鋼纖維粉煤灰輕骨料混凝土早期變形及抗裂試驗(yàn)研究

李培榮

(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 太原 030031)

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鋼纖維粉煤灰輕骨料混凝土早期變形及抗裂試驗(yàn)研究

李培榮

(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 太原 030031)

為研究鋼纖維輕骨料混凝土的早期變形和抗裂能力，通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)不同摻量的鋼纖維粉煤灰輕骨料混凝土進(jìn)行早期體積收縮變形和抗裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：在粉煤灰輕骨料混凝土中摻入鋼纖維可有效抑制混凝土的收縮，隨著鋼纖維摻量的增加，減縮效果越來(lái)越顯著；摻入鋼纖維后，粉煤灰輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均得到一定程度的提高，且隨鋼纖維摻量的增加呈上升趨勢(shì)；鋼纖維的摻入，粉煤灰輕骨料混凝土裂隙明顯減少，同時(shí)7d抗折強(qiáng)度滿足開放交通要求。研究成果為實(shí)踐工程提供一定理論基礎(chǔ)。

輕骨料混凝土； 鋼纖維； 早期變形； 抗裂性； 強(qiáng)度

1 概述

已有研究表明，摻入粉煤灰對(duì)輕骨料混凝土早期體積收縮變形改善效果顯著，較好的抑制了水泥混凝土路面的早期裂縫。但是值得注意的是粉煤灰在水化作用的早期活性較低，僅作為惰性材料存在[1]。大量的試驗(yàn)資料表明[2]，特定的膠凝材料在水化反應(yīng)中起到“補(bǔ)償收縮”的作用，對(duì)減弱混凝土早期收縮及裂縫效果明顯。因此，解決混凝土早期收縮變形較大的問題，可以來(lái)彌補(bǔ)粉煤灰早期活性低的缺陷，從而主動(dòng)控制早期減縮，達(dá)到裂隙控制的良好效果。

鋼纖維因其抗拉強(qiáng)度高，彈性模量大等特點(diǎn)已被廣泛的應(yīng)用于混凝土的制備中，從而提高混凝土的抗裂能力[3]。近年來(lái)，我國(guó)針對(duì)鋼纖維的普通混凝土進(jìn)行綜合研究，并逐步推廣應(yīng)用于高程受地段限制的路面，例如橋面鋪裝、城市道路舊混凝土路面的加鋪層等。

輕骨料的強(qiáng)度較低，在受荷載時(shí)混凝土內(nèi)部的裂縫擴(kuò)展幾乎不受骨料的阻礙，擴(kuò)展非常迅速，使得輕骨料混凝土在破壞過程中的脆性特征非常顯著[4]。一旦混凝土發(fā)生脆性斷裂，其帶來(lái)的人身安全和經(jīng)濟(jì)損失不可估量。與普通混凝土相比，輕骨料混凝土的脆性至今還沒引起人們足夠的重視，與此相關(guān)的研究開展地較少。為此，在粉煤灰高性能混凝土的基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)奶砑永w維來(lái)提高混凝土的韌性與抗裂性能。

常用的纖維包括鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維、聚丙烯纖維、聚丙烯醇纖維等[5]，其中鋼纖維是水泥混凝土領(lǐng)域最常用的一種纖維，根據(jù)鋼纖維生產(chǎn)工藝不同，可分為切削型和冷拉型等。根據(jù)鋼纖維的外形特征又可分為波紋型和彎鉤形[6]。鋼纖維的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、彈性模量大、承受能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是易銹蝕、不易分散均勻，施工過程中纖維易出現(xiàn)團(tuán)聚問題。在鋼纖維混凝土施工中常采用纖維二次添加法、預(yù)分散法等工藝，以提高鋼纖維分散的均勻性。有的鋼纖維采用特殊的預(yù)處理工藝，能夠使鋼纖維在遇水后自然分開，較好地解決了鋼纖維難以分散均勻的技術(shù)難題[7]。由于鋼纖維的分散性得到提高，因此其體積摻量可由1.0%～1.2%降低到0.4%～0.6%，使鋼纖維混凝土的成本可大大降低。

本文對(duì)粉煤灰輕骨料混凝土抗裂性能的基礎(chǔ)上，摻加不同比例的鋼纖維，利用平板法進(jìn)行摻鋼纖維粉煤灰輕骨料混凝土早期塑性收縮開裂測(cè)試，研究鋼纖維對(duì)粉煤灰輕骨料混凝土收縮變形及抗裂性能的影響。

2 試驗(yàn)材料及過程

2.1 試驗(yàn)材料

水泥： P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其主要化學(xué)組成成分及其相關(guān)的性能指標(biāo)分別見表1、表2。

細(xì)骨料： 河沙，級(jí)配符合Ⅱ區(qū)要求，堆積密度為1480 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.85。

輕骨料： 采用產(chǎn)自宜昌圓球型頁(yè)巖陶粒，粒徑為5～16 mm連續(xù)級(jí)配，主要性能指標(biāo)如表3所示。

表1 水泥化學(xué)成分Table1 Chemicalcompositionofcement成分含量/%成分含量/%SiO224.3MgO4.2Fe2O34.8SO32.2Al2O33.8FeOCaO55.3

表2 水泥的物理性能Table2 Physicalpropertiesofcement細(xì)度/%安定性初凝/min終凝/min≤10.0合格≥45≤600.0抗壓強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa3d28d3d28d≥21.0≥47.5≥4.0≥6.5

表3 頁(yè)巖陶粒性能Table3 Performanceofshaleceramic品種堆積密度/(kg·m-3)表現(xiàn)密度/(kg·m-3)筒壓密度/MPa1h吸水率/%圓球型頁(yè)巖陶粒75813056.34

礦物摻合料： 超細(xì)粉煤灰，湘潭電廠生產(chǎn)，比表面積分別為553 m2/kg；超細(xì)粉煤灰的主要化學(xué)成分如表4所示。

表4 粉煤灰主要化學(xué)成分Table4 Chemicalcompositionoftheflyash材料SiO2Fe2O3MgO超細(xì)粉煤灰51.805.001.00CaOAl2O3K2ONa2OSO34.1026.401.301.000.45

鋼纖維： 由衡水銳盛工程橡膠有限公司生產(chǎn)，平均長(zhǎng)度40 mm，長(zhǎng)徑比30。

外加劑： 采用減水效率為30%的聚羧酸減水劑。

2.2 試驗(yàn)方法

體積變形試驗(yàn)： 試驗(yàn)用輕骨料混凝土試件為100 mm×100 mm×515 mm，成型后密封混凝土表面， 處理方法具體為： 制備成型棱柱體試件后經(jīng)養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，在試件各面均勻涂抹一定厚度的石蠟。為確保與外部環(huán)境隔離，經(jīng)涂抹石蠟封層后利用保溫塑料膜對(duì)試件進(jìn)行包裹，如圖1所示。制備試件過程中預(yù)埋金屬側(cè)頭，試件拆模后立即實(shí)測(cè)記錄其初長(zhǎng)，在恒溫條件下養(yǎng)護(hù)，并測(cè)試其在不同齡期的收縮率。

早期抗裂性試驗(yàn)： 成型摻鋼纖維的粉煤灰輕骨料混凝土混凝土平板尺寸為600 mm×600 mm×100 mm的薄板型試件，如圖2所示，模具內(nèi)設(shè)有7根裂縫誘導(dǎo)器，在地板表面鋪設(shè)聚乙烯薄膜。試驗(yàn)試件從混凝土攪拌加水開始計(jì)算，從24 h齡期時(shí)開始測(cè)讀裂縫，裂縫長(zhǎng)度用鋼直尺測(cè)量，裂紋寬度采用40倍專用讀數(shù)放大鏡測(cè)量，平均開裂面積、單位面積的裂縫數(shù)和單位面積上的總開裂面積根據(jù)混凝土澆筑24 h測(cè)量所得裂縫數(shù)據(jù)計(jì)算。

圖1 收縮測(cè)試裝置Figure 1 Shrinkage test device

裂縫的長(zhǎng)度、寬度、數(shù)量，測(cè)量記錄完畢以后，按照下述方法計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)：

圖2 平板法早期抗裂試驗(yàn)裝置Figure 2 The early cracking test device of plate method

(1)

裂縫總長(zhǎng)度L=∑li

(2)

(3)

(4)

式中：wi為第i條裂縫寬度，mm；n為裂縫總數(shù)；li為第i條裂縫的長(zhǎng)度，mm；Acr為裂縫總面積，mm2。

2.3 鋼纖維粉煤灰高強(qiáng)輕骨料混凝土的制備

將超細(xì)粉煤灰以20%等量取代水泥并分別摻入0.5%、1%和1.5%的鋼纖維制備剛纖維粉煤灰輕骨料混凝土和基準(zhǔn)輕骨料混凝土試樣，成型固定尺寸的棱柱體收縮試件和平板試件，按照相關(guān)技術(shù)規(guī)程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，然后依次測(cè)試不同齡期的體積變形和裂縫擴(kuò)展情況，其試驗(yàn)配合比和28 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表5所示。

表5 混凝土配合比及強(qiáng)度Table5 Concretemixratioandstrength編號(hào)水泥/%超細(xì)粉煤灰/%SF摻量/%輕骨料/(kg·m-3)骨料狀態(tài)水灰比外加劑/%28d強(qiáng)度/MPa1100557預(yù)濕24h0.3155.2280200.5557預(yù)濕24h0.3156.8380201557預(yù)濕24h0.3157.5480201.5557預(yù)濕24h0.3158.1

3 結(jié)果及討論

3.1 鋼纖維摻量對(duì)輕骨料混凝土早期自收縮的影響

如圖3所示，隨著鋼纖維的摻加，7 d齡期摻0.5%，1.0%，1.5%鋼纖維的粉煤灰輕骨料混凝土的收縮率分別較基準(zhǔn)混凝土降低8.25%，24.72%，34.66%；與粉煤灰輕骨料混凝土相比，收縮率降低幅度十分明顯。且隨著鋼纖維摻量的增加，自收縮變形得到改善，鋼纖維的摻入對(duì)粉煤灰輕骨料混凝土體積變形改善效果顯著。分析原因，在粉煤灰改善輕骨料混凝土早期收縮的基礎(chǔ)上，鋼纖維的摻入，使混凝土各相組成材料更加的均勻分布，從而實(shí)現(xiàn)各向同性；使輕骨料由脆性材料向韌性材料衍變，混凝土產(chǎn)生裂縫時(shí)，無(wú)規(guī)定向纖維有效抑制微觀裂縫的產(chǎn)生，從而限制裂縫的擴(kuò)展。

3.2 鋼纖維摻量對(duì)輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度影響

由圖4可見: 隨著鋼纖維的摻入，輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度有較大提高，28 d摻1%抗壓強(qiáng)度提高了3.99%，并且鋼纖維摻量越高，增強(qiáng)效果越明顯。鋼纖維在輕骨料混凝土中，受壓破壞產(chǎn)生以前，“環(huán)箍”現(xiàn)象的存在大大減緩了其破壞過程，所以峰值應(yīng)力表現(xiàn)出一定的小幅度增長(zhǎng)；在發(fā)生破壞后，水泥漿體受到鋼纖維的阻斷作用，限制了裂縫從輕骨料中的擴(kuò)散，使得輕骨料的延性得到很大的增強(qiáng)，同時(shí)提高了輕骨料混凝土的脆性。根據(jù)觀察抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，摻鋼纖維的粉煤灰輕骨料混凝土與未摻鋼纖維的試樣破壞形式有明顯的差異，未摻加鋼纖維的試件破壞時(shí)裂縫沿受力方向呈縱向擴(kuò)展，最終形成一條連續(xù)的通縫。試件破壞后，棱角處及通縫邊緣的混凝土出現(xiàn)大量剝落。摻鋼纖維的試件破壞后未出現(xiàn)混凝土大量剝落，只有零星碎粒剝落，未出現(xiàn)明顯的通縫，破壞后的試件有一定的整體性，裂而不散。

圖3 不同齡期鋼纖維輕骨料混凝土收縮率Figure 3 Shrinkage ratio of steel fiber reinforced lightweight aggregate concrete at different age

圖4 不同摻量鋼纖維的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度Figure 4 The 28d compressive strength of steel fiber reinforced concrete with different content

3.3 鋼纖維摻量對(duì)輕骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度影響

由圖5可見： 隨著鋼纖維摻量的增加，粉煤灰輕骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度呈線性增長(zhǎng)，摻0.5%，1.0%,1.5%鋼纖維的輕骨料混凝土較基準(zhǔn)試樣分別增長(zhǎng)37.8%，46.3%和50%。同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，SF摻量為0.5%時(shí)，對(duì)輕骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度改善效果不明顯，因此，SF摻量應(yīng)該控制在1%以上；當(dāng)鋼纖維摻量從1.5%增長(zhǎng)至2%時(shí),劈裂抗拉強(qiáng)度增幅僅2.53%，表明當(dāng)鋼纖維摻量大于1.5%時(shí)，過多的鋼纖維對(duì)粉煤灰輕骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度的改善效果不明顯。

圖5 不同摻量鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度Figure 5 Splitting tensile strength of steel fiber reinforced concrete with different content

3.4 鋼纖維摻量對(duì)輕骨料混凝土容重影響

由圖6可見: 經(jīng)過28 d齡期的養(yǎng)護(hù)，分別測(cè)試混凝土的容量，加過顯示，隨著鋼纖維的摻入，0.5%，1.0%,1.5%鋼纖維的輕骨料混凝土較基準(zhǔn)混凝土的容重分別增加了1.82%，3.85%,6.15%。因鋼纖維密度較大，隨著鋼纖維摻量的增加，鋼纖維輕骨料混凝土的容重逐漸增加，但增幅不大。

圖6 不同摻量鋼纖維輕骨料混凝土容重Figure 6 Bulk density of lightweight aggregate concrete with different dosage of steel fiber

3.5 鋼纖維摻量對(duì)裂縫寬度影響

由圖7可見: 基準(zhǔn)試件和粉煤灰輕骨料混凝土的最大裂縫寬度分別為1.13 mm，摻0.5%，1.0%,1.5%鋼纖維的輕骨料混凝土的最大裂縫寬度分別為0.55，0.17,0.13 mm。分析認(rèn)為，鋼纖維通過橋接裂縫來(lái)阻止裂縫的擴(kuò)展，隨著鋼纖維摻量的增加，裂縫的最大寬度逐漸減少，且有效延遲了裂縫初次出現(xiàn)的時(shí)間。

圖7 摻鋼纖維粉煤灰輕骨料混凝土裂紋寬度Figure 7 Crack width of lightweight aggregate concrete with steel fiber fly ash

3.6 鋼纖維摻量對(duì)開裂面積影響

根據(jù)表6試驗(yàn)結(jié)果可知: 未摻鋼纖維的粉煤灰輕骨料混凝土在10 h時(shí)初次產(chǎn)生裂縫；通過在粉煤灰作為輕骨料的混凝土中摻加鋼纖維，能夠很好地提高其抗裂的性能，鋼纖維量和抗裂性能之間呈正相關(guān)關(guān)系；而1.5%鋼纖維摻量的試件未出現(xiàn)肉眼可見裂縫，表明摻鋼纖維改善了粉煤灰輕骨料混凝土的抗開裂能力。根據(jù)實(shí)測(cè)表明，1、2、3號(hào)試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的7 d抗折強(qiáng)度分別達(dá)到4.75、5.36、5.38 MPa，均超過未摻鋼纖維試件的7 d抗折強(qiáng)度4.65 MPa，達(dá)到7 d開放交通的要求。因此，鋼纖維的摻入不僅對(duì)粉煤灰輕骨料混凝土早期塑性收縮有一定限制作用，同時(shí)能滿足橋面鋪裝要求。

表6 混凝土塑性收縮開裂試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定Table6 Experimentalresultsofplasticshrinkagecrackingofconcrete試件首次開裂時(shí)間/h平均開裂面積/mm2單位面積開裂條數(shù)/(條·m-2)單位面積總開裂面積/(mm2·m-2)開裂等級(jí)01010.057.9183.72Ⅱ1224.755.2826.41Ⅰ2231.902.645.28Ⅰ3無(wú)0.000.000.00Ⅰ 注:1.試驗(yàn)齡期為3d;2.每隔0.5h記錄1次;3.肉眼可見裂縫最小寬度為0.1mm。

3.7 鋼纖維降低混凝土塑性收縮機(jī)理

隨著鋼纖維的摻入，裂紋沿界面過渡區(qū)擴(kuò)展時(shí)，雜亂分布的鋼纖維增加了混凝土的彎曲韌性，導(dǎo)致增加破壞過程中的能力消耗。同時(shí)，在進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)發(fā)生的彎曲破壞時(shí)，由于鋼纖維的張拉及其與混凝土基體相對(duì)滑動(dòng)均消耗一部分能量，增加了粉煤灰輕骨料混凝土試件的彎曲韌性。隨著鋼纖維的摻入，裂紋擴(kuò)展路徑發(fā)生了變化，不分裂紋擴(kuò)展路徑由橫穿輕骨料的通縫衍變?yōu)檠亟缑孢^度區(qū)擴(kuò)展。

4 結(jié)論

① 在粉煤灰輕骨料混凝土中摻入鋼纖維可有效抑制混凝土的收縮，隨著鋼纖維摻量的增加，減縮效果越來(lái)越顯著。

② 摻入鋼纖維后，粉煤灰輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均得到一定程度的提高，且隨鋼纖維摻量的增加呈上升趨勢(shì)。

③ 鋼纖維的摻入，粉煤灰輕骨料混凝土裂隙明顯減少，同時(shí)7 d抗折強(qiáng)度滿足開放交通要求。

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Study on Early Deformation and Crack Resistance of Steel Fiber >Fly Ash Lightweight Aggregate Concrete

LI Peirong

(Shanxi Traffic Vocational and Technical College, Taiyuan, Shanxi 030031, China)

For study of the early deformation and crack resistance of steel fiber reinforced lightweight aggregate concrete, the early shrinkage deformation and cracking of the steel fiber with different amount fly ash lightweight aggregate concrete were test by of laboratory test, test results show that: the fly ash lightweight aggregate concrete mixed with steel fiber can effectively inhibit the shrinkage of concrete, with the increase of the dosage of steel fibre, reduction effect is more and more obvious; the incorporation of steel fiber, the compressive strength of fly ash lightweight aggregate concrete and tensile strength were improved to a certain extent, increased with the increase of dosage of steel fibre; steel fiber, fly ash lightweight aggregate concrete crack obviously at the same time, 7d decreased, the flexural strength to meet the requirements of opening traffic. The research results provide some theoretical basis for practical engineering.

lightweight aggregate concrete; steel fiber; early deformation; crack resistance; strength

2015 — 08 — 24

李培榮(1973 — )，女，山西太原人，碩士研究生，副教授，主要從事路基路面等研究。

U 416.03

A

1674 — 0610(2016)05 — 0235 — 04