鋼纖維輕骨料粉煤灰砼抗壓性能試驗(yàn)研究

李曉克，沈 澤，陳梅華，趙明爽

(華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州450011)

結(jié)構(gòu)用輕骨料混凝土自重小、保溫效果好，應(yīng)用前景廣闊［1-2］。但由于輕骨料混凝土在拌制過程中易于出現(xiàn)輕骨料上浮、混凝土澆筑成型后均一性較差等問題導(dǎo)致其在工程應(yīng)用中受到限制［3-6］。因此，結(jié)合鋼纖維混凝土［7-9］和粉煤灰混凝土［10-11］新技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)具有綠色特質(zhì)的現(xiàn)代高性能鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土具有重要理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。此處所述綠色特質(zhì)是指綜合利用火電工業(yè)副產(chǎn)品——粉煤灰和建筑節(jié)能材料——輕質(zhì)頁巖陶粒;現(xiàn)代高性能是指混凝土拌合物具有大流動(dòng)性和良好的黏聚性與保水性、硬化混凝土具有良好的抗壓塑性變形能力、高拉壓強(qiáng)度比以及抗裂、抗沖擊和抗彎韌性等優(yōu)勢。為此，本文通過系列試驗(yàn)，研究了水灰比、鋼纖維摻量和粉煤灰取代水泥量對(duì)鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供了材料性能研究基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

采用52.5 普通硅酸鹽水泥、燒結(jié)頁巖陶粒和陶砂、II 級(jí)粉煤灰和銑削型鋼纖維。陶粒按2 ～5，5 ～10，10 ～16 和16 ～20 mm 四種級(jí)配，按最大緊密堆積密度原則確定混合比例0.5:4.0:4.5:1.0，將其混合成2 ～20 mm 連續(xù)級(jí)配粗骨料。鋼纖維平均長度36.68 mm，等效直徑1.35 mm?；炷涟柚茣r(shí)采用自來水和聚羧酸系高性能減水劑(實(shí)際減水率19%)。主要材料物理力學(xué)性能見表1 ～表4。

表1 水泥物理力學(xué)性能Tab.1 Physical and mechanical properties of cement

表2 陶粒物理力學(xué)性能Tab.2 Physical and mechanical properties of expanded shale

表3 陶砂物理力學(xué)性能Tab.3 Physical properties of lightweight sand

表4 粉煤灰物理性能Tab.4 Physical properties of fly-ash

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用粉煤灰等量取代水泥、鋼纖維體積率計(jì)入砂率計(jì)算公式的絕對(duì)體積法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)［12-13］。選取混凝土強(qiáng)度等級(jí)LC35、水灰比W/C 為0.30、輕骨料等級(jí)900 作為基準(zhǔn)輕骨料混凝土的控制參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。調(diào)整水灰比0.25 ～0.35、鋼纖維體積率0%～2.0%和粉煤灰替代率0%～30%，減水劑用量為膠凝材料用量的1.0%，共設(shè)計(jì)11 組配合比如表5 所列。

表5 混凝土配合比主要參數(shù)及部分試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Main parameters of mix proportion and some test results of concrete

骨料經(jīng)預(yù)濕處理，采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌，混凝土入模成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。測試項(xiàng)目主要有混凝土拌合物坍落度和混凝土的干表觀密度、立方體抗壓強(qiáng)度fcu、軸心抗壓強(qiáng)度fc和彈性模量Ec。立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用邊長150 mm 的立方體試塊，軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 混凝土拌合物工作性能

本試驗(yàn)混凝土拌合物均具有良好的黏聚性和保水性，除拌合物L(fēng)C1(水灰比0.25)坍落度僅為17 mm外，其余拌合物均具有良好的流動(dòng)性;同樣條件下，坍落度隨鋼纖維摻量增大而顯著減小，粉煤灰替代率對(duì)坍落度影響較小。用粉煤灰取代部分水泥，降低了漿體的密度，減小了砂漿與骨料的密度差，可減輕骨料上浮而提高混凝土成型過程中骨料分布的均質(zhì)性。

2.2 干表觀密度

本試驗(yàn)混凝土干表觀密度范圍為1 658 ～1 793 kg/m3。鋼纖維體積率不大于1.2%時(shí)，屬于密度等級(jí)1700 的輕骨料混凝土;鋼纖維體積率大于1.2%時(shí)，屬于密度等級(jí)1800 的輕骨料混凝土。同樣條件下，混凝土干表觀密度隨鋼纖維摻量增大而增大，隨粉煤灰替代率增大而略有減小。

2.3 立方體抗壓強(qiáng)度

混凝土立方體試塊受壓破壞形態(tài)見圖1，由未加鋼纖維(LC6，圖1(a))的散體狀脆性破壞轉(zhuǎn)化為隨纖維摻量增加的受破壞，試塊形態(tài)不散，僅表面少許崩裂(LC4，圖1(b))。因此，摻加鋼纖維明顯改善了混凝土脆性破壞特征。

水灰比由0.35 減至0.25，鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土立方體抗壓強(qiáng)度提高了約20%(圖2)，但由于陶粒抗壓強(qiáng)度較低，水灰比對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響也較?。?］。當(dāng)水灰比為0.35 時(shí)，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為42.4 MPa，小于LC35 鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土配制強(qiáng)度fcu，0=43.2 MPa，綜合考慮纖維摻量、粉煤灰替代量等因素，混凝土的水灰比宜取0.30。

圖1 混凝土立方體抗壓試塊破壞形態(tài)Fig.1 Failure states ofconcrete cubes under compression

圖2 立方體抗壓強(qiáng)度隨水灰比的變化Fig.2 Variation of cubic compressive strength of concrete with water-to-cement ratio

保持水灰比0.30、粉煤灰替代率20%等參數(shù)不變，立方體抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的增加而增大(圖3)，證明鋼纖維對(duì)輕骨料的約束作用間接提高了其抗壓能力，進(jìn)而達(dá)到了提高混凝土抗壓強(qiáng)度的效果。本試驗(yàn)將鋼纖維視為粗骨料計(jì)入砂率計(jì)算公式，通過調(diào)節(jié)骨料、鋼纖維與砂漿的比例，鋼纖維被充足的漿體包裹，可充分發(fā)揮其阻裂作用，使混凝土立方體抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)隨鋼纖維摻量增加而提高的變化趨勢，較好地解決了以往研究因粗骨料上浮、鋼纖維下沉導(dǎo)致的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維體積率增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢［14］;同時(shí)，也較本課題組以往研究考慮鋼纖維裹漿厚度，雖有效改善了混凝土和易性，但抗壓強(qiáng)度增加較小的問題［15］。結(jié)合同時(shí)滿足混凝土拌合物大流動(dòng)性的要求，LC35 混凝土的鋼纖維體積率不宜大于1.2%。

粉煤灰取代量10%、20%和30%的立方體抗壓強(qiáng)度較不摻粉煤灰時(shí)分別降低了0.2%、4.6%和5.6%，下降趨勢平緩(圖4)。這同樣歸因于粉煤灰的活性效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)，保障了其等量取代水泥后的輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度。

圖3 立方體抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維體積率的變化Fig.3 Variation of cubic compressive strength of concrete with fraction of steel fiber by volume

圖4 立方體抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰取代量的變化Fig.4 Variation of cubic compressive strength of concrete with fly-ashreplacing ratio

2.4 軸心抗壓強(qiáng)度

混凝土軸心抗壓破壞形態(tài)與立方體抗壓破壞狀態(tài)相似(圖5)，鋼纖維的加入使破壞形態(tài)發(fā)生了質(zhì)變。

鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土軸心抗壓強(qiáng)度隨水灰比、鋼纖維摻量及粉煤灰取代量的變化趨勢類似于立方體抗壓強(qiáng)度的變化趨勢。水灰比為0.25、0.30 和0.35 時(shí)，fc/fcu分別為0.85、0.93 和0.85，平均值為0.88。fc/fcu隨鋼纖維摻量變化在0.88 上下波動(dòng)，但總體趨勢仍保持水平(圖6)。從圖6 可見，當(dāng)粉煤灰取代水泥量0%～20%時(shí)，fc/fcu平均值為0.94，摻入粉煤灰對(duì)fc/fcu影響可不計(jì);但當(dāng)粉煤灰取代水泥量30%時(shí)，fc/fcu降至0.79。

圖6 fc/fcu隨鋼纖維摻量和粉煤灰摻量的變化Fig.6 Variation of fc/fcu with fraction of steel fiber by volume and fly-ash replacing ratio

2.5 彈性模量

水灰比為0.25、0.30 和0.35 時(shí)，鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土的彈性模量依次為23.2、22.8 和16.6 GPa。因此，水灰比為0.35 時(shí)，混凝土彈性模量降幅大。隨著鋼纖維體積率的增大，受鋼纖維形成的骨架拉結(jié)約束效應(yīng)影響，混凝土彈性模量平緩增加，抗壓變形能力有所提升;粉煤灰取代水泥量對(duì)混凝土彈性模量影響不大(圖7)。

圖7 彈性模量隨鋼纖維體積率和粉煤灰取代量的變化Fig.7 Variation ofelastic modulus with fraction of steel fiber by volume and fly-ash replacing ratio

3 結(jié) 語

本試驗(yàn)著重于配制滿足大流動(dòng)性鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土，并開展相應(yīng)的拌合物工作性、干表觀密度及混凝土基本抗壓性能試驗(yàn)研究?；炷僚浜媳戎饕兓瘏?shù)為水灰比、鋼纖維體積率和粉煤灰替代水泥量。試驗(yàn)結(jié)果表明:

①采用粉煤灰等量取代水泥、鋼纖維體積率計(jì)入砂率計(jì)算公式的絕對(duì)體積法進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)方法可行。通過調(diào)節(jié)骨料、鋼纖維和砂漿的比例，可充分發(fā)揮鋼纖維的增強(qiáng)阻裂作用，較好地解決了以往研究中混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維體積率增加先增大后減小的趨勢和抗壓強(qiáng)度增加較小的問題。

②鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的增加而顯著增大，隨粉煤灰取代量增加而略有降低;軸心抗壓強(qiáng)度隨水灰比、鋼纖維摻量及粉煤灰取代量的變化趨勢和立方體抗壓強(qiáng)度變化趨勢基本保持一致;但高粉煤灰取代量使混凝土軸心抗壓強(qiáng)度降低顯著快于立方體抗壓強(qiáng)度。

③提出了配制強(qiáng)度等級(jí)LC35、密度等級(jí)1700 的大流動(dòng)性鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土的配合比設(shè)計(jì)參數(shù)范圍:水灰比0.30，鋼纖維體積率0.4%～1.2%，粉煤灰替代水泥量0%～20%。

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