不同類型鋼纖維混凝土力學(xué)性能室內(nèi)試驗(yàn)分析

姬小祥，張 帆，邵景干

(1.河南交院公路工程技術(shù)有限公司，河南 鄭州451460;2.福建省高速公路達(dá)通檢測(cè)有限公司，福建 福州350000;3.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州451460)

鋼纖維混凝土是由細(xì)骨料、粗骨料、水泥以及亂向分布的鋼纖維組成的一種多相非均質(zhì)復(fù)合材料，由于鋼纖維的阻裂、增強(qiáng)效應(yīng)，使得鋼纖維混凝土的抗拉、抗剪、抗扭等性能得到大幅度提高[1－3]。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)鋼纖維混凝土的力學(xué)性能已進(jìn)行了一定程度的研究，并取得了不少的研究成果。羅章等[4－5]人采用改進(jìn)的材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)鋼纖維體積摻量為1%～4%的鋼纖維混凝土梁進(jìn)行了彎曲和劈拉試驗(yàn)，結(jié)果表明鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度與鋼纖維的體積摻量大致成線性關(guān)系;郝維鈁、王仁龍等[6－9]人認(rèn)為不同類型的纖維，對(duì)纖維混凝土的增韌機(jī)理不同，產(chǎn)生的增韌效果也有差異，長(zhǎng)徑比越大對(duì)鋼纖維混凝土的增韌效果越明顯。國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在鋼纖維混凝土的力學(xué)性能及微觀機(jī)理的分析上，而對(duì)不同種類鋼纖維所澆筑的混凝土的性能研究較少。

某高速公路工程全長(zhǎng)106 km，其橋面后澆帶采用鋼纖維混凝土澆筑的形式，混凝土強(qiáng)度等級(jí)要求達(dá)到C50以上。依托高速公路實(shí)際工程，對(duì)不同類型的鋼纖維混凝土的坍落度、密度、力學(xué)強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)分析與對(duì)比，以期為實(shí)際工程提供指導(dǎo)，并為類似工程提供一定的借鑒。

1 原材料性質(zhì)

(1)水泥選用堅(jiān)固P·O 52.5水泥，其主要性能指標(biāo)見表1。

(2)粉煤灰主要選用洛陽(yáng)熱電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)粉煤灰，主要性能指標(biāo)見表2。

(3)粗集料采用偃師碎石5 mm～10 mm，10 mm～20 mm連續(xù)級(jí)配的石灰?guī)r碎石，其主要性能指標(biāo)見表3。

表1 水泥性能指標(biāo)

表2 洛陽(yáng)熱電廠粉煤灰性能指標(biāo)

表3 偃師碎石主要性能指標(biāo)

(4)細(xì)骨料選用宜陽(yáng)天然河砂，其主要性能指標(biāo)見表4。

(5)外加劑采用的是HSP－GJS聚羧酸高性能減水劑，其勻質(zhì)性能指標(biāo)見表5。

表4 宜陽(yáng)天然河砂主要性能指標(biāo)

表5 聚羧酸高性能減水劑勻質(zhì)性指標(biāo)

2 鋼纖維混凝土配合比的確定

2.1 鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)原則

按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[10](JGJ 55－2011)、《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[11](JGJ/T221－2010)和《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[12](CECS38－2004)的相關(guān)技術(shù)要求，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的需求，得出鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)要求:

(1)鋼纖維混凝土水膠比為0.28～0.32，砂率為41% ～45%;

(2)鋼纖維長(zhǎng)徑比 lf/df=50～70，纖維體積摻量宜為0.5% ～2.0%，鋼纖維表面需有防腐涂層，可采用銑削、端鉤、壓痕等類型的鋼纖維，鋼纖維抗拉強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到600 MPa以上;

(3)若鋼纖維混凝土為新拌制的，則其坍落度應(yīng)大于120 mm;

(4)水泥型號(hào)應(yīng)盡可能采用強(qiáng)度高、抗磨損性好，干縮性能及抗凍性均較好的普通硅酸鹽水泥或硅酸鹽水泥，以保證混凝土的力學(xué)性能;

(5)砂子的細(xì)度模數(shù)應(yīng)保證2.6＜μ＜3.0，要求顆粒堅(jiān)硬耐磨、級(jí)配良好、表面粗糙有棱角;石子不宜采用石灰?guī)r碎石，最大粒徑不宜大于20 mm和鋼纖維長(zhǎng)度的1/2;

(6)減水劑宜采用聚羧酸高性能減水劑，摻量為膠凝材料用量的0.5% ～1.5%;

(7)各種原材料除滿足上述要求外，還應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范、規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)的要求。

而根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[10](JGJ 55 －2011)和《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[11](JGJ/T221－2010)要求，得出鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)要求如下:

(1)鋼纖維混凝土水膠比為 0.30，砂率為43%，減水劑摻量為1.2% ～1.5%;

(2)摻入混凝土中的鋼纖維規(guī)格為:直徑0.75 mm，長(zhǎng) 40 mm，體積摻量為 0.8%;

(3)若鋼纖維混凝土為新拌制的，則其坍落度應(yīng)在100 mm～120 mm之間;

(4)砂子的細(xì)度模數(shù)應(yīng)保證2.6＜μ＜2.8，碎石粒徑在5 mm～20 mm之間。

2.2 鋼纖維摻量的確定

纖維臨界體積率是混凝土破壞形式的突變點(diǎn):當(dāng)纖維摻量小于纖維臨界體積率時(shí)，基體開裂后，纖維不能承擔(dān)基體開裂而轉(zhuǎn)移的荷載，會(huì)在基體開裂后破壞混凝土的結(jié)構(gòu)形式;當(dāng)纖維摻量大于纖維臨界體積率時(shí)，當(dāng)基體開裂后，纖維能承擔(dān)基體轉(zhuǎn)移的荷載，甚至使承載能力提高一定的幅度[13－17]。

文獻(xiàn)[18]給出了亂向非連續(xù)纖維復(fù)合材料的纖維臨界體積率公式，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)纖維的摻量進(jìn)行確定[18]:

式中:fmu為纖維混凝土基體極限抗拉強(qiáng)度，MPa;ffu為纖維的極限抗拉強(qiáng)度，MPa;εmu為纖維混凝土基體極限抗拉應(yīng)變;ηf為纖維的方向有效系數(shù);Ef為纖維的彈性模量，GPa。

對(duì)于一般的 C50混凝土而言:fmu=4.11 MPa，εmu=100 ×10－6;對(duì)于鋼纖維來說，ffu=1 450 MPa，Ef=210 GPa;ηf=0.5，代入式(1)中計(jì)算得鋼纖維的臨界體積率為0.57%。在參閱大量資料和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，考慮到現(xiàn)場(chǎng)的施工成本、混凝土設(shè)計(jì)要求等的影響，最終確定鋼纖維的體積摻量均為0.6%。

2.3 鋼纖維混凝土配合比方案

鋼纖維混凝土配合比方案中選用銑削型、端鉤型、壓痕型三種鋼纖維形狀，如圖1所示。依托某高速公路現(xiàn)場(chǎng)施工路段，該現(xiàn)場(chǎng)施工中的橋面混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，且混凝土的3 d抗壓強(qiáng)度須達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%以上，根據(jù)鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)基本原則及鋼纖維混凝土配合比的設(shè)計(jì)要求，配合比方案參數(shù)設(shè)計(jì)見表6。

表6 鋼纖維混凝土配合比 單位:kg/m3

圖1 不同類型鋼纖維形貌

3 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 鋼纖維混凝土的工作性能

分別對(duì)端鉤型、銑削型、壓痕型三種形狀的鋼纖維混凝土的工作性能(坍落度、坍落拓展度、抗離析指標(biāo)、密度和30 min坍落度損失)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，依照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[19](GB/T 50080－2002)和《Specification and Guidelines for Self－Compacting Concrete》[20]的有關(guān)規(guī)定對(duì)相關(guān)的 工作性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 鋼纖維混凝土試驗(yàn)結(jié)果

由表7中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，銑削型、端鉤型、壓痕型的鋼纖維混凝土的坍落度分別為190 mm、175 mm、175 mm，均在 175 mm 以上，表明其流動(dòng)性較同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土有一定的損失。三種結(jié)構(gòu)形式的混凝土抗離析指標(biāo)分別為10.4%、9.8%、11.7%，能夠滿足歐洲規(guī)范《Specification and Guidelines for Self－ Compacting Concrete》[20]中不超過15%的要求;三種結(jié)構(gòu)形式的鋼纖維混凝土30min坍落度損失均在4%以內(nèi)，完全能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的施工需要。

3.2 鋼纖維混凝土的力學(xué)強(qiáng)度

分別對(duì)端鉤型、銑削型、壓痕型三種形狀的鋼纖維混凝土在不同齡期(3 d、7 d、28 d)的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 鋼纖維混凝土的力學(xué)強(qiáng)度

從圖2(a)中可以看出，鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度在3 d的時(shí)候，三種鋼纖維混凝土的強(qiáng)度均在50 MPa以上，已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)強(qiáng)度的限值;7 d后抗壓強(qiáng)度均在60 MPa以上，完全能夠滿足混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，其中3 d～7 d的混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度平均為21%，7 d～28 d的平均增長(zhǎng)幅度8%，三種結(jié)構(gòu)形式鋼纖維混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度差別不大。從圖2(b)中可以看出，劈裂抗拉強(qiáng)度在第3 d時(shí)為4.5 MPa左右，3 d～7 d增幅為 48%，7 d～28 d的增幅為22%，其中28 d時(shí)，銑削型比端鉤型和壓痕型的劈裂抗拉強(qiáng)度都大。

混凝土的韌性常以劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值(拉壓比)來衡量，拉壓比越大，表明混凝土的韌性越好，三種不同形狀的鋼纖維混凝土的拉壓比如圖2(c)所示。隨齡期增長(zhǎng)，拉壓比也逐漸上升，7 d和28 d時(shí)的拉壓比均是銑削型的最大，表明銑削型形狀的鋼纖維混凝土韌性最好。普通混凝土的拉壓比一般在5%～8%范圍內(nèi)，三種形狀的鋼纖維混凝土拉壓比分別為 13.03%、12.16%、11.28%，均高于普通混凝土，表明鋼纖維能較好地改善混凝土的韌性性能。

4 結(jié)論

依托某高速公路建設(shè)工程實(shí)際，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況和后澆帶鋼纖維混凝土的設(shè)計(jì)原則和配合比的設(shè)計(jì)要求，確定出了具體的配合比參數(shù)，并通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)相關(guān)的工作性能指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)分析研究，主要結(jié)論如下:

(1)鋼纖維混凝土坍落度均在175 mm以上，說明其流動(dòng)性較同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土有一定的損失，其抗離析指標(biāo)均在15%以內(nèi)，且30 min的坍落度損失在4%以內(nèi)，能夠滿足相關(guān)規(guī)范和現(xiàn)場(chǎng)施工的技術(shù)需要;

(2)三種結(jié)構(gòu)形式的纖維在28 d時(shí)抗壓強(qiáng)度均在68 MPa左右，但銑削型鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度以及拉壓比均優(yōu)于端鉤型和壓痕型結(jié)構(gòu)形式的鋼纖維混凝土;

(3)隨齡期增長(zhǎng)，銑削型鋼纖維混凝土拉壓比上升趨勢(shì)最為明顯，表明銑削型形狀的鋼纖維混凝土韌性最好，鋼纖維能較好地改善混凝土的韌性性能。

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