鋼纖維對超高性能混凝土施工及力學(xué)性能的影響研究

孫 勇

(開封大學(xué)，河南 開封 475004)

超高性能混凝土主要由水泥、硅灰、砂、鋼纖維等組成，是一種新型綠色水泥基復(fù)合建筑材料，因超高性能混凝土具備高流動性、高強(qiáng)度、高韌性以及高耐久性等特征，故在重載和大跨度橋梁結(jié)構(gòu)、高聳建筑結(jié)構(gòu)工程中得到較為廣泛的應(yīng)用[1-2]。近年來，隨著超高性能混凝土的不斷發(fā)展，致使鋼纖維的種類繁多且形狀多異，因此鋼纖維對超高性能混凝土的性能影響逐漸成為當(dāng)下的重點(diǎn)研究課題[3-5]。

目前，國內(nèi)外研究者在鋼纖維改善超高性能混凝土的性能方面開展了不少研究，如PARK[6]等分別研究了鋼纖維體積摻量0～2%和長徑比65、90、100對超高性能混凝土抗折強(qiáng)度的影響，研究結(jié)果表明抗折強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的增大呈近似線性增大，而長徑比為65時(shí)的抗折強(qiáng)度較長徑比90、100的有所降低；楊松霖[7]等通過對比研究了“端平”和“端彎”兩種不同形狀的鋼纖維對超高性能混凝土施工性能及力學(xué)性能的影響，得出端平形鋼纖維的流動性、抗彎強(qiáng)度及斷裂能優(yōu)于前者，而抗壓強(qiáng)度和延性則差于后者；張麗輝[8]等探討了在磷酸鋅改性條件下鋼纖維對超高性能混凝土力學(xué)性能的影響，得出了磷酸鋅改性鋼纖維能夠有效提升超高性能混凝土的單軸拉伸性能；梁興文[9]通過改變鋼纖維在超高性能混凝土混合料中的排列分布取向，研究了不同鋼纖維取向角對拉伸強(qiáng)度的影響，得到混凝土的抗拉強(qiáng)度與取向角存在線性相關(guān)性。盡管已有較多關(guān)于鋼纖維改性超高性能混凝土的研究成果，但在不同鋼纖維摻量、長徑比及形狀對超高性能混凝土性能影響方面還需進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)探討?；诖耍疚氖紫韧ㄟ^室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)并制備了10組不同鋼纖維的超高性能混凝土試件，然后分別展開擴(kuò)展度、抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度測試，系統(tǒng)研究了不同鋼纖維摻量、長徑比及形狀對超高性能混凝土的施工及力學(xué)性能的影響，旨為同類混凝土配比設(shè)計(jì)及現(xiàn)場施工提供技術(shù)參考與指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

a.水泥：海螺牌普通硅酸鹽水泥(P.O 52.5)，比表面積為372 m2/kg，其化學(xué)成分如表1所示。

b.硅灰：灰白色粉末，SiO2含量≥95%，燒失量≤2.6%，比表面積2.8 m2/g，其化學(xué)成分如表1所示。

c.砂：天然河砂，粒徑小于1.25 mm。

d.鋼纖維：鍍銅鋼纖維，直徑為0.2 mm，密度為7.8 g/cm3，抗拉強(qiáng)度為2 850 MPa，彎曲性能合格。

e.外加劑：聚羧酸高性能減水劑，減水率為30%～40%。

f.水：市政生活用水。

表1 水泥、硅灰化學(xué)組分Table 1 Chemical components of cement and silica fume名稱不同化學(xué)組分比/%SiO2Al2O3Fe2O3MgOCaO水泥20.86.124.731.2165.70硅灰95.50.380.290.660.61

1.2 配合比設(shè)計(jì)

通過前期試配試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼纖維摻量達(dá)4%或長徑比達(dá)100時(shí)，纖維容易產(chǎn)生結(jié)團(tuán)，會嚴(yán)重影響超高性能混凝土的施工及力學(xué)性能。據(jù)此，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)了10組超高性能混凝土試件，其中鋼纖維體積摻量分別為0、1%、2%、3%、4%，長徑比選取65、80、90、100，鋼纖維形狀選取平直形、彎鉤形和扭曲形，水膠比取0.21，具體配合比設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 超高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)Table 2 Ultra-high performance concrete mix ratio design編號水泥/(kg·m-3)硅灰/(kg·m-3)砂/(kg·m-3)碎石/(kg·m-3)水/(kg·m-3)減水劑/(kg·m-3)鋼纖維摻量/%長徑比形狀1880140725111521660(0)65平直形29201506981 05522661(78)65平直形39671506751 00023662(156)65平直形41 02015064095824863(234)65平直形51 06915061091025864(312)65平直形69671506751 00023662(156)80平直形79671506751 00023662(156)90平直形89671506751 00023662(156)100平直形99671506751 00023662(156)65扭曲形109671506751 00023662(156)65彎鉤形注:( )內(nèi)為鋼纖維用量,單位為kg/m3。

1.3 試件制備

按照混凝土配合比首先將稱重好的水泥、硅灰和細(xì)砂倒入臥式混凝土攪拌機(jī)中干拌3 min，再將水、減水劑加入攪拌機(jī)中攪拌5 min，然后在攪拌機(jī)低速運(yùn)行狀態(tài)下均勻撒入鋼纖維，繼續(xù)攪拌3～5 min，待鋼纖維均勻分散于漿體內(nèi)，出漿測試混合料的坍落度并澆筑模型，在試模制作完成后置于振實(shí)臺上振動2 min，再置于室溫環(huán)境下48 h后拆模，隨后取出試件送入溫度(20±2)℃、相對濕度≥95的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)14 d齡期直至試驗(yàn)[10]。

1.4 試驗(yàn)方法

根據(jù)《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(CECS 13：2009)》、《活性粉末混凝土(GB/T 31387-2005)》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，其中抗壓強(qiáng)度試件為100 mm×100 mm×100 mm，抗折強(qiáng)度試件100 mm×100 mm×400 mm，每組試驗(yàn)試件為3個(gè)，試驗(yàn)結(jié)果取測試平均值，測試儀器選用電子萬能試驗(yàn)機(jī)。

2 結(jié)果與討論

2.1 擴(kuò)展度

通過對各組超高性能混凝土試件進(jìn)行擴(kuò)展度試驗(yàn)，得到混凝土擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Expansion test results編號鋼纖維摻量/%長徑比形狀擴(kuò)展度/mm1065平直形7252165平直形6313265平直形6144365平直形6045465平直形5916280平直形5937290平直形56582100平直形5139265扭曲形60910265彎鉤形606

根據(jù)表3可知，隨著鋼纖維摻量的增大，超高性能混凝土的擴(kuò)展度逐漸減小，其中當(dāng)鋼纖維摻量由0增至1%時(shí)，混凝土的擴(kuò)展度下降幅度較為明顯，而當(dāng)鋼纖維摻量繼續(xù)增至4%時(shí)，擴(kuò)展度降幅則逐漸變緩，原因是鋼纖維的摻入增強(qiáng)了其與混合料之間的摩擦力，從而引起流動性變差；隨著鋼纖維長徑比的增大，超高性能混凝土的擴(kuò)展度也呈逐漸減小變化，其中當(dāng)長徑比小于90時(shí)，混凝土的擴(kuò)展度降幅相對較緩，而當(dāng)長徑比大于90時(shí)，擴(kuò)展度降幅則比較顯著，說明長徑比增大也會增強(qiáng)纖維與混合料間的摩擦力；在相同鋼纖維摻量及長徑比條件下，平直形、扭曲形和彎鉤形的擴(kuò)展度分別為614、609、606 mm，說明鋼纖維形狀對超高性能混凝土的流動性影響較小。

2.2 抗壓強(qiáng)度

通過對各組超高性能混凝土試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分別得到不同鋼纖維摻量、長徑比和形狀條件下的混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖3所示。

a.鋼纖維摻量。

在鋼纖維長徑比及形狀相同的條件下，不同鋼纖維摻量的超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 鋼纖維摻量對超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖1可知，當(dāng)鋼纖維摻量由0增至1%，混凝土的抗壓強(qiáng)度增幅達(dá)28.7%，說明鋼纖維的摻入能有效增強(qiáng)超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度，而當(dāng)鋼纖維摻量由1%增至4%時(shí)，抗壓強(qiáng)度增幅則逐漸變緩，其中在鋼纖維摻量為3%時(shí)，超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)167.2 MPa，而在鋼纖維摻量為4%時(shí)，抗壓強(qiáng)度則達(dá)173.5 MPa，較前者僅增大3.8%；超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的增大逐漸增大，原因是除鋼纖維的摻入能夠增強(qiáng)了其與混合料之間的摩擦力外，還能在混合料內(nèi)部形成大量的纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而有效控制混合料內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展。

b.鋼纖維長徑比。

在鋼纖維摻量及形狀相同條件下，不同鋼纖維長徑比的超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 鋼纖維長徑比對超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2可知，鋼纖維長徑比為65、80、90、100時(shí)，超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為154.8、158.6、162.3、162.5 MPa，其中當(dāng)鋼纖維長徑比由65增至80或由80增至90時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度增幅均超過了2.3%，而當(dāng)鋼纖維長徑比由90增至100時(shí)，抗壓強(qiáng)度增幅僅為0.1%，說明鋼纖維長徑比過大對提升抗壓強(qiáng)度的效果并不明顯；隨著鋼纖維長徑比的增大，超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度整體呈逐漸增大變化，原因是鋼纖維的長徑比增大能夠延長裂縫端部應(yīng)力在纖維上的傳遞距離，從而有效抑制裂縫的擴(kuò)張。

c.鋼纖維形狀。

在鋼纖維摻量及長徑比相同條件下，不同鋼纖維形狀的超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 鋼纖維形狀對超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3可知，平直形鋼纖維超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度為154.8 MPa，扭曲形鋼纖維超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度為147.9 MPa，彎鉤鋼纖維超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度為142.6 MPa，3種鋼纖維超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度均超過了140 MPa，其中三者的抗壓強(qiáng)度最大差幅達(dá)8.6%，說明鋼纖維的形狀對抗壓強(qiáng)度存在一定程度的影響，但從施工角度考慮影響較小。

2.3 抗折強(qiáng)度

通過對各組超高性能混凝土試件進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，分別得到不同鋼纖維摻量、長徑比和形狀條件下的混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖6所示。

a.鋼纖維摻量。

在鋼纖維長徑比及形狀相同的條件下，不同鋼纖維摻量的超高性能混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 鋼纖維摻量對超高性能混凝土抗折強(qiáng)度的影響

由圖4可知，當(dāng)鋼纖維摻量由0增至3%時(shí)，超高性能混凝土的抗折強(qiáng)度逐漸增大，說明摻入合適量的鋼纖維能夠提升超高性能混凝土的抗折強(qiáng)度，而當(dāng)鋼纖維摻量由3%增至4%時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度則反呈逐漸減小變化，原因是摻量達(dá)4%時(shí)鋼纖維比較容易發(fā)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，使得混合料的密實(shí)度受到破壞，從而形成薄弱區(qū)以致影響混凝土的抗折強(qiáng)度。

b.鋼纖維長徑比。

在鋼纖維摻量及形狀相同條件下，不同鋼纖維長徑比的超高性能混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 鋼纖維長徑比對超高性能混凝土抗折強(qiáng)度的影響

由圖5可知，當(dāng)鋼纖維長徑比為65、80、90、100時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度分別為37.05、39.83、39.98、43.24 MPa，混凝土的抗折強(qiáng)度也隨著鋼纖維長徑比的增大逐漸增大，其原因是鋼纖維長徑比增大能夠提高其承擔(dān)裂縫端部應(yīng)力的幾率，同時(shí)還能延長裂縫端部應(yīng)力在纖維上的傳遞距離，抑制裂縫的擴(kuò)張，從而有效增強(qiáng)抗折強(qiáng)度。

c.鋼纖維形狀。

在鋼纖維摻量及長徑比相同條件下，不同鋼纖維形狀的超高性能混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 鋼纖維形狀對超高性能混凝土抗折強(qiáng)度的影響

由圖6可知，3種鋼纖維超高性能混凝土的抗折強(qiáng)度分別為37.05、39.27、41.87 MPa，其中扭曲形的抗折強(qiáng)度較平直形提高了6%，而彎鉤形的抗折強(qiáng)度則較平直形提高了13%，原因是扭曲形和彎鉤形鋼纖維在混凝土試件開裂過程中額外提供了部分機(jī)械抗力，有效抑制了裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，從而提升了超高性能混凝土的抗折強(qiáng)度。

3 結(jié)論

a.相同鋼纖維長徑比及形狀條件下，超高性能混凝土的擴(kuò)展度隨著鋼纖維摻量的增大逐漸減小，抗壓強(qiáng)度則隨之逐漸增大，而抗折強(qiáng)度則隨之呈先增后減變化。

b.相同鋼纖維摻量及形狀條件下，超高性能混凝土的擴(kuò)張度隨著長徑比的增大逐漸減小，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度則隨之逐漸增大。

c.相同鋼纖維摻量及長徑比條件下，平直形鋼纖維超高性能混凝土的擴(kuò)展度和抗折強(qiáng)度最小，抗壓強(qiáng)度最大；扭曲形鋼纖維超高性能混凝土的擴(kuò)展度最大，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度居中；彎鉤形鋼纖維超高性能混凝土的擴(kuò)展度和抗壓強(qiáng)度最小，但抗折強(qiáng)度最大，故鋼纖維形狀需根據(jù)實(shí)際施工需求進(jìn)行選擇。