鋼纖維全輕混凝土基本性能試驗研究

潘麗云，徐文曉，陳彥磊，李長永

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

目前，對鋼纖維輕骨料混凝土的研究大都集中在其力學性能和耐久性能方面，對鋼纖維輕骨料混凝土配合比設(shè)計的研究較少［1－5］． 砂輕和全輕混凝土通常采用以試驗和應(yīng)用經(jīng)驗為基礎(chǔ)的松散體積法進行配合比計算［6］，但設(shè)計規(guī)范中允許1 m3混凝土中骨料的總體積取值波動在±0．3 m3范圍，造成配合比設(shè)計結(jié)果因人而異;如果用于鋼纖維全輕混凝土配合比設(shè)計，則很難保證混凝土中鋼纖維體積率達到設(shè)定數(shù)值．與其比較，絕對體積法是按每立方米混凝土絕對體積為各組成材料的絕對體積之和進行計算，概念明確，且相比松散體積法未顯著增加原材料的測試工序．如利用松散體積法時，同樣需要測試輕骨料1 h 的吸水率，在此基礎(chǔ)上稍微增加一些時間就可測得絕對體積法所需的骨料表觀密度．因此，本文采用了考慮裹漿厚度的配合比體積法進行鋼纖維全輕混凝土的配合比計算，并進行了相應(yīng)的試驗研究．

1 試驗概況

原材料采用焦作P·O 52．5 普通硅酸鹽水泥、淄博高強頁巖陶粒粗骨料、陶砂細骨料．5 ～20 mm連續(xù)級配粗骨料采用5 ～10 mm，10 ～16 mm，16 ～20 mm 3 種級配的粗骨料按最大緊密堆積密度確定比例后混合而成．各原材料的物理力學性能及化學組成見表1—3． 鋼纖維采用鋼板剪切端鉤型鋼纖維，長度lf=40．15 mm，長徑比lf/df=46．36，減水劑采用聚羧酸系高性能減水劑，實際減水率為25%．拌合水采用自來水．

表1 水泥主要物理力學性能

表2 陶粒的物理力學性能

表3 輕砂的物理力學性能

試驗共設(shè)計21 組配合比，基準全輕混凝土(水灰比W/C=0．3)按強度等級LC40、輕骨料等級900選擇配合比參數(shù)范圍［6］，摻入鋼纖維后的全輕混凝土采用式(1)—(2)計算，參數(shù)組合見表4，減水劑用量為水泥用量的0．8%． 鋼纖維混凝土配合比設(shè)計采用絕對體積直接計算法［7］，并考慮額外增加一定量的水泥漿包裹鋼纖維，以充分利用鋼纖維的增強作用．為此，把鋼纖維全輕混凝土看作由水泥漿包裹的鋼纖維與基體混凝土組成，且包裹鋼纖維的漿體體積由鋼纖維總表面積乘以裹漿厚度(tp)來計算，可建立鋼纖維全輕混凝土配合比計算公式:

式中:mc，mwn，ma，ms，ρf，vfc，va，vs分別為1 m3鋼纖維全輕混凝土中水泥、凈用水、陶粒、陶砂的質(zhì)量，鋼纖維體積率，包裹鋼纖維的水泥漿體積，陶粒、陶砂的絕對體積;ρc，ρw，ρap，ρs，Sp分別為水泥的相對密度，水的密度，陶粒、陶砂的表觀密度，絕對體積砂率．實際設(shè)計時，mc按不考慮裹漿厚度的同強度等級全輕混凝土水泥用量選取，mwn由與之相對應(yīng)的凈水灰比進行計算［8］．

表4 試驗參數(shù)的組合

本試驗主要進行混凝土拌合物的工作性能、濕表觀密度、干表觀密度、立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度的測試．試驗均采用標準尺寸的試塊，試驗方法按相關(guān)規(guī)范執(zhí)行．通過測試粗、細骨料1 h 的吸水率隨時間的變化(表5)規(guī)律，確定了合理的骨料預(yù)濕時間，對骨料進行預(yù)濕處理．為使鋼纖維在基體混凝土中均勻分散，攪拌采用臥軸強制式攪拌機．攪拌完成后，將拌合物裝入試模，當ρf≤1．0%，采用一次成型;當ρf＞1．0%時，分兩次裝模，并適當延長振搗時間，振搗時用抹刀沿試模內(nèi)壁插搗，至混凝土表面出漿后刮去多余的拌合物并用抹刀抹平．成型24 h 后脫模，放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d．

表5 骨料吸水率隨時間的變化

2 試驗結(jié)果與分析

2．1 鋼纖維全輕混凝土拌合物的工作性能

本試驗混凝土拌合物的黏聚性和保水性良好．混凝土拌合物坍落度隨鋼纖維體積率和砂率的變化規(guī)律如圖1 所示．

圖1 混凝土坍落度的變化規(guī)律

在ρf≤1．0%時，坍落度隨鋼纖維體積率的增大而增大;在ρf＞1．0%時，則坍落度隨著鋼纖維體積率的增大而減?。f明鋼纖維需要水泥漿包裹，引入鋼纖維裹漿厚度在一定程度上能改善鋼纖維混凝土的和易性，使其坍落度有所增加．但當鋼纖維體積率繼續(xù)增加時，由于鋼纖維的“棚架”拉結(jié)作用大于裹漿作用，坍落度將會降低． 同時，砂率對混凝土的坍落度有一定的影響．在水灰比為0．25 和0．30 時，存在最佳砂率，使混凝土的和易性達到最佳．

2．2 鋼纖維全輕混凝土的表觀密度

混凝土拌合物的表觀密度的變化規(guī)律如圖2 所示．不同配合比情況下，鋼纖維全輕混凝土在振實后的濕表觀密度校正系數(shù)為0．963 ～0．998，說明本試驗的各項材料用量基本為最終的配合比設(shè)計值，不用進行調(diào)整．不同配合比情況下，混凝土的干表觀密度為1 668． 2 ～1 891． 2 kg/m3，屬于密度等級為1 700 ～1 900 的輕骨料混凝土［6］．

圖2 混凝土表觀密度的變化規(guī)律

砂率及鋼纖維裹漿厚度的變化對混凝土的濕、干表觀密度影響甚?。S著水灰比的減小，混凝土的表觀密度略有提高，水灰比從0．35 降到0．25 時，濕表觀密度的增幅為2．5%左右，干表觀密度的增幅為3．0%左右．隨著鋼纖維體積率的增加，不同裹漿厚度混凝土的濕、干表觀密度均呈現(xiàn)遞增趨勢，相對于基體混凝土而言，鋼纖維體積率每增加0． 5%，干、濕表觀密度相應(yīng)增加1% ～3%．

2．3 鋼纖維全輕混凝土的立方體抗壓強度

混凝土立方體抗壓強度的變化規(guī)律如圖3 所示．與全輕混凝土相同，隨著水灰比減小，混凝土立方體的抗壓強度有所提高，但水灰比從0．35 降到0．25時，立方體抗壓強度僅提高了10%左右;砂率對鋼纖維全輕混凝土立方體抗壓強度的影響較?。?］．

圖3 混凝土立方體抗壓強度的變化規(guī)律

鋼纖維全輕混凝土立方體抗壓試塊呈裂而不散的破壞狀態(tài)，鋼纖維起到了阻止內(nèi)部微裂縫擴展和宏觀裂縫發(fā)生、發(fā)展的作用，從根本上改變了全輕混凝土立方體抗壓試塊呈散體狀脆性破壞的形態(tài)． 隨著鋼纖維體積率的增大，混凝土立方體抗壓強度不斷增大．鋼纖維裹漿厚度對立方體抗壓強度的影響較小，但以裹漿厚度1．0 mm 的效果最佳．相對于基體混凝土，該裹漿厚度時，鋼纖維體積率為0．5%，1．0%，1．5%，2．0%的立方體抗壓強度分別提高了9．7%，13．9%，18．0%，20．6%． 按通常方法配制的鋼纖維輕骨料混凝土，當鋼纖維體積率為0．5% ～1．5%時，立方體抗壓強度僅提高了4% ～6%;當鋼纖維體積率為2．0%時，立方體抗壓強度會降低．

2．4 鋼纖維全輕混凝土的劈裂抗拉強度

水灰比和砂率對鋼纖維全輕混凝土的劈裂抗拉強度的影響較小，如圖4 所示．鋼纖維全輕混凝土劈裂試塊呈裂而不斷的破壞形態(tài)，與全輕混凝土發(fā)生陶粒直接劈裂、劈裂面平齊的脆性破壞明顯不同，鋼纖維跨越劈裂面起到了搭接承載作用，隨著鋼纖維體積率的增大，其劈裂抗拉強度顯著提高．相對于全輕混凝土，鋼纖維體積率為0． 5%，1． 0%，1． 5%，2．0% 時，劈裂抗拉強度分別提高了38． 7%，60．8%，142． 5%，177． 3%． 鋼纖維體積率每增加0．5%，則劈裂抗拉強度增加30% ～40%．

圖4 混凝土劈裂抗拉強度的變化規(guī)律

3 結(jié) 語

水灰比和砂率對鋼纖維全輕混凝土的力學性能影響較小．合理的纖維裹漿厚度對保證鋼纖維與基體混凝土的黏結(jié)性能具有重要作用，并能改善鋼纖維全輕混凝土的工作性能．經(jīng)綜合分析，鋼纖維全輕混凝土的最佳鋼纖維裹漿厚度為1．0 mm．

按本文考慮鋼纖維裹漿厚度的絕對體積法配制的鋼纖維全輕混凝土，不僅滿足混凝土的工作性能和干表觀密度的要求，而且使全輕混凝土的立方體抗壓強度明顯提高． 特別是對于鋼纖維全輕混凝土的劈裂抗拉強度的提高效果更加顯著，鋼纖維體積率每增加0．5%，劈裂抗拉強度增加30% ～40%．

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［3］李長永，錢曉軍，趙順波． 全輕混凝土基本力學性能研究［J］．混凝土，2010(5):79 －82．

［4］李長永，陳淮，趙順波． 鋼纖維全輕混凝土抗凍性能研究［J］．混凝土，2011(11):98 －99．

［5］張曉燕，李長永，袁浩，等．混合纖維增強全輕混凝土彎曲韌性試驗研究［J］．水利發(fā)電，2013(5):87 －90．

［6］中國建筑科學研究院．JGJ 51—2002 輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002．

［7］宋麗莎，孫麗，曹晨杰，等．鋼纖維混凝土拌合物工作性能試驗研究［J］．華北水利水電學院學報，2013，34(1):24 －26．

［8］陳彥磊．鋼纖維全輕混凝土配合比直接設(shè)計方法及基本力學性能試驗研究［D］．鄭州:華北水利水電大學，2013．