鋼纖維長徑比對混凝土力學(xué)性能及抗凍性能的影響分析

葉 晟

(廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 崇左 532200)

0 引言

混凝土因具有造價低、適用性廣、施工簡便及耐久性好等優(yōu)點，已在我國建筑、路橋等工程得到廣泛應(yīng)用[1-2]。但隨著工程技術(shù)和結(jié)構(gòu)的發(fā)展，自重大、抗拉強(qiáng)度低及早期強(qiáng)度不高的普通混凝土已無法滿足工程設(shè)計要求[3-4]。因此，如何有效改善普通混凝土性能對于工程質(zhì)量的保證具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對纖維提升混凝土性能的研究已相對成熟，如郭琳等[5]對聚丙烯纖維混凝土進(jìn)行了抗壓性能和劈裂抗拉性能的試驗，發(fā)現(xiàn)將纖維引入混凝土中，并控制一定的數(shù)量，可以防止路面裂縫的擴(kuò)展，提高混凝土力學(xué)性能。張鵬等[6]通過坍落擴(kuò)展度試驗和抗彎拉性能試驗，研究了4種不同聚乙烯醇纖維體積摻量對混凝土拌和物流動性及抗彎拉性能的影響。潘書才等[7]認(rèn)為聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土性能的作用要優(yōu)于聚乙烯纖維，凍融循環(huán)次數(shù)的增加會顯著降低纖維混凝土的性能。周美容等[8]發(fā)現(xiàn)混雜纖維增強(qiáng)混凝土材料的耐久性能的作用優(yōu)于單纖維。上述研究主要集中在纖維摻量及種類對混凝土性能的影響，而關(guān)于纖維長徑比對混凝土性能的影響研究還有待進(jìn)一步完善?；诖?，本文以鋼纖維為例，針對鋼纖維長徑比對混凝土力學(xué)性能及抗凍性能的影響規(guī)律展開了對比分析，并給出了鋼纖維長徑比的合理取值范圍。

1 原材料

(1)水泥：采用普通硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)檢測結(jié)果如表1所示。

表1 水泥性能檢測結(jié)果表

(2)纖維：采用冷軋鋼波浪剪切型鋼纖維，按照《公路水泥混凝土纖維材料鋼纖維》(JT/T524-2004)規(guī)范要求進(jìn)行性能檢測，結(jié)果如表2所示。

表2 鋼纖維檢測結(jié)果表

(3)集料：粗集料采用5～25 mm連續(xù)級配碎石，表觀密度為2.7 g/cm3，針片狀含量為8.2%，壓碎指標(biāo)為9.1%，含泥量為0.7%。細(xì)集料采用表觀密度為2.63 g/cm3的普通河砂，其細(xì)度模數(shù)為2.72。

(4)粉煤灰：采用Ⅱ級粉煤灰，密度為2.0 g/cm3，含水量為28%，0.045 mm方孔篩篩余量為15.3%。

(5)減水劑：采用聚羧酸高效減水劑，減水效果≥30%。

(6)水：采用潔凈自來水。

2 試驗方法及配合比設(shè)計

2.1 試驗方法

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2016)規(guī)范要求，分別制備5組尺寸為100 mm×100 mm×100 mm立方體混凝土試件，針對試件齡期7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉進(jìn)行測試，另制備5組尺寸為100 mm×100 mm×400 mm棱柱體混凝土試件，針對試件齡期7 d、28 d的抗折強(qiáng)度進(jìn)行測試。此外，按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)規(guī)范要求，制備5組尺寸為100 mm×100 mm×400 mm棱柱體混凝土試件，分別進(jìn)行300次凍融循環(huán)試驗。

2.2 配合比設(shè)計

為研究鋼纖維長徑比對混凝土力學(xué)性能和抗凍性能的影響，以未摻鋼纖維的混凝土試件為參照組，分別設(shè)計了鋼纖維長徑比為20、40、60、80的混凝土試件為分析組，并針對不同鋼纖維長徑比的混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、質(zhì)量損失率以及相對動彈性模量進(jìn)行對比分析，其中混凝土鋼纖維摻量均為1%。其配合比設(shè)計如表3所示。

表3 鋼纖維混凝土配合比設(shè)計表

3 結(jié)果與分析

3.1 力學(xué)性能

為研究鋼纖維不同長徑比對混凝土力學(xué)性能的影響，分別針對鋼纖維長徑比為0、20、40、60、80的混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行對比分析。

3.1.1 抗壓強(qiáng)度

對不同鋼纖維長徑比混凝土試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對比分析，其抗壓強(qiáng)度變化曲線如圖1所示。

圖1 抗壓強(qiáng)度變化曲線圖

根據(jù)圖1可知，隨著鋼纖維長徑比的增加，齡期為7 d、28 d的混凝土抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小趨勢，且不同鋼纖維長徑比的抗壓強(qiáng)度均要大于未摻鋼纖維的混凝土，說明鋼纖維的摻入可以增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度。對于齡期為7 d的混凝土而言，鋼纖維長徑比為40～60的混凝土抗壓強(qiáng)度較未摻鋼纖維的混凝土而言增幅效果較為顯著，增幅可達(dá)17.4%～18.7%；對于齡期為28 d的混凝土而言，同樣是鋼纖維長徑比為40～60的混凝土抗壓強(qiáng)度增幅效果較為顯著，與未摻的相比，增幅可達(dá)10.7%～11.9%。由此說明，對于增強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度來說，鋼纖維長徑比選擇40～60范圍相對合理。

3.1.2 抗折強(qiáng)度

對不同鋼纖維長徑比混凝土試件的抗折強(qiáng)度進(jìn)行對比分析，其抗折強(qiáng)度變化曲線如圖2所示。

圖2 抗折強(qiáng)度變化曲線圖

根據(jù)圖2可知，隨著鋼纖維長徑比的增加，齡期為7 d、28 d的混凝土抗折強(qiáng)度呈先增大后減小趨勢，且不同鋼纖維長徑比的抗折強(qiáng)度均要大于未摻鋼纖維的混凝土，說明鋼纖維的摻入可以增強(qiáng)混凝土的抗折強(qiáng)度。對于齡期為7 d的混凝土而言，鋼纖維長徑比為40的混凝土抗折強(qiáng)度增幅效果較為顯著，與未摻的相比，最大增幅為14.3%；對于齡期為28 d的混凝土而言，鋼纖維長徑比為60的混凝土抗折強(qiáng)度增幅效果較為顯著，與未摻的相比其最大增幅為21.6%。綜合來看，鋼纖維長徑比選擇40～60范圍對于增強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度效果較好。

3.1.3 劈裂抗拉強(qiáng)度

對不同鋼纖維長徑比混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行對比分析，得到劈裂抗拉強(qiáng)度變化曲線如圖3所示。

圖3 鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度變化曲線圖

根據(jù)圖3可知，隨著鋼纖維長徑比的增加，齡期為7 d、28 d的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度先增后減，說明鋼纖維的摻入可以增強(qiáng)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。當(dāng)鋼纖維長徑比<60時，齡期為7 d、28 d的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度均不斷增大；當(dāng)鋼纖維長徑比>60后，齡期為7 d、28 d的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度則開始逐漸減小；當(dāng)鋼纖維長徑比為60時，齡期為7 d、28 d的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最大值，與未摻時相比，最大增幅分別為62.1%和51.2%，對于增強(qiáng)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的效果顯著。

3.2 抗凍性能

為研究鋼纖維不同長徑比對混凝土抗凍性能的影響，分別針對鋼纖維長徑比為0、20、40、60、80的試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗，得到混凝土相對動彈性模量及質(zhì)量損失率變化曲線如圖4、圖5所示。

圖4 鋼纖維混凝土質(zhì)量損失率變化曲線圖

根據(jù)圖4可知，凍融循環(huán)次數(shù)增加，混凝土的質(zhì)量損失率會隨之增大，在凍融循環(huán)50次后，混凝土的質(zhì)量損失率逐漸達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)。隨著鋼纖維長徑比的增大，混凝土的質(zhì)量損失率不斷減小，說明鋼纖維的摻入可有效降低混凝土的質(zhì)量損失率。在凍融循環(huán)300次后，當(dāng)鋼纖維長徑比由0增至60時，混凝土的質(zhì)量損失率減小幅度較大，而鋼纖維長徑比由60增至80時，混凝土的質(zhì)量損失率減小幅度有所減小，由此說明鋼纖維長徑比選擇60時，對于降低混凝土的質(zhì)量損失率效果顯著。

圖5 鋼纖維混凝土相對動彈性模量變化曲線圖

根據(jù)圖5可知，凍融循環(huán)次數(shù)增加，混凝土試件的相對動彈性模量會隨之減小，在凍融循環(huán)150次后，混凝土的相對動彈性模量減小趨勢較為明顯。隨著鋼纖維長徑比的增加，混凝土的質(zhì)量損失率不斷增大，說明鋼纖維的摻入可有效增大混凝土的相對動彈性模量，其中鋼纖維長徑比由0增至60時，混凝土的相對動彈性模量增幅較大，而鋼纖維長徑比由60增至80時，混凝土的相對動彈性模量增幅有所減小。綜合來看，鋼纖維長徑比選擇60的混凝土試件抗凍性能改善效果顯著。

4 結(jié)語

(1)隨著鋼纖維長徑比的增加，不同齡期的混凝土抗壓、抗折及劈裂抗拉強(qiáng)度均呈先增大后減小趨勢，但其強(qiáng)度均要大于未摻鋼纖維的混凝土，其中鋼纖維長徑比為40～60的混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度增幅效果較為顯著，鋼纖維長徑比為60的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最大值，對于增強(qiáng)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度效果顯著。

(2)鋼纖維的摻入可有效提升混凝土的抗凍性能。當(dāng)鋼纖維長徑比由0增至60時，混凝土的質(zhì)量損失率大幅降低，相對動彈性模量增幅較大，但鋼纖維長徑比超過60后，混凝土的質(zhì)量損失率減小幅度和相對動彈性模量增幅均有所下降。綜合來看，鋼纖維長徑比選擇60的混凝土的抗凍性能增幅效果顯著。