凝土试件强度超标的因素是多方面的，这其中存在客观因素和人为的主观因素。因此不能仅凭试件强度超过设计值的多少倍来确定是否存在混凝土强度浪费，甚至就此认定施工单位在试件制作是存在“吃小灶”的问题。管理人员应该加强对混凝土生产和施工过程中各个环节的监控，另外也可以加强对混凝土构件的实体检测，如回弹、取芯等检测手段，这样就能消除仅凭混凝土试件强度来评定混凝土质量的弊端。

高强混凝土论文篇6

关键词：养护剂；渗透性；耐久性

中图分类号：TV43文献标志码：A文章编号：

1672-1683（2015）001-0120-02

Applied research of curing agent DPS in water conservancy project

ZHANG Lei

（PRCMWR of Science and Technology Promotion Center，Beijing 100038，China）

Abstract：Discusses the curing agents DPS on the properties of concrete durability，and then compared with the ordinary concrete.The results show that after coating the curing agent DPS，the permeability resistance，frost resistance，resistance to chloride ion permeability and carbonation resistance of concrete performance are improved，micro cracks concrete sheet also greatly reduced.The permeability resistance and carbonation resistance of concrete performance is still better than not more than 50% of the application of DPS concrete that after a year of engineering application.

Key words：curing agent；permeability；durability

南水北调工程是解决我国北方水资源严重短缺的特大型基础设施项目，对于我国经济的可持续发展具有重要的战略意义。南水北调工程东线和中线输水干线全长约2 900 km，其中采用混凝土衬砌的渠道要求混凝土防水、抗冻、防渗，保障混凝土结构的耐久性达到100年，除应从原材料、外加剂、施工工艺等方面控制混凝土质量，还需加强混凝土养护等关键环节。

传统的养护方法包括洒水法、湿砂覆盖法、塑料薄膜覆盖法、蒸汽养护法等。这些方法均存在不同程度的缺陷，浪费资源，且养护质量欠稳定，复杂部位难以养护，这与工程建筑现代化的发展已经不相适应。国内外专家从20世纪40年代开始研究化学养护剂，研发了各种产品，并在实际工程中得以应用，取得了良好的社会效益和经济效益[1-5]。

本研究采用的养护剂为永凝液DPS（Deep Penetration Sealer），其在实际工程中常作为渗透结晶型防水材料使用，作用效果良好[6-7]。由于永凝液DPS为液状材料，将其喷洒在混凝土表面后，渗入混凝土内部，与混凝土中的游离碱产生化学反应，生成稳定的枝蔓状晶体胶质，有效地堵塞混凝土内部微细裂缝和毛细空隙，使混凝土表面与空气隔绝，大幅度降低水分从混凝土表面蒸发损失，从而利用混凝土中自身的水分最大限度地完成水化作用，达到养护的目的，可用作养护剂。

1试验部分

1.1原材料

水泥：普通硅酸盐水泥（P・O42.5R）。

砂：中粗砂，细度模数为2.74。

石子：粒径为10～20 mm。

外加剂：高效引气减水剂（型号SKY-1）。

永凝液DPS：金字塔牌永凝液，在混凝土处理面喷涂用量为3 kg/m2。

1.2混凝土配合比

混凝土配合比见表1。

表1混凝土配合比

kg/m3

材料名称水泥砂石子外加剂水

用量3307541 1314.3165

1.3试验方法及依据

混凝土抗渗性、抗冻性、抗碳化性、Cl-扩散系数（电量法）等试验方法依据《水工混凝土试验规程》（SL 352-2006），抗渗试验试验完成后，试件表面均未出现渗水现象，劈开混凝土试件，测量渗透深度，得出渗透深度结果；有效保水率试验方法参照JC 901-2002《水泥混凝土养护剂》附录A；表面吸水率试验方法参照《水运工程混凝土试验规程》（JTJ 270-1998）。

2结果及分析

对使用DPS 和未喷涂DPS的混凝土试件进行对比试验，包括28 d抗压强度，有效保水率、 吸水率、抗渗性能、冻融性能、抗碳化性能以及抗Cl-侵蚀性能试验，结果见表2。

表2室内试验结果

试验内容喷涂永凝液DPS未喷涂永凝液DPS

28 d抗压强度/MPa39.038.4

有效保水率（%）2.84-

吸水率（%）3.563.72

抗渗性能/mm（水压0.9 MPa，24 h渗透深度）33.337.7

从表2可以看出，喷涂混凝土永凝液DPS以后，混凝土28 d抗压强度强度提高了1.5%；通过喷涂DPS后，混凝土试件相对基准试件，其有效保水率为2.84%；吸水率得到降低，降低幅度为4.3%；

对于混凝土耐久性指标抗渗性能、抗冻融性能、抗碳化能力以及抗氯离子侵蚀的能力，经过DPS喷涂后均有所增强。其中，抗渗性能提高了11.7%；经过200次快速冻融循环后，喷涂DPS的混凝土动弹模量损失相比于未喷涂DPS的混凝土试件降低了1.5%；经过28 d碳化后，喷涂DPS的混凝土试件碳化深度仅有11 cm，相对未使用DPS的混凝土，抗碳化性能提高45%；喷涂DPS 对于提升混凝土抗氯离子渗透能力效果也十分显著，通过电量法的测试结果显示，喷涂DPS后，通过混凝土试件的电量显著下降，仅为基准试件的52.6%，说明DPS对于提高混凝土抗氯离子侵蚀能力效果显著。

3工程应用

3.1现场回弹试验和现场微细裂缝观测

在山东省胶东地区引黄调水工程莱州段121标机械化衬砌工程中进行了混凝土表面喷洒永凝液DPS与未喷洒永凝液DPS回弹强度、微细裂缝观测比较，回弹试验按《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJT 23-2001）测定，回弹强度检测结果见表3。

由表3可见，喷洒永凝液DPS与未喷洒永凝液DPS对现场混凝土衬砌板的强度相比，无论是混凝土衬砌板的上测区还是下测区均有所提高，另外可见早期表面覆盖毡布对混凝土养护有益。

表3混凝土衬砌板回弹强度检测结果

喷洒与未喷洒永凝液DPS现场混凝土衬砌板14 d、28 d混凝土表面干燥无明显的差别，但是混凝土衬砌板表面撒上水观察发现（见图1，图2），未喷洒永凝液DPS的混凝土衬砌板表面有明显微细裂缝，说明喷洒永凝液DPS能显著提高混凝土的抗裂性能。

图1未喷洒永凝液DPS混凝土表面微细裂缝

图2喷洒永凝液DPS混凝土表面洒水检验

3.2渗透性能和碳化性能测试

项目组对连云港市武障河闸进行了永凝液DPS应用，并在工程竣工1年后对混凝土渗透系数和碳化深度进行了检测，结果见图3。

图3DPS应用1年后混凝土渗透系数和碳化深度

从图中结果可以看出，经过喷涂DPS，一年后混凝土的渗透系数大大降低，仅为未喷涂DPS混凝土抗渗系数的509%；碳化深度的测试结果也显示，经过DPS处理后，混凝土碳化深度也显著降低，降低幅度为593%。从实际应用来看，DPS在喷涂1年后，对混凝土耐久性的提升作用仍然存在。

4结论

通过室内试验研究，现场示范推广以及工程竣工后的检测，得出以下结论。

（1）混凝土表面喷涂永凝液DPS后，有效保水，吸水率降低，混凝土的28 d抗压强度、抗渗性能、抗冻性能得到提高，特别是抗碳化性能、抗Cl-渗透性能提高明显，混凝土的耐久性增强。

（2）从工程应用结果来看，混凝土表面喷涂永凝液DPS后，可避免混凝土衬砌板微细裂纹的产生，提高了混凝土薄板的抗裂性能；并在应用1年后，混凝土的抗渗性能和抗碳化性能仍强于未施用DPS的混凝土50%以上。

参考文献：

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高强混凝土论文篇7

关键词：纤维混凝土；疲劳；应力水平

中图法分类号：TU375 文献标识码：A

0.引言

混凝土材料因抗压强度高、耐久性好、成本低等特点在建筑工程中得到了广泛应用，但作为一种脆性材料，混凝土的抗拉强度远低于抗压强度，这在很大程度上限制了其应用范围[1]。近年来采用纤维掺入混凝土来解决这一问题取得了较好的效果。纤维混凝土是在混凝土中掺入一定量的钢纤维或合成纤维而形成的一种高性能复合材料，它克服了混凝土脆性破坏的特点，具有较好的抗拉，抗裂，抗剪和抗冲击的性能，并且具有良好的延性及优异的耗能能力，纤维的加入明显改善了普通混凝土的力学性能和变形能力。目前，人们虽然已经对纤维增强混凝土材料进行了大量的研究，但大多数仅仅局限于静强度及耐久性等方面[2-4]，对材料疲劳性能方面的研究还不够完善。随着纤维增强混凝土材料的广泛推广和应用，已经应用于各种承受重复荷载作用的工程结构中，对抗疲劳也提出了较高的要求。因此纤维增强混凝土的疲劳性能、纤维对疲劳强度的作用机理以及影响程度如何，都是纤维增强混凝土应用于承受疲劳荷载的结构所面临的迫切需要解决的问题。

1.纤维混凝土疲劳性能研究

Ramakrishnan、Gollapudidi与Zellers[5]将聚丙稀纤维掺入混凝土中进行抗疲劳试验。试验采用的梁形试件尺寸为100mm×100mm×350mm，用三分点加载法，支点距离为300mm。循环加载速率为20次/s，最小应力保持在试件抗折强度的10%左右，最大应力变动于抗折强度的40%～94%之间。通过200万次的往复循环加载，测试混凝土的最大应力值，与抗折强度对比发现，素混凝土的比值为0.5，掺入0.3%聚丙稀纤维的混凝土则提高到0.65，说明聚丙烯纤维可使混凝土的抗疲劳强度得到提高。

Ramarkrishnan通过对钢纤维混凝土的疲劳性能的大量试验，试验采用纤维长度与直径比值在75～100，纤维体积率为0.5%～0.75%的钢纤维弯曲试件进行中点加载，尺寸为100mm×150 mm×350 mm，加载频率为20Hz。得到结论：端钩纤维能够承担很高的疲劳荷载，即使基体开裂后，端钩纤维仍然能够继续承担循环荷载。

国内许多学者也做了大量纤维混凝土疲劳方面的研究，取得了较好进展。

东南大学的高建明和孙[6]进行了全截面SFRC和SFRC与素混凝土分层复合结构的弯曲疲劳试验，得出两者疲劳性能相同的结论，并给出了考虑纤维率变化的疲劳方程。文献[7]中，孙伟等在素混凝土中加入硅灰和钢纤维，对比发现：同一应力水平下，混凝土疲劳寿命提高一个数量级，疲劳强度也有很大提高。

邓宗才[8]研究了素混凝土和钢纤维混凝土在轴压疲劳荷载下的破坏机理，通过试验研究了钢纤维品种、纤维掺量、加载应力水平对疲劳寿命及能量吸收的影响规律；探讨了疲劳累积损伤的特性。研究表明在较低的应力水平下，钢纤维混凝土的疲劳寿命、能量吸收值均比高应力水平时明显增大。

王璋水和邓宗才[9]对素混凝土（PC），底部撒布一层钢纤维混凝土（LSFC），聚丙烯腈纤维混凝土（PANFC），全掺钢纤维混凝土（SFC），底部撒布一层钢纤维的聚丙烯腈纤维混凝土（LSFC+ PANFC）进行了弯曲疲劳试验。试验表明：全掺钢纤维混凝土的弯曲疲劳强度比素混凝土提高约51.6%，底部撒布一层钢纤维混凝土的弯曲疲劳强度比素混凝土提高约12.4%，底部撒布一层钢纤维的聚丙烯腈纤维混凝土的弯曲疲劳强度比素混凝土提高约16.1%，比底部撒布一层钢纤维混凝土提高约3.3%。应力水平愈高，底部撒布一层钢纤维的聚丙烯腈纤维混凝土弯曲疲劳寿命愈长。

李建辉等人[10]研究了改性聚丙烯粗合成纤维混凝土界面和弯曲疲劳性能，探讨了疲劳寿命与应力水平、纤维掺量的关系。试验结果表明：改性聚丙烯纤维在砂浆中的界面黏结强度为3.06MPa；纤维掺量为6～13kg/m3时，相比基准混凝土，纤维混凝土的抗拉强度提高11.6%～20.5%；极限拉应变提高40%～83%；疲劳寿命提高约l～4倍。表明改性聚丙烯纤维混凝土具有良好的抗裂和抗疲劳性能。

邹尤等[11]通过16根钢-聚丙烯混杂纤维混凝土小梁和15根素混凝土小梁试件的弯曲疲劳试验，定量的分析了混杂纤维混凝土的疲劳性能。在循环荷载的作用下，素混凝土和混杂纤维混凝土应变随循环次数的变化呈三段式发展，即应变快速产生阶段，应变稳定发展阶段和应变加速发展阶段。但素混凝土的三段式特点更加明显，在第二阶段素混凝土的斜率明显大于混杂纤维混凝土，说明素混凝土的裂缝发展快于混杂纤维混凝土。

陈猛、郭莎等人[12]也对素混凝土和钢-聚丙烯混杂纤维混凝土两种材料进行了弯曲疲劳试验，结果表明：混杂纤维混凝土在循环荷载作用下的疲劳破坏表现为良好的塑性性质；在各个应力水平下，混杂纤维混凝土的疲劳寿命均高于素混凝土的疲劳寿命，并且在0.75应力水平下混杂纤维混凝土的疲劳寿命是素混凝土的7.7倍；在0.8应力水平下混杂纤维混凝土的疲劳寿命是素混凝土的10.8倍；在0.85应力水平下混杂纤维混凝土的疲劳寿命是素混凝土的3.7倍。

张慧莉，田堪良[13]为了研究聚丙烯纤维和磨细粒化高炉矿渣（GGBFS）在不同应力水平和频率下对混凝土抗弯疲劳性能的影响，将4个配比的聚丙烯纤维和5个配比的矿渣分别掺入混凝土中，当应力水平为0.49、0.59、0.69，频率为20Hz时以及应力水平为0.59，频率为30、40、50、60Hz时测试抗弯疲劳极限强度和疲劳寿命。研究表明：累积抗弯疲劳强度能够更准确地评价混凝土抗弯疲劳性能；聚丙烯纤维可以提高混凝土累积抗弯疲劳强度和抗疲劳寿命；矿渣及其水化物使得混凝土结构密实，改善了界面过渡区（ITZ）的结构，可以提高混凝土抗弯疲劳性能；抗弯疲劳性能随着应力水平提高而下降，S-N 数学模型可以用于预测20Hz频率动疲劳荷载下的矿渣聚丙烯纤维混凝土工程寿命；在一定的应力水平下，测试频率越高，抗弯疲劳性能越差。

湖南大学方志、向宇等人[14]通过对3种不同钢纤维含量的活性粉末混凝土（RPC）进行单向受压等幅疲劳试验，研究了钢纤维含量对其抗疲劳性能的影响。结果表明：在疲劳荷载作用下，素RPC的破坏形态表现为劈裂破坏，钢纤维含量分别为1.5%和3%的RPC都表现为剪切破坏。随钢纤维含量的提高，RPC的疲劳寿命和疲劳强度相应提高。其宏观损伤、ε-n/Nf曲线和疲劳变形模量的衰减均表现出3阶段规律，随钢纤维含量的提高，ε-n/Nf曲线第1阶段和第3阶段延长。对应相同的荷载循环比，疲劳变形模量随钢纤维含量的增大而显著提高。

郑州大学姬宏奎[15]通过对5根钢筋钢纤维高强混凝土梁试件施加疲劳循环荷载，研究分析了应力比对梁试件疲劳破坏特征、疲劳强度和疲劳寿命、刚度变化特征、跨中变形规律及裂缝开展情况的影响。试验结果表明：随着应力比的减小，梁试件的疲劳强度和疲劳寿命显著下降；梁试件的刚度随循环荷载作用次数的增加均经历了略有提高、急剧下降、趋于稳定三个阶段；随着应力比的减小，裂缝开展速率明显加快，应力比对裂缝开展影响显著；掺入钢纤维能够有效阻止裂缝的发展，改善钢筋高强混凝土的疲劳受力性能。由于影响试件疲劳性能的因素很多，姬宏奎的试验只研究了应力比对高强钢筋钢纤维混凝土梁的影响。建议后继学者应对尽量多的因素进行独立研究，如纤维掺量、混凝土强度等级、部分增强混凝土梁及深梁进行进一步的研究。同时，也需要对其长期荷载作用下的耐久性及在恶劣环境下的疲劳性能进行研究。

以上研究均表明，纤维的加入可显著增强混凝土的疲劳性能。

2. 纤维混凝土疲劳曲线研究

描述疲劳应力水平与疲劳寿命之间关系的曲线就是所谓的材料的应力-寿命曲线，又称为S-N曲线，由于S-N曲线最早由德国人 Wohler 研究金属材料的疲劳提出和使用，因此又称为 Wohler 曲线。采用S-N曲线描述材料的疲劳性能具有直观形象、明确且力学概念清晰的特点，因此人们研究其他材料的疲劳性能时也借鉴了这种方式。通常所说的 S-N曲线是指将不同应力（或应力水平）下疲劳寿命的平均值用曲线进行拟合得到的中值S-N曲线。在混凝土疲劳性能研究中一般假定S-N曲线在单对数或双对数坐标体系中呈线性。

杨志刚等人[16]对37根层布式钢纤维混凝土试件在0.90、0.85、0.80、0.75四种应力水平下进行了疲劳试验，记录了每个试件的疲劳寿命，用数理统计分析的方法并结合可靠性原理对所得试验原始数据进行整理，得到了正态分布拟合曲线和威布尔分布拟合曲线，其相关系数均在0.9以上。当疲劳寿命为105、106、107时，所对应的层布式钢纤维混凝土疲劳强度比整体式钢纤维混凝土分别降低2.9%、3.27%、3.75%。由此可见，虽然层布式钢纤维混凝土与整体式钢纤维混凝土相比大大减少了钢纤维用量（节省钢纤维用量90%以上），但其疲劳强度并未受到很大损失，公路等效的车辆反复作用次数一般在105～107之间，因此层布式钢纤维混凝土疲劳强度的损失不会超过4%。

邓宗才、王璋水等人[17]用四点加载方法研究了腈纶纤维混凝土梁和底层撒布较长钢纤维的腈纶纤维混凝土梁的弯曲疲劳性能。当应力水平为0.90时，腈纶纤维混凝土梁和底层撒布较长钢纤维的腈纶纤维混凝土梁弯曲寿命分别是素混凝土的22倍和29.01倍。根据疲劳试验结果，同时采用单对数和双对数两种函数形式，按照线性回归的方法得到弯曲疲劳方程，单对数方程的相关系数R2均在0.940以上，双对数方程的相关系数R2均在0.950以上，可见所建立的弯曲疲劳方程与试验值相关性良好。

王佶，卢哲安等人[18]对层布式钢纤维混凝土（LSFRC）和层布式混杂纤维混凝土（LHFRC）的小梁进行弯曲疲劳试验， 比较了两者各级应力水平下的平均疲劳寿命，在LSFRC 和LHFRC 配合比和钢纤维含量及长径比完全相同的情况下， 各级疲劳应力水平的LHFRC 的平均疲劳寿命比LSFRC 的平均疲劳寿命高。并通过对试验结果进行统计分析，运用两参数威布尔分布拟合不同应力水平下两者的疲劳寿命， 得出其特点和规律。LSFRC、LHFRC 各应力水平下的In[In（1/p）]与In N之间呈现良好的线性关系， 疲劳寿命服从两参数威布尔分布，建立了考虑存活率的LSFRC 和LHFRC双对数的疲劳方程， 可供实际工程应用。

大连交通大学的张伟[19]研究了不同掺量下改性聚丙烯纤维对混凝土弯曲疲劳性能的影响，建立各掺量下改性聚丙烯纤维增强混凝土材料的弯曲疲劳方程。结果表明除纤维成束现象较为严重的第 4 组（掺量为2%）外，第 2、3（掺量分别为1%和1.5%）两组改性聚丙烯纤维增强混凝土弯曲疲劳方程的回归参数 A，即S-N曲线的截距均高于第 1 组普通混凝土，这说明在一定掺量范围内，改性聚丙烯纤维可以提高混凝土的弯曲疲劳性能。而回归参数B，即S-N曲线的斜率更有了较为明显的提高，其中纤维掺量为 0.10%的第 2 组提高最大，较普通混凝土提高了9.7%，这说明改性聚丙烯纤维增强混凝土的S-N曲线变陡，也就是说弯曲疲劳寿命随应力变化的敏感程度也有所增加。

武汉理工大学常佳伟[20]研究了素混凝土、聚丙烯纤维混凝、钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土四种材料的弯曲性能。结果表明钢-聚丙烯混杂纤维混凝土能够有效提高混凝土的弯拉强度，并具有良好的增韧效果。获得了材料在不同应力水平下的疲劳寿命和应变-疲劳寿命（S-N）曲线，分别运用威布尔分布理论和对数正态分布理论对疲劳寿命进行拟合分析，通过对比表明威布尔分布理论更适用于混杂纤维混凝土的弯曲疲劳寿命分析。

以上研究均表明，运用威布尔分布理论对纤维混凝土疲劳寿命进行拟合是可行的。

3.小结

文献已经对纤维增强混凝土材料进行了大量的研究，虽然混凝土的组成、纤维类型及试验手段等不同，但也得出了一些比较一致的结论，得到了广泛的认可。

钢纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、混杂纤维均可以不同程度的提高混凝土的疲劳强度和疲劳寿命，一般情况下混杂纤维混凝土的疲劳性能更优。

疲劳性能随着应力水平提高而下降，即在较低的应力水平下，纤维混凝土的疲劳寿命、能量吸收值均比高应力水平时明显增大。

纤维混凝土在循环荷载作用下的疲劳破坏表现为良好的塑性性质。

对纤维混凝土的研究大多采用S-N （S-疲劳应力，N-疲劳寿命）曲线，分别运用威布尔分布理论和对数正态分布理论对疲劳寿命进行拟合分析，回归出疲劳方程。许多学者在进行拟合分析时得到的相关系数均在0.90以上，说明所建立的弯曲疲劳方程与试验值相关性良好。

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高强混凝土论文篇8

混凝土在现代工程建设中占有重要地位。而在今天，混凝土的裂缝较为普遍，在桥梁工程中裂缝几乎无所不在。尽管我们在施工中采取各种措施，小心谨慎，但裂缝仍然时有出现。究其原因，我们对混凝土温度应力的变化注意不够是其中之一。

1 裂缝的原因

混凝土中产生裂缝有多种原因，主要是温度和湿度的变化，混凝土的脆性和不均匀性，以及结构不合理，原材料不合格（如碱骨料反应），模板变形，基础不均匀沉降等。混凝土硬化期间水泥放出大量水化热，内部温度不断上升，在表面引起拉应力。后期在降温过程中，由于受到基础或老混凝上的约束，又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时，即会出现裂缝。在钢筋混凝土中，拉应力主要是由钢筋承担，混凝土只是承受压应力。在素混凝土内或钢筋混凝上的边缘部位如果结构内出现了拉应力，则须依靠混凝土自身承担。一般设计中均要求不出现拉应力或者只出现很小的拉应力。但是在施工中混凝土由最高温度冷却到运转时期的稳定温度，往往在混凝土内部引起相当大的拉应力。有时温度应力可超过其它外荷载所引起的应力，因此掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要。

2 温度应力的分析

根据温度应力的形成过程可分为以下三个阶段：（1）早期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束，一般约30天。这个阶段的两个特征，一是水泥放出大量的水化热，二是混凝上弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化，这一时期在混凝土内形成残余应力。（2）中期：自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止，这个时期中，温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起，这些应力与早期形成的残余应力相叠加，在此期间混凝上的弹性模量变化不大。（3）晚期：混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起，这些应力与前两种的残余应力相迭加。根据温度应力引起的原因可分为两类：（1）自生应力：边界上没有任何约束或完全静止的结构，如果内部温度是非线性分布的，由于结构本身互相约束而出现的温度应力。例如，桥梁墩身，结构尺寸相对较大，混凝土冷却时表面温度低，内部温度高，在表面出现拉应力，在中间出现压应力。（2）约束应力：结构的全部或部分边界受到外界的约束，不能自由变形而引起的应力。如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土。3 温度的控制和防止裂缝的措施

为了防止裂缝，减轻温度应力可以从控制温度和改善约束条件两个方面着手。控制温度的措施如下：（1）采用改善骨料级配，用干硬性混凝土，掺混合料，加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量；（2）拌合混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度；（3）热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度，利用浇筑层面散热；（4）在混凝土中埋设水管，通入冷水降温；（5）规定合理的拆模时间，气温骤降时进行表面保温，以免混凝土表面发生急剧的温度梯度；（6）施工中长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构，在寒冷季节采取保温措施；改善约束条件的措施是：（1）合理地分缝分块；（2）避免基础过大起伏；（3）合理的安排施工工序，避免过大的高差和侧面长期暴露；加筋对大体积混凝土的温度应力影响很小，因为大体积混凝土的含筋率极低。只是对一般钢筋混凝土有影响。在温度不太高及应力低于屈服极限的条件下，钢的各项性能是稳定的，而与应力状态、时间及温度无关。钢的线胀系数与混凝土线胀系数相差很小，在温度变化时两者间只发生很小的内应力。由于钢的弹性模量为混凝土弹性模量的7~15倍，当内混凝土应力达到抗拉强度而开裂时，钢筋的应力将不超过100~200kg／cm2..因此，在混凝土中想要利用钢筋来防止细小裂缝的出现很困难。但加筋后结构内的裂缝一般就变得数目多、间距小、宽度与深度较小了。而且如果钢筋的直径细而间距密时，对提高混凝土抗裂性的效果较好。混凝土和钢筋混凝土结构的表面常常会发生细而浅的裂缝，其中大多数属于干缩裂缝。虽然这种裂缝一般都较浅，但它对结构的强度和耐久性仍有一定的影响。为保证混凝土工程质量，防止开裂，提高混凝土的耐久性，正确使用外加剂也是减少开裂的措施之一。例如使用减水防裂剂，笔者在实践中总结出其主要作用为：（1）混凝土中存在大量毛细孔道，水蒸发后毛细管中产生毛细管张力，使混凝土干缩变形。增大毛细孔径可降低毛细管表面张力，但会使混凝土强度降低。这个表面张力理论早在六十年代就已被国际上所确认。（2）水灰比是影响混凝土收缩的重要因素，使用减水防裂剂可使混凝土用水量减少25％。（3）水泥用量也是混凝土收缩率的重要因素，掺加减水防裂剂的混凝土在保持混凝土强度的条件下可减少15％的水泥用量，其体积用增加骨料用量来补充。（4）减水防裂剂可以改善水泥浆的稠度，减少混凝土泌水，减少沉缩变形。（5）提高水泥浆与骨料的粘结力，提高的混凝土抗裂性能。（6）混凝土在收缩时受到约束产生拉应力，当拉应力大于混凝土抗拉强度时裂缝就会产生。减水防裂剂可有效的提高的混凝土抗拉强度，大幅提高混凝土的抗裂性能。（7）掺加外加剂可使混凝土密实性好，可有效地提高混凝土的抗碳化性，减少碳化收缩。（8）掺减水防裂剂后混凝土缓凝时间适当，在有效防止水泥迅速水化放热基础上，避免因水泥长期不凝而带来的塑性收缩增加。（9）掺外加剂混凝土和易性好，表面易摸平，形成微膜，减少水分蒸发，减少干燥收缩.许多外加剂都有缓凝、增加和易性、改善塑性的功能，我们在工程实践中应多进行这方面的实验对比和研究，比单纯的靠改善外部条件，可能会更加简捷、经济。

4 混凝土的早期养护

高强混凝土论文篇9

关键词：高温 混凝土 轴压 承载力 计算

引言

极限分析法，或叫极限平衡法，它不管加载历程和变形过程，直接根据结构处于极限状态时的平衡条件算出极限状态的荷载数值。

极限平衡理论将结构视为由一系列元件组成的体系，元件的变形方式和相应的极限条件（屈服条件）是已知的，而结构的极限承载能力是待求的。元件和结构的极限状态都是以作用在他们上面的力的大小作为量度的标准。当作用力达到某种大小，使结构发生破坏，丧失承载能力，或者使结构变形加剧成为机构，我们就称之为结构达到其极限状态。

1.极限平衡理论的基本假设，认为结构具有以下三个特性：

1.1结构变形的微小性。在结构丧失承载能力之前，结构和元件的变形很小，因而可以忽略静力平衡方程中的几何尺寸的变化，始终按变形前的结构尺寸来考虑静力平衡关系。

1.2元件极限条件（屈服条件）的稳定性。结构的元件，在达到极限强度时，其变形应能足够急剧地增长，但变形的增长不会改变元件的极限（屈服）条件。在结构丧失承载能力之前，结构的所有元件都不会失去稳定。

1.3荷载增长的单调性和一致性。作用于结构上的所有荷载都按同一比例徐徐增长，即所谓准静力式的简单加载。

以上1.1，1.2假设的实质，是把实际结构的元件理想化为刚塑性元件，即忽略其弹性变形。

高温下的钢管混凝土构件轴压下的性能，比较符合以上的假设，尽管钢管混凝土轴心受压柱的变形很复杂，更因加载方式不同而有差异，但其极限承载能力则不受变形过程的影响，因此可以应用极限平衡理论来进行分析计算。

2.结构在达到极限承载能力时，应满足以下几个条件：

2.1静力平衡条件。

2.2元件极限（屈服）条件。

2.3机动条件。即结构中有足够数量的元件达到极限状态，使结构成为可自由变形的机构。

我们应用静力法来求高温时钢管混凝土的极限轴压承载力。用静力法求得的极限荷载总是不大于真实的极限荷载，我们称之为下限解。

3.在进行高温时钢管混凝土的极限轴压承载力计算前，对结构做出如下假设：

3.1因轴心受压柱的应变场是轴对称的，所以可把钢管混凝土看成是由钢管和核心混凝土两种元件组成的结构体系；

3.2钢管和混凝土两种元件的极限（屈服）条件都是稳定的；

3.3构件在变形过程中始终保持为平截面；钢和混凝土之间无相对滑移；忽略剪力对构件变形的影响；

3.4在极限状态时，对于的薄壁钢管，因其所受的径向应力远比要小，可忽略不计，钢管的应力状态可简化为纵向受压、环向受拉的双向应力状态，并沿管壁均匀分布。

高温下钢管和核心混凝土的受力简图

由上图可看出，本课题共有5个未知量，即外荷载N，混凝土的纵向应力，钢管的纵向应力和环向应力，以及钢管和混凝土接触面之间的侧压力p， 需要建立5个独立方程。

由静力平衡得出两个方程：

和

由元件的屈服条件可建立另外两个方程，即钢管的Von Mises屈服条件和核心混凝土的屈服条件。

考虑到钢管较薄，可足够精确地取：

则

其中，为高温下的钢材屈服强度，

为高温下的混凝土抗压强度， （考虑到高强混凝土在400前比普通混凝土的抗压强度下降要快，乘以系数0.9）

为高温下套箍指标，通过求得，

为长细比影响系数，

因为混凝土截面比较大，而其温度场为不均匀温度场，所以需要通过计算混凝土的整个截面混凝土强度取如图1所示的各温度分区内混凝土温度的平均值和相应的强度值，则整个截面混凝土强度取各区的加权平均值。

每个混凝土圆环的抗压强度采用清华大学的过镇海、时旭东等采用同一套试验设备和相同的试验条件经过多次试验总结的高温时混凝土的棱柱体抗压强度表达式，如下：

其中，，即为每个圆环的平均温度。

通过每个圆环外边和内边的温度值，得出圆环的平均温度值，通过ANSYS温度场计算可得到截面的温度场分布，把整个截面分为一个混凝土圆、五个混凝土圆环以及一个钢管圆环，例举本次试验构件，其划分图如下所示。T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7与T8分别为距离圆心为r=0，80，160，240，320，400，482（486，442，446），500（450）的温度数值，其中因为钢管壁厚足够小，认为其整截面温度都为T8。通过这些温度数值可以求得其每个部分的平均温度，然后通过温度利用公式计算出每个部分混凝土的高温抗压强度与钢材的高温下屈服强度。利用每个部分混凝土的高温下抗压强度，通过以下公式求出整截面的钢管中心混凝土理论平均抗压强度。

钢管混凝土构件温度场区分图

而欧洲钢结构协会ECCS给出钢的屈服强度及弹性模量随温度变化的公式为：

从以上的理论推导表明，在影响混凝土柱耐火极限的各因素中，截面周长、防火保护层厚度、套箍指标和火灾时间对钢管混凝土的温度场产生很大影响；而钢管温度场、常温时的钢材屈服强度和混凝土强度对高温时材料强度影响很大；截面荷载偏心距和火灾荷载则对最后计算钢管混凝土的火灾下极限承载力具有很大影响。

定义长细比，对于长细比的影响，作者认为，钢管混凝土长柱的力学性能，远比普通钢柱和钢筋混凝土柱复杂。对于长细比很小的短柱，其破坏是由于钢管在双向应力下屈服和核心混凝土在三向受压下被压坏所致。对于长细比很大的所谓长柱，其破坏是由于弹性失稳，亦即由于发生侧向挠度和弯曲而破坏，破坏时的纵向应变尚处于弹性范围，其极限荷载在常温下可用Euler公式确定，但在高温下尚未有具体理论计算。对于长柱，要确定其受力与长细比之间的关系，只要我们知道钢管混凝土应力路径和加载方式的多样性、荷载作用点的偶然偏心、柱端支承的实际条件与理想条件的差异等，就可理解到这是一个在理论和实践上都难于尽善的任务。所以，欲单纯从理论推导的途径去建立适用于计算各种长细比的钢管混凝土柱极限承载能力的公式，还有相当难度。对长细比影响因素的考虑直接参照前人所得出的长细比增长而使极限承载力降低的规律，如公式所示。

4.结语

高强混凝土论文篇10

关键词：抗剪强度；纤维产量；钢纤维类型；基体强度；抗剪强度影响系数

Abstract：Shear strength of steel fiber reinforced concrete(SFRC) at low content was investigated and the effects of fiber content, steel fiber type and matrix strength were discussed in the paper based on the dual shear test. It is found that the shear strength of SFRC increases with the increase of fiber content and the fiber type is a main factor influencing the shear strength. It is also found that with the increase of matrix strength, the shear strength of SFRC increases but the strength ratio drops. Based on the results of the experiment, the shear strength influence coefficient is modified.

Keywords：the shear strength, fiber content, steel fiber type, matrix strength, the shear strength influence coefficient

中图分类号：C33文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

引言

混凝土作为目前应用最广的一种建筑材料，除了其优点之外，还存在着自重大、抗拉强度低、易开裂、性质较脆等固有缺陷，并在一定条件下约束限制了混凝土的进一步应用和发展。钢纤维混凝土（SFRC）是以混凝土为基体，以随即乱向分布于混凝土基体中的钢纤维作为增强材料组成的复合材料[1,2]。钢纤维可以阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展，对于混凝土的变形能力、韧性，抗拉强度以及由主拉应力控制的抗剪等强度有明显的提高和改善作用。在土木工程结构中使用钢纤维混凝土进行关键部位局部增强可以在一定程度上提高结构的抗剪强度和变形能力，减少为提结构高抗剪强度而增加的箍筋数量，降低工程造价并方便施工[3]。

近年来，随着钢纤维混凝土的广泛使用，国内外已做了大量有关钢纤维混凝土抗剪性能的试验和理论研究，并取得了一定的成果，但有关低掺量钢纤维混凝土抗剪性能的研究并不多，为此本文对低掺量刚混凝土的抗剪性能进行了重点的研究和分析。

试验概述

原材料

水泥：本试验中采用水泥为河南荥阳生产的长城牌P.O 32.5和P.O 42.5通硅酸盐水泥。其中，强度等级为C20的混凝土采用P.O 32.5普通硅酸盐水泥，C30、C40和C50的混凝土采用P.O 42.5通硅酸盐水泥

粗骨料：本次试验粗骨料为碎石，粒径为5㎜～20㎜，级配曲线如图1所示。

细骨料：本次试验细骨料为优质河砂，中砂，细度模数为3.,1，粒径0.15㎜～5㎜之间，级配曲线如图2所示。

钢纤维：本次试验使用的4中钢纤维均为上海贝卡尔特生产的钢丝切断弯钩型钢纤维，钢纤维编号依次为A、B、C和D，特征参数如表1所示。

表1钢纤维特征参数

配合比

基本配合比如表2所示

表2基本配合比

实验分组与符号说明

本文主要研究的是钢纤维混凝土的基体强度、钢纤维类型（纤维长度、长径比）和纤维掺量对钢纤维混凝土抗剪强度的影响。

（1）基体强度：取4个水平，分别为C20、C30、C40、C50。其中C30作为基本组，在其它单因素影响试验中被采用。

（2）钢纤维掺量：考虑5个水平的体积掺量，分别为：0、0.2%、0.4%、0.5%、0.7%，其中掺量为0的一组作为对比组，0.4%作为基本组，在其它单因素影响试验中采用。

（3）钢纤维种类：取4个水平，A、B、C和D。A与D纤维长度不同，长径比接近；B、C与D纤维长度接近，长径比有加大差异

分组编号有三部分组成，第一个字母表示钢纤维类型，后面两位数字表示钢纤维体积掺量，最后两位数字表示钢纤维混凝土基体强度。如D04-30，“D”表示混凝土中掺加的钢纤维的种类为D，后面的“04”表示混凝土中钢纤维的体积掺量为0.4%，最后两位数字“30”表示钢纤维混凝土的基体强度为C30

抗剪强度试验

本次试验采用双面直接剪切法测定钢纤维混凝土的抗剪强度，按照《纤维混凝土试验方法标准》（CECS13-2009）的规定，试验装置如图2所示。

试验前，先在试件侧面的预定破坏面做好标记，然后安放试件，试件浇筑时的侧面为上下受力面，加荷速度为0.06～0.10MPa，记录试验结果精确至0.01MPa。检查试件破坏面，如不在预定位置，则试验结果无效。

抗剪强度按照公式下面计算：

（1）

式中：—抗剪强度（MPa）；

—最大荷载值（N）；

b、h—b和h分别为试件的高度和宽度，其中b=h=100㎜，抗剪强度试验试件尺寸为100×100×400㎜。

试验结果及分析

试验结果

抗剪强度试验结果如表3所示

表3低掺量钢纤维混凝土抗剪强度试验结果

钢纤维混凝土抗剪强度影响因素

影响钢纤维混凝土抗剪强度的因素有很多，最主要的是钢纤维的掺量、钢纤维类型和基体强度。

钢纤维掺量

本文主要研究了钢丝切断带弯钩型钢纤维掺量对钢纤维混凝土抗剪强度的影响。试验采用钢纤维的体积率为0～0.7%，图5(a)为基体强度为C30时，低掺量钢纤维混凝土的抗剪强度。可以看出，随着钢纤维掺量的提高，低掺量钢纤维混凝土的抗剪强度也逐渐增大。普通C30混凝土的抗剪强度为6.26MPa，D07-30的抗剪强度为10.13MPa，相对于普通混凝土D07-30的抗剪强度提高了 62%。钢纤维掺量≤0.7%时，钢纤维混凝土抗剪强度比变化范围为1.36～1.62，D02-30最小为1.36，其抗剪强度提高了36%。混凝土中掺加钢纤维可以显著提高其抗剪强度，并且随着钢纤维掺量的提高其抗剪强度逐渐增大，纤维掺量是影响钢纤维混凝土抗剪强度的主要因素之一。

钢纤维类型

除纤维掺量外，钢纤维类型也是影响低掺量钢纤维混凝土抗剪强度的主要因素[4]，图5(b)为纤维掺量为0.4%时4种类型钢纤维混凝土的抗剪强度。可以看出， A04-30和D04-30的抗剪强度最大，分别为9.01MPa和9.35MPa，相比普通C30混凝土，其抗剪强度分别提高了45%和49%；B04-30的抗剪强度最低为8.33MPa，相比普通混凝土抗剪强度提高了33%。混凝土中不论掺加哪种类型的钢纤维，其抗剪强度都显著提高。由于钢纤维混凝土抗剪破坏形态的特殊性，钢纤维的微销栓作用对抗剪强度的提高具有非常积极的意义，端部弯钢纤维便是非常有利的一种，除此之外，适当的纤维长度和长径比对钢纤维混凝土的抗剪强度也有很大的影响。

基体强度

钢纤维与混凝土基体之间的粘结强度是影响钢纤维混凝土抗剪强度的主要因素之一。钢纤维与混凝土基体强度之间的粘结强度除了受钢纤维外形影响之外，水灰比是最主要的影响因素。一般而言，水灰比减小，混凝土基体强度增大，钢纤维与混凝土之间的粘结强度也增大，图5(c)和5(d)所示分别为钢纤维D掺量为0.4%时，不同基体强度下钢纤维混凝土的抗剪强度和强度比。以看出，随着基体强度的提高，低掺量钢纤维混凝土的抗剪强度与普通混凝变化趋势一样，逐渐增大，但是不同的基体强度，钢纤维混凝土抗剪强度的提高幅度并不一样。从C20到C50，钢纤维混凝土的抗剪强度比分别为1.78、1.49、1.33和1.31，随着基体强度的提高，强度比逐渐降低，钢纤维对抗剪强度的增强效果逐渐减弱。

低掺量钢纤维混凝土抗剪强度的计算

钢纤维混凝土的抗剪强度是一个复杂的问题，双面剪切得到的抗剪强度只是一个近似值，其见其面上应力分布并不均匀。钢纤维混凝土抗剪增强机理研究十分困难，目前没有一个公认的完全合理的计算公式。但是从以上分析可知，钢纤维混凝土的抗剪强度主要受混凝土的基体强度、钢纤维掺量和钢纤维类型的影响，文献[1,2]建议采用影响系数法来表征钢纤维对混凝土抗剪强度的影响，计算公式如式2所示：

（2）

式中：—低掺量钢纤维混凝土抗剪强度；

—普通混凝土抗剪强度；

—钢纤维混凝土抗剪强度影响系数，一般有试验确定。

—钢纤维含量特征值，有式求得，其中为钢纤维体积掺量，长径比。

文献[2]中，曾根据以往的研究和试验结果给出了抗剪强度影响系数为0.55，文献[3]详细的给出了不同类型钢纤维混凝土的抗剪强度影响系数的值，其中切断弯钩型0.7，铣销弯钩型为1.64，剪切弯钩型为0.84，剪切长直型为0.97。对试验结果进行回归分析，得出本次试验切断弯钩型钢纤维混凝土抗剪强度影响系数为1.94对试验结果与计算抗剪强度进行比较，如表4所示。

表4低掺量钢纤维混凝土抗剪强度试验值与计算值

除了D02-30和C04-30两组的抗剪强度计算值和试验值相对误差超过10%以外，其余各组相对误差都比较小。试验结果与计算结果符合程度较好。

破坏形态

在抗剪试验中，普通混凝一般达到极限荷载才开裂，并沿着破坏面迅速断裂，试件失去承载能力，表现出典型的脆性破坏。钢纤维混凝土在没有达到极限荷载之前首先在剪切面中部出现裂缝，随着荷载的不断增大，裂缝向加载位置延伸，最大荷载时，裂缝贯通，剪切面错位，试件破坏。与普通混凝土不同，钢纤维混凝土基体错动后由于钢纤维的拉结作用，试件还具有一定的承载能力，随着钢纤维的不断拔出，后天再逐渐下降，表现为塑性破坏。如图6和图7分别为普通混凝土抗剪破坏形态和低掺量钢纤维混凝土抗剪破坏形态。

结论

本文几轮主要如下：

（1）钢纤维掺量在0.7%以下时仍能够显著的改善混凝土的抗剪性能，提高混凝土的抗剪强度，改善破坏形态。

（2）纤维掺量是影响钢纤维混凝土抗剪强度的主要因素之一，随着纤维掺量的提高，钢纤维混凝土的抗剪强度逐渐增大。

（3）钢纤维的外形是影响粘结强度的主要因素之一。此外，适当的纤维长度和长径比也有助于提高钢纤维混凝土的抗剪强度。

（4）随着基体强度的提高，钢纤维混凝土的抗剪强度逐渐提高，钢纤维对抗剪强度的增强效果却逐渐降低。

（5）在试验的基础上，本文修正了钢纤维掺量≤0.7%时切断弯钩型钢纤维混凝土抗剪强度影响系数，结算结果与试验结果符合较好。

参考文献

[1]高丹盈，赵军，朱海堂．钢纤维混凝土设计与应用[M]，北京：中国建筑工业出版社，2002

[2] 高丹盈，刘建秀．钢纤维混凝土基本理论[M]．北京：科学技术文献出版社，1994