振動攪拌工藝制備輕質(zhì)高強鋼纖維混凝土

羅為，熊光啟，熊晨晨，鄭亞林，王沖

(重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶，400030)

現(xiàn)代建筑逐漸向高層化、輕量化、大跨化方向發(fā)展，輕質(zhì)高強混凝土(HSLC)在滿足結(jié)構(gòu)要求的同時，大幅降低了自重，已被廣泛應(yīng)用于土木工程中。它同時也具備優(yōu)異的隔熱、吸聲、防火和抗凍等性能[1]。但是由于HSLC 的高脆性，即在達到峰值荷載后會突然毫無征兆的斷裂，限制了它的大規(guī)模工程應(yīng)用。在HSLC中加入纖維是一種有效的增韌阻裂方法，一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。IQBAL等[2]發(fā)現(xiàn)，在自密實輕質(zhì)高強混凝土中摻入一定量的鋼纖維，可以有效地提高劈裂抗拉強度和彎曲強度，并且能產(chǎn)生應(yīng)變強化行為。GAO等[3]研究發(fā)現(xiàn)，相比于不摻纖維的HSLC，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)在1.0%以上的SFHSLC 劈裂抗拉強度有較為顯著的提升。然而，WANG等[4]發(fā)現(xiàn)鋼纖維摻量從1.5%增加至2.0%時，SFHSLC 的劈裂抗拉強度提升幅度并不大。此外，HUANG 等[5]的研究也表明，當(dāng)鋼纖維摻量從1.5%增加至2.0%時，抗壓強度反而下降。SOUFEIANI 等[6]指出，當(dāng)鋼纖維摻量超過1.5%時，會出現(xiàn)纖維成團現(xiàn)象，很難通過攪拌使鋼纖維分散均勻。BOULEKBACHE等[7]指出鋼纖維的分布和取向?qū)箯潖姸扔酗@著影響，當(dāng)鋼纖維沿著拉應(yīng)力方向定向分布時，抗彎強度大幅提升，同時能提高混凝土的工作性。MUDADU 等[8]也表示鋼纖維的分布和取向是混凝土裂后性能的主要影響因素。因此，為了充分發(fā)揮高摻量鋼纖維的增韌效果，必須保證鋼纖維在攪拌過程中能分散均勻，取向合理。然而，傳統(tǒng)的強制式攪拌存在速度梯度區(qū)和低效攪拌區(qū)[9]，不能滿足高鋼纖維摻量下新拌混凝土各組分的分散均勻性。振動攪拌工藝具有優(yōu)異的物料分散性能，引起了廣泛的關(guān)注，在一定程度上彌補了傳統(tǒng)強制攪拌方式的不足。張良奇[10]等研究表明，振動攪拌工藝可以借助振動作用打破部分水泥的團聚，使其分散更加均勻，同時還可以改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。閆紹杰等[11]通過振動攪拌制備大流動性混凝土，發(fā)現(xiàn)振動攪拌可以在不降低流動性的情況下改善離析泌水的現(xiàn)象，從而提高混凝土的工作性。王博[12]通過試驗得出與普通強制攪拌相比，振動攪拌可以明顯改善水泥石與骨料界面結(jié)合處的微觀形態(tài)，同時改善孔結(jié)構(gòu)，從而提升混凝土的強度以及耐久性。黃天勇等[13]用一種新型的氣動振動攪拌裝置也得到了類似的結(jié)論。目前，振動攪拌工藝已廣泛應(yīng)用于水泥穩(wěn)定碎石[14]、瀝青砂漿[15]和再生混凝土[16]，但利用振動攪拌工藝制備SFHSLC的研究尚未見報道。本文作者利用振動攪拌工藝制備SFHSLC，設(shè)置5種鋼纖維摻量，通過與普通強制攪拌工藝對比，系統(tǒng)分析不同攪拌方式對SFHSLC 的流動性、干表觀密度、抗壓強度、劈裂抗拉強度和彎曲韌性的影響。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料及其配合比

膠凝材料采用重慶富皇公司生產(chǎn)的P.O 42.5 R水泥和成都亮鑒新材料公司生產(chǎn)的硅灰，水泥化學(xué)組成和硅灰性能分別見表1和表2；細(xì)集料采用機制砂和陶砂，細(xì)度模數(shù)分別為2.9和2.1，按體積比9:1復(fù)摻；粗集料為湖北宜昌光大陶粒公司生產(chǎn)的碎石型陶粒，筒壓強度為6.5 MPa；鋼纖維性能見表3；外加劑采用天津冶建公司生產(chǎn)的聚羧酸母液，含固量為41%。

表1 水泥的化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of cement %

為對比不同攪拌方式對SFHSLC 性能的影響，設(shè)置0，0.5%，1.0%，1.5%和2.0% 5 個鋼纖維體積摻量，P0～P20 代表普通強制式攪拌方式，Z0～Z20 代表振動攪拌方式，具體配合比見表4。其中，減水劑按膠凝材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)摻加，鋼纖維摻量按混凝土體積分?jǐn)?shù)計，用φf表示。

1.2 振動攪拌設(shè)備

試驗使用的德通許昌雙臥軸振動攪拌機的參數(shù)見表5，利用攪拌軸和攪拌葉片作為振動活化源，攪拌葉片的排列形式與傳統(tǒng)雙臥軸攪拌機一樣，具有渦旋攪拌特征[17]。物料在攪拌軸和攪拌葉片的振動和強制攪拌下，很快實現(xiàn)均勻拌和。該裝置的最大特點是：攪拌機構(gòu)與激振器一體化設(shè)計，攪拌葉片邊攪拌邊振動，作用面積和空間大,振動能量分布均勻，只需較小的振動強度就能達到較好的攪拌效果[18]。對混凝土拌合物進行振動攪拌，可以使物料顆粒處于顫振狀態(tài)，物料間的內(nèi)摩擦力大大降低，便于水泥顆粒分散[19]。

1.3 成型工藝

成型試驗分別在攪拌機振動攪拌和普通攪拌2種方式下進行。首先，將水泥、硅灰、粗細(xì)集料投入攪拌機中干拌30 s，然后將鋼纖維均勻撒入，最后加入水和外加劑繼續(xù)攪拌90 s直至得到均勻拌合物。卸料后，每組取10 L 拌合物進行坍落度測試，剩余漿料迅速入模振搗成型。所有試模置于常溫養(yǎng)護1 d，脫模后試件儲存在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室內(nèi)直至測試齡期。

表2 硅灰的性能Table 2 Performance of silica fume

表3 鋼纖維性能Table 3 Performance of steel fiber

表4 SFHSLC配合比Table 4 Mix proportion of SFHSLC

表5 振動攪拌機參數(shù)Table 5 Parameters of vibration mixer

1.4 試驗測試方法

1.4.1 坍落度和干表觀密度

坍落度的測試依據(jù)GB/T 50080—2016“普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)”進行。

干表觀密度的測定依據(jù)JGJ51—2002“輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程”進行，取28 d 齡期的長×寬×高為100 mm×100 mm×100 mm 立方體試塊置于干燥箱中(105±5)℃，烘至恒質(zhì)量，用電子天平稱量，排水法測定試件體積，計算得到干表觀密度。

1.4.2 抗壓強度和劈裂抗拉強度

采用長×寬×高為100 mm×100 mm×100 mm 立方體試件，抗壓強度和劈裂抗拉強度的測試依據(jù)GB/T 50081—2016“普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)”進行。

1.4.3 抗彎性能

采用長×寬×高為100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱體試件進行三點彎曲測試，試驗依據(jù)JG/T 472—2015“鋼纖維混凝土”進行。通過新三思CMT5305(300 kN、精度為0.5 級)萬能試驗機獲取荷載-撓度曲線，測試跨度為300 mm，加載速度恒為0.2 mm/min，加載時間為15 min，數(shù)據(jù)采集工作由計算機完成。

2 試驗結(jié)果與討論

主要的試驗結(jié)果如表6所示。

2.1 坍落度

不同攪拌方式下SFHSLC 的坍落度如圖1所示。從圖1可知：隨著鋼纖維摻量的增加，SFHSLC的坍落度均呈下降趨勢。這是由于鋼纖維的摻入在混凝土中形成三維亂向分布體系，相互搭接形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，固定約束輕集料的同時，增大混凝土的黏聚性，以至于鋼纖維摻量達1.5%時，坍落度均降為0。然而，當(dāng)鋼纖維摻量為0，0.5%和1.0%時，相比于普通攪拌方式，由振動攪拌方式制備的SFHSLC坍落度明顯增大，增加值都在10 mm 以上。這是由于振動作用使得混凝土基體各物料分散性增加的同時，在振動攪拌作用下纖維分散更容易趨于均勻[20]，從而流動性增加。

表6 試驗結(jié)果Table 6 Test results

2.2 干表觀密度

圖1 不同攪拌方式下SFHSLC的坍落度Fig.1 Slump of SFHSLC in different mixing methods

圖2 不同攪拌方式下SFHSLC的干表觀密度Fig.2 Dry density of SFHSLC in different mixing methods

圖2所示為不同攪拌方式下SFHSLC的干表觀密度，隨著鋼纖維摻量增加，SFHSLC的干表觀密度隨之增加，但仍滿足輕量化工程要求[21]。同時在相同纖維摻量的配合比下，由振動攪拌方式制備的混凝土干表觀密度均比普通強制攪拌的高，這反映出振動攪拌可增加物料分散的均勻性，進一步增大SFHSLC的密實度。

2.3 抗壓強度

不同攪拌方式下的SFHSLC的28 d抗壓強度如圖3所示。從圖3可知：當(dāng)摻入鋼纖維后，2 種攪拌方式制備的SFHSLC抗壓強度均有顯著提高，在普通攪拌方式下，SFHSLC抗壓強度首先隨著鋼纖維摻量的增加而提高，當(dāng)纖維摻量為1.0%時達到最大值，當(dāng)纖維摻量為1.5%和2.0%時，強度下降，這是由于摻量過高纖維出現(xiàn)團聚成球所致；而在振動攪拌方式下，當(dāng)纖維摻量從0 增加至2.0%時，混凝土抗壓強度隨著鋼纖維摻量的提高而持續(xù)增加。

圖3 不同攪拌方式下SFHSLC的28 d抗壓強度Fig.3 28 d compressive strength of SFHSLC in different mixing methods

從圖3還可以看出：相對于普通攪拌，振動攪拌制備的鋼纖維混凝土強度均有增加。主要原因有：1)振動攪拌可以增大HSLC的密實度，使得內(nèi)部孔隙數(shù)量減少[12]；2)振動攪拌具有的能量可以使水泥顆粒持續(xù)處于顫動狀態(tài)，改善絮凝結(jié)構(gòu)，原本團聚的水泥顆粒均勻分散，增加了水化產(chǎn)物成核位點，使得水化反應(yīng)的速率加快，明顯改善SFHSLC的勻質(zhì)性和強度；3)振動攪拌可以有效解決輕集料離析上浮問題，使其分布更加均勻。振動攪拌使得輕集料混凝土基體物料分散均勻性增加(這可以從混凝土表觀密度增加得到驗證)之外，也可提高纖維分散均勻性。以鋼纖維摻量為2.0%為例，不同攪拌方式的SFHSLC斷面圖片如圖4所示。從圖4可知：在普通攪拌方式下，鋼纖維成團現(xiàn)象明顯，造成SFHSLC不完全密實，抗壓強度降低；而在振動攪拌方式下，鋼纖維均勻分散，避免了纖維成團導(dǎo)致的應(yīng)力集中，增強了鋼纖維與基體在載荷下的協(xié)同作用，從而提高了抗壓強度。

2.4 劈裂抗拉強度

不同攪拌方式下SFHSLC的劈裂抗拉強度如圖5所示。從圖5可知：2 種攪拌方式下，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的劈裂抗拉強度皆隨之增加，這是因為鋼纖維能阻礙裂縫的擴展，隨著單位區(qū)域橋聯(lián)纖維數(shù)變多，更能提高混凝土承受荷載的能力。

圖4 不同攪拌方式下SFHSLC的斷面圖Fig.4 Cross section of SFHSLC in different mixing methods

對比2種攪拌方式下的SFHSLC劈裂抗拉強度可知：每一種摻量條件下都是振動攪拌時比普通攪拌時的大，增幅為3%～9%。振動攪拌方式下，由于振動作用增強了纖維與漿體之間的摩擦黏結(jié)強度[22]，使得SFHSLC 在拉拔過程中消耗更多能量，因此劈裂抗拉強度更高。與抗壓強度規(guī)律不同的是，普通攪拌方式下劈裂抗拉強度隨纖維摻量增加仍持續(xù)增長，并沒有出現(xiàn)纖維團聚成球情況下的強度下降，這是因為部分成團的纖維導(dǎo)致鋼纖維總表面積下降，使得砂漿平均包裹層厚度增加，漿體與輕骨料的結(jié)合能力因此提高[23]，從而阻礙了界面微裂縫的擴展。

圖5 不同攪拌方式下SFHSLC的劈裂抗拉強度Fig.5 Splitting tensile strength of SFHSLC in different mixing methods

2.5 彎曲韌性

不同攪拌方式下SFHSLC 的荷載-撓度曲線見圖6。由圖6可以看出：未摻鋼纖維的HSLC 的荷載-撓度曲線的荷載在達到峰值后突降，為脆性斷裂，而摻入鋼纖維后，SFHSLC展現(xiàn)出顯著的裂后韌性特征。在相同摻量下，Z組曲線比P組曲線更加豐滿，說明振動攪拌可以提高SFHSLC的韌性。

SFHSLC的彎曲行為可以劃分為撓度硬化和撓度軟化2種類型，表現(xiàn)為撓度硬化的SFHSLC具有更高的裂后持荷能力[24]。由圖6還可以看出：鋼纖維摻量為0.5%時，SFHSLC 都呈現(xiàn)出撓度軟化特征，而摻量為1.5%和2.0%時，SFHSLC 皆呈現(xiàn)出撓度硬化的特征，這說明提高鋼纖維摻量可以提高SFRHSLC 的裂后持荷能力。而摻量為1.0%時，P10表現(xiàn)為撓度軟化，而Z10表現(xiàn)為撓度硬化，彎曲行為發(fā)生改變，說明在該摻量下，振動攪拌大幅提高了SFHSLC的裂后韌性。

SFHSLC 彎曲韌性評價方法參考標(biāo)準(zhǔn)JGT 472—2015，相關(guān)計算結(jié)果見表7。其中：fftm為抗彎強度；Re,p為初始彎曲韌度比；Re,k為對應(yīng)于跨中撓度為L/k處的彎曲韌度比，L為跨距，k取500，300，250，200和150。由于試驗所得荷載-撓度曲線峰值跨中撓度較大，只取k為250，200和150進行計算。從物理意義上來講，Re,p反映了SFRHSLC達到峰值荷載前的彎曲韌性，其值越大，表示在峰值荷載前鋼纖維對混凝土增強效果越好；Re,k反映了SFHSLC的殘余彎曲韌性，其值越大，表示鋼纖維對混凝土殘余彎曲強度和后續(xù)持荷能力的貢獻越大[25]。

從表7可知：SFHSLC的fftm隨著鋼纖維摻量的增加顯著增大，且相同摻量時，振動攪拌組的fftm明顯比普通組的高，在鋼纖維摻量為0.5%時增幅高達24%。在相同摻量下，P組與Z組的Re,p之間的對比情況無明顯變化規(guī)律，這表明振動攪拌對SFHSLC峰前韌性的改善主要體現(xiàn)在提高強度上。

從表7還可以看出：在相同鋼纖維摻量時Z組殘余彎曲韌度比大于P組殘余彎曲韌度。隨跨中撓度增大，殘余彎曲韌度比從Re,250到Re,150不斷降低，說明SFHSLC殘余彎曲強度隨變形增大而降低。同時，相同摻量下，Z組殘余彎曲韌度比降幅普遍比P 組的小，說明Z 組SFHSLC 裂后持荷能力更強，殘余彎曲強度較高。P10與Z10相比，雖然裂后韌性較低，但是相同撓度位置的殘余彎曲韌度比卻更大，這是因為P10彎曲行為為撓度軟化，且加載過程中無明顯彈塑性變形段。在到達峰值后，受試件脆性影響，荷載發(fā)生突降，但纖維的橋聯(lián)作用使試件仍具有抵抗變形的能力，隨位移增大，曲線得到二次上升，產(chǎn)生假撓度硬化現(xiàn)象，因此，Re,250與Re,200差異不大。Z10 初裂荷載小于峰值荷載，彎曲行為為撓度硬化，此時試件具有良好的持荷能力，裂后曲線緩慢降低，不會出現(xiàn)假撓度硬化現(xiàn)象，因此，Z10的殘余彎曲韌度比降低幅度更大。

圖6 不同攪拌方式下荷載-撓度曲線Fig.6 Load-deflection curve in different mixing methods

上述表明，在相同摻量下，振動攪拌相對于普通攪拌可以明顯提高SFHSLC的抗彎強度和裂后韌性。這是由于，初裂前，SFHSLC基體與鋼纖維共同承擔(dān)外部荷載，振動攪拌提高了SFHSLC的密實度，進而提高抗彎強度；初裂之后，鋼纖維通過黏結(jié)力橫貫裂縫傳遞內(nèi)力，跨越裂縫的纖維將荷載傳遞給裂縫的兩側(cè)面，宏觀裂縫擴展的同時鋼纖維依次脫粘被拔出。振動攪拌改善了鋼纖維的分散均勻性及其與基體間的界面黏結(jié)強度，從而提高了SFHSLC的裂后韌性。

表7 彎曲韌性計算結(jié)果Table 7 Calculated results about flexural toughness

3 結(jié)論

1)振動攪拌相比于普通攪拌方式，在未摻鋼纖維時，HSLC 的干表觀密度提高明顯，從1 861 kg/m3增長到了1 935 kg/m3，密實度大大提高。

2)相比于普通攪拌，在振動攪拌條件下，無纖維摻入的素混凝土強度提高了22%；當(dāng)鋼纖維摻量為1.5%和2.0%時，SFHSLC 未出現(xiàn)普通攪拌方式下的纖維團聚成球，強度仍有顯著提高，分別提高11%和15%。同時，不同摻量的SFHSLC劈裂抗拉強度均有不同程度的提高。

3)在相同鋼纖維摻量下，振動攪拌可以明顯提高SFHSLC的抗彎強度和裂后韌性。鋼纖維摻量為0.5%時，振動攪拌方式下SFHSLC 的抗折強度比普通攪拌方式提高了24%；鋼纖維摻量為1.0%時，相比于普通攪拌下的撓度軟化，振動攪拌方式下SFHSLC的彎曲行為表現(xiàn)出撓度硬化，初始彎曲韌度比Re,p從0.33 上升到了0.52，增韌效果十分明顯。