纖維增強輕骨料混凝土抗壓性能試驗研究

牛建剛 林 紅

1內(nèi)蒙古科技大學建筑與土木工程學院（014010） 2包鋼集團設計研究院（有限公司）（014010）

輕骨料混凝土的抗壓強度、抗剪強度及抗拉強度均較低，尤其是其彈性模量小、徐變和收縮大及容易產(chǎn)生脆性破壞等性能缺陷的存在，使輕骨料混凝土在我國仍主要應用于低強度的非承重結(jié)構(gòu)[1～3]，應用范圍受到了很大的限制。如何提高輕骨料混凝土的斷裂韌性及拉壓強度，同時保證其質(zhì)輕的特點是現(xiàn)今輕骨料混凝土研究及應用中迫切需要解決的問題。為此本文將鋼纖維與塑鋼纖維摻入輕骨料混凝土中，通過抗壓性能試驗來確定纖維增強輕骨料混凝土的效果。

1 試驗材料及配合比

1.1 試驗材料

水泥∶包頭市“烏拉山”牌PO42.5普通硅酸鹽水泥；

細骨料∶中砂＜5 mm，級配合格；

粗骨料∶包頭市精正建材公司生產(chǎn)的粉煤灰陶粒，粒徑 5～30 mm，級配合格；

塑鋼纖維∶浙江寧波大成新材料股份有限公司生產(chǎn)。材料為改性聚丙烯，纖維長度為38 mm，直徑為0.91 mm，密度為0.95 g/cm3，抗拉強度為530 N/mm2，彈性模量為7 GPa，沿纖維長度方向有波浪形壓紋，纖維截面為五葉形；

鋼纖維∶由天津市無極科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)，纖維類型∶銑銷型波紋鋼纖維，長度38 mm，等效直徑為0.7 mm，抗拉強度為785 N/mm2。

1.2 配合比設計

試驗設計的輕骨料混凝土強度等級為LC30。采用的塑鋼纖維體積率摻量分別為0.5%，0.7%，0.9%，1.1%，1.3%；鋼纖維體積率摻量分別為0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%。試驗配合比如表1所示。

2 受壓破壞試驗現(xiàn)象和破壞特征

由于環(huán)箍效應，未摻入纖維的輕骨料混凝土試塊開裂后，有碎片陸續(xù)向外崩落，且與試件承壓面相垂直的側(cè)面有整面脫落的現(xiàn)象，加壓至最大荷載后四周混凝土破碎剝落，最終形成兩個對頂角椎形破壞面，呈現(xiàn)明顯的脆性破壞。

表1 輕骨料混凝土實際配合比

摻纖維輕骨料混凝土試件在受壓開裂后，隨著荷載的持續(xù)增大，裂紋數(shù)目增多，寬度增大。鋼纖維輕骨料混凝土表面偶有碎片崩落,使鋼纖維外露，而塑鋼纖維增強混凝土試件幾乎無碎片掉落。繼續(xù)加載至極限荷載時，試件呈現(xiàn)出橫截面明顯增大、呈外鼓狀的現(xiàn)象，整個加載過程中試件保持較好的完整性，裂而不碎，輕骨料混凝土的變形速度也得到一定程度的減緩。

從破壞形態(tài)來看，纖維摻入極大地改善了輕骨料混凝土的受壓變形及破壞特征，橫跨于斷裂面的纖維起到阻止裂縫擴展的作用，限制輕骨料間的裂縫沿受力方向的發(fā)展。當達到極限荷載時，纖維的連接作用延緩了試件中裂縫的失穩(wěn)擴展，使輕骨料混凝土的抗壓韌性得到提高。因而，纖維的加入使輕骨料混凝土由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄋ苄缘钠茐男螒B(tài)，這樣的破壞形態(tài)對地震中結(jié)構(gòu)耗能有著較強優(yōu)勢，對地震破壞時建筑結(jié)構(gòu)中人員和財產(chǎn)安全有很大意義。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 抗壓強度試驗結(jié)果

測得不同摻量的塑鋼纖維及鋼纖維增強輕骨料混凝土立方體抗壓強度如表2所示。

3.2 試驗結(jié)果分析

由表2中數(shù)據(jù)可以看出∶1）輕骨料混凝土摻入鋼纖維后抗壓強度均有所提高，當摻入鋼纖維的體積率為0.5%～2.0%時，鋼纖維增強輕骨料混凝土的抗壓強度比基準混凝土約提高2.5%～13.7%,且抗壓強度隨摻入鋼纖維體積率的增加而逐步提高，但當鋼纖維體積率為2.5%時,抗壓強度較2.0%時有所降低。2）塑鋼纖維的摻入對輕骨料混凝土抗壓強度的影響作用不明顯，且有升有降，塑鋼纖維的體積率為0.5%、0.7%、1.1%時,輕骨料混凝土的抗壓強度得到提高，而體積率為0.9%、1.3%時，抗壓強度則低于未摻入纖維的輕骨料混凝土試件。當塑鋼纖維的體積率為0.7%時,輕骨料混凝土抗壓強度得到的增強作用最大，增強幅度為5.3%，但是當體積率摻量為0.9%時，抗壓強度下降最大，下降幅度同樣為5.3%。3）塑鋼纖維與鋼纖維對輕骨料混凝土抗壓性能的增強作用相比較,兩種纖維在摻量為0.5%時對試件抗壓性能的增強作用相同，當塑鋼纖維體積率為0.7%時試件的抗壓強度在鋼纖維對輕骨料混凝土抗壓強度的影響曲線之上，此后塑鋼纖維對輕骨料混凝土抗壓強度的增強作用均小于鋼纖維。

表2 立方體抗壓強度

塑鋼纖維體積率摻量為0.9%時,試件抗壓強度下降較大，是由于在此組試件養(yǎng)護期間，所使用的養(yǎng)護室供暖系統(tǒng)工作不穩(wěn)定,且養(yǎng)護室試件較多，該組試件所放位置溫度較低，所以使該組試件養(yǎng)護不充分，造成試件抗壓強度較小。

4 纖維對輕骨料混凝土抗壓強度的影響原因

纖維的摻入可以有效抑制輕骨料混凝土的離析。由于輕骨料的密度小于水泥砂漿的密度，未摻入的纖維的輕骨料混凝土在振搗過程中易出現(xiàn)骨料上浮現(xiàn)象,導致較多的骨料集中于上層拌合物，而下層拌合物的骨料含量較少,從而產(chǎn)生離析現(xiàn)象。摻入的纖維可以形成能夠抑制輕骨料上浮的網(wǎng)架，從而提高輕骨料混凝土的連續(xù)性及均質(zhì)性，使輕骨料混凝土的力學性能得以改善。

與普通混凝土立方體抗壓強度試驗相似，輕骨料混凝土在試驗機上受到單向壓力時，會產(chǎn)生豎向縮短、橫向擴張的現(xiàn)象。纖維的摻入對輕骨料混凝土試件在單向受壓時發(fā)生的橫向變形產(chǎn)生約束力，相當于對試件由上到下施加了一個橫向套箍作用，使輕骨料混凝土試件在抵抗壓應力時能夠成為一個整體，呈現(xiàn)出一定的三向受壓現(xiàn)象，從而起到對輕骨料混凝土的抗壓強度的增強作用。在試件破壞時也沒有明顯的混凝土剝落，輕骨料混凝土試塊形狀依舊是一個立方體。

同時由于塑鋼纖維的彈性模量遠小于輕骨料混凝土，使加荷過程中產(chǎn)生的壓應力全部由輕骨料混凝土承受，且塑鋼纖維的摻入減小了試件中輕骨料混凝土的受壓面積,隨著塑鋼纖維摻量的增大，試件的有效受壓面積逐漸減小，導致其抗壓強度也逐漸減小。與塑鋼纖維相比，鋼纖維的彈性模量遠大于輕骨料混凝土，同時由于鋼材的強度遠高于輕骨料混凝土，使其能有效的分擔試件在加載過程中產(chǎn)生的壓應力。隨著鋼纖維摻量的增加，輕骨料混凝土中的鋼纖維對壓應力的分擔份額越大，使鋼纖維輕骨料混凝土的抗壓強度也逐漸增大。由于試件中粗骨料的存在制約著纖維的分布及取向，當鋼纖維摻量較高時，即纖維體積率為2.0%～2.5%時，纖維不能被足夠的水泥漿體包裹，內(nèi)部缺陷增多，使得鋼纖維與輕骨料混凝土的粘結(jié)力下降，造成混凝土抗壓強度降低。

5 總結(jié)

通過對不同纖維摻量的塑鋼纖維及鋼纖維增強輕骨料混凝土進行抗壓強度試驗,得到如下結(jié)論∶

1）塑鋼纖維對強度為LC30的輕骨料混凝土的抗壓強度增強作用不明顯，鋼纖維對其有較穩(wěn)定的增強，但增強幅度不是很大，纖維增強輕骨料混凝土的抗壓強度與混凝土的強度等級有關(guān)。

2）塑鋼纖維與鋼纖維對輕骨料混凝土抗壓性能的增強作用相比較,兩種纖維在摻量為0.5%時對試件抗壓性能的增強作用相同，當塑鋼纖維體積率為0.7%時試件的抗壓強度在鋼纖維對輕骨料混凝土抗壓強度的影響曲線之上，此后塑鋼纖維對輕骨料混凝土抗壓強度的增強作用均小于鋼纖維。

3）塑鋼纖維及鋼纖維的摻入極大的改善了輕骨料混凝土的受壓變形及破壞特征，使輕骨料混凝土由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄋ苄缘钠茐男螒B(tài)。

[1]Gao Jianming,Sun Wei,MorinoKeiji.Mechanica1 Properties of Stee1 Fiber Reinforced High Strength Lightweight Concrete[J].Cement and Concrete Composites,1997(19):307～313.

[2]董祥，高建明，朱亞菲.摻礦物摻合料高性能輕骨料混凝土力學性能的試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2004(增刊):52～54.

[3]張勇.不同纖維對輕骨料混凝土韌性性能影響的研究[J].混凝土，2002(5):30～32.