混凝土配合比設(shè)計(jì)及力學(xué)性能試驗(yàn)分析*

董春盈

(連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇連云港 222000)

混凝土材料是當(dāng)今使用最為廣泛的材料之一，其力學(xué)性能直接決定了建筑結(jié)構(gòu)的安全。李霞等通過試驗(yàn)得出摻入一定量的牡蠣殼、粉煤灰和礦粉能提高混凝土的抗壓強(qiáng)度等性能[1]。闞義文等將廢玻璃和廢橡膠摻入混凝土中制備構(gòu)件[2]。覃峰等將錳渣廢棄物摻入水泥和混凝土中[3]。王泳丹等將廢舊玻璃摻入混凝土中，考察了其對(duì)混凝土性能的影響[4]。楊樹桐等采用等體積替代河砂的方式將廢棄塑料顆粒摻入到混凝土中[5]。謝國帥等指出廢棄玻璃應(yīng)用于混凝土中在工程方面都能取得較好的效益[6]。李悅等研究了摻加廢橡膠微粒的再生混凝土的力學(xué)性能[7]。王海龍等指出廢舊輪胎橡膠粉的適量摻入可以優(yōu)化混凝土的性能[8]。朱江等研究了纖維-橡膠混凝土的力學(xué)性能[9]。王磊等指出摻入牧草纖維能有效提升橡膠粉水泥膠砂的抗壓性能[10]。

陳兵等得出微硅粉和氯丁膠乳能顯著改善聚苯乙烯泡沫顆粒與水泥漿體的粘結(jié)性能[11]。施士升研究了高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的損傷和微觀性能之間的關(guān)系[12]。覃麗坤等探討了高溫后混凝土的力學(xué)性能[13]。呂天啟等提出了混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)后實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)加固的合理時(shí)間[14]。潘慧敏得出了玄武巖纖維的最佳摻量范圍[15]。郭育霞等確定了石粉的最佳摻量及摻入方式[16]。廉杰等得出在摻入玄武巖纖維后，混凝土的強(qiáng)度會(huì)明顯提高[17]。吳釗賢等得出隨著玄武巖纖維摻量的增加，BFRC的抗壓強(qiáng)度逐漸增加[18]。祝金鵬等建立了混凝土凍融循環(huán)次數(shù)與強(qiáng)度折減變化模型[19]。劉日鑫等得出摻入廢橡膠顆粒會(huì)提高混凝土的力學(xué)性能[20]。周可可等提出了EPS混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)系表達(dá)式[21]。李懿卿等研究了摻合料品種和摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響[22]。孫家瑛等分析了透水性混凝土的背景與意義[23]。王棟民等研究了高流態(tài)膨脹混凝土的強(qiáng)度性能[24]。尚巖等介紹了細(xì)觀損傷力學(xué)在混凝土性能分析中的應(yīng)用[25]。劉寶舉等研究了摻粉煤灰-礦渣復(fù)合超細(xì)粉混凝土的力學(xué)性能[26]。洪錦祥等測(cè)量混凝土損傷后的力學(xué)性能變化[27]。

上述研究學(xué)者通過在混凝土中摻入不同的摻合料，分析混凝土力學(xué)性能和耐久性等變化。但與此同時(shí)，混凝土中的水膠比也是影響混凝土性能的重要因素之一。因此本文分別從水膠比和摻合料角度出發(fā)，控制單一變量循環(huán)來得到混凝土力學(xué)性能的演變規(guī)律。

1 材料與測(cè)試方法

1.1 材料

棉纖維由河北貝卡纖維制造有限公司生產(chǎn)，混凝土的基本組成成分見表1。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportion

選用兩組膠凝材料體系，A組為石粉、B組為石粉和棉纖維混合摻入，具體的配合比見表2。

表2 混凝土試配配合比Table 2 Trial mix proportion of concrete

1.2 測(cè)試方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50081-2002、JIS A 1106-1999和JGJ/T 294-2013測(cè)試?yán)w維--混凝土抗壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度。彎曲試驗(yàn)儀器由東莞弘為試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)。抗壓強(qiáng)度儀器由上海樂傲試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

混凝土受壓時(shí)，其破壞情況呈錐體狀，外壁脫落，如圖1（a）所示。摻入纖維的混凝土受壓時(shí)，試塊的破壞率明顯低于普通混凝土，且具有良好的完整性，如圖2（b）所示。這是因?yàn)槔w維在混凝土壓縮試驗(yàn)中沒有失去完整性，從而使得混凝土受壓破壞率較低。

在試驗(yàn)過程中，普通混凝土的極限抗壓強(qiáng)度為47.3MPa；而摻入纖維的混凝土的極限抗壓強(qiáng)度為56.8MPa，其抗壓強(qiáng)度增長了20.08%。因而，纖維的摻入能夠大幅度提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

圖 1 抗壓試驗(yàn)Fig.1 Compression test

2.2 劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)

在劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)的情況下，混凝土試件會(huì)發(fā)生突然的脆性破壞。裂紋將在整個(gè)橫截面上形成并貫穿，試樣將分裂成兩半，如圖2（a）所示。纖維-混凝土試件的裂紋會(huì)貫穿整個(gè)橫截面，但纖維阻止了立方體完全裂開，如圖2（b）所示。

在試驗(yàn)過程中，普通混凝土的極限抗拉強(qiáng)度為2.31MPa；而摻入纖維的混凝土的極限抗拉強(qiáng)度為2.67MPa，其抗拉強(qiáng)度增長了15.58%。因而，纖維的摻入也能夠大幅度提高混凝土的抗拉強(qiáng)度

圖2 劈拉試驗(yàn)Fig.2 Splitting tensile test

2.3 彎曲應(yīng)變?cè)囼?yàn)

在纖維-混凝土梁一側(cè)布置六個(gè)應(yīng)變計(jì)，當(dāng)?shù)撞繎?yīng)變計(jì)出現(xiàn)裂縫時(shí)便停止計(jì)數(shù)。圖3為不同荷載作用下橫截面應(yīng)變曲線，當(dāng)受力荷載為25%的最大受力時(shí)，普通混凝土的應(yīng)變?yōu)?.05‰，纖維混凝土的應(yīng)變?yōu)?.03‰，應(yīng)變值降低了40.00%；當(dāng)受力荷載為50%的最大受力時(shí)，普通混凝土的應(yīng)變?yōu)?.13‰，纖維混凝土的應(yīng)變?yōu)?.08‰，應(yīng)變值降低了38.46%；當(dāng)受力荷載為100%的最大受力時(shí)，普通混凝土的應(yīng)變?yōu)?.47‰，纖維混凝土的應(yīng)變?yōu)?.36‰，應(yīng)變值降低了23.40%。

圖3 纖維-混凝土的應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線Fig.3 Strain test curve of fiber concrete

在彎曲應(yīng)變?cè)囼?yàn)的初始階段，應(yīng)變的增加與載荷成正比。隨著荷載增大，截面受拉區(qū)的應(yīng)變?cè)鲩L加快，橫截面的中性軸升高，中性軸上升的速度在試件破裂前的瞬間達(dá)到最大，這表明纖維對(duì)減少基體微裂紋的有益作用。

2.4 水膠比對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

不同水膠比下混凝土的力學(xué)性能見表3。

表3 不同水膠比混凝土的力學(xué)性能Table 3 Mechanical Properties of concrete with different water binder ratio

由表3可以看出，摻合料在20%石粉的摻量條件下，C50混凝土若要7d達(dá)到50MPa的強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，則混凝土的水膠比為0.25，即A1組。隨著水膠比的提高，混凝土的抗拉、抗折強(qiáng)度下降；隨著時(shí)間的增長，混凝土的抗拉、抗折強(qiáng)度逐漸提高。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律。

2.5 摻和料對(duì)力學(xué)性能的影響

摻合料的摻入對(duì)混凝土的力學(xué)性能的影響見表4。

表4 不同摻合料摻量的混凝土力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of concrete with different admixtures

由表4可以看出，摻合料在20%石粉加10%棉纖維的摻量條件下，C50混凝土若要28d達(dá)到50MPa的強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，則混凝土的水膠比為0.25或0.33，即B1和B2組。當(dāng)水膠比不變時(shí)，隨著石粉摻量的提高，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸下降。隨著齡期的增長，摻入摻合料的混凝土后期強(qiáng)度將有較大的增幅。在7d的齡期時(shí)，當(dāng)水膠比為0.25或0.33時(shí)的雙摻（20%石粉+10%棉纖維）的混凝土能達(dá)到C50混凝土的要求；在56d的齡期后，三組混凝土試塊都可以達(dá)到C60的強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

在混凝土中摻入纖維提高了混凝土的抗壓、抗彎強(qiáng)度以及減少混凝土的裂縫開展時(shí)間與微裂縫的產(chǎn)生。

（1）普通混凝土的極限抗壓強(qiáng)度為68.5MPa，而纖維混凝土的極限抗壓強(qiáng)度為71.3MPa，抗壓強(qiáng)度增長了4.09%。

（2）普通混凝土的極限劈裂抗拉強(qiáng)度為4.0Mpa，而纖維混凝土的極限劈裂抗拉強(qiáng)度為4.3MPa，其抗拉強(qiáng)度增長了7.5%。

（3）當(dāng)水膠比為0.25或0.33時(shí)的雙摻（20%石粉+10%棉纖維）的混凝土能達(dá)到C50混凝土的要求；在56d的齡期后，三組混凝土試塊都可以達(dá)到C60的強(qiáng)度要求。

（4）普通混凝土的極限抗折強(qiáng)度為5.8MPa，而纖維混凝土的極限抗折強(qiáng)度為6.5MPa，增長了12.07%。

（5）當(dāng)試件達(dá)到100%的受力荷載時(shí)，普通混凝土的應(yīng)變?yōu)?.47‰，纖維混凝土的應(yīng)變?yōu)?.36‰，應(yīng)變值降低了23.40%。

（6）從耐久性的角度考慮，在無須預(yù)應(yīng)力張拉或施工階段無較大荷載部位，建議以56d強(qiáng)度驗(yàn)收，并可根據(jù)實(shí)際情況減小膠凝材料用量，提高其耐久性。