粉煤灰鋼纖維超高強(qiáng)混凝土抗壓性能試驗(yàn)研究

蘇 俊,陶俊林,李 棠 (西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,四川綿陽621 01 0)

鋼纖維超高強(qiáng)混凝土 (FSFRUHSC)是在高強(qiáng)度等級的混凝土基體中摻入亂向分布的鋼纖維所形成的新型復(fù)合材料,其抗壓強(qiáng)度超過100MPa[1]。FSFRUHSC具有較好的抗壓性能和優(yōu)良的抗侵徹、抗爆炸性能,能夠應(yīng)用在軍事工程尤其是新型核爆洞安全防護(hù)層等一些特種工程結(jié)構(gòu)中。由于應(yīng)用FSFRUHSC的時(shí)間相對較短,因而對不同尺寸FSFRUHSC試件的抗壓強(qiáng)度及其壓縮破壞模式等抗壓性能有待進(jìn)一步探討。為此,筆者通過鋼纖維體積含量為1.5%的FSFRUHSC試件的抗壓試驗(yàn),研究了不同尺寸試件抗壓強(qiáng)度及其壓縮破壞模式,從而探討粉煤灰鋼纖維超高強(qiáng)混凝土的抗壓性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

粉煤灰;52.5級普通硅酸鹽水泥;剪切端鉤型鋼纖維 (等效直徑0.4mm,長徑比40,極限抗拉強(qiáng)度1500MPa);細(xì)骨料為天然河砂 (細(xì)度模數(shù)2.3,連續(xù)級配);粗骨料為天然玄武巖碎石 (最大粒徑10mm,級配良好,壓碎指標(biāo)小于3%);SSJS型羧酸系高效減水劑;礦粉等超細(xì)混合材料。

1.2 試件制備

參照文獻(xiàn) [1]進(jìn)行配合比試驗(yàn),選擇混凝土基體質(zhì)量配合比為水泥∶水∶砂∶石∶減水劑∶粉煤灰∶礦粉等超細(xì)混合材料=1∶0.22∶1.55∶2.33∶0.015∶0.4∶0.08。鋼纖維體積摻量為1.5%。由于水灰比小,且摻合料較多,需采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行拌合物生產(chǎn),為了防止鋼纖維結(jié)團(tuán)并使其均勻分布在拌合物中,經(jīng)多次試制后采用的投料次序?yàn)橥渡?、石子、水泥及粉煤灰等摻合?攪拌均勻后再摻入70%的水和80%的減水劑。在攪拌的同時(shí)撒入鋼纖維,最后摻入剩余的30%水及20%減水劑,攪拌3～5min出料,迅速裝模并上振動臺振動8～10min,24h后拆模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d。最終制備出150mm×150mm×150mm(標(biāo)準(zhǔn))、100mm×100mm×100mm(非標(biāo)準(zhǔn))FSFRUHSC立方體試件和100mm×100mm×300mm FSFRUHSC棱柱體試件。

1.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)文獻(xiàn) [2],采用5000KN電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)對FSFRUHSC立方體和棱柱體試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。

2 結(jié)果分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

FSFRUHSC立方體和棱柱體試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1可以看出:①標(biāo)準(zhǔn)立方體試件抗壓強(qiáng)度高于非標(biāo)準(zhǔn)立方體試件抗壓強(qiáng)度,這與普通混凝土立方體小尺寸試件抗壓強(qiáng)度高于大尺寸試件抗壓強(qiáng)度的現(xiàn)象有顯著區(qū)別,其原因可能是因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)試件與試驗(yàn)機(jī)之間潤滑油太少,受套箍效應(yīng)對強(qiáng)度有一定程度影響[3,4]。②立方體試件抗壓強(qiáng)度高于棱柱體試件抗壓強(qiáng)度。

表1 FSFRUHSC抗壓強(qiáng)度

2.2 壓縮破壞模式

1)立方體壓縮破壞模式 在進(jìn)行抗壓試驗(yàn)后,標(biāo)準(zhǔn)立方體試件的破壞形態(tài)如圖1所示,非標(biāo)準(zhǔn)立方體試件的破壞形態(tài)如圖2所示。從圖1和圖2可以看出,2種立方體試件主裂紋都近似平行,試件雖破壞但裂而不散,呈現(xiàn)出韌性拉伸破壞形式。立方體試件受壓破壞裂塊截面形態(tài)如圖3所示,從圖3可見破壞面較粗糙,粗骨料均斷裂,鋼纖維均為拔出混凝土基體而沒有出現(xiàn)斷裂。這說明試件破壞主要由一部分粗骨料拉斷引起,之后鋼纖維逐漸被拔出混凝土基體。由于鋼纖維的拔出過程在一定程度上阻止了裂紋迅速發(fā)展,使得試件呈現(xiàn)出韌性拉伸破壞形態(tài)。在抗壓試驗(yàn)中,立方體試件在壓力作用下,受力之初主要由混凝土基體承受荷載,應(yīng)變很小,鋼纖維中拉應(yīng)力很小,混凝土基體存在橫向拉應(yīng)力,隨著應(yīng)變的增加,鋼纖維承受的應(yīng)力增大。由于鋼纖維本身抗拉強(qiáng)度 (1500MPa)遠(yuǎn)大于混凝土基體強(qiáng)度,縱橫交錯的鋼纖維對試件橫向變形的約束作用較強(qiáng),從而阻止混凝土進(jìn)一步變形,使得混凝土基體達(dá)到極限應(yīng)變的時(shí)間推遲[5]。由于超高強(qiáng)混凝土基體中水泥砂漿的強(qiáng)度接近甚至大于粗骨料的強(qiáng)度,水泥砂漿斷裂和粗骨料斷裂所需能量相當(dāng),所以裂紋的開展路徑可直接穿越骨料[6]?；炷粱w開裂后,裂縫間的應(yīng)力重新分布,原來由混凝土基體承受的應(yīng)力向鋼纖維轉(zhuǎn)移,跨越裂縫和靠近裂縫尖端的鋼纖維將應(yīng)力傳遞給裂縫的兩側(cè)表面,裂縫尖端應(yīng)力集中程度緩和,使裂縫處的混凝土仍能繼續(xù)承受荷載,隨著鋼纖維與混凝土基體產(chǎn)生大的滑移,試件變形加快,直至破壞,但仍有相當(dāng)部分鋼纖維未被拔出混凝土基體。因此,試件呈現(xiàn)裂而不散的形態(tài)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)立方體試件受壓破壞形態(tài)

圖2 非標(biāo)準(zhǔn)立方體試件受壓破壞形態(tài)

2)棱柱體壓縮破壞模式 棱柱體受壓時(shí),荷載達(dá)到峰值的70%時(shí)在試件中部出現(xiàn)較多微小裂紋,然后較為緩慢均勻地斜著發(fā)展形成粗糙主裂紋,發(fā)展方向與加載方向存在約30°夾角,荷載到達(dá)峰值后裂紋以較快速度發(fā)展貫通,最終試件破壞。圖4顯示了棱柱體試件受壓破壞后的典型形態(tài)。從圖4可以看出,主裂紋周圍有較多小裂紋,試件破壞為若干塊但并未互相分離。圖5顯示棱柱體試件受壓破壞裂塊截面形態(tài)。從圖5可以看出,破壞面粗糙,玄武巖粗骨料斷裂。但從破壞面劃痕可以看出骨料被剪壞,即棱柱體試件受壓破壞模式呈現(xiàn)出脆性剪切形式。與立方體試件受壓破壞一樣,棱柱體試件受壓破壞時(shí)鋼纖維逐漸拔出混凝土基體。在棱柱體試件較早產(chǎn)生裂紋時(shí),鋼纖維因混凝土基體局部破壞而受拉,其應(yīng)變增加,導(dǎo)致棱柱體試件裂紋發(fā)展速度較為緩慢,由此延緩試件破壞時(shí)間。當(dāng)荷載到達(dá)峰值時(shí),試件裂紋面已經(jīng)有一定的錯動,由于剪應(yīng)力較大,導(dǎo)致許多鋼纖維最終被拔出,因而棱柱體試件迅速破壞。

圖3 立方體試件受壓破壞裂塊截面形態(tài)

圖4 棱柱體試件受壓破壞形態(tài)

圖5 棱柱體試件受壓破壞裂塊截面形態(tài)

綜上所述,立方體試件和棱柱體試件在受壓破壞后鋼纖維并沒有拉斷,而是被斷裂過程中施加的拉應(yīng)力或剪應(yīng)力逐漸拔出混凝土基體,這樣有效阻止了混凝土基體中裂紋的擴(kuò)展,導(dǎo)致應(yīng)變增加,并使立方體、棱柱體試件分別呈現(xiàn)韌性拉伸和脆性剪切破壞形式。

3 結(jié) 論

1)配制出了抗壓強(qiáng)度超過100MPa的粉煤灰鋼纖維超高強(qiáng)立方體混凝土。試驗(yàn)結(jié)果表明,大尺寸立方體試件抗壓強(qiáng)度高于小尺寸立方體試件抗壓強(qiáng)度,立方體試件抗壓強(qiáng)度高于棱柱體試件抗壓強(qiáng)度。

2)粉煤灰鋼纖維超高強(qiáng)混凝土立方體、棱柱體試件分別呈現(xiàn)韌性拉伸和脆性剪切壓縮破壞模式。

[1]林小松,楊果林.鋼纖維高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[2]CECS13:89,鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法 [S].

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[4]趙軍,高丹盈,朱海堂.鋼纖維高強(qiáng)混凝土抗壓性能試驗(yàn)研究 [J].新型建筑材料,2005(1):24-27.

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