CN116466066B - 压缩浇筑纤维混凝土中纤维最佳掺量及长细比的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开压缩浇筑纤维混凝土中纤维最佳掺量及长细比的确定方法，步骤包括：步骤一，确定任一配合比纤维混凝土对应的最佳压力范围；步骤二，对纤维混凝土混合物施加最佳压应力，拆模养护28天后进行单轴压缩实验；步骤三，保持最佳压应力值及步骤一中纤维长细比值不变，减少或增加纤维掺量，再重复步骤二，得出不同纤维掺量的压缩浇筑混凝土力学特性；步骤四，保持最佳压应力及步骤一中纤维掺量值不变，减少或增加纤维长细比，再重复步骤二，得出不同纤维长细比的压缩浇筑混凝土力学特性。本发明能够确定压缩浇筑纤维混凝土中纤维的最佳掺量及长细比范围，并且在保证压缩浇筑混凝土设计抗压强度的同时，还能够最大化提升压缩浇筑混凝土的韧性。
Description
技术领域
本发明涉及浇筑混凝土技术领域，特别是涉及压缩浇筑纤维混凝土中纤维最佳掺量及长细比的确定方法。
背景技术
混凝土材料自19世纪问世以来经过不断的发展革新，逐渐成为工程上应用最为广泛的建筑材料，因其强度高、成本低、耐久性以及工作性能良好，使得混凝土材料被广泛应用在土木工程、水利工程、交通运输、海洋以及港湾建设工程和航空航天工程等五大工程领域内。随着混凝土材料向高强度、高性能、多功能和智能化方向不断发展，可以预见，在未来相当长一段时间内，在工程建设领域中混凝土材料依然不可缺少，但由于混凝土材料始终存在自重和脆性大、易开裂、抗拉强度低等原生缺陷，再加上混凝土在结构设计中常忽略环境对其性能尤其是耐久性能方面的影响，使得混凝土结构经常过早失效，这也在一定程度上限制了混凝土材料的推广应用。因此，为了减少天然骨料等矿物资源消耗、经济损失和人员伤亡，延长混凝土结构的使用寿命，对混凝土材料的性能进行改善已然成为一种发展趋势。
目前传统混凝土材料性能的改善方法大致可以分为三种，第一种是基本成分优化法，即在制备混凝土的过程中，改变水灰比、水泥和骨料的性质、骨料的级配，以达到改善混凝土材料性能的目的；但这种方法通常存在对混凝土材料性能改善效果不明显、影响混凝土工作性能、对服役环境有特殊的要求、显著增加能源及天然骨料矿物资源消耗等缺点。第二种方法是外掺复合法，即制备混凝土的过程中，在不影响混凝土工作性能的前提下，用粉煤灰、磨粒状高炉矿渣、煅烧粘土、减水剂、早强剂、引气剂等外加材料或者各种纤维，以达到改善混凝土材料抗压、抗拉、抗剪、抗弯、耐久性和抗疲劳等性能的效果；但是，目前来看，这种外掺添加剂和纤维的解决方案大多数都会导致生产成本和的显著增加。第三种是普通压缩浇筑法，即在混凝土试件浇筑成型前，对新拌混凝土混合物施加一定压应力进行压缩，以达到显著提高混凝土的抗压强度与弹性模量的改善效果，虽然现有研究表示压缩浇筑技术在提高混凝土性能的同时，还能保持与普通混凝土制品相当的价格，但是使用压缩浇筑技术制备的混凝土在强度方面得到提高的同时也更易发生脆性破坏。因此，亟需一种能够改善压缩浇筑普通混凝土脆性，且不会降低混凝土力学性能的改善方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种压缩浇筑纤维混凝土中纤维掺量及长细比的确定方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过对掺入压缩浇筑混凝土中纤维的掺量及长细比进行优化调节，以确定纤维的最佳掺量及长细比的范围，并且在保证压缩浇筑混凝土设计抗压强度的同时，还能够最大化提升压缩浇筑混凝土的韧性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供压缩浇筑纤维混凝土中纤维最佳掺量及长细比的确定方法，包括如下步骤：
步骤一，选取任一符合规范的纤维掺量及长细比并固定其数值不变；然后设定初始的第一压应力大小、增压量和加压时间；将新拌混凝土倒入模具结构，并根据设定的第一压应力大小和加压时间，控制加压结构对混凝土进行施压，得到混凝土对应的第一平均抗压强度；根据增压量和第一压应力，确定混凝土对应的第二压应力，将新拌混凝土倒入模具结构，并根据第二压应力、加压时间，控制加压结构对混凝土进行施压，得到混凝土对应的第二平均抗压强度；以此类推，直至得到第N平均抗压强度，在此过程中，每次对应施加的压应力均按照设定的增压量逐步递增，直至得到的第N平均抗压强度小于第N-1平均抗压强度时，停止加压量的增加，绘制压缩浇筑纤维混凝土抗压强度和压应力的关系曲线，并据此确定纤维混凝土对应的最佳压力范围；
步骤二，选取步骤一中纤维混凝土最佳压应力范围内的任一固定值作为可接受的最佳压应力；通过压缩浇筑技术对新制备的纤维混凝土混合物施加该最佳压应力，并维持设定时间，待拆模养护设定天数后进行单轴压缩实验，得到最佳压应力下纤维混凝土的力学特性；
步骤三，保持最佳压应力及步骤一中纤维长细比的值不变，减少或增加纤维的掺量而且保持其他物料用量不变，再重复步骤二，得出不同纤维掺量的压缩浇筑纤维混凝土在最佳压应力作用下的力学特性，绘制压缩浇筑纤维混凝土韧性和纤维掺量的关系曲线，从而统计出纤维的最佳掺量范围；
步骤四，保持最佳压应力及步骤一中纤维掺量的值不变，减少或增加纤维的长细比，同时保持其他物料用量不变，再重复步骤二，得出不同长细比的压缩浇筑纤维混凝土在最佳压应力作用下的力学特性，绘制压缩浇筑纤维混凝土韧性和纤维长细比的关系曲线，从而统计出纤维的最佳长细比。
具体的，步骤一包括：
第一步，在符合国家规范及标准要求的前提下，纤维选取某一任意掺量及长细比，并固定数值不变，同时确定纤维混凝土配合比，选择制备纤维混凝土制备所需的粗骨料、细骨料、纤维及水泥等原材料；
第二步，在满足当前压缩浇筑设备承载能力的前提下，设定初始预压应力Sx＝0，初始步x＝0，并确定压应力每次的增量数值ΔS；
第三步，制备纤维混凝土混合物，制备完成后将其倒入模具中并通过加压结构对其加压至设定的压应力，并维持第一设定时间后拆除外模，然后再等待第二设定时间后拆除内模，最终待其标准养护第三设定时间后，对试件进行单轴压缩测试，最后通过计算其同组三个试件的平均抗压强度值，记为fx；如果fx<fx-1，去第五步，否则去第四步；
第四步，增加预压应力至Sx+ΔSx，x＝x+1，返回第二步；
第五步，得到压缩浇筑纤维混凝土平均抗压强度fx和预加压应力Sx的关系曲线，其中x＝0～n，并由该曲线确定压应力最优范围的最小和最大值，其中fo＝fco为普通混凝土的抗压强度，抗压强度值fct为设计最低压缩浇筑混凝土抗压强度，当抗压强度fa为大于且最接近设计抗压强度fct时，其对应的压应力Sa为最佳范围内的最小压应力值，曲线最高点抗压强度fh，对应的压应力Sh为最佳范围内的最大压应力值，从而确定在掺入第一步中选取的纤维掺量及长细比时，压缩浇筑纤维混凝土对应的最优压应力范围；
第六步，用相同的混凝土材料和配合比重复第二步～第五步，如果纤维在与第一步相同的掺量及长细比条件下，压缩浇筑纤维混凝土的最优压应力范围结果与第五步相同，结果得到确认，否则重复第二步～第六步，直至得到可重复的结果。
具体的，纤维的最佳掺量范围确定步骤包括：
第七步，以第六步中确定的最佳压应力范围作为基准，选取该范围内任意一整数压应力Sk作为最佳压应力值，并且保持固定不变；
第八步，固定纤维长细比数值与第一步相同的同时，设定当i＝0时纤维的初始掺量为Pi＝0％，并确定纤维添加增量步ΔP数值；
第九步，制备纤维混凝土混合物，制备完成后将其倒入模具中并通过加压结构对其加压至Sk，并维持第一设定时间后拆除外模，然后再等待第二设定时间后拆除内模，最终待其标准养护第三设定时间后，对试件进行单轴压缩测试，最后通过计算其同组三个试件的平均韧性值，记为Ti，如果Ti<Ti-1，去第十一步，否则去第十步；
第十步，增加纤维掺量至Pi+ΔP，i＝i+1，回到第八步；
第十一步，在纤维长细比固定数值与第一步相同的前提下，得到最佳压应力Sk作用下的压缩浇筑纤维混凝土平均韧性Ti和纤维掺量的关系曲线，其中i＝0～n，并由该曲线确定纤维掺量最优范围的最小和最大值，其中To＝Tco为普通混凝土的韧性，韧性值Tct为设计最低压缩浇筑混凝土韧性，当韧性Tg为大于且最接近设计韧性Tct时，其对应的纤维掺量Pg为最佳范围内的最小掺量值，曲线最高点韧性Tm，对应纤维掺量Pm为最佳范围内的最大纤维掺量值；
第十二步，用相同的混凝土材料和配合比重复第八步～第十一步，如果在压缩浇筑纤维混凝土平均韧性和纤维掺量的关系曲线中得出的纤维掺量最优范围的最小和最大值与第十一步相同，结果得到确认，否则重复第八步～第十二步直到得到可重复的结果。
具体的，纤维的最佳长细比范围确定步骤包括：
第七步，以第六步中确定的最佳压应力范围作为基准，选取该范围内任意一整数压应力Sk作为最佳压应力值，并且保持固定不变；
第八步，固定纤维掺量数值与第一步相同的同时，设定e＝0时纤维的初始长细比为λe＝0，增量步Δλ＝(le-le-1)/d，l为纤维长度，d为纤维直径；
第九步，制备纤维混凝土混合物，制备完成后将其倒入模具中并通过加压结构对其加压至Sk，并维持第一设定时间后拆除外模，然后再等待第二设定时间后拆除内模，最终待其标准养护第三设定时间后，对试件进行单轴压缩测试，最后通过计算其同组三个试件的平均韧性值，记为Te，如果Te<Te-1，去第十一步，否则去第十步；
第十步，增加纤维长细比至λe+Δλ，e＝e+1，回到第八步；
第十一步，得到压缩浇筑混凝土韧性Te和纤维长细比的关系曲线，其中，e＝0～n，并由该曲线确定纤维长细比最优范围的最小和最大值，其中To＝Tco为普通混凝土的韧性，韧性值Tct为设计最低压缩浇筑混凝土韧性，当韧性Tj为大于且最接近设计韧性Tct时，其对应的纤维长细比λj为最佳范围内的最小长细比值，曲线最高点韧性Tw，对应的纤维长细比λw为最佳范围内的最大长细比值；
第十二步，用相同的混凝土材料和配合比重复第八步～十一步，如果在压缩浇筑纤维混凝土平均韧性和纤维掺量的关系曲线中得出的纤维长细比最优范围的最小和最大值与第十一步相同，结果得到确认，否则重复第八步～第十二步，直到得到可重复的结果；最终得出在最佳压应力下压缩浇筑纤维混凝土中添加纤维的最佳掺量与最佳长细比的数值范围。
具体的，压应力每次的增量数值ΔS为1～2MPa之间。
具体的，将试件从养护室取出后首先需对其受千斤顶压头压缩的端部，用角磨机进行打磨，使该表面平整光滑，其次使用压缩试验装置对试件进行单轴压缩测试，加载制度为先力控后位移控，力控加载速率为1KN/s，当到力为5KN时转换为位移控制，位移控加载速率采用0.3mm/min；在测试试验过程中，试件的纵向应变需使用测量长度为185mm的测量系统测量试件变形；试件的横向应变需要使用四个50AA长度水平布置的应变片测量，数据采集速率为1hz。
具体的，添加纤维采用粗纤维时，纤维添加增量步ΔP＝0.50％，纤维添加为细纤维时，纤维添加增量步ΔP＝0.050％。
具体的，待压缩应力大小稳定后维持压缩量再持续加压2分钟后便立刻拆除外模，等待24小时后拆除内模，待其标准养护28天后，将试件从养护室取出并进行单轴压缩测试。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明利用压缩浇筑技术，可以大幅改善普通纤维混凝土的力学性能，实现纤维混凝土在工程领域更广泛的应用。本发明利用压缩浇筑技术，在显著改善纤维混凝土的力学性能的同时，还能够还能保持与普通纤维混凝土制品相当的价格，进而起到低碳排放、低成本的良好效应。本发明利用压缩浇筑技术，在显著提高纤维混凝土的力学性能的同时，降低其整体孔隙率、改善纤维和砂浆基体的界面过渡区，提高纤维混凝土的耐久性。本发明提升改善压缩浇筑混凝土性能的效率特别高，处理时间为2-8分钟。本发明可以得出压缩浇筑混凝土中添加纤维的最佳掺量及长细比范围，使得在制备压缩浇筑纤维混凝土时，添加最佳掺量和长细比范围之内的纤维，不仅在保证压缩浇筑混凝土设计抗压强度的同时，还能够最大化提升压缩浇筑混凝土的韧性，起到良好的增韧效果。本发明为物理技术，无需外加剂、无需替换混凝土的组分，便可生产出一种同时具备高强度与高韧性的高性能混凝土，对钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维或其他任意纤维混凝土均适用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明压缩浇筑纤维混凝土中纤维最佳掺量及长细比的确定方法流程示意图；
图2为压应力与压缩浇筑纤维混凝土平均强度的关系示意图；
图3为纤维掺量与压缩浇筑混凝土平均韧性的关系示意图；
图4为纤维长细比与压缩浇筑混凝土平均韧性的关系示意图；
图5为普通混凝土、压缩普通混凝土、普通纤维混凝土、不同纤维掺量压缩浇筑纤维混凝土的强度平均值示意图；
图6为普通混凝土、压缩普通混凝土、不同纤维掺量压缩浇筑纤维混凝土的韧性平均值示意图；
图7为普通混凝土、压缩普通混凝土、普通纤维混凝土、不同纤维长细比压缩浇筑纤维混凝土的强度平均值示意图；
图8为普通混凝土、压缩普通混凝土、不同纤维长细比压缩浇筑纤维混凝土的韧性平均值示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供压缩浇筑纤维混凝土中纤维最佳掺量及长细比的确定方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过对掺入压缩浇筑混凝土中纤维的掺量及长细比进行优化调节，以确定纤维的最佳掺量及长细比的范围，并且在保证压缩浇筑混凝土设计抗压强度的同时，还能够最大化提升压缩浇筑混凝土的韧性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种压缩浇筑纤维混凝土中纤维最佳掺量及长细比的确定方法，包括如下步骤：
步骤一，对于任一纤维混凝土配合比(包括水泥C、水W、粗骨料CA、细骨料FA、纤维FB)，通过压缩浇筑技术对新制备的纤维混凝土混合物施加最优的压应力(如：15MPa)，并维持压缩量施压2分钟，待拆模养护28天后进行单轴压缩实验，便能得到最优压应力下纤维混凝土的力学特性；其中最优压应力范围确定方法包括：确定混凝土对应的设计抗压强度信息和加压信息；加压信息包括增压量和加压时间；根据加压信息，确定混凝土对应的第一压应力大小，并根据第一压应力大小和加压时间，将新拌混凝土倒入模具结构，控制加压结构对混凝土进行施压，得到混凝土对应的第一平均抗压强度；根据增压量和第一压应力大小，确定混凝土对应的第二压应力大小，并根据第二压应力大小、加压时间和平均抗压强度信息，将新拌混凝土倒入模具结构，控制加压结构对混凝土进行施压，得到混凝土对应的第二平均抗压强度；以此类推，分别得到第三平均抗压强度、第四平均抗压强度直至第N平均抗压强度，在此过程中，每次对应施加的压应力大小均按照设定的增压量逐步递增，直至得到的第N平均抗压强度小于第N-1平均抗压强度时，停止压应力的增加，绘制压缩浇筑纤维混凝土抗压强度和压应力的关系曲线，并据此确定纤维混凝土对应的最佳压力范围。
步骤二，选取步骤一中纤维混凝土最佳压应力范围内的任一固定值作为可接受的最佳压应力；通过压缩浇筑技术对新制备的纤维混凝土混合物施加最佳压应力，并维持设定时间，待拆模养护设定天数后进行单轴压缩实验，得到最佳压应力下纤维混凝土的力学特性。
步骤三，然后保持最佳压应力及步骤一中纤维长细比数值不变的同时，减少或增加FB的掺量而保持C、W、CA、FA用量不变，再重复步骤二，便能够得出不同纤维掺量的压缩浇筑纤维混凝土的力学特性。继续减少或增加FB的掺量而保持C、W、CA、FA用量不变，直到掺量减少为零或者增加到严重影响混凝土工作性能为止，在通过整理和分析试验样品的测试数据，绘制压缩浇筑纤维混凝土平均韧性和纤维掺量的关系曲线，从而能够综合统计出纤维的最佳掺量范围。
步骤四，最后保持最佳压应力及步骤一中纤维掺量数值不变的同时，减少或增加FB的长细比而保持C、W、CA、FA用量不变，再重复步骤二，便能够得出不同长细比的压缩浇筑纤维混凝土的力学特性。继续减少或增加FB的长细比而保持C、W、CA、FA用量不变，直到长细比减少为零或者增加到纤维产生严重结团现象为止，在通过整理和分析试验样品的测试数据，绘制压缩浇筑纤维混凝土平均韧性和纤维长细比的关系曲线，从而能够综合统计出纤维的最佳长细比范围。
用本发明方法制作的压缩浇筑纤维混凝土可显著改善压缩浇筑混凝土的各项力学特性，例如对于C30混凝土而言，最佳压力下与压缩浇筑普通混凝土相比，压缩浇筑PP纤维混凝土的抗压强度最高可以提升8.53％，韧性可以提升13.63％。
与基本成分优化法相比，本发明技术针对任一配合比纤维混凝土均能在提高或保持韧性不降低的同时，减少能源的消耗。与外掺复合法相比，本专利方法无需添加矿物参合料以及化学外加剂，而是利用物理压缩的方法，在的改善混凝土韧性的同时，还能够保持与普通纤维混凝土制品相当的价格。与普通压缩浇筑法相比，本专利方法利用物理方法添加纤维，在的改善混凝土强度的同时，还能改善压缩浇筑混凝土因为强度提高而导致的脆性增加问题。本发明适用于任何纤维混凝土，包括钢纤维混凝土、聚丙烯纤维再生混凝土、玄武岩纤维混凝土、钢纤维再生骨料混凝土，聚丙烯纤维再生骨料混凝土，玄武岩纤维再生骨料混凝土等，适用性强，操作简单，流程统一。本发明适用于任意形状的预制混凝土构件，包括圆柱体、棱柱体、正方体，混凝土砌块、梁、板、柱等。
实施例一
结合附图1所示，本实施例是在上述技术方案的基础上所作出的进一步细化和扩充，本实施例中的操作方法分别包括压缩浇筑纤维混凝土最佳压应力的确认步骤、纤维的最佳掺量范围确定步骤、纤维的最佳长细比范围确定步骤。
压缩浇筑纤维混凝土最佳压应力的确认步骤包括：
第一步，根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2019、《建设用卵石、碎石》GB/T 14685-2011、《建设用砂》GB/T 14684-2011、《钢纤维混凝土》JG/T 472-2015、《聚乙烯/聚丙烯(PE/PP)复合短纤维》FZ/T 52024-2012、《土木工程结构用玄武岩纤维复合材料》GB/T 26745-2021等，选取某一任意掺量及长细比的纤维，并固定数值不变，例如，掺量:0.15％、长细比:313的聚丙烯纤维，同时确定纤维混凝土配合比，选择和准备制备纤维混凝土所需的粗骨料、细骨料、水泥及纤维等原材料；
第二步，在满足当前压缩浇筑设备承载能力的前提下，设定初始预压应力Sx＝0，初始步x＝0，以及确定压应力每次的增量数值ΔS＝1～2MPa左右；
第三步，制备压缩浇筑纤维混凝土，首先将搅拌好的纤维混凝土平均分三次倒入预先设计好高度的特制钢模具中，每倒入一次都需要利用功率为3000瓦的插入式振捣棒进行振捣，连续插入振捣5-8次后(振捣次数与混凝土配合比、纤维的掺量、纤维的长细比、模具形状有关)，在进行下一次混凝土的倒入，直到第三次振捣完成后，把装有混凝土的模具与加载装置进行对中、调平，使得圆形压头与圆筒模具位置竖直对中平整，然后再由千斤顶向下施加压力。如果对中调平不准确，易造成压杆弯折，损坏仪器设备；
第四步，将第三步中的新拌纤维混凝土混合物立刻加压至设定压应力Sx，然后待压缩应力大小稳定后维持压缩量再持续加压2分钟左右后，便停止加压，然后立刻拆除外模，等待24小时后再拆除内模，待试件标准养护28天后，将其从养护室取出并使用3000KN的MTS压缩试验装置对试件进行单轴压缩测试，在测试试验过程中，为了测量试件的轴向变形，需使用四个互成直角且固定在铝质框架上的线性可变位移传感(LVDT)所构成的测量系统，该系统的测量长度为185mm。此外，还需要使用4个水平应变片对试件的横向应变进行测量。为了良好的记录施加的载荷和变形，本发明中所有试件均在先力控后位移控加载模式下进行测试，该模式的加载制度为，力控加载速率为1KN/s，当到力为5KN时转换为位移控制，位移控加载速率采用0.3mm/min，数据采集速率为1hz，最后通过计算其同组三个试件的平均抗压强度值，记为fx。如果fx<fx-1，去第六步，否则去第五步；
第五步，增加预压应力至Sx+ΔSx，x＝x+1，返回第二步；
第六步，绘制压缩浇筑纤维混凝土抗压强度fx和压应力S的关系曲线(x＝0～n)，当抗压强度fa为大于且最接近设计fct时，其对应的压应力Sa为最佳范围的最小压应力值，曲线最高点抗压强度fh，对应的压应力Sh为最佳范围内的最大压应力值，如图2所示；
第七步，用相同的混凝土材料和配合比重复第二步～第六步另外再做1～2个系列的实验，直到得到Sa和Sh收敛(误差允许范围内)，如果纤维在相同的掺量及长细比条件下压缩浇筑纤维混凝土最小和最大最优压应力结果与第六步相同，结果确认，否则重复第二步～第七步，直至得到可重复的结果。
本实施例中纤维的最佳掺量范围确定步骤包括：
第八步，选取由上述第二步～第七步所确定的某一任意纤维掺量及长细比的最佳压力范围作为基准，并将该最佳压应力范围内任意一整数压应力Sk作为最佳压应力，并固定不变，例如，最佳压应力Sk:15MPa；
第九步，固定纤维长细比数值与第一步相同的同时，设定i＝0时纤维的初始体积掺量为Pi＝0％，并确定纤维添加增量步ΔP数值，添加纤维采用粗纤维时，纤维添加增量步ΔP＝0.50％，纤维添加为细纤维时，纤维添加增量步ΔP＝0.050％；Pi+1＝Pi+△P。
第十步，加压至设定压应力Sk，然后待压缩应力大小稳定后维持压缩量再持续加压2分钟左右后，便停止加压，然后立刻拆除外模，等待等待24小时后拆除内模，待其标准养护28天后，将试件从养护室取出并使用3000KN的MTS压缩试验装置对试件进行单轴压缩测试，在测试试验过程中，为了测量试件的轴向变形，需使用四个互成直角且固定在铝质框架上的线性可变位移传感(LVDT)所构成的测量系统，该系统的测量长度为185mm。此外，还需要使用4个水平应变片对试件的横向应变进行测量。为了良好的记录施加的载荷和变形，本发明中所有试件均在先力控后位移控加载模式下进行测试，该模式的加载制度为，力控加载速率为1KN/s，当到力为5KN时转换为位移控制，位移控加载速率采用0.3mm/min，数据采集速率为1hz，最后通过计算其同组三个试件的平均韧性值，记为Ti，如果Ti<Ti-1，去第十二步，否则去第十一步；
第十一步，增加纤维掺量至Pi+ΔP，i＝i+1，回到第九步；
第十二步，绘制压缩浇筑纤维混凝土韧Ti和纤维掺P的关系曲线(i＝0～n)，当韧性Tg为大于且最接近设计Tct时，其对应的纤维掺量Pg为最佳范围内的最小掺量值，曲线最高点韧性Tm，对应的纤维掺量Pm为最佳范围内的最大纤维掺量值，如图3所示；
第十三步，用相同的混凝土材料和配合比重复第九步～第十二步另外再做1～2个系列的实验，直到得到Pg和Pm收敛(误差允许范围内)，如果该曲线的最小和最大的纤维掺量结果与第十二步相同，结果得到确认，否则重复第九步～第十三步直到得到可重复的结果。
本实施例中纤维的最佳长细比范围确定步骤包括：
第八步，选取由上述第二步～第七步所确定的某一任意纤维掺量及长细比的最佳压力范围作为基准，并将该最佳压应力范围内任意一整数压应力Sk作为最佳压应力，并固定不变，例如，最佳压应力Sk:15MPa；
第九步，固定纤维掺量数值与第一步相同，设定e＝0时纤维的初始长细比为λe＝0，增量步Δλ＝(le-le-1)/d，λe+1＝λe+△λ，l为纤维长度，d为纤维直径；
第十步，立刻加压至设定压应力Sk，将新拌纤维混凝土混合物压缩至标准高度300mm左右，然后待压缩应力大小稳定后维持压缩量再持续加压2分钟左右后便立刻拆除外模，等待等待24小时后拆除内模，待其标准养护28天后，将试件从养护室取出并使用3000KN的MTS压缩试验装置对试件进行单轴压缩测试，在测试试验过程中，为了测量试件的轴向变形，需使用四个互成直角且固定在铝质框架上的线性可变位移传感(LVDT)所构成的测量系统，该系统的测量长度为185mm。此外，还需要使用4个水平应变片对试件的横向应变进行测量。为了良好的记录施加的载荷和变形，本发明中所有试件均在先力控后位移控加载模式下进行测试，该模式的加载制度为，力控加载速率为1KN/s，当到力为5KN时转换为位移控制，位移控加载速率采用0.3mm/min，数据采集速率为1hz，最后通过计算其同组三个试件的平均韧性值，记为Te，如果Te<Te-1，去第十二步，否则去第十一步；
第十一步，增加纤维长细比至λe+Δλ，e＝e+1，回到第十五步；
第十二步，绘制压缩浇筑纤维混凝土韧性Te和纤维长细比λ的关系曲线(e＝0～n)，当韧性Tj为大于且最接近设计Tct时，其对应的纤维长细比λj为最佳范围内的最小长细比值。曲线最高点韧性Tw。对应的纤维长细比λw为最佳范围内的最大的长细比值，如图4所示；
第十三步，用相同的混凝土材料和配合比重复第九步～第十二步另外再做1～2个系列的实验，直到得到λj，λw收敛(误差允许范围内)，如果最小和最大的纤维长细比结果与第十二步相同，结果得到确认，否则重复第九步～第十三步，直到得到可重复的结果；最终得到在压缩浇筑纤维混凝土中添加纤维的最佳掺量及长细比范围。
实施例二
本实施例为本发明设计方案的具体实操过程，本实施例中设计了纤维体积掺量为0.15％、长细比为313的C30的普通纤维混凝土(圆柱体强度为35MPa)以及无纤维的C30压缩浇筑普通混凝土(圆柱体强度为52MPa)作为对比组，选择细度模数为3.0的天然河砂、连续级为5～25mm配玄武岩碎石作为粗细骨料；纤维则选择束状单丝聚丙烯纤维，其主要物理性能见表1。
在经过优化的压缩浇筑技术条件下(加压15MPa、保持压强不变持续加压2分钟)，对C30普通混凝土以及C30普通纤维混凝土减少或增加FB的掺量而保持C、W、CA、FA用量不变，以及减少或增加FB的长细比而保持C、W、CA、FA用量不变的混凝土进行压缩浇筑处理。通过对养护28天后的混凝土试件进行抗压强度试验，评价纤维掺量及长细比与抗压强度之间的关系，最后，得到能够显著改善压缩浇筑混凝土力学性能的纤维掺量及长细比。
表1.聚丙烯纤维主要物理性能
表2.普通混凝土配合比
表3.不同纤维掺量及长细比的压缩浇筑混凝土配合比
表1、表2和表3给出了本发明已经完成的150mmx300mm混凝土圆柱体试验数据，包括纤维的物理力学性能、普通混凝土配合比、不同纤维掺量及长细比的压缩浇筑混凝土配合比与试件数量。不同纤维掺量及长细比的压缩浇筑混凝土试件外观和形状，表明压缩浇筑在纤维混凝土流动性较差时仍能产出品质较好的试件。
上述表格中揭示了不同配比混凝土养护后强度的数值情况，本发明还可以显著提高压缩浇筑混凝土的韧性，为了更明确的看出强度及韧性的改变情况，本发明引入了图5、图6、图7和图8。图5、图6、图7和图8分别为不同纤维掺量以及不同纤维长细比时养护28天的普通混凝土、压缩普通混凝土、普通纤维混凝土、压缩浇筑纤维混凝土的强度及韧性平均值；由上述表格以及说明书附图可知，对于任一纤维混凝土，按照本发明所示技术流程，均可以找到大幅提升压缩浇筑混凝土强度及韧性性能的纤维掺量及长细比范围，此范围即为压缩浇筑混凝土最优纤维掺量及长细比范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (5)
1.压缩浇筑纤维混凝土中纤维最佳掺量及长细比的确定方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一，选取任一符合规范要求的纤维掺量及长细比并固定其数值不变；然后设定初始的第一压应力大小、增压量和加压时间；将新拌混凝土倒入模具结构，并根据设定的第一压应力大小和加压时间，控制加压结构对混凝土进行施压，得到混凝土对应的第一平均抗压强度；根据增压量和第一压应力，确定混凝土对应的第二压应力，将新拌混凝土倒入模具结构，并根据第二压应力、加压时间，控制加压结构对混凝土进行施压，得到混凝土对应的第二平均抗压强度；以此类推，直至得到第N平均抗压强度，在此过程中，每次对应施加的压应力均按照设定的增压量逐步递增，直至得到的第N平均抗压强度小于第N-1平均抗压强度时，停止压应力的增加，绘制压缩浇筑纤维混凝土抗压强度和压应力的关系曲线，并据此确定纤维混凝土对应的最佳压应力范围；
步骤二，选取步骤一中纤维混凝土最佳压应力范围内的任一固定值作为可接受的最佳压应力；通过压缩浇筑技术对新制备的纤维混凝土混合物施加该最佳压应力，并维持设定时间，待拆模养护设定天数后进行单轴压缩实验，得到最佳压应力下纤维混凝土的力学特性；
步骤三，保持最佳压应力及步骤一中纤维长细比的值不变，减少或增加纤维的掺量而且保持其他物料用量不变，再重复步骤二，得出不同纤维掺量的压缩浇筑纤维混凝土在最佳压应力作用下的力学特性，绘制压缩浇筑纤维混凝土平均韧性和纤维掺量的关系曲线，从而统计出纤维的最佳掺量范围；
步骤四，保持最佳压应力及步骤一中纤维掺量的值不变，减少或增加纤维的长细比，同时保持其他物料用量不变，再重复步骤二，得出不同长细比的压缩浇筑纤维混凝土在最佳压应力作用下的力学特性，绘制压缩浇筑纤维混凝土平均韧性和纤维长细比的关系曲线，从而统计出纤维的最佳长细比范围；
步骤一包括：
第一步，在符合国家规范及标准要求的前提下，纤维选取某一任意掺量及长细比，并固定数值不变，同时确定纤维混凝土配合比，选择制备纤维混凝土所需的粗骨料、细骨料、纤维及水泥等原材料；
第二步，在满足当前压缩浇筑设备承载能力的前提下，设定初始预压应力S x =0，初始步x=0，以及压应力每次的增量数值DS；
第三步，制备纤维混凝土混合物，制备完成后将其倒入模具中并通过加压结构对其加压至设定的压应力，并维持第一设定时间后拆除外模，然后再等待第二设定时间后拆除内模，最终待其标准养护第三设定时间后，对试件进行单轴压缩测试，最后通过计算其同组三个试件的平均抗压强度值，记为f x ；如果f x <f x-1 ，去第五步，否则去第四步；
第四步，增加预压应力至S x +DS x ，x=x+1，返回第二步；
第五步，得到压缩浇筑纤维混凝土平均抗压强度f x 和预加压应力S x 的关系曲线，其中x=0~n，并由该曲线确定压应力最优范围的最小和最大值，其中f o =f co 为普通混凝土的抗压强度，抗压强度值f ct 为设计最低压缩浇筑混凝土抗压强度，当抗压强度f a 为大于且最接近设计抗压强度f ct 时，其对应的压应力S a 为最佳范围内的最小压应力值，曲线最高点抗压强度f h ，对应的压应力S h 为最佳范围内的最大压应力值，从而确定在掺入第一步中选取的纤维掺量及长细比时，压缩浇筑纤维混凝土对应的最优压应力范围；
第六步，用相同的混凝土材料和配合比重复第二步~第五步，如果纤维在与第一步相同的掺量及长细比条件下，压缩浇筑纤维混凝土的最优压应力范围结果与第五步相同，结果得到确认，否则重复第二步~第六步，直至得到可重复的结果；
纤维的最佳掺量范围确定步骤包括：
第七步，以第六步中确定的最佳压应力范围作为基准，选取该范围内任意一整数压应力S k 作为可接受的最佳压应力值，并且保持固定不变；
第八步，固定纤维长细比数值与第一步相同的同时，设定当i=0时纤维的初始掺量为P i =0%，并确定纤维添加增量步DP数值；
第九步，制备纤维混凝土混合物，制备完成后将其倒入模具中并通过加压结构对其加压至S k ，并维持第一设定时间后拆除外模，然后再等待第二设定时间后拆除内模，最终待其标准养护第三设定时间后，对试件进行单轴压缩测试，最后通过计算其同组三个试件的平均韧性值，记为T i ，如果T i <T i -1 ，去第十一步，否则去第十步；
第十步，增加纤维掺量至P i +DP，i=i+1，回到第八步；
第十一步，在纤维长细比固定数值与第一步相同的前提下，得到最佳压应力S k 作用下压缩浇筑纤维混凝土的平均韧性T i 和纤维掺量的关系曲线，其中i=0~n，并由该曲线确定纤维掺量最优范围的最小和最大值，其中T o =T co 为普通混凝土的韧性，韧性值T ct 为设计最低压缩浇筑混凝土韧性，当韧性T g 为大于且最接近设计韧性T ct 时，其对应的纤维掺量P g 为最佳范围内的最小掺量值，曲线最高点韧性T m ，对应纤维掺量P m 为最佳范围内的最大纤维掺量值；
第十二步，用相同的混凝土材料和配合比重复第八步~第十一步，如果在压缩浇筑纤维混凝土平均韧性和纤维掺量的关系曲线中得出的纤维掺量最优范围的最小和最大值与第十一步相同，结果得到确认，否则重复第八步~第十二步直到得到可重复的结果；
纤维的最佳长细比范围确定步骤包括：
第七步，以第六步中确定的最佳压应力范围作为基准，选取该范围内任意一整数压应力S k 作为最佳压应力值，并且保持固定不变；
第八步，固定纤维掺量数值与第一步相同的同时，设定e=0时纤维的初始长细比为λ e =0，增量步Dλ= (l e -l e-1 )/d，l为纤维长度，d为纤维直径；
第九步，制备纤维混凝土混合物，制备完成后将其倒入模具中并通过加压结构对其加压至S k ，并维持第一设定时间后拆除外模，然后再等待第二设定时间后拆除内模，最终待其标准养护第三设定时间后，对试件进行单轴压缩测试，最后通过计算其同组三个试件的平均韧性值，记为T e ，如果T e <T e-1 ，去第十一步，否则去第十步；
第十步，增加纤维长细比至λ e +Dλ，e=e+1，回到第八步；
第十一步，在纤维掺量固定数值与第一步相同的前提下，得到最佳压应力S k 作用下压缩浇筑纤维混凝土的平均韧性T e 和纤维长细比的关系曲线，其中，e=0~n，并由该曲线确定纤维长细比最优范围的最小和最大值，其中T o =T co 为普通混凝土的韧性，韧性值T ct 为设计最低压缩浇筑混凝土韧性，当韧性T j 为大于且最接近设计韧性T ct 时，其对应的纤维长细比λ j 为最佳范围内的最小长细比值，曲线最高点韧性T w， 对应的纤维长细比λ w 为最佳范围内的最大长细比值；
第十二步，用相同的混凝土材料和配合比重复第八步~十一步，如果在压缩浇筑纤维混凝土平均韧性和纤维掺量的关系曲线中得出的纤维长细比最优范围的最小和最大值与第十一步相同，结果得到确认，否则重复第八步~第十二步，直到得到可重复的结果；最终得出在最佳压应力下压缩浇筑纤维混凝土中添加纤维的最佳掺量与最佳长细比的数值范围。
2.根据权利要求1所述的压缩浇筑纤维混凝土中纤维最佳掺量及长细比的确定方法，其特征在于：压应力每次的增量数值DS为1~2MPa之间。
3.根据权利要求1所述的压缩浇筑纤维混凝土中纤维最佳掺量及长细比的确定方法，其特征在于：将试件从养护室取出后首先需对其受千斤顶压头压缩的端部，用角磨机进行打磨，使该表面平整光滑，其次使用压缩试验装置对试件进行单轴压缩测试，加载制度为先力控后位移控，力控加载速率为1KN/s，当到力为5KN转换为位移控制，位移控加载速率采用0.3 mm/min；在测试试验过程中，试件的纵向应变需使用测量长度为185mm的测量系统测量试件变形；试件的横向应变需要使用四个50AA长度水平布置的应变片测量，数据采集速率为1hz。
4.根据权利要求1所述的压缩浇筑纤维混凝土中纤维最佳掺量及长细比的确定方法，其特征在于：添加纤维采用粗纤维时，纤维添加增量步DP=0.50%，纤维添加为细纤维时，纤维添加增量步DP=0.05%。
5.根据权利要求1所述的压缩浇筑纤维混凝土中纤维最佳掺量及长细比的确定方法，其特征在于：待压缩应力大小稳定后维持压缩量再持续加压2分钟后便立刻拆除外模，等待24小时后拆除内模，待其标准养护28天后，将试件从养护室取出并进行单轴压缩测试。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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