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1、聚合物钢纤维方管混凝土的性能研究第l8卷第4期2001年l2月特种结构V01.18No.4Dec.2o01聚合物钢纤维方管混凝土的性能研究沈之容(同济大学上海200092)(TongjiUniversi,)摘要本文通过引入聚合物改性混凝土,增加钢纤维与混凝土的粘结强度,充分发挥钢纤维的受拉特长,提高钢纤维方管混凝土的力学性能.关键词聚合物钢纤堆粘结强度方管混凝土ABs1限AcrInth/spaper,p咖M,;co.rtz.tete/susedto删thecoheshestrengthbe-ttoetzsteel-fib,eandw.willtakeofmeritsofsteet-fib,ea
2、ndimprovethemechanicalpropeniesofsteel,m,grmwithsteel-fibre一eicfo,ced,rcottcreteKEYWORDSPolymerSteeI-fiber-reir(orcedCohesivestret,c,thSteelledwithcortcrete概述近年来,钢管混凝土这类组台结构能够广泛地应用于房屋建筑之中,主要是由于其利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用,即钢管对混凝土具有约束作用,使混凝土处于复杂应力状态,从而使混凝土的强度得到提高,而同时混凝土又可防止或延迟钢管发生局部失稳因此钢管混凝土能够弥补钢和混凝土这两种材
3、料各自的缺点,同时能够发挥二者之优点,加上其耐火性能好,节点构造简洁,建筑处理灵活,施工周期较短等特点,使得该组台结构得到越来越广泛的应用.目前钢管混凝土一般是在钢管中浇灌素混凝土:混凝土是脆性材料宜于受压不宜受拉,因而在受弯构件,压弯构件中受拉区的混凝土往往起不到应有的作用.除此之外也可以在钢管中掺人钢纤维混凝土,提高受拉区混凝土的极限承载力,然而在钢纤维钢管混凝土中,由于钢纤维与混凝土之间缺乏一定的粘结强度,造成钢纤维钢管混凝土破坏往往是大量的钢纤维被拔出而不是被拉断或钢纤维达到屈服,纤维的增强效果并未完全发挥,从而产生浪费,因而界面粘结与界面效应是发挥钢纤维对混凝土增强能力的关键.最大限
4、度地发挥钢纤维的作用,增强界面牯结.提高界面效应是非常重要的.为进一步提高钢管混凝土的经济效益,提高总体的力学性能,本文考虑引人聚合物改性混凝土,采用合理的投料顺序,使混凝土的性能(特别是受拉,受弯强度,牯结强度)得到明显地改善,因此能充分发挥钢纤维12钢管混凝土内混凝土受压性能以及钢管或钢纤维的受拉特长.一,材料及拌台方法聚台物钢纤维钢管混凝土中混凝土通常采用普通硅酸盐水泥,聚合物乳液采用丙苯胶乳或丁苯胶乳,它可部分地取代拌合水.钢纤维可采用熔抽型钢纤维,其长径比可取6olO0,体积率为0.5%2%.在拌合过程中采用下列工艺的投料顺序:先把钢纤维放人搅拌锅,加人聚台物乳液,使钢纤维在聚台物乳
5、液中充分浸渍,搅拌均匀后加人黄砂,然后加人水泥进行搅拌,最后加水,粗骨料及各种改性剂.二,聚合物钢纤维钢管混凝土性能分析正如前面所述,由于钢纤维在构件破坏时往往是被拔出,而不是屈服,所以其破坏主要因素仍是粘结强度,然而钢纤维在混凝土中排列不规则,可能形成一维,二维,三维定向或乱向等多种分布形式,因而钢纤维与聚台物混凝土之问的粘结强度较为复杂.乳液改性混凝土与普通混凝土相比,对钢纤维的牯结强度会有所提高,但粘结强度受聚灰比(WC)和施工工艺的影响.一般来说,聚合物改性水泥砂浆(混凝土)与钢或钢纤维的粘结强度随聚合物含量的增加而增加,添加少量聚合物就可使粘结强度提高30%.聚台物钢纤维钢管混凝土的
6、受力性能同钢纤维的长度,钢纤维在聚台物混凝土中的取向分布以及钢纤维同聚合物混凝土的界面粘结强度SPECIALS琢U(RES.42IN0.42001沈之容聚合物钢纤维方管混凝土的性能研究有关.在分析聚合物钢纤维钢管混凝土的受力性能时取用乱向不连续纤维,因此考虑钢纤维的取向,长度及其聚合物混凝土的界面牯结强度.这三者有内在联系,通常用乱向不连续有效系数珊表示:rhrhr(1)式中,为乱向不连续纤维方向有效系数,在实际构件中,纤维在聚合物混凝土中的取向受诸多因素的影响.如钢纤维聚合物混凝土的组成比例,搅拌工艺,钢纤维的长径比,体积率,几何形状等等根据钢纤维的统计分布一般是介于二维乱向和三维乱向之间.
7、本文取仉=0.5.仇为界面粘结系数.是顺向纤维的最大拉应力:2-ds/d,与纤维极限抗拉强度,u=2%c/之比.即:=考从公式(2)中可见,若长径比ld,纤维极限抗拉强度一定,则随着粘结强度r增加,界面粘结系数就增加.为非连续纤维长度有效系数,可由下式表达:,.:10.5=1一(3)一,Z-,同样从公式(3)中可见,若长径比卉,纤维极限抗拉强度一定,则,随着粘结强度r增加而增加.钢纤维混凝土抗拉强度可按下式计算l2J:t01+d|pflf,a04式中,为混凝土基体的抗拉强度;,d,分别为钢纤维的长度,直径,体积率;a为钢纤维对混凝土抗拉强度的影响系数,=.由于钢管的套箍作用,在聚合物钢纤维钢管
8、棍凝土中钢纤维的最大应力可选到其极限值,即纤维拉断而引起复合材料破坏(同时也可能是界面粘结应力达到界面牯结强度).聚合物钢纤维钢管混凝土比较适用于受弯或压弯构件通常普通住宅粱的截面为矩形.对于矩形钢管.采用钢材单向受力的本构关系计算过程中通过不断调整初始挠度,改变跨中曲率,以截面最外边缘纤维达到10000作为构件屈服的标志,考虑到粱的挠度要符合钢结构设计规范(G脚17-88),设计中一般可取1400s求得掺人SPECSWRUCTURESNo.42001钢纤维后的矩形钢管混凝土粱的极限承载力.三,计算与试验本文多层住宅中梁为例,对其抗弯承载力进行理论计算与试验(图2)聚合物钢纤维方管混凝土梁试件
9、的截面取l5o250ram,梁跨度为2m,方管壁厚取4mm,钢材选用tp-35,混凝土标号为C30,钢纤维选用上海哈瑞克斯金属制品有限公司生产的铣削型钢纤维.钢纤维长径比取60.体积率为O.5%,r:iJdr=0.3,聚合物采用德国巴斯夫公司生产的丁苯胶乳SLyrofanSD622S,掺量分别为0%,5%.10%,20%(图1).这4种掺量的4个同一尺寸试件.其荷载与挠度关系曲线的试验值如图3所示.由此得到不同聚合物掺量的抗弯极限承载力(图4)聚合物钢纤维钢管混凝土梁的极限承载力比没有聚合物的钢纤维钢管混凝土梁的抗弯极限承载力都要高(图5),可见聚台物对提高梁的承载力是有作用的.图1聚台物钢纤
10、维方管混凝土粱试件图2试验现场四,结论与探讨经过理论计算与试验分析和比较,可得到3点结论:1.如果钢管混凝土粱的抗弯极限承载力肘为1,在混凝土中掺入钢纤维(jdj-=60,P,=0.5%)后.值提高为1.13,掺人聚合物后,肘值提高为1.19,可见加入聚合物后,对钢纤维方管混凝土抗弯强度确有提高.特种结构2001年第4期抗弯承载力至寨台蜥为口%景台物为5%襄旮物为10%囊台物为20%粱跨中受拉最太应ue1图3不同聚合物掺量的试验荷载与盅变关系曲线II5;ll0l釜蝎舟#绺?一畦址?ll图4不同聚台物掺量的抗弯极限承载力2.随着聚合物的增加,聚合物钢纤维方管混凝土的抗弯强度也随着增加,但聚灰比(
11、P/C)在Ml22Ir:蘸Ml2r物r%I图5截面相同的三类钢管混凝土的抗弯极限承载力10%后增加幅度减少,考虑到经济性.一般P/C可取10%.3.在本文的计算中没有考虑聚合物混凝土与钢管壁的粘结强度,鉴于方钢管为钢板焊接管,如果在焊接前对钢管内壁进行处理.增加聚合物混凝土与钢管的粘结强度.对聚合物钢纤维方管混凝土的抗弯承载力会有所提高.参考文献I韩林海钢管混凝土结构.科学出版杜,舢.62赵国藩等.钢纤维钢管混凝土结构中国建筑工业出版杜,1999jJ:3买赦芳混凝土聚合物复合材料及其应用.科学技术文献出版杜.1996l24D.J.汉南特纤维水泥及纤维混凝土.黯建韭译.中国建筑工业出版牡,198
12、625来俊美等.聚合物裹砂改性砂辈的性能研究.建筑材料学报,第2卷第4期,199912j,air-.t-,ate-,ate(上接第11页)为钢管面积的10%,约为412时,可满足要求,见表2.至一晒图5七,结论从图3,4,5中可以看出,对于6层民用住宅,当柱构件不小于本文计算中所采用的(c),(d)时,可以满足2.5h以上的耐火要求;对于截面偏小不14一能满足上述要求的.可在柱内配置少量钢筋,配筋数量参见表2.根据计算可知,钢管混凝土柱的耐火性能不能简单等同于钢结构的耐火.当然,对于不同型式的钢管混凝土柱及不同的受力情况,其耐火时限会有不同,但充分考虑钢管混凝土柱本身的耐火性能,尽可能降低防火
13、被覆的厚度,降低工程造价,是钢管混凝土结构体系向民用建筑方向发展的重要途径之一.参考文献I李国强.蒋首超,林桂详钢结构抗业计算与设计.中国建筑工业出版社,1999.62.韩林海.钢管混凝土结构.科学出版杜.2000.63陆lII导.钢筋混凝土粱对虫灾反应的研究同济大学博士学位论文,I989.64V.K.R.KodurPerfav,armeofhetloncxete-filled酬eolunmsdIollre.JCiv25:975-91(I)5TT.and同g,DcCalmalatimaofItrerenlaaceofsteelhotowstntcttmdeolummCa/edwithprete.J.Cv23):382-385(1994)SPECIALSTRUCURES.42001/一m舫R辞*