單摻和混摻纖維對全輕混凝土力學(xué)性能影響試驗(yàn)研究

王彩峰,李潔宇

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000 ； 2.深圳市永達(dá)信工程造價咨詢有限公司河南分公司，河南 鄭州 451400)

單摻和混摻纖維對全輕混凝土力學(xué)性能影響試驗(yàn)研究

王彩峰1,李潔宇2

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000 ； 2.深圳市永達(dá)信工程造價咨詢有限公司河南分公司，河南 鄭州 451400)

本文試驗(yàn)研究鋼纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維的單摻和混摻對全輕混凝土力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：全輕混凝土中單摻或混摻纖維對其抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度提高較小，而對劈裂抗拉強(qiáng)度提高較大。其中，鋼纖維對于全輕混凝土強(qiáng)度提高效果優(yōu)于聚丙烯纖維和玄武巖纖維；從試件受壓破壞狀態(tài)分析，雙摻纖維比單摻纖維破壞延性較好，能夠發(fā)揮不同纖維的特點(diǎn)，與全輕混凝土破壞相比具有壞而不碎的特點(diǎn)。通過分析三種纖維的混雜效應(yīng)，混摻鋼纖維和玄武巖纖維對于提高全輕混凝土力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)，且鋼纖維成為影響其混雜效應(yīng)的主要因素。

全輕纖維混凝土；鋼纖維；聚丙烯纖維；玄武巖纖維；力學(xué)性能

輕骨料混凝土是由輕骨料、陶砂、水泥、水、減水劑等組成的復(fù)合材料，其表觀密度不大于1 950 kg/m3。輕骨料混凝土相對普通混凝土具有輕質(zhì)、保溫、隔音、抗震、抗沖擊等一列優(yōu)良性能[1-2]。但由于輕骨料混凝土彈性模量低，其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度較低，容易產(chǎn)生脆性破壞，因此工程中常應(yīng)用在圍護(hù)和非承重結(jié)構(gòu)[3-4]。為了克服自身缺陷對其使用范圍的限制，通過摻入纖維可以有效提高輕骨料混凝土的強(qiáng)度和延展性能，尤其對輕骨料混凝土的抗裂縫能力和抗沖擊性能方面效果顯著[5-8]。

試驗(yàn)研究表明，混凝土中摻入纖維后，纖維能夠在混凝土中起到“二次微筋”作用，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及彈性模量，改善其脆性破壞過程[9-10]，因此纖維混凝土的試驗(yàn)研究受到各國學(xué)者們的重視。纖維的摻入方式有單摻和混摻，單摻某種纖維來提高輕骨料混凝土的各項(xiàng)性能，其作用效果受到限制，如果采用混合摻入不同的纖維，讓其均勻分散于輕骨料混凝土中，就可以使分散在混凝土骨料之間的纖維形成均勻連續(xù)的纖維網(wǎng)，可以更加有效阻止裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展，達(dá)到預(yù)期效果[11-14]。已有文獻(xiàn)中，如Mojtaba Tabatabaeian[15]、A. Razmi[16]、王艷[17]等通過控制投放纖維的數(shù)量進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析出不同纖維的最優(yōu)摻量對混凝土力學(xué)性能的影響。雖然對于纖維混凝土的研究很早都已經(jīng)涉及，但是由于混雜纖維混凝土的復(fù)雜性能，對于纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理沒有一個統(tǒng)一的模型公式[18]，為了更深入地研究混摻纖維的破壞機(jī)理，本文從多個角度去分析纖維輕骨料混凝土的破壞特征。

1 試 驗(yàn)

1.1 主要試驗(yàn)材料及性能

(1) 水泥：焦作堅固牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；

(2) 粉煤灰：焦作電廠生產(chǎn)的Ⅱ 級粉煤灰，滿足GB/T1596-2005要求；

(3) 粗骨料：洛陽正全實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的700級碎石型陶粒，其堆積密度為610 kg/m3，筒壓強(qiáng)度為3.5 MPa，粒徑大小為5～15 mm；

(4) 細(xì)骨料：洛陽正全實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的800級頁巖陶砂，粒徑≤5 mm，堆積密度880 kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.33～3.36，連續(xù)級配；

(5) 纖維：鋼纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維，各項(xiàng)指標(biāo)見表1；

(6) 減水劑：聚羥酸母液高效減水劑，摻量為膠凝材料的1.8%；

(7) 水：普通自來水。

表1 纖維性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計

通過本課題組前期試驗(yàn)結(jié)果，參照《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ51-2002)，在已適配好的全輕混凝土LC30基礎(chǔ)上摻入纖維，結(jié)合《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T221-2010)，分別以體積摻量1%鋼纖維(以下簡稱SF)、體積摻量0.2%玄武巖纖維(以下簡稱BF)和質(zhì)量摻量0.9 kg/m3聚丙烯纖維(以下簡稱PPF)，詳細(xì)配合比見表2。

表2 輕骨料混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

拌和混凝土之前，輕骨料提前24 h預(yù)濕，試驗(yàn)采用二次投料方法，使用強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌和，攪拌操作按照規(guī)范JGJ51-2002中的規(guī)定，試件脫模后采用灑水蓋塑料薄膜養(yǎng)護(hù)。按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2001)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，測定全輕混凝土和纖維混凝土的力學(xué)性能。其中，制作100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊，進(jìn)行7 d、28 d抗壓強(qiáng)度、28 d劈裂抗拉強(qiáng)度，同時制作100 mm×100 mm×300 mm長方體試件進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度測定，試驗(yàn)設(shè)備采用WAW-1000微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試件的抗壓破壞形態(tài)

圖1和圖2分別是全輕混凝土和纖維全輕混凝土的抗壓破壞效果圖。從圖1能夠看到全輕混凝土發(fā)生了脆性破壞，其原因是輕骨料混凝土本身內(nèi)部存在微缺陷，輕骨料筒壓強(qiáng)度低于砂漿的強(qiáng)度，其破壞的裂縫是從骨料向槳體迅速擴(kuò)展。在受壓破壞的過程中，由于混凝土中的骨料內(nèi)部存在孔隙，受壓破壞過程中帶有微小塑性的破壞。圖2相比圖1最大的區(qū)別是試件發(fā)生的塑性變形較大，破壞后能夠保持試件的完整性，其表面無大的剝落和碎裂現(xiàn)象，其主要原因是纖維在混凝土中起到拉結(jié)和纏繞骨料作用。

纖維全輕混凝土的破壞可以分成三個階段：首先，混凝土承受荷載時，微裂紋首次在骨料的界面出現(xiàn)，此時伴隨著骨料破壞；其次，隨著荷載的不斷升高，裂紋擴(kuò)展到骨料和水泥槳體界面過渡區(qū)；最后，當(dāng)骨料和水泥槳體之間的粘結(jié)不能承受載荷，荷載將轉(zhuǎn)移到纖維和水泥槳體之間的拉結(jié)力承受，隨著荷載達(dá)到峰值時，混凝土試件出現(xiàn)多條小裂縫，伴隨著裂縫不斷貫通，試件呈現(xiàn)出塑性破壞[19]。

圖1全輕混凝抗壓破壞圖2纖維混凝土抗壓破壞

2.2 纖維對全輕混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

纖維全輕混凝土7 d、28 d抗壓強(qiáng)度值見表3，抗壓強(qiáng)度與摻入纖維方式不同之間的關(guān)系，如圖3所示。摻入纖維的輕骨料混凝土，7 d抗壓強(qiáng)度相對于全輕混凝土分別提高了19.64%、2.36%、-2.57%、8.88%、9.94%、-3.63%，鋼纖維單摻時7 d抗壓強(qiáng)度提高最快，而單摻玄武巖纖維、混摻玄武巖纖維/聚丙烯纖維的抗壓強(qiáng)度低于全輕混凝土，導(dǎo)致這種現(xiàn)象出現(xiàn)可能是纖維混凝土前期水化時，纖維與其中的膠凝材料還沒充分粘結(jié)牢固。

纖維混凝土相比28 d全輕混凝土抗壓強(qiáng)度，試件的抗壓強(qiáng)度分別提高了12%、5.35%、1.56%、11.4%、16.4%、-3.9%，混摻玄武巖纖維/聚丙烯纖維這組降低了3.9%，其它各組強(qiáng)度均有提高。從圖3能夠看出，鋼纖維對于全輕混凝土抗壓強(qiáng)度提高效果優(yōu)于聚丙烯纖維和玄武巖纖維。通過數(shù)據(jù)分析7 d時鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度值達(dá)到28 d全輕混凝土強(qiáng)度值的85.0%，原因是由于7 d全輕混凝土中膠凝材料未充分水化，砂漿的強(qiáng)度較低，而鋼纖維具有高抗拉和高彈模的特性，作為增強(qiáng)7 d抗壓強(qiáng)度的主要作用，但纖維和骨料之間的結(jié)合還存在缺陷，鋼纖維的加入在提高混凝土的抗壓強(qiáng)度上受到一定的限制。

表3 抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)

圖3 不同齡期抗壓強(qiáng)度

2.3 纖維對全輕混凝土劈拉抗拉強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度影響

2.3.1 劈裂抗拉性能

全輕混凝土通過單摻和混摻三種纖維(SF、PPF、BF)28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度，其數(shù)據(jù)見表4，纖維摻入方式不同與劈裂抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系見圖7。劈裂抗拉試驗(yàn)荷載-位移曲線見圖5。隨著纖維的加入全輕混凝土的抗拉強(qiáng)度顯著提高，纖維輕骨料混凝土相對全輕混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高75.31%、23.87%、37.45%、78.60%、98.77%、52.26%，其中鋼纖維/玄武巖纖維、鋼纖維/聚丙烯纖維混摻抗拉強(qiáng)度分別提高98.77%、78.60%，這說明混摻纖維的輕骨料混凝土在劈裂抗拉強(qiáng)度上比單一摻入纖維時提高強(qiáng)度更高，這是由于混合纖維的摻入能夠發(fā)揮各自的優(yōu)勢，有效緩解裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

表4 劈裂抗拉和軸心抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)

注：(1)fts、fc分別表示混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度

圖4纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度圖5荷載-位移曲線

由圖5劈裂抗拉過程荷載-位移曲線可以看出，鋼纖維、鋼纖維/玄武巖纖維、鋼纖維/聚丙烯纖維的混摻能夠顯著改善輕骨料混凝土的脆性破壞，SF+BF-6、SF+PPF-5、SF-2這三條曲線走勢相同，隨著荷載的升高位移逐漸增加，達(dá)到峰值荷載后位移還能緩慢增長，其破壞是一個塑性發(fā)展的過程。通過對比這三種曲線，可知SF-2鋼纖維單摻對于前期荷載增長慢，后期位移發(fā)生量不大。從圖5中能夠看出，鋼纖維/玄武巖纖維、鋼纖維/聚丙烯纖維混摻效果較好，增韌效果優(yōu)于單摻纖維，表現(xiàn)出很好的協(xié)同混雜效應(yīng)。分析其原因，主要是單摻一種纖維時只能發(fā)揮本身的一種特性，相比混摻纖維而言，摻入的纖維具有不同尺度和不同力學(xué)性能，在混凝土中能夠形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[20]，受荷載作用下，能夠迅速阻止裂縫的擴(kuò)展，從而提高混凝土的韌性。對于LC-1、PPF-3、BF-4、BF+PPF-7這四條曲線能夠看出荷載到達(dá)峰值點(diǎn)位移的發(fā)生量很小，當(dāng)荷載超過峰值點(diǎn)后迅速發(fā)生跌落，發(fā)生脆性破壞。

2.3.2 軸心抗壓強(qiáng)度

纖維混凝土軸心抗壓強(qiáng)度見圖6。通過圖6能夠看出，摻入纖維對于全輕混凝土軸心抗壓強(qiáng)度分別提高19.59%、0.61%、5.10%、14.90%、22.86%、-2.49%。其中，SF+BF-6軸心抗壓強(qiáng)度提高最多，達(dá)到了22.86%，這說明鋼纖維/玄武巖纖維混摻能夠發(fā)揮兩種纖維優(yōu)點(diǎn)，且鋼纖維在其中發(fā)揮主要作用；而PPF+BF-7軸心抗壓強(qiáng)度下降2.49%，這兩種纖維混摻對混凝土軸心抗壓強(qiáng)度起到負(fù)相關(guān)作用。

圖6 軸心抗壓強(qiáng)度

4 纖維混雜效應(yīng)

為了進(jìn)一步說明混摻纖維對全輕混凝土性能的影響，引入了纖維的混雜增強(qiáng)效應(yīng)系數(shù)[21]：

(1)

其中：f是纖維混凝土的強(qiáng)度，fm是基準(zhǔn)全輕混凝土的強(qiáng)度；βcu、βt、βc分別表示抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)系數(shù)。當(dāng)β﹥1時，纖維對混凝土基體起到正混雜效應(yīng)，而β≤1時，纖維對混凝土基體起到負(fù)混雜效應(yīng)。表5給出混雜纖維全輕混凝土的增強(qiáng)效應(yīng)和混雜系數(shù)。

表5 纖維混凝土混雜效應(yīng)系數(shù)

圖7 纖維混雜效應(yīng)圖

如圖7所示，混摻纖維對全輕混凝土抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度影響較小，而對劈裂抗拉強(qiáng)度影響較大，且起到正混雜效應(yīng)，強(qiáng)度提高明顯。從圖7可以看出，單摻鋼纖維時呈現(xiàn)出明顯的正混雜效應(yīng)明顯；單摻聚丙烯和單摻玄武巖纖維混雜效應(yīng)不明顯；鋼纖維和聚丙烯纖維混雜呈現(xiàn)出較好的正混雜效應(yīng)；鋼纖維和玄武巖纖維混雜時比其它單摻或混摻纖維具有良好的混雜效應(yīng)；玄武巖纖維與聚丙烯纖維混雜，對于抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了較小的負(fù)混雜效應(yīng)，對于劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)正混雜效應(yīng)。從表5可知：鋼纖維的摻入會顯著提高混雜效應(yīng)系數(shù)，鋼纖維和玄武巖纖維混摻對抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度正混雜效應(yīng)相對其他各組達(dá)到最優(yōu)，當(dāng)這兩種纖維同時混雜時，纖維之間分散均勻，不出現(xiàn)糾纏和成團(tuán)現(xiàn)象，從而使纖維在混凝土中起到良好的加筋作用。

綜上所述，鋼纖維和玄武巖纖維混雜有利于提高全輕混凝土的力學(xué)性能，但是單摻或混雜纖維時要綜合考慮對混凝土性能的影響，通過本次試驗(yàn)?zāi)軌蚩闯鲈诨鞊嚼w維時鋼纖維成為了混雜效應(yīng)影響的主要因素。

5 結(jié)論

(1) 鋼纖維對全輕混凝土強(qiáng)度提高效果優(yōu)于聚丙烯纖維和玄武巖纖維，對于混凝土增強(qiáng)增韌效果明顯；

(2) 鋼纖維/玄武巖纖維、鋼纖維/聚丙烯纖維混摻較全輕混凝土強(qiáng)度具有顯著提高，其中抗壓強(qiáng)度分別提高8.88%、9.94%，劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高78.75%、98.77%，軸心抗壓強(qiáng)度分別提高14.9%、22.86%；

(3) 纖維混凝土破壞形態(tài)相對全輕混凝土變化較大，荷載達(dá)到峰值點(diǎn)后隨著承載力的下降位移逐漸增大，呈現(xiàn)出較好的塑性變形；試件破壞后裂而不碎，整體性較好，適合作為抗震結(jié)構(gòu)；

(4) 通過分析三種纖維的混雜效應(yīng)，混摻鋼纖維/玄武巖纖維對于提高全輕混凝土力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)，且鋼纖維成為影響其混雜效應(yīng)的主要因素；

(5) 玄武巖纖維/聚丙烯纖維單摻或混摻對抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度影響較小，對劈拉抗拉強(qiáng)度有一定的提高，但從整體性能來看這兩種纖維混摻效果不如單摻好。

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Experimentalstudyonmechanicalpropertiesofall-lightweightconcretewithsingleandmixedfiber

WANG CAI-feng , LI Jie-yu

(1.SchoolofCivilEngineering,HenanPolytechnicUniversity,JiaozuoHenan454000,China; 2.ShenzhenYongdaxinEngineeringCostConsultingCo.Ltd.,HenanBranch,ZhengzhouHenan451400,China.)

The experiment studies the effect on the mechanical properties of all-lightweight concrete (ALWC) in which steel fiber (SF), polypropylene fiber (PPF) and basalt fiber (BF) are incorporated with a single incorporation and mixed one. The compressive strength and axial compressive strength of the single or mixed fiber in all lightweight concrete are small, but the splitting tensile strength is improved greatly. The effect of steel fiber on the strength of all light concrete is better than that of polypropylene fiber and basalt fiber. From the analysis of compressive failure condition of specimens, the damage ductility of double fiber fibers is better than that of single fiber, and the characteristics of different fibers can be played. Compared with the damage of the whole lightweight concrete, it has the characteristics of bad and not broken; By analyzing the hybrid effect of three kinds of fibers, the blending of steel fiber and basalt fiber can improve the mechanical properties of the whole light concrete, and the steel fiber becomes the main factor affecting the hybrid effect.

ALWC; steel fiber; PPF; BF; mechanical characteristics

2017-06-12

國家自然科學(xué)基金(41172317)

王彩峰(1991-)，男，河南周口人，碩士。

1674-7046(2017)05-0050-07

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.05.010

TU528.2

A