鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)

梁雄雄，亢晉軍，陳晶，耿連恒，尤志國(guó)

(華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院 河北 唐山 063210)

引言

輕骨料混凝土可以降低混凝土的質(zhì)量，并且具有保溫和耐火的特點(diǎn)，粉煤灰陶粒具有輕質(zhì)、成本低、原材料豐富等特點(diǎn)，目前很多城市在建筑工程中采用陶粒替代粗骨料。鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土可以改善普通混凝土的脆性、抗裂性能和抗彎性能等[1]。李季[2]等學(xué)者研究了鍍銅鋼纖維高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：鍍銅鋼纖維有效地改善了混凝土的脆性破壞特征。探究了鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土的力學(xué)性能，研究不同輕骨料替代率和多尺度纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響。

1試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

采用唐山冀東牌P.O42.5型普通硅酸鹽水泥；碎石直徑5～10 mm；中砂、細(xì)度模數(shù)為2.76；上海某公司生產(chǎn)的聚羧酸牌高性能減水劑，減水率為20%；粉煤灰陶粒，其成分及性能見(jiàn)表1、表2所示；Ⅱ級(jí)粉煤灰；硅灰；自來(lái)水；鍍銅鋼纖維，見(jiàn)圖1所示，其性能參數(shù)見(jiàn)表3所示。

表1 粉煤灰陶粒化學(xué)成分/%

表2 粉煤灰陶粒物理性能

表3 鍍銅鋼纖維性能參數(shù)

圖1 鍍銅鋼纖維

1.2 配合比及試件設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)配合比中：鍍銅鋼纖維摻量為40 kg/m3，水膠比均是0.39，水泥、用水量、減水劑、砂、硅灰及粉煤灰之間材料用量比例保持不變，粉煤灰陶粒替代率(30%、50%、70%)和鍍銅鋼纖維長(zhǎng)度(6 mm、13 mm、17 mm)為變量。該試驗(yàn)材料配合比見(jiàn)表4所示，其中CSF為鍍銅鋼纖維混凝土，字母前面表示輕骨料替代率，后面表示纖維長(zhǎng)度。共設(shè)計(jì)12組抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試件，立方體試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，棱柱體試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。

表4 混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.3 粗骨料特性試驗(yàn)

以粗骨料特性試驗(yàn)分析陶粒替代石子后粒徑分布是否合理作為依據(jù)，以50%替代率為例，具體試驗(yàn)步驟如下：首先取1.5 kg碎石，將粉煤灰陶粒替代50%碎石的混合骨料放入烘箱內(nèi)烘至恒溫；取篩孔為16 mm、10 mm、5.0 mm、2.5 mm的套篩，進(jìn)行篩分，篩分12 min；然后取出套篩，進(jìn)行手工篩分，篩出量為小于總質(zhì)量的0.1%；最后量取每個(gè)套篩的剩余質(zhì)量，并根據(jù)公式計(jì)算出骨料的級(jí)配見(jiàn)表5所示，從累計(jì)篩余量可以看出，2種骨料混合之后達(dá)到了5～16 mm的連續(xù)級(jí)配，級(jí)配效果好于單一骨料，可以在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)易形成骨架。

表5 替代率50%的篩分試驗(yàn)

2試驗(yàn)方法

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

立方體試件養(yǎng)護(hù)齡期28 d，試件從混凝土養(yǎng)護(hù)室取出，擦凈試件表面和上下承壓板面。試件承壓面垂直于成型時(shí)頂面，試驗(yàn)機(jī)下壓板中心對(duì)準(zhǔn)試件中心。使用2 000 kN壓力機(jī)加載，加載速率0.5～0.8 MPa/s。

2.2 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)棱柱體試件進(jìn)行三分點(diǎn)加載，試件承壓面為試件成型時(shí)的側(cè)面，加載速率為0.15±0.02 mm/min均勻加載。

3試驗(yàn)結(jié)果

立方體抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度實(shí)測(cè)結(jié)果是取3個(gè)試件的平均值，試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表6。

表6 各組試件力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，替代率為30%、50%、70%的6 mmCSF輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度與普通混凝土相比降低了12%、19%、24%，替代率為30%、50%、70%的13 mmCSF抗壓強(qiáng)度降低了24%、14%、5%，替代率為30%、50%、70%的17 mmCSF抗壓強(qiáng)度降低了11%、4%、15%。17 mmCSF替代率為50%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度最大，13 mmCSF替代率為30%，抗壓強(qiáng)度最小。

4試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 立方體抗壓強(qiáng)度

4.1.1輕骨料替代率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖2所示為抗壓強(qiáng)度—替代率影響曲線。

圖2 抗壓強(qiáng)度—替代率影響曲線

由圖2可知，隨著替代率增加，6 mmCSF輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，13 mmCSF的輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度呈先降低后增加的趨勢(shì)，當(dāng)替代率從30%變化到70%，抗壓強(qiáng)度提高了24.5%；17 mmCSF呈先下降后增加再降低趨勢(shì)，替代率為30%抗壓強(qiáng)度降低最小。在鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土中，陶粒強(qiáng)度低于石子，抗壓強(qiáng)度取決于水泥砂漿、輕骨料、部分石子、鋼纖維的性質(zhì)及其相互作用。

4.1.2不同尺度纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖3給出了抗壓強(qiáng)度隨著纖維長(zhǎng)度變化的影響曲線。

圖3 抗壓強(qiáng)度—纖維長(zhǎng)度影響曲線

由圖3可知：替代率為30%、50%時(shí)，隨著纖維長(zhǎng)度的增加，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先減少后增加趨勢(shì)，但替代率為70%時(shí)，抗壓強(qiáng)度先增加后降低。纖維長(zhǎng)度短(≤13 mm)和替代率低(≤50%)時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)降低現(xiàn)象。粉煤灰陶粒替代部分石子后，混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)下降，但對(duì)于混凝土自重和環(huán)保等方面的考慮，一定量的替代率是有優(yōu)勢(shì)的。因此，建議鍍銅鋼纖維長(zhǎng)度17 mm，輕骨料替代率為50%。

4.2 抗折強(qiáng)度

4.2.1輕骨料替代率對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

圖4給出了抗折強(qiáng)度隨著輕骨料替代率變化的影響曲線。

圖4 抗折強(qiáng)度—替代率影響曲線

結(jié)合表6可知，替代率30%的6 mmCSF輕骨料混凝土抗折強(qiáng)度與替代率50%、70%的6 mmCSF輕骨料混凝土抗折強(qiáng)度相比分別提高了0%、21%，替代率為30%的13 mmCSF輕骨料混凝土抗折強(qiáng)度與替代率為50%、70%的13 mmCSF輕骨料混凝土相比均降低了16%，替代率為30%的17 mmCSF輕骨料混凝土抗折強(qiáng)度與替代率為50%、70%的17 mmCSF輕骨料混凝土相比抗折強(qiáng)度分別提高了2%、2.5%。由圖4可知，6 mm和17 mmCSF混凝土隨著輕骨料替代率的增加抗折強(qiáng)度降低，但17 mmCSF混凝土降低幅度大于6 mm的CSF混凝土下降幅度，13 mmCSF輕骨料混凝土抗折強(qiáng)度隨著替代率的增加呈先下降后增加趨勢(shì)。隨著替代率的增加，各長(zhǎng)度曲線趨于一點(diǎn)，13 mm和17 mmCSF混凝土抗折強(qiáng)度在輕骨料替代率70%時(shí)幾乎相同，而6 mmCSF混凝土出現(xiàn)明顯下降，原因是鍍銅鋼纖維的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于混凝土，混凝土開(kāi)裂后短纖維容易被拔出。

4.2.2不同尺度纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

圖5為抗折強(qiáng)度隨著纖維長(zhǎng)度變化的影響曲線。

圖5 抗折強(qiáng)度—纖維長(zhǎng)度影響曲線

從圖5可以看出，輕骨料混凝土低于普通混凝土的抗折強(qiáng)度，輕骨料替代率為30%和50%時(shí)，6 mm和17 mm的纖維長(zhǎng)度對(duì)抗折強(qiáng)度影響明顯；替代率為30%時(shí)，長(zhǎng)度13 mm的纖維混凝土抗折強(qiáng)度先減小后增加，當(dāng)纖維從6 mm增至13 mm時(shí)，抗折強(qiáng)度降低了21%，而當(dāng)纖維從6 mm增至17 mm時(shí)，抗折強(qiáng)度增加了21%。長(zhǎng)尺度纖維與砂漿基體有較好的黏結(jié)，纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其抗折強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)提高。

5結(jié)論

(1)輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度均低于普通混凝土，6 mm的鍍銅鋼纖維隨著輕骨料替代率增加呈下降趨勢(shì)，在輕骨料混凝土中，17 mm鍍銅鋼纖維輕骨料替代率50%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最佳。

(2)對(duì)于抗折強(qiáng)度，長(zhǎng)纖維因纖維與水泥砂漿基體黏結(jié)性好且混凝土開(kāi)裂后長(zhǎng)纖維能跨越更寬裂縫提供拉力，17 mm鍍銅鋼纖維輕骨料替代率為30%時(shí)，其抗折強(qiáng)度最為理想。