礦渣粉對鋼纖維自密實混凝土性能的影響

趙 云，畢繼紅，2，*，王照耀，霍琳穎，段逸辰

（1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院 天津 300072；2.天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室 天津 300072）

與普通混凝土相比，自密實混凝土（SCC）的制備要消耗更多的粉體材料.為了滿足混凝土的自密實要求，通常需要使用500～600 kg/m3的粉體材料［1］.若只將水泥作為粉體材料，勢必會有大量的CO2釋放到大氣中，加速溫室效應(yīng)，而使用礦物摻和料部分替代水泥［2-5］，可有效減少溫室氣體的排放，因此在SCC中添加礦物摻和料已成為當(dāng)前混凝土領(lǐng)域的研究熱點之一.

SCC與普通混凝土相似，具有抗拉強(qiáng)度低的缺點，而纖維能顯著限制混凝土微裂縫的形成與發(fā)展［6-11］，因此，研究人員嘗試采用不同類型的纖維來提高SCC的力學(xué)性能.吳濤等［10］研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維與聚丙烯纖維的協(xié)同效應(yīng)能有效提高自密實輕骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度.Mastali等［11］研究發(fā)現(xiàn)添加體積分?jǐn)?shù)0.75%的再生鋼纖維能顯著提高SCC的力學(xué)性能，但也會明顯降低SCC的工作性能.

目前，關(guān)于同時將礦物摻和料及纖維納入影響因素的研究仍舊較少.因此，本文以礦渣粉摻量和鋼纖維體積分?jǐn)?shù)作為變量，通過開展工作性能、力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)分析等試驗，研究礦渣粉對鋼纖維自密實混凝土（SFRSCC）性能的影響，從而為含有礦物摻和料SFRSCC的研究和實際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考.

1 試驗

1.1 原材料

水泥（C）為大同冀東水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，表觀密度為3 150 kg/m3；粉煤灰（FA）為張家口電廠生產(chǎn)的二級粉煤灰（FA），表觀密度為2 300 kg/m3；礦渣粉（SL）為張家口燎原水泥有限公司提供的磨碎粒狀高爐礦渣粉，比表面積為4 300 cm2/g，活性指數(shù)為106；細(xì)骨料（FAG）為粒徑小于2.35 mm的普通水洗河砂，細(xì)度模數(shù)為2.58，表觀密度為2 612 g/cm3，含水率1）文中涉及的含水率、摻量、水膠比等除特殊說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.為1.0%；粗骨料（CAG）為粒徑4.75～10 mm的連續(xù)級配礫石，表觀密度為2 609 g/cm3，含水率為0.3%；鋼纖維（SF）為河北玉田縣致泰鋼纖維制造有限公司提供的端鉤型鋼纖維，長度為35 mm，直徑為0.75 mm，橫截面為圓形；外加劑（SP）為張家口海峰新型建材有限公司提供的高效聚羧酸減水劑，減水率為30%，在使用前對減水劑進(jìn)行稀釋；拌和水（W）為普通自來水.

1.2 配合比設(shè)計

為了體現(xiàn)礦渣粉對SCC性能的影響和防止SCC發(fā)生離析［3］，選 取 膠 凝材料總質(zhì)量的10%和30%這2種常用的礦渣粉摻量wSL.鋼纖維的體積分?jǐn)?shù)φSF為0.3%、0.6%和0.9%，水膠比固定 為0.37，mW∶mFAG∶mCAG＝198∶783∶784，SFRSCC的配合比見表1.試件編號F0.9S10是指鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.9%、礦渣粉摻量為10%的SFRSCC，其他類推；F0S0為對照組.SFRSCC的拌制流程見圖1，其中0.5W為W用量的50%，其他類推.

圖1 SFRSCC的拌制流程Fig.1 Mix procedure of SFRSCC

表1 SFRSCC的配合比Table 1 Mix proportions of SFRSCC

1.3 試驗方法

1.3.1 工作性能測試

根據(jù)JGJ/T 283－2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，分別用Abram型坍落度桶、V型漏斗和L型箱測試SFRSCC的工作性能.在測試過程中，記錄SFRSCC停止流動時的坍落擴(kuò)展度D，用于表征SFRSCC的流動性；記錄SFRSCC擴(kuò)展度達(dá)到500 mm時所需的坍落流動時間T500和全部穿過V型漏斗的流動時間Tv，用于表征SFRSCC的黏聚性；測量并計算L型箱的兩末端混凝土的高度比H2/H1，用于表征SFRSCC混合物的間隙穿過能力.

1.3.2 力學(xué)性能測試

根據(jù)GB/T 50081－2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，分別用100 mm×100 mm×100 mm、150 mm×150 mm×150 mm和100 mm×100 mm×400 mm的試件測試混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度.

1.3.3 微觀結(jié)構(gòu)測試

取28 d齡期F0.9S0和F0.9S30試件抗折斷裂區(qū)域部位露出的纖維，對纖維進(jìn)行相應(yīng)的處理，并將其制成測試試樣.采用配備EDS的JSM-7800型發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）對纖維和附著在纖維上的混凝土基體進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)測試.

2 結(jié)果與討論

2.1 工作性能

2.1.1 坍落擴(kuò)展度

SFRSCC的坍落擴(kuò)展度見圖2.由圖2可見：SFRSCC的坍落擴(kuò)展度為652～760 mm；當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)不變時，SFRSCC的坍落擴(kuò)展度隨著礦渣粉摻量的增加呈先增大后減小的趨勢；盡管F0S10中的減水劑用量略小于F0S0，但其擴(kuò)展度仍大于F0S0，這主要是由于采用適量礦渣粉替代水泥能顯著提高SCC的流動性；當(dāng)?shù)V渣粉摻量從10%增加到30%時，SFRSCC的擴(kuò)展度驟減，引起這一變化的主要原因是F0S30的減水劑用量小于F0S0和F0S10，而降低F0S30中減水劑用量的主要目的是防止其發(fā)生泌水和離析；SFRSCC的擴(kuò)展度隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而顯著減小，這是由于纖維的加入會導(dǎo)致混凝土黏度顯著增加；在SCC中添加礦渣粉能減弱由鋼纖維導(dǎo)致的擴(kuò)展度下降幅度，其原因可能是礦渣粉替代水泥會增加漿體的體積，增加SCC的流動能力.

圖2 SFRSCC的坍落擴(kuò)展度Fig.2 Slump flow diameter of SFRSCC

2.1.2 流動時間

SFRSCC的坍落流動時間和V型漏斗流動時間見圖3.由圖3可見：SFRSCC的坍落流動時間T500和V型漏斗流動時間Tv分別為3.0～6.5、7.3～17.4 s；與坍落擴(kuò)展度的變化規(guī)律相反，當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)保持恒定時，T500和Tv均呈先減小后增大的趨勢；T500和Tv均隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，這是因為流動時間與混凝土的黏度有關(guān)，而鋼纖維的摻入導(dǎo)致混凝土黏度顯著上升；對F0.9S30，同時摻入30%的礦渣粉和體積分?jǐn)?shù)0.9%的鋼纖維，其T500和Tv增幅最大，與對照組相比，其T500、Tv分別增加了約97%、98%.

圖3 SFRSCC的坍落流動時間和V型漏斗流動時間Fig.3 T500 and Tv of SFRSCC

2.1.3 高度比H2/H1

SFRSCC的L型箱兩末端混凝土的高度比（H2/H1）見圖4.由圖4可見：SFRSCC的H2/H1為0.50～0.94，只有一部分SFRSCC的H2/H1在EFNARC《Specification and guidelines for self-compacting concrete》建議的范圍內(nèi)（0.8～1.0）；當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)保持不變時，隨著礦渣粉摻量從0%增加到10%，H2/H1略有增加，這表明使用少量礦渣粉替代水泥有助于提高SCC的間隙通過能力，當(dāng)?shù)V渣粉摻量從10%增加到30%，H2/H1降低，SCC的間隙通過能力降低，其原因可能是較高的礦渣粉摻量會導(dǎo)致SFRSCC的黏度升高；鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加同樣會導(dǎo)致H2/H1降低，這是因為SFRSCC的黏度以及纖維互相搭接的可能性隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增加.

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

SFRSCC的抗壓強(qiáng)度見圖5.由圖5可見：SFRSCC的7、28 d抗 壓 強(qiáng) 度 分 別 為35.0～46.6、48.4～63.5 MPa；F0.9S0的7 d抗 壓 強(qiáng) 度 最 高，比F0S0高12.0%；F0.9S30的28 d抗壓強(qiáng)度最高，比F0S0高31.2%；當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)不變時，隨著礦渣粉的摻量從0%增加到30%，SFRSCC的7 d抗壓強(qiáng)度降低，28 d的抗壓強(qiáng)度增大.抗壓強(qiáng)度的提高可歸結(jié)于2個主要因素：（1）礦渣粉的比表面積較大，它與水泥水化過程中產(chǎn)生的Ca（OH）2反應(yīng)，生成更多的水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠，降低了混凝土基體的孔隙率，并增強(qiáng)了漿體與骨料之間的黏結(jié)，從而增加SCC的抗壓強(qiáng)度；（2）礦渣粉中的SiO2含量高于水泥，這也會提高SCC的抗壓強(qiáng)度.Nazari等［12］指出適量的納米SiO2可以改善SCC的力學(xué)性能（包括抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度）.

圖5 SFRSCC的抗壓強(qiáng)度Fig.5 Compressive strength of SFRSCC

由圖5還可見：在SCC中添加端鉤鋼纖維可增加其7、28 d抗壓強(qiáng)度；SFRSCC的抗壓強(qiáng)度隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而增大，這主要是因為混凝土開裂過程中，鋼纖維能夠通過改變裂縫擴(kuò)展方向的方式有效緩解裂縫頂端的應(yīng)力集中程度，從而阻止裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，且鋼纖維可通過與混凝土基體之間的界面黏結(jié)力共同承擔(dān)施加的荷載，端鉤鋼纖維的彎鉤更加提高了兩者之間的黏結(jié)力；F0.9S30的28 d抗壓強(qiáng)度比F0S30提高了約21.9%，而F0.9S0的28 d抗壓強(qiáng)度比F0S0提高了約15.5%，表明礦渣粉能夠增強(qiáng)鋼纖維與混凝土之間的界面黏結(jié)性能.

2.2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度

SFRSCC的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度見圖6.由圖6可見：SFRSCC的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為4.2～6.4、3.3～7.8 MPa；與纖維體積分?jǐn)?shù)和礦渣粉摻量對SCC抗壓強(qiáng)度的影響類似，用礦渣粉替代水泥和添加端鉤鋼纖維都會增大SFRSCC的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，這是因為在混凝土開始出現(xiàn)微裂縫時，跨裂縫的鋼纖維會與混凝土基體共同承擔(dān)拉力，鋼纖維的摻入能有效提升SCC的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度；纖維體積分?jǐn)?shù)的增加使穿過裂縫的纖維數(shù)量增加，從而進(jìn)一步提升了SCC的強(qiáng)度；將礦渣粉添加到摻有鋼纖維的SCC混合物中，礦渣粉能增強(qiáng)骨料與凈漿、纖維與基體界面的黏結(jié)性能，從而提高其劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度；同時摻入30%的礦渣粉和體積分?jǐn)?shù)0.9%的鋼纖維的F0.9S30表現(xiàn)出最高的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，比對照組F0S0分別提高了約52.4%、136.4%，這也說明了鋼纖維對SCC劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的提升作用明顯強(qiáng)于其對抗壓強(qiáng)度.從劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的結(jié)果來看，礦渣粉與纖維的協(xié)同作用在抗折試驗中體現(xiàn)得更為明顯.

圖6 SFRSCC的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度Fig.6 Splitting tensile strength and flexural strength of SFRSCC at 28 d

2.3 SEM微觀分析

28 d齡期時，鋼纖維從F0.9S0和F0.9S30試件中拔出后的SEM照片見圖7.由圖7可見：從混凝土基體拔出后，鋼纖維表面都附著了大量的水化物，表明鋼纖維與基體之間具有良好的黏結(jié)性能；鋼纖維表面存在許多拔出過程中與基體骨料摩擦而產(chǎn)生的劃痕，這可能也增強(qiáng)了纖維與基體之間的黏結(jié)性能［13］，從而提高了鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度.

圖7 鋼纖維從F0.9S0和F0.9S30試件中拔出后的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM images of steel fiber pulled out from F0.9S0 and F0.9S30 specimens

F0.9S0和F0.9S30中附著在鋼纖維表面基體的SEM照片和EDS分析見圖8、9，其中圖8（c）、圖9（c）分別為圖8（b）、9（b）中“+”處的EDS分析.由圖8、9可見：附著在鋼纖維表面的物質(zhì)主要為漿體和C-S-H凝膠，其中C-S-H凝膠以顆粒和團(tuán)簇狀出現(xiàn)；低倍率下，F(xiàn)0.9S0和F0.9S30形成的基體的微觀結(jié)構(gòu)均比較致密，且均存在交錯相間的微小裂縫（源自抗折試件破壞過程中纖維與基體之間的相互作用），兩者并無明顯區(qū)別；高倍率下，F(xiàn)0.9S30裂縫區(qū)域中C-S-H凝膠分布更均勻，顆粒狀的凝膠基本沿裂縫附近密集分布，而F0S0裂縫區(qū)域只有很少的C-S-H凝膠，說明適量礦渣粉的加入有利于生成更多更均勻的C-S-H凝膠，這可能是F0.9S30的力學(xué)性能優(yōu)于F0.9S0的重要原因；鋼纖維表面基體含有O、Al、Si和Ca，這幾種元素是賦予混凝土基體強(qiáng)度的主要貢獻(xiàn)者；F0.9S0中鋁硅比和鈣硅比（鋁硅比和鈣硅比均為原子比）分別為0.84、2.30（見圖8（c））；F0.9S30中 鋁 硅 比 和 鈣 硅 比 分 別 降 低 到0.45、1.45（圖9（c）），其鈣硅比相對較低，這可能與礦渣粉中CaO含量較低有關(guān)，但F0.9S30表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度.Dadsetan等［14］也得到了相似的結(jié)論，他們發(fā)現(xiàn)具有較低鈣硅比的基體具有更高的抗壓強(qiáng)度；Duan等［15］研究發(fā)現(xiàn)較低的鋁硅比有助于增大基體的抗壓強(qiáng)度.

圖8 F0.9S0中附著在鋼纖維表面基體的SEM照片和EDS分析Fig.8 SEM images and EDS analysis of matrix attached to the surface of steel fiber in F0.9S0

圖9 F0.9S30中附著在鋼纖維表面基體的SEM照片和EDS分析Fig.9 SEM images and EDS analysis of matrix attached to the surface of steel fiber in F0.9S30

3 結(jié)論

（1）采用10%摻量的礦渣粉替代水泥可以有效提高自密實混凝土（SCC）的工作性能，增加鋼纖維體積分?jǐn)?shù)會顯著降低SCC的工作性能.

（2）采用礦渣粉替代水泥和添加端鉤鋼纖維能有效提升SCC的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度.與對照組（未添加礦渣粉和鋼纖維）相比，礦渣粉摻量為30%、鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.9%的鋼纖維自密實混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別提高了31.2%、52.4%和136.4%.

（3）鋼纖維表面附著的水化物有助于提升纖維與基體之間的黏結(jié)性能；適量礦渣粉替代水泥能夠生成更多的水化硅酸鈣凝膠，形成更致密的微觀結(jié)構(gòu)，從而提升鋼纖維自密實混凝土的力學(xué)性能.此外，具有較低的鋁硅比和鈣硅比的SCC表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度.