材料科学与工程水泥课程设计

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 试验结果 细度模数 2.6 含泥量（%） 1.4 泥块含量（%） 0.7 表观密度（kg/m3） 2730
执行标准
3.0 ~2.3
钢纤维参数表
型号 剪切型
长度（mm） 等效直径 （mm） 长径比 32 0.58 55
抗拉强度（N/mm2 ） ＞700
5
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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：
≤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～ 堆积密度（kg/m3） 紧密密度（kg/m3） 备注
浆体情况
拉法基 5.5 水的选择
渝北八达
好
可饮用水：ρ w=1000 kg/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：
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（Steel Fiber Reinforced Concrete，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
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：
水泥的具体参数表
技 术 指标 实 验 结果 执 行 标准 ≤10 ≥45 ≤390 — 必 须 合 格 ≥5.0 ≥27 ≥7.0 ≥52.5 细度 80µ m 筛余(%） 2.3 凝结时间（min） 初凝 124 终凝 270 标准稠度 用水量 （% ） 28.2 合格 安定性 3 天强度（MPa） 抗折 9.5 抗压 38.5 28 天强度 （MPa） 抗折 14.0 抗压 78.5
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。
四、 实验设计依据
1、JGJ 55-2000《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/T 14684-2001《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、CECS 38-92《钢纤维混凝土结构设计与施工规程》
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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
钢纤维混凝土配合比 kg/m
3
水泥 412
水 165
粗集料 1192
细集料 614
外加剂 2.06
填料 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；
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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。