鋼纖維活性粉末混凝土基本力學(xué)特性研究

蔣春鋼，萬(wàn)華柱，原國(guó)智，覃 權(quán)

(廣西西江集團(tuán)紅花二線(xiàn)船閘有限公司，廣西 南寧 545000)

0 引言

活性粉末混凝土作為近年來(lái)新興的建筑材料，因其高強(qiáng)度和高耐久性，在工程領(lǐng)域得到了高度重視，其應(yīng)用也越來(lái)越普遍[1-3]。相比傳統(tǒng)混凝土，活性粉末混凝土通過(guò)采用細(xì)砂代替原有的粗骨料、硅灰替代部分水泥作為膠凝材料制備而成的特殊混凝土，因其細(xì)觀結(jié)構(gòu)十分密實(shí)，從而使得其力學(xué)性能和耐久性得到了顯著提升[4-6]。近年來(lái)，纖維作為摻合料越來(lái)越多地被應(yīng)用于混凝土工程，如玄武巖纖維、鋼纖維等，這些纖維的加入可以有效改善混凝土某方面的性能，如彈性模量、強(qiáng)度、抗凍性、抗變形能力等[7-9]。由于纖維改性混凝土具有諸多優(yōu)點(diǎn)，其在活性粉末混凝土中的應(yīng)用也越來(lái)越受到重視。已有學(xué)者開(kāi)展了玄武巖纖維、鋼纖維在活性粉末混凝土中的應(yīng)用研究，但是此方面的研究尚未成熟，還有許多問(wèn)題亟待解決，由于各種因素的影響，很多研究結(jié)果不一致，甚至出現(xiàn)相互矛盾的研究[10-12]。因此，有必要對(duì)纖維改性活性粉末混凝土開(kāi)展進(jìn)一步的研究，基于此，本文對(duì)鋼纖維活性粉末混凝土的力學(xué)性能開(kāi)展了試驗(yàn)研究，以期得到鋼纖維摻量對(duì)活性粉末混凝土性能的影響。

1 原材料及測(cè)試方法

1.1 試驗(yàn)材料

(1)水泥：P.Ⅱ42.5硅酸鹽水泥，性能指標(biāo)如下頁(yè)表1所示。

表1 水泥性能表

(2)硅灰：選擇當(dāng)?shù)禺a(chǎn)硅灰，性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 硅灰性能表

(3)石英砂：性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 石英砂性能表

(4)鋼纖維：采用細(xì)圓鍍銅鋼纖維，性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 鋼纖維性能表

(5)減水劑：采用聚羧酸高效減水劑，相關(guān)性能指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 聚羧酸減水劑性能表

(6)拌和水：普通飲用水，質(zhì)量符合規(guī)范要求。

1.2 試驗(yàn)配合比

參考國(guó)家規(guī)范《活性粉末混凝土》(GB/T 31387-2015)，以鋼纖維摻量為變量，鋼纖維摻量為0.5%～2.5%，具體配合比見(jiàn)表6。

表6 試驗(yàn)配合比表

1.3 試件制備及測(cè)試方法

混凝土拌和時(shí)首先將鋼纖維和石英砂加入到攪拌鍋中充分拌和約3 min，再加入其他膠凝材料充分拌和約3 min，然后分批次加入拌和水和減水劑攪拌約5 min。采用插搗成型的方式將拌和物裝入模具中，無(wú)須使用振動(dòng)臺(tái)。試件置于恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室24 h后拆模，然后采用蒸汽養(yǎng)護(hù)48 h，養(yǎng)護(hù)溫度為95 ℃。

試驗(yàn)制作40 mm×40 mm×160 mm的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試，制作70 mm×70 mm×210 mm試件用于彈性模量和比例極限測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

各組試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的變化如圖1所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的增加而不斷增加，當(dāng)鋼纖維摻量從0.5%增加到2.5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別提高9%、27%、42%、63%和87%，說(shuō)明鋼纖維的加入顯著提高了抗壓強(qiáng)度。鋼纖維對(duì)活性粉末混凝土抗壓強(qiáng)度的改善主要是因?yàn)殇摾w維在混凝土內(nèi)部起到環(huán)箍作用，增強(qiáng)了混凝土內(nèi)部材料之間的粘結(jié)，從而使得活性粉末混凝土的抗壓強(qiáng)度得以提升。同時(shí)也應(yīng)注意，高鋼纖維摻量會(huì)使得成本提高，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際工程要求選擇合理的鋼纖維摻量。

表7 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表(MPa)

圖1 抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的變化柱狀圖

2.2 抗折強(qiáng)度

各組試件的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，抗折強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的變化如圖2所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，抗折強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的增加而不斷增加，當(dāng)鋼纖維摻量從0.5%增加到2.5%時(shí)，抗折強(qiáng)度分別提高28%、64%、96%、139%和154%，鋼纖維的加入顯著提高了抗折強(qiáng)度，其對(duì)抗折強(qiáng)度的改善效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)抗壓強(qiáng)度的改善。2.0%和2.5%摻量時(shí)抗折強(qiáng)度提高1倍多，這主要是因?yàn)殇摾w維抗拉強(qiáng)度極高，在混凝土抗折中起到了橋接作用，大大改善了混凝土的抗折強(qiáng)度。

表8 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表(MPa)

圖2 抗折強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的變化柱狀圖

2.3 比例極限

比例極限是混凝土比例極限應(yīng)力與最大應(yīng)力的比值，用于表征混凝土彈性工作階段和彈塑性工作階段的過(guò)渡，比例極限越高，表明混凝土彈性性能越好。鋼纖維活性粉末混凝土比例極限試驗(yàn)結(jié)果如表9所示，比例極限隨鋼纖維摻量的變化如圖3所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，比例極限隨著鋼纖維摻量的增加而不斷增加，當(dāng)鋼纖維摻量從0.5%增加到2.5%時(shí)，比例極限分別提高4%、10%、13%、15%和16%，可以看出，鋼纖維的加入提高了混凝土的比例極限，表明鋼纖維的加入使混凝土的彈性工作階段增加，提升了其彈性性能。

表9 比例極限試驗(yàn)結(jié)果表

圖3 比例極限隨鋼纖維摻量的變化柱狀圖

2.4 彈性模量

彈性模量是混凝土在不同應(yīng)力條件下抵抗變形的能力，彈性模量越大表明混凝土在相同應(yīng)力水平下變形越小。本文以50%極限應(yīng)力對(duì)應(yīng)的割線(xiàn)模量作為鋼纖維活性粉末混凝土的彈性模量。鋼纖維活性粉末混凝土彈性模量試驗(yàn)結(jié)果如表10所示，彈性模量隨鋼纖維摻量的變化如后頁(yè)圖4所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，彈性模量隨著鋼纖維摻量的增加而不斷增加，但是增加趨勢(shì)逐漸變緩，當(dāng)鋼纖維摻量從0.5%增加到2.5%時(shí)，比例極限分別提高34%、49%、69%、83%和89%，表明鋼纖維的加入提高了混凝土的彈性模量，這主要是因?yàn)殇摾w維的加入使混凝土的抗壓強(qiáng)度得到了提高，進(jìn)而提高了其彈性模量。

表10 彈性模量試驗(yàn)結(jié)果表

圖4 彈性模量隨鋼纖維摻量的變化圖

3 結(jié)語(yǔ)

(1)鋼纖維活性粉末混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的增加而增加，2.5%摻量時(shí)強(qiáng)度提高達(dá)87%；抗折強(qiáng)度也隨著鋼纖維摻量的增加而提高，最大提高幅度為154%。鋼纖維對(duì)活性粉末混凝土強(qiáng)度性能的改善主要是因?yàn)殇摾w維在混凝土中起到了環(huán)箍和橋接作用。

(2)活性粉末混凝土的比例極限隨著鋼纖維摻量的增加而提高，但是提升幅度不大，最大約為16%。

(3)鋼纖維的加入可以有效提升活性粉末混凝土的彈性模量，使其在應(yīng)力作用下的變形更小。