材料科学与工程水泥课程设计.docx
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材料科学与工程水泥课程设计
重庆交通大学
水泥与水泥混凝土课程设计
姓名：
张清元
学号：
10140114
学院：
土木学院
专业：
材料科学与工程1班
指导老师：
熊出华、王瑞燕
日期：
2013年06月13号
钢纤维混凝土加强房屋建筑框架结构中抗震性能应用研究
一、实验目的
了解钢纤维混凝土研究和应用现状
了解钢纤维加强混凝土力学性能的原理及钢纤维混凝土在加强房屋框架结构抗震性能中的作用；掌握钢纤维混凝土力学性能检测方法及配合比设计方法。
二、实验任务
钢筋混凝土结构应用于房屋建筑中，影响抗震性能最大的问题就是脆性，因此需要加大钢筋用量，但是钢筋过多，又会增加施工难度，提高成本。
高强混凝土中加入钢纤维可以起到增强增韧作用，钢纤维混凝土中乱向分布的短纤维主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和抗冲击性，改善混凝土的韧性和混凝土结构的延性。
本实验控制钢纤维在混凝土配合比的掺量，验证钢纤维混凝土基本力学性能，为得出最适合房屋建筑框架结构抗震要求的钢纤维掺量提供依据。
三、实验综述
3.1钢纤维混凝土国内外研究情况概述
钢纤维混凝土（SteelFiberReinforcedConcrete，简称SFRC）是近20年迅速发展起来的一种新型复合材料。
它是在普通混凝土中掺入乱向分布的钢纤维所形成的一种纤维型与颗粒型相混合而成的复合材料。
除抗压强度外，它的其它物理力学性能都比普通混凝土有显著的改善和提高。
在受力过程中，钢纤维发挥其抗拉强度高，而混凝土发挥其抗压强度高的优势，两者各施所长，不仅提高了混凝土的抗拉、抗折、抗剪强度，而且由于它的阻裂性能使原来本质上是脆性材料的混凝土呈现出很高的抗裂性、延性和韧性。
1910年美国的H.F.Porte曾发表了有关以短纤维增强混凝土的研究报告，建议把短纤维均匀分散在混凝土中用以强化基体材料。
1911年美国的Graham曾把钢纤维掺入普通钢筋混凝土中得到了可以提高混凝土强度和稳定性的结论。
此后，直到1940年，美、英、法、原联邦德国等国家先后公布了许多关于钢纤维混凝土方面的专利，仅就国外文献而言，在我国较有影响的就有英国学者D.J.Hannant、美国籍学者P.N.Balaguru和S.P.Shah等人的专著，有的还被译为中文。
掺加钢纤维来提高混凝土的耐磨性和抗裂性、钢纤维混凝土制造工艺、改进钢纤维形状以提高纤维与混凝土基体的粘结强度等。
日本在第二次世界大战期间，由于军事上的需要，也曾进行过有关钢纤维混凝土方面的研究，但当时均未达到实用化的程度。
20世纪70年代，美国Battele公司研制出一种划时代的钢纤维制作方法，即熔融拔出法（Melt-Extraction），制造出廉价钢纤维，钢纤维混凝土的实用化才从根本上取得了进展，1966年美国混凝土协会成立纤维混凝土委员会（ACI544委员会）。
1973年，在加拿大渥太华，由美国ACI544委员会举办了第一次纤维混凝土的国际会议，而后于1975年、1978年在伦敦又相继召开了纤维混凝土的国际性学术讨论会。
此后20多年，钢纤维混凝土在发达国家和发展中国家的开发研究受到普遍重视，尤以日本、美国、英国进展最快。
近年来科研工作者对纤维混凝土的研究有了更新的进展，1993年中国工程建设标准化协会批准实施《纤维混凝土结构设计与施工规范》，规范的颁布极大地推动了纤维混凝土在各种工程以及建筑制品等领域的推广应用。
近年来，国内一些大的机场跑道陆续采用钢纤维混凝土做路面，使用寿命可提高到30年以上，取得了良好的效果。
3.2房屋建筑框架结构抗震性能对梁柱强度的要求
从地震灾区框架结构震害来看，较多数的现行建筑物未达到强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件这一目标，其重点是柱和节点破坏，梁出现塑性铰的情况较少，在框架梁柱节点区的浇筑施工中，易将箍筋下移，引起节点区箍筋不足处理措施。
弯矩要求：
框架结构的变形能力与框架的破坏机制密切相关，实验研究表明，梁先屈服，可使整个框架有较大的内力重分布和能量耗散能力，柱一般在轴向压力作用下，其延性通常比梁的要小，如果不采取“强柱弱梁”措施，柱端很可能比梁端先出现塑性铰。
因此适当调整柱计算内力并增大配筋，使塑性铰首先出现在梁端，抗震性能较好。
剪力要求：
由于抗震规范规定的柱端弯矩增大措施只能适度推迟柱端塑性铰的出现，而不能避免出现柱端塑性铰，因此对柱端也应提出“强剪弱弯”要求，避免柱底部在弯曲破坏之前出现剪切破坏。
柱的延性要求：
控制柱的轴压比，轴压比越大导致柱的抗压强度储备越低，在地震时混凝土容易压碎而导致柱的破坏，限制柱轴压比可提高柱的延性。
梁端剪力设计值要求：
在框架结构设计中，应力求做到在地震作用下的框架呈现梁铰型延性机构，为减少梁端塑性铰区发生脆性剪切破坏的可能性，对梁端的剪力适当调整，使斜截面受剪承载力高于正截面受弯承载力，做到“强剪弱弯”。
3.3钢纤维增强混凝土强度机理
在钢纤维混凝土中，纤维的主要作用是限制在外力作用下混凝土基体中裂缝的扩展。
在受荷（拉、弯）初期，混凝土基体与纤维共同承受外力，前者是外力的主要承受者；当基体开裂后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。
若纤维体积率超过某一临界值，整个复合材料可继续承受较高的荷载，并产生较大的变形，直至纤维被拉断或纤维从基体中被拔出，以致复合材料破坏。
因此，与普通混凝土相比，钢纤维混凝土具有较高的抗拉和抗弯极限强度，而尤以韧性提高的幅度为大。
根据国内外研究表明纤维增强混凝土机理主要为以下两方面：
（1）复合材料机理：
该机理将钢纤维作为增强材料，应用复合材料混合法则推导纤维混凝土的应力、弹性模量，并考虑纤维混凝土的力学性能与纤维的掺量、纤维取向、长径比和纤维与基体粘结力之间的关系。
（2）纤维距机理：
该机理是由美国学者J.P.Romualdi提出，它根据断裂力学说明纤维对于混凝土裂缝的约束作用，该理论认为混凝土内部的缺陷是天生的，要想提高这种材料的抗拉强度，必尽量减少混凝土内部的缺陷，提高混凝土的韧性，降低内部裂缝尖端的应力场强度因子。
纤维分布和取向对混凝土性能的影响也是很重要的。
若能使纤维分布在受拉区并按受拉方向定向排列，则增强效果将大大加强。
目前在增强理论取得进展的同时，大量生产钢纤维的工艺问题也解决了，使得钢纤维混凝土源源不断应用于工程建设之中。
3.4本实验的实验原理及特点
本实验采用长径比为55的异型剪切型钢纤维，高强度水泥作为基质水泥，控制钢纤维的掺量制作多组试件，进行标准的抗压、抗弯拉、断裂能测试实验。
另外，由于抗震要求梁柱节点的强度较高，所以单独对梁柱强度进行实验并不能完全得出哪种掺量的抗震效果最好，所以本实验设计了一个三维梁柱节点，以抗压强度作为强度的标示值，分别对该试件不同角度进行抗压实验，以表征真实地震中，地震能量对梁柱节点不同方向的挤压，进而得出模拟效果更好的实验值。
以实验结果为依据，综合评定钢纤维混凝土对提高房屋建筑框架结构抗震性能的影响，并探寻钢纤维的不同掺量对提高房屋建筑框架结构抗震性能的影响规律，从而为选择最佳钢纤维掺量提供依据。
四、实验设计依据
1、JGJ55-2000《普通混凝土配合比设计规程》
2、GBJ107-87《混凝土强度评定标准》
3、GB50119-2003《混凝土外加剂应用技术规程》
4、GB/T14684-2001《建筑用砂》
5、GB/T14685-2001《建筑用卵石、碎石》
6、GB175-2007《通用硅酸盐水泥》
7、CECS38-2004《纤维混凝土结构技术规程》
8、CECS38-92《钢纤维混凝土结构设计与施工规程》
五、实验原材料选择
5.1钢纤维的选择
从理论上分析混凝土中的受力情况，纤维所受的应力与纤维长径比、水泥浆与纤维界面粘结强度成正比，即要提高纤维在混凝土中的增强效果，一是提高钢纤维的长径比；二是提高钢纤维与基体之间的粘结强度。
但是长径比过大，将影响纤维混凝土的性能，混凝土和易性降低，还会产生纤维结球等现象，破坏混合料的均匀性，从而影响混凝土性能的改善，所以提高界面的粘结性能是提高钢纤维增强效果和保证其施工性能的较佳途径。
就钢纤维本身而言，则取决于它的形状及表面情况。
本实验采用异型剪切型钢纤维，具体参数如下：
钢纤维参数表
型号
长度（mm）
等效直径（mm）
长径比
抗拉强度（N/
）
剪切型
32
0.58
55
＞700
5.2水泥的选择
水泥采用重庆拉法基水泥有限责任公司生产的P.052.5R普通硅酸盐水泥，可以配置C50高强混凝土作为钢纤维混凝土的基材。
具体性能指标如下：
水泥的具体参数表
技术指标
细度
80µm筛余（%）
凝结时间（min）
标准稠度用水量（%）
安定性
3天强度（MPa）
28天强度（MPa）
初凝
终凝
抗折
抗压
抗折
抗压
实验结果
2.3
124
270
28.2
合格
9.5
38.5
14.0
78.5
执行标准
≤10
≥45
≤390
—
必须合格
≥5.0
≥27
≥7.0
≥52.5
5.3集料的选择
细集料砂采用重庆永川德源砂厂生产的中粗砂，含水量为5﹪，中粗砂有利于提高混凝土和易性及强度并且节约水泥。
具体指标如下：
细集料具体参数指标表
技术指标
细度模数
含泥量（%）
泥块含量（%）
表观密度（kg/m3）
试验结果
2.6
1.4
0.7
2730
执行标准
3.0~2.3
≤3.0
≤1.0
≥2500
粗集料选用重庆市涪陵区乌江碎石厂生产的人工碎石，最大公称粒径为26.5mm，Ⅱ级级配，表观密度为2770kg/m3，含水率为1﹪，细档（4.75～16mm），粗档（16～26.5mm）。
试验搭配分析研究，具体结果见下表：
粗集料具体参数指标表
细档
（4.75～16mm）
粗档（16～26.5mm）
堆积密度（kg/m3）
紧密密度（kg/m3）
备注
30%
70%
17894
19202
空隙率最小
5.4外加剂的选择
选用重庆市渝北区八达混凝土外加剂厂生产的JD-B型高效减水剂，掺量为0.8%并与水泥进行了净浆流动度试验，能减少拌合水用量，提高混凝土强度。
结果见下表：
外加剂参数表
水泥
外加剂
净浆流动度
浆体情况
拉法基
渝北八达
280
好
5.5水的选择
可饮用水：
ρw=1000kg/m3
六、配合比设计
6.1配合比设计原则
钢纤维混凝土配合比设计，按普通混凝土标准方法进行，出了满足设计要求的抗压强度、抗剪强度、弯拉强度外，还要满足本实验对混凝土的延性和抗疲劳性能的特殊要求。
6.2配合比设计的主要指标
钢纤维混凝土配合比设计主要控制指标：
最大水灰比不超过0.45，砂率控制在30%-40%，水泥用量为400-500kg/m3，坍落度控制在4-7cm。
6.3本实验选用的钢纤维混凝土配合比
根据钢纤维混凝土的施工特点，最终选用配合比见下表：
钢纤维混凝土配合比kg/m3
水泥
水
粗集料
细集料
外加剂
填料
412
165
1192
614
2.06
35
注：
水灰比为0.40；砂率为34%
6.4钢纤维掺量
钢纤维掺量等级设为：
0、10、20、30、40、50、60（kg/m3）。
七、实验步骤及预测实验效果分析
7.1制作实验试件
按照混凝土配合比以及钢纤维掺量等级，分别制备试验试件：
1）抗压试件尺寸为150mm×150mm×150mm，龄期分别为7d、28d；
2）抗弯拉试件尺寸为100mm×100mm×400mm，龄期分别为7d、28d；
3）断裂能测试实验试件尺寸为100mm×100mm×400mm，支距为300mm，预制裂缝深度为40mm，龄期为28d；
4）框架梁柱组合件尺寸：
截面为100mm×100mm，三条棱等长均为300mm，互为直角关系，一共制备三组试件，养护龄期为7d、28d，具体形状如图：
7.2抗压强度实验
按照试验规范，对抗压试件进行标准轴心抗压实验，在下表中记录：
抗压强度实验数据记录表
钢纤维掺量（kg/m3）
抗压强度/MPa
强度增长百分比/%
7d
28d
7d
28d
0
10
20
30
40
50
60
预测实验结果：
同设计标号的剪切型钢纤维混凝土的抗压强度的早期抗压强度比普通混凝土略有提高，但不随钢纤维的掺量变化而成线性变化，应用在房屋梁柱结构中，几乎可以不考虑抗压强度的增量。
7.3抗弯拉强度实验
按照试验规范，对抗拉试件进行标准三分点双点加荷抗弯拉实验，在下表中记录：
抗弯拉强度实验数据记录表
钢纤维掺量（kg/m3）
抗弯拉强度/MPa
强度增长百分比/%
7d
28d
7d
28d
0
10
20
30
40
50
60
预测实验结果：
在钢纤维一定的掺量范围内，剪切型钢纤维混凝土的抗弯拉强度比普通混凝土提高了40%左右，且与钢纤维的掺量成正比，应用在房屋建筑的梁结构中，能增强梁的抗弯拉能力，即在相同抗弯拉要求的前提下，减小梁的体积，即结构物的自重减小，但是不影响强度要求，对节约建筑材料、建设高强度防震建筑有实际应用价值。
7.4断裂能测试实验
对断裂能测试试件进行测试，分别测试最大裂口为1.0mm和2.0mm时的断裂能，并在下表中记录：
断裂能实验数据记录表
钢纤维掺量（kg/m3）
0
10
20
30
40
50
60
1.0断裂能（Pa*m）
2.0断裂能（Pa*m）
实验结果预测：
在混凝土中增加钢纤维掺量，会显著地提高混凝土的断裂能，说明钢纤维混凝土有非常明显的阻裂作用，但当试件开裂较小时，钢纤维混凝土不能增加断裂能的数值，只有当试件开裂较大的时候，在混凝土中掺加钢纤维才能有效地增加断裂能大的值，这也说明钢纤维对混凝土的起裂限制作用不明显。
7.5框架梁柱组合件模拟实验
对于第一组试件，在测试抗压强度的压力机上，由两条棱边分别接触压力机的上下加载面，第三条棱边水平悬空放置，两条棱边与压力机上下加载面的夹角大致相等，开动压力机，并测试组合件两条棱的抗压强度，记录数据于表中：
框架梁柱组合件模拟实验数据记录表1
钢纤维掺量（kg/m3）
0
10
20
30
40
50
60
7d强度（MPa）
28d强度（MPa）
对于第二组试件，在测试抗压强度的压力机上，由两条棱边接触下加载面，第三条棱边水平悬空放置，第三条的棱边节点处接触压力机的上加载面，开动压力机，并测试组合件两条棱的抗压强度，记录数据于表中：
框架梁柱组合件模拟实验数据记录表2
钢纤维掺量（kg/m3）
0
10
20
30
40
50
60
7d强度（MPa）
28d强度（MPa）
对于第三组试件，在测试抗压强度的压力机上，由三条棱边同时接触压力机的下加载面，顶角接触压力机的上加载面，开动压力机，测试组合件三条棱的抗压强度，并记录于表中：
框架梁柱组合件模拟实验数据记录表3
钢纤维掺量（kg/m3）
0
10
20
30
40
50
60
7d强度（MPa）
28d强度（MPa）
实验结果预测：
对于三组试件，基本规律相同，随着钢纤维掺量的增大，棱的抗压强度呈增大趋势，即钢纤维对节点的受变形力后有阻裂的功能。
在钢纤维掺量不大的情况下，抗压强度增幅较大，在钢纤维掺量的一定范围内，抗压强度与钢纤维掺量呈线性关系，当超过这一范围后，抗压强度的增大量趋于平缓。
并且随着龄期的增大，棱的抗压强度均增大。
此实验主要模拟实际房屋建筑的框架结构梁柱节点在地震中的抗变形强度，由于地震有横、竖波的区分，对框架梁柱节点的三条棱边的挤压变形也是不同的，既有两条边主要受力的情况，也有三条边夹角均扩大的情况，既有节点两条棱扩张夹角的趋势，也有受压缩力的可能。
模拟框架结构梁柱节点的抗变形强度实验，钢纤维的掺入量增大，对房屋建筑的抗震性能有积极影响，可以阻止梁柱节点的开裂，增强混凝土在节点处的韧性。
八、实验结论
钢纤维混凝土立方体抗压强度、抗弯拉强度均随着钢纤维在一定范围内的掺量的增加而增大；
钢纤维能有效的增加混凝土大的断裂能，但是对混凝土起裂的限制作用不明显。
因为断裂能的显著增加，表明钢纤维对混凝土有阻裂作用，进而说明掺加钢纤维有利于改善混凝土的脆性。
钢纤维混凝土结构的梁柱节点受力时，可有效增大混凝土的抗变形能力，抑制裂缝的产生和发展，使节点破坏形态得到改善，能够较大限度的保持构件的完整性。
钢纤维混凝土能较为明显的提高混凝土的抗变形强度，应用于房屋建筑的框架结构中，有利于提高梁柱的强度，并且对于加强梁柱节点的抗变形能力有明显益处，在房屋建筑的框架结构中使用钢纤维混凝土，对房屋的抗震等级的提高将有显著贡献。
九、引用文献
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［2］杨勇，任青文，钢纤维混凝土力学性能试验研究，河海大学学报，2006.1：
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24-4
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19-1
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