塑鋼纖維磷渣混凝土彎曲性能研究

楊 壯，鄧建華，昝彩平，杜 凱，代旭東

(貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴陽 550025)

0 引 言

混凝土是土木工程領(lǐng)域中主要的建筑材料，但因脆性大、抗拉強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，其應(yīng)用范圍受到限制[1]。國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)在混凝土摻入纖維形成的纖維混凝土(fiber reinforced concrete, FRC)可以有效解決這個(gè)問題，并且可以改善混凝土的力學(xué)性能和變形性能[2-6]。當(dāng)前，F(xiàn)RC已被廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、隧道、道路、水利等工程領(lǐng)域中。

近年來，諸多學(xué)者對(duì)FRC的力學(xué)性能述及甚廣，并取得一定成果。劉乃東等[7]發(fā)現(xiàn)玻璃纖維可以增強(qiáng)FRC的韌性，且FRC的抗彎強(qiáng)度與玻璃纖維的摻量呈正相關(guān)；蘇捷等[8]發(fā)現(xiàn)隨著鋼纖維摻量的增加，鋼纖維再生混凝土的抗彎強(qiáng)度先增加后減小，當(dāng)纖維體積摻量為0.5%時(shí)，鋼纖維再生混凝土的抗彎強(qiáng)度可提高18.5%；金軼凡等[9]通過試驗(yàn)證明玄武巖纖維不僅可以提升FRC的起裂韌度，還可以提高FRC的斷裂韌度；白建文等[10]發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維可以提高FRC的彎曲疲勞壽命和抗彎疲勞性能；傅強(qiáng)等[11]從應(yīng)變能的角度研究了玄武巖纖維、聚丙烯纖維以及二者混雜對(duì)FRC耗散能的影響，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維和聚丙烯纖維可以增大FRC的耗散能，提高FRC的延性和韌性，二者混雜時(shí)，增韌效果更為顯著。

與上述摻入的纖維材料相比，塑鋼纖維不僅有鋼纖維的性能，還具備合成軟纖維的優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格低廉，具有廣闊的應(yīng)用前景[12]。薛剛等[13]發(fā)現(xiàn)塑鋼纖維使橡膠混凝土的抗裂性更加優(yōu)越；李云云等[14]發(fā)現(xiàn)塑鋼纖維可提高輕骨料混凝土的殘余應(yīng)力，且殘余應(yīng)力與塑鋼纖維摻量成正比；牛建剛等[15]發(fā)現(xiàn)塑鋼纖維不僅可以顯著提高輕骨料混凝土梁的開裂彎矩，還可以提高其撓度延性系數(shù)，且隨著纖維摻量的增加而增大，撓度延性系數(shù)最大提高92.23%。

綜上所述，學(xué)者研究的FRC種類豐富多樣，但不同F(xiàn)RC的力學(xué)性能隨纖維變化有所差異，且以磷渣混凝土為基材的FRC的研究甚少，而在磷渣混凝土中摻入纖維可以改善其力學(xué)性能并加大其使用范圍，提高磷渣的資源化利用，故開展塑鋼纖維磷渣混凝土彎曲性能的研究仍有必要。本文將不同長度和摻量的塑鋼纖維摻入磷渣混凝土中，通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究不同塑鋼纖維長度和摻量對(duì)磷渣混凝土彎曲性能的影響規(guī)律，為塑鋼纖維磷渣混凝土的應(yīng)用提供工程依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·C 42.5復(fù)合硅酸鹽水泥，其相關(guān)性能指標(biāo)如表1所示；磷渣：施秉縣某磷化有限公司生產(chǎn)黃磷時(shí)產(chǎn)生的廢料，主要成分為硅酸鈣，含有微量磷酸鹽和水分，細(xì)度模數(shù)為4.8；集料：粗集料采用5～25 mm連續(xù)集配碎石，細(xì)集料采用0～5 mm機(jī)制砂，Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.7；減水劑：聚羧酸系高性能減水劑，減水率30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；塑鋼纖維：山東魯纖建材科技有限公司生產(chǎn)的聚丙烯塑鋼纖維，其相關(guān)性能指標(biāo)如表2所示；水：實(shí)驗(yàn)室潔凈自來水。

表1 水泥性能指標(biāo)Table 1 Property indexes of cement

表2 塑鋼纖維性能指標(biāo)Table 2 Property indexes of plastic steel fiber

1.2 試件制備與測試方法

以不摻塑鋼纖維的磷渣混凝土(SG-0)為基準(zhǔn)，在基準(zhǔn)配合比下，分別摻入直徑為0.8 mm，長度為30 mm、40 mm、55 mm的塑鋼纖維，各個(gè)長度的塑鋼纖維摻量分別為3 kg/m3、6 kg/m3、9 kg/m3，各組配合比如表3所示。

表3 試驗(yàn)配合比Table 3 Mix proportion of experiment

續(xù)表

抗彎強(qiáng)度：參照《普通混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)，將新拌的塑鋼纖維磷渣混凝土倒入模具中，按照要求靜置1～2 d后，編號(hào)標(biāo)記，拆模。28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后取出試件，在巖石與混凝土力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)(RMT-301)上進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，測試28 d抗彎強(qiáng)度。

彎曲韌性：根據(jù)試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，參照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS13—2009)對(duì)塑鋼纖維磷渣混凝土的彎曲韌性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

圖1 纖維摻量對(duì)磷渣混凝土坍落度的影響Fig.1 Effect of fiber content on slump of phosphorus slag concrete

2.1 塑鋼纖維對(duì)磷渣混凝土坍落度的影響

根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)測得塑鋼纖維磷渣混凝土的坍落度，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，磷渣混凝土中摻入塑鋼纖維可降低其坍落度，使得混凝土流動(dòng)性降低，影響其工作性。纖維長度相同的情況下，隨著纖維摻量的增加，磷渣混凝土的坍落度大致呈線性降低。主要是因?yàn)閵A雜在磷渣混凝土中的纖維起到支撐作用，集料流動(dòng)受阻，且塑鋼纖維表面粗糙，比表面積隨著纖維摻量增加而增大，部分水分附著在纖維表面，致使混凝土水膠比降低[16]，流動(dòng)性下降，工作性降低。

2.2 塑鋼纖維磷渣混凝土四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

圖2和圖3分別為磷渣混凝土和塑鋼纖維磷渣混凝土的四點(diǎn)彎曲破壞過程。由圖2可知，磷渣混凝土試件在未摻入塑鋼纖維時(shí)，當(dāng)荷載達(dá)到抗彎峰值荷載，試件底部出現(xiàn)裂縫并迅速向上擴(kuò)展破壞，裂縫寬度小，裂縫在高度上未貫穿，試件整體出現(xiàn)微小的變形，試驗(yàn)前后的變形差異小。由圖3可知，磷渣混凝土中摻入塑鋼纖維后，隨著荷載增加至抗彎峰值荷載時(shí)，試件底部先開裂并出現(xiàn)裂縫，隨后裂縫向試件頂部擴(kuò)展。磷渣混凝土開裂后，塑鋼纖維起到主要承載作用，此時(shí)底部裂縫開口逐漸增大并產(chǎn)生次裂縫，主裂縫進(jìn)一步延伸至頂部，試件撓度逐漸增大，最終試件被破壞。摻入塑鋼纖維的試件裂縫寬度大，裂縫在高度上貫穿試件，整體出現(xiàn)明顯下?lián)?，破壞時(shí)間較長。

在四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，將巖石與混凝土力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)(RMT-301)測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后，得到不同塑鋼纖維摻量和長度下的磷渣混凝土荷載-撓度曲線，如圖4所示。

由圖4可知，不摻塑鋼纖維磷渣混凝土試件在達(dá)到峰值荷載后迅速破壞，峰值荷載后的曲線段直線下降，變形能力差。而在摻入纖維后，曲線下降段的下降速率變緩，變形能力增強(qiáng)。且隨纖維摻量和長度增加，試件的峰值荷載不斷增加，曲線下的面積也不斷增加，峰值荷載后的曲線下降段變平緩，逐漸出現(xiàn)極值點(diǎn)，在極值點(diǎn)后曲線又平緩下降，且走勢基本相同。說明在摻入纖維后，磷渣混凝土試件由脆性破壞轉(zhuǎn)換為塑性破壞，且隨纖維摻量和長度增加，塑性和變形能力不斷增加。

圖2 磷渣混凝土的四點(diǎn)彎曲破壞過程Fig.2 Four-point bending failure process of phosphorus slag concrete

圖3 塑鋼纖維磷渣混凝土的四點(diǎn)彎曲破壞過程Fig.3 Four-point bending failure process of plastic steel fiber phosphorus slag concrete

圖4 荷載-撓度曲線Fig.4 Load-span deflection curves

2.3 塑鋼纖維對(duì)磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度的影響

抗彎強(qiáng)度可以用來間接衡量纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度[13]。結(jié)合四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用公式(1)計(jì)算得到塑鋼纖維磷渣混凝土的抗彎強(qiáng)度，結(jié)果如表4所示。

(1)

式中：fcr為試件的抗彎強(qiáng)度，MPa；Fmax為試件的破壞荷載，N；L為支座間的跨度，mm；h、b分別為試件的截面高度和截面寬度，mm。

2.3.1 塑鋼纖維長度對(duì)磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度的影響

通過表4，可繪制出纖維長度對(duì)磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度的影響規(guī)律圖，如圖5所示。

表4 各組抗彎強(qiáng)度Table 4 Bending strength of each group

圖5 纖維長度對(duì)磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of fiber length on bending strength of phosphorus slag concrete

由圖5可知，不同長度塑鋼纖維可以顯著提高磷渣混凝土的抗彎強(qiáng)度，主要是因?yàn)樵谒狞c(diǎn)彎曲過程中，磷渣混凝土底面為受拉區(qū)，受拉區(qū)的磷渣混凝土達(dá)到受拉極限后出現(xiàn)裂縫，裂縫逐漸向受壓區(qū)擴(kuò)展延伸，塑鋼纖維在磷渣混凝土中充當(dāng)微筋[17]，能有效抑制和延緩磷渣混凝土裂縫的擴(kuò)展，從而提高了磷渣混凝土的延性。當(dāng)纖維長度為55 mm時(shí)，磷渣混凝土的抗彎強(qiáng)度最佳，比基準(zhǔn)組提高約56%。

磷渣混凝土達(dá)到抗拉極限后，裂縫處荷載由纖維與混凝土之間的黏結(jié)力和纖維的抗拉力共同承擔(dān)。塑鋼纖維摻量為9 kg/m3時(shí)不同纖維長度的試件斷面如圖6所示。隨著纖維長度的增加，纖維與混凝土之間的黏結(jié)長度增加，黏結(jié)力增強(qiáng)，纖維破壞為拔出破壞和受拉破壞。短纖維的黏結(jié)長度短，黏結(jié)力小，纖維破壞主要為拔出破壞，如圖6(a)所示；較長纖維的黏結(jié)長度相對(duì)于短纖維黏結(jié)長度長，纖維拔出破壞和受拉破壞的數(shù)量相當(dāng)，隨著荷載增加，部分纖維被拔出，剩余部分纖維通過自身變形抵抗外力，直到纖維被拉斷，如圖6(b)所示；長纖維黏結(jié)長度長，黏結(jié)力大，纖維不易被拔出，纖維破壞主要為受拉破壞，如圖6(c)所示。

圖6 塑鋼纖維摻量為9 kg/m3時(shí)不同纖維長度的試件斷面Fig.6 Section views of specimens with different fiber lengths when the content of plastic steel fiber is 9 kg/m3

2.3.2 塑鋼纖維摻量對(duì)磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度的影響

通過表4，可繪制出纖維摻量對(duì)磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度的影響規(guī)律圖，如圖7所示。

圖7 纖維摻量對(duì)磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度的影響Fig.7 Effect of fiber content on bending strength of phosphorus slag concrete

由圖7可知，隨著塑鋼纖維摻量增加，磷渣混凝土的抗彎強(qiáng)度有所提高，但在不同纖維長度下，磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度隨纖維摻量增加的規(guī)律有所不同。纖維長度為30 mm和40 mm時(shí)，磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度隨摻量的增加大致呈線性增加，此時(shí)纖維長度較短，隨著纖維摻量的增加，水泥漿液可以充分包裹纖維，纖維可以有效地發(fā)揮其增強(qiáng)作用；纖維長度為55 mm時(shí)，隨著纖維摻量的增加，磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度先急劇增加后保持不變，纖維摻量為3 kg/m3和9 kg/m3時(shí)，抗彎強(qiáng)度比基準(zhǔn)組提高了56%，纖維摻量為6 kg/m3時(shí)比基準(zhǔn)組提高了57%，此時(shí)部分纖維交錯(cuò)成團(tuán)，水泥漿液無法充分包裹纖維，內(nèi)部形成缺陷，受到荷載時(shí)提供的抗力不大，對(duì)磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度增強(qiáng)作用不大。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和拌和工藝要求，當(dāng)塑鋼纖維長度為55 mm，摻量為3 kg/m3時(shí)，對(duì)磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度的增強(qiáng)作用最佳，比基準(zhǔn)組提高了56%。

2.4 塑鋼纖維對(duì)磷渣混凝土彎曲韌性指數(shù)的影響

彎曲韌性是混凝土材料強(qiáng)度與變形的綜合概括[18]。在圖4荷載-撓度曲線基礎(chǔ)上，采用公式(2)～(4)計(jì)算得到彎曲韌性指數(shù)(I5、I10、I20)，所得結(jié)果如表5所示。

(2)

(3)

(4)

式中：Ωδ、Ω3δ、Ω5.5δ、Ω10.5δ分別是在荷載-撓度曲線上從0到1.0、3.0、5.5、10.5倍初裂撓度區(qū)間上曲線所圍成的面積，N·mm；I5、I10、I20為彎曲韌性指數(shù)。

表5 塑鋼纖維磷渣混凝土抗彎韌性試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Bending toughness test results of plastic steel fiber phosphorous slag concrete

2.4.1 塑鋼纖維長度對(duì)磷渣混凝土彎曲韌性指數(shù)的影響

根據(jù)表5中數(shù)據(jù)，繪制出塑鋼纖維長度對(duì)磷渣混凝土彎曲韌性指數(shù)的影響曲線，如圖8所示。

由圖8可知，隨著纖維長度的增加，纖維摻量為3 kg/m3時(shí)的彎曲韌性指數(shù)呈線性增加，纖維摻量為6 kg/m3、9 kg/m3時(shí)的彎曲韌性指數(shù)呈二次拋物線增加，增長的速率逐漸增大。在纖維摻量為9 kg/m3，長度為55 mm時(shí)，與基準(zhǔn)組相比，I5提高了2.0倍，I10提高了5.2倍，I20提高了9.8倍。隨著纖維長度的增加，試件在受到外界荷載出現(xiàn)裂縫后，所需克服的能量越大。這說明塑鋼纖維長度的增加可以有效提高磷渣混凝土的彎曲韌性指數(shù)，提高其彎曲韌性。

圖8 纖維長度對(duì)磷渣混凝土彎曲韌性指數(shù)的影響Fig.8 Effect of fiber length on bending toughness index of phosphorus slag concrete

2.4.2 塑鋼纖維摻量對(duì)磷渣混凝土彎曲韌性指數(shù)的影響

根據(jù)表5中數(shù)據(jù)，繪制出塑鋼纖維摻量對(duì)磷渣混凝土彎曲韌性指數(shù)的影響曲線，如圖9所示。

圖9 纖維摻量對(duì)磷渣混凝土彎曲韌性指數(shù)的影響Fig.9 Effect of fiber content on bending toughness index of phosphorus slag concrete

由圖9可知，隨著纖維摻量的增加，彎曲韌性指數(shù)I5、I10、I20變化規(guī)律相似，都呈線性增加，彎曲韌性指數(shù)I20的增長速率大于I5和I10。這說明塑鋼纖維摻量可以改善磷渣混凝土的彎曲韌性，在纖維摻量為9 kg/m3時(shí)，對(duì)磷渣混凝土的彎曲韌性改善效果最優(yōu)。

3 結(jié) 論

(1)磷渣混凝土中摻入塑鋼纖維降低了其坍落度和工作性，且坍落度與纖維摻量呈負(fù)相關(guān)。

(2)塑鋼纖維可以顯著提高磷渣混凝土的抗彎強(qiáng)度，結(jié)合纖維長度和纖維摻量對(duì)磷渣抗彎強(qiáng)度的影響，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和拌和工藝要求后，當(dāng)塑鋼纖維長度為55 mm，摻量為3 kg/m3時(shí)，對(duì)磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度的增強(qiáng)作用最佳，以不摻塑鋼纖維的磷渣混凝土為基準(zhǔn)，比基準(zhǔn)組提高了56%。

(3)塑鋼纖維顯著改善了磷渣混凝土的彎曲韌性，彎曲韌性指數(shù)隨纖維長度和摻量的增加不斷增長，彎曲韌性不斷提高。當(dāng)塑鋼纖維長度為55 mm，摻量為9 kg/m3時(shí)，與基準(zhǔn)組相比，I5提高了2.0倍，I10提高了5.2倍，I20提高了9.8倍。