表面活性劑改性高強(qiáng)度鋼纖維混凝土及應(yīng)用效果

喬園園 袁正武 劉年明 劉卓谞 梁蕊 徐凱燕

摘 要：針對傳統(tǒng)橋梁混凝土存在韌性不足，易發(fā)生脆性斷裂的問題，提出一種新型表面改性劑纖維混凝土的制備。試驗(yàn)對混凝土水膠比、表面改性劑溶液含量進(jìn)行優(yōu)化，將優(yōu)化后的混凝土用于下承式拱橋梁施工中，確定其實(shí)際應(yīng)用性能。結(jié)果表明，在水膠比為0.18，含量3%表面改性劑溶液條件下制備的混凝土性能最佳，此時混凝土抗壓強(qiáng)度約為121 MPa，初裂強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為7.26、8 MPa，極限拉應(yīng)變?yōu)?.06%，能量耗散為33.76 kJ/m3；直拉力學(xué)試驗(yàn)得出，通過改性改善了纖維和基體的界面粘接，表現(xiàn)出良好的粘接性能，將該纖維混凝土用于下承式拱橋時，表現(xiàn)出良好的荷載能力。

關(guān)鍵詞：高性能混凝土；纖維改性；直拉力學(xué)試驗(yàn)；力學(xué)性能；粘接性能

中圖分類號：TQ172

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0157-04

Surfactants modified high-strength steel fiber concrete and its application effect

QIAO Yuanyuan1，YUAN Zhengwu1，LIU Nianming1，LIU Zhuoxu1，LIANG Rui1，XU Kaiyan2

（1.China Third Highway Engineering Bureau Co.，Ltd.，General Contracting Branch，Beijing 100123，China；

2.Guangdong Communication Polytechnic，Guangzhou 510650，China

）

Abstract：Aiming at the problem that the traditional bridge concrete has insufficient toughness and is prone to brittle fracture，a new surface modifier fiber concrete was prepared.The water-binder ratio and surface modifier solution content of concrete were optimized in the experiment，and the optimized concrete was used in the construction of underpass arch bridge to determine its practical application performance.The results showed that the optimum concrete performance was obtained when the water-binder ratio was 0.18 and the surface modifier content was 3%.Under this condition，the compressive strength was about 121 MPa，the initial cracking strength and tensile strength were 7.26 and 8 MPa respectively，the ultimate tensile strain was 5%，and the energy dissipation was 33.76 kJ/m3.By using direct tension mechanical test，the interface bonding between fiber and matrix was improved by the modification，and the fiber concrete had good bonding properties.When the fiber concrete was used in the underpass arch bridge，it had good loading capacity.

Key words：high performance concrete;fiber modification;direct tensile test;mechanical properties;adhesion property

修建橋梁最重要的成分是混凝土，但混凝土存在強(qiáng)度低、早期收縮等缺點(diǎn)，阻礙了橋梁的發(fā)展，同時在橋梁使用的過程中還存在一定的安全隱患。因此需要一種強(qiáng)度更大、耐性更好、抗拉性強(qiáng)的物質(zhì)來讓橋梁更穩(wěn)固和安全。對此，研究了超高性能（UHPC）混凝土替代普通混凝土作為橋面板的鋪設(shè)材料。試驗(yàn)結(jié)果表明，UHPC橋面板具備較高的剛度和疲勞應(yīng)力幅，可以在橋面板上發(fā)揮重要作用［1］。分別研究了UHPC混凝土的特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，UHPC混凝土在抗壓強(qiáng)度和耐久性方面均表現(xiàn)良好［2-3］；總結(jié)了UHPC混凝土應(yīng)用于國內(nèi)外橋梁的情況。結(jié)果表明，UHPC因其良好的力學(xué)性能和耐磨損、抗?jié)B透耐腐蝕性能，可以在橋梁的各個區(qū)域發(fā)揮作用［4］。以上學(xué)者的研究均表明了，超高性能混凝土可以替代普通混凝土作為橋梁鋪裝材料使用。超高性能混凝土具備多種優(yōu)點(diǎn)，但韌性差，易發(fā)生脆性斷裂的問題始終沒有得到解決。為了進(jìn)一步提升超高混凝土的性能，本試驗(yàn)以文獻(xiàn)［5］，文獻(xiàn)［6］為參考，通過表面改性后的纖維增強(qiáng)超高性能混凝土的韌性，并研究了纖維混凝土在下承式拱橋梁施工中的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：PE纖維（II級），蘇皖環(huán)?？萍?；表面活性劑（AR），道融化工；水泥（P·O42.5），鵬盛建筑材料）；硅灰（I級），桓禾礦產(chǎn)品；礦粉（標(biāo)準(zhǔn)品），南昱礦產(chǎn)品；石灰石粉（標(biāo)準(zhǔn)品），孟曉建材；石英砂（I 級），海濱礦產(chǎn)品）；聚羧酸減水劑（AR），天峰化工科技；河沙（標(biāo)準(zhǔn)品），恒財(cái)?shù)V產(chǎn)品）。

纖維特征參數(shù)：長度13 mm，密度7.9 g/cm3，直徑0.2 mm，長徑比65，抗拉強(qiáng)度2 850 MPa，彈性模量200 GPa。表面改性劑參數(shù)：外觀呈微黃色至無色液體，密度0.920 g/cm3，純度大于等于97%。

主要設(shè)備：50型混凝土振動臺（新鄉(xiāng)市宏達(dá)振動設(shè)備；JS500型攪拌機(jī)（鄭州市昌利機(jī)械制造；DR-106型萬能拉力試驗(yàn)機(jī)（長春新特試驗(yàn)機(jī)有限公司；WAW型液壓伺服試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南辰鑫試驗(yàn)機(jī)制造；DTH型超聲波清洗機(jī)（重慶美潔超聲波設(shè)備制造；101-3A型烘箱（濟(jì)南創(chuàng)日新儀器設(shè)備有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方式

1.2.1 鋼纖維表面處理

（1）在燒杯中依次倒入50 mL蒸餾水、5 mL表面活性劑、10 gPE鋼纖維，充分?jǐn)嚢枰欢螘r間，然后將攪拌后的液體放入DS-8510DTH型超聲波清洗機(jī)進(jìn)行超聲振動清洗，去除纖維表面灰塵和油脂，清洗時間為30 min。清洗結(jié)束后進(jìn)行抽濾，得到清洗后PE纖維；

（2）將100 mL蒸餾水倒入燒杯中，然后放入清洗后纖維，繼續(xù)進(jìn)行超聲振動，超聲振動時間為10 min，超聲結(jié)束后進(jìn)行抽濾；

（3）重復(fù)以上步驟，完成鋼纖維預(yù)處理步驟；

（4）將經(jīng)過預(yù)處理的鋼纖維分別浸入體積濃度為0%（去離子水）、1%、3%和5%的表面改性劑溶液中，并分別編號為A、B、C、D。在室溫條件下攪拌使其充分浸潤，攪拌時間為10 min；

（5）濾出纖維后，置于干燥陰涼的環(huán)境干燥，然后在101-3A型烘箱的作用下固化，固化溫度和時間分別為85 ℃和1 h。

1.2.2 試件制備

（1）依次將水泥、硅灰、礦粉、石灰石粉、石英砂和河沙放入JS500型混凝土攪拌機(jī)中進(jìn)行干拌，干拌轉(zhuǎn)速和時間分別為55 r/min和2 min。本研究除設(shè)置水膠比為0.18的基本配合比，還配置0.25和0.32的水膠比；

（2）倒入減水劑繼續(xù)攪拌1 min后，加入全部用水繼續(xù)攪拌30 s；

（3）將經(jīng)過改性處理前后的鋼纖維均勻撒入攪拌均勻的物料中，繼續(xù)攪拌至混凝土基體達(dá)到理想流動狀態(tài)；

（4）將通過流動性測試的混凝土倒入模具中，并使用混凝土振動臺振實(shí)，將模具上部多余砂漿抹去，蓋上保鮮膜在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)2 d；

（5）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行脫模，然后放入HWY-30型恒溫水箱中進(jìn)行熱水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度和時間分別為90?? ℃和3 d，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至指定齡期。

1.3 性能測試

1.3.1 力學(xué)性能測試

基于拉力試驗(yàn)機(jī)分析材料力學(xué)性能?？箟簭?qiáng)度表達(dá)式為：

f=F/A（1）

式中：f表示抗壓強(qiáng)度；F、A分別表示混凝土試件荷載及承壓面積。

1.3.2 直接拉伸性能測試

通過WAW型微機(jī)控制液壓伺服試驗(yàn)機(jī)對混凝土直接拉伸性能進(jìn)行測試。

1.4 實(shí)際應(yīng)用

將制備的纖維混凝土用于拱橋的澆筑，試件的主要制作過程：

（1）首先將鋼筋骨架搭建成下拱橋的形狀，然后在鋼筋上布置的應(yīng)變；

（2）將模板搭建在鋼筋骨架上，得到下拱橋形狀的模板，倒入纖維混凝土進(jìn)行試驗(yàn)梁的澆筑，然后自然養(yǎng)護(hù)3 d；

（3）拆除模板后進(jìn)行蒸養(yǎng)護(hù)理2 d。蒸養(yǎng)結(jié)束后，在下拱橋模具中施加荷載，探究纖維混凝土對下拱橋的影響。試驗(yàn)梁具體形狀和參數(shù)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝土水膠比優(yōu)化

水膠比對混凝土內(nèi)部凝結(jié)程度起決定性作用，因此對混凝土的力學(xué)性能影響較大。對混凝土水膠比進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，混凝土抗壓強(qiáng)度隨水膠比的增加而下降。這可能是因?yàn)樗z比越高，內(nèi)部自由水越少，材料的均勻性和密實(shí)性均受到影響，抗壓強(qiáng)度也受到影響［7-8］。因此，選擇適合的混凝土水膠比為0.18，此時鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度約為121 MPa。

2.2 直拉力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

表1為直拉力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果。

由表1可知，改性劑含量是影響纖維混凝土的主要因素，當(dāng)改性劑含量為3%時，改性的鋼纖維混凝土的直拉力學(xué)性能最佳，明顯高于其他的混凝土樣品，此時纖維混凝土初裂強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為7.26、8? MPa，極限拉應(yīng)變?yōu)?.06%，能量耗散為33.76 kJ/m3。出現(xiàn)這個變化的主要原因在于，沒有經(jīng)過改性的纖維摻入混凝土后，界面粘接性能較差，使得纖維橋接性能受到限制，在受到外界拉力時，快速達(dá)到峰值荷載，出現(xiàn)應(yīng)變軟化的情況，影響了混凝土試件的韌性。但較高含量的改性劑和較低含量的改性劑均對纖維混凝土直拉力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。這因改性劑含量較高，改性液富集在纖維表面，使得纖維表面出現(xiàn)疏松層，影響了纖維與混凝土的結(jié)合效果［9-10］。而改性液含量較低時，無法發(fā)揮較好的改性效果，使得纖維混凝土提升效果并不明顯。

改性后的鋼纖維可提升混凝土性能的原因在于，改性劑可以與混凝土內(nèi)部的某些成本發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得混凝土內(nèi)部的材料粘接的更為緊密，進(jìn)而提升了混凝土的性能［11-12］。

2.3 試件破壞形態(tài)分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，在A、B、C、D樣品中，未經(jīng)過表面處理的A組纖維混凝土在受拉過程中，出現(xiàn)裂縫的時間較早，隨著受拉時間的增加，裂縫局部化擴(kuò)展，裂縫的寬度不斷增加，裂縫數(shù)量少，主要為一條主裂縫貫穿整個混凝土試件。經(jīng)過含量為1%的表面改性劑改性后的B組纖維混凝土，主裂縫的寬度明顯變小，裂縫數(shù)量少。這說明1%表面改性劑對混凝土的韌性改善效果有限。使用5%表面改性劑處理的混凝土較1%纖維混凝土裂縫數(shù)量有一定增加，裂縫的寬度有一定降低。這說明含量5%的表面改性劑改性的纖維混凝土韌性得到進(jìn)一步增強(qiáng)，但增強(qiáng)效果還達(dá)不到理想要求；3%纖維混凝土表面均勻分布著較多細(xì)小的裂縫。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，細(xì)小的裂縫基本遍布在整個混凝土試件表面，且分布的較為均勻。這說明混凝土在完全破壞前變形嚴(yán)重，但并未出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，即混凝土韌性得到明顯提升［13-14］。

2.4 高強(qiáng)度混凝土的荷載-位移曲線

為驗(yàn)證上述制備的高強(qiáng)度混凝土性能，通過荷載-位移曲線分析其實(shí)際應(yīng)用性能，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，試驗(yàn)梁的荷載-位移曲線分為4個階段：

（1）彈性階段。試驗(yàn)初期，荷載增加，跨中位移和混凝土、鋼筋的應(yīng)變增加，受拉區(qū)未見UHPC出現(xiàn)裂縫，此時處于彈性受力階段；

（2）裂縫擴(kuò)展階段。荷載達(dá)到開裂荷載時，材料中段有細(xì)小裂縫出現(xiàn)，在圖中表現(xiàn)出曲線下降的趨勢，進(jìn)入裂縫擴(kuò)展階段。此時，增加荷載，加載點(diǎn)出現(xiàn)裂縫，且裂縫向上延伸，繼續(xù)增加荷載，裂縫不斷變化，試驗(yàn)梁撕裂，纖維從UHPC中拔出。當(dāng)最大裂縫寬度達(dá)到0.21 mm，裂縫數(shù)量和距離基本不變，此時試驗(yàn)橋梁仍然有剛度，荷載-位移曲線呈直線；

（3）屈服階段。當(dāng)最大裂縫為0.40 mm，開始到達(dá)屈服階段。在此過程中會有UHPC粉末從裂縫中掉落，試驗(yàn)梁的剛度明顯降低；

（4）持荷破壞階段。當(dāng)側(cè)面裂縫延伸到4∶5梁高處時，裂縫寬度超過1.00 mm，此時UHPC表面起皮并發(fā)出壓碎聲，受壓區(qū)表現(xiàn)壓潰。當(dāng)撓度變形為跨徑1∶90時，荷載變化速率加快。隨撓度增加荷載降低，因此UHPC下橋梁有良好的受壓變形能力［15-16］。

由圖3還可知，纖維含量為1.5%的樣品，高性能水泥出現(xiàn)崩落的情況，荷載值快速的降低，是因?yàn)楫?dāng)纖維用量較少時，對混凝土延性的改善效果不佳。隨纖維用量的增加，大大改善了混凝土韌性［17-18］。這表明，截面配筋率和纖維含量均為下橋梁剛度的影響因素。在截面配筋率相同的情況下，纖維含量越大，抗彎剛度越大，進(jìn)入屈服階段后，下橋梁的跨中撓度基本相等。當(dāng)纖維一定，截面配筋率與抗彎剛度成正比［19-20］。

3 結(jié)語

（1）混凝土水膠比優(yōu)化結(jié)果為：適合的水膠比為0.18，此時混凝土抗壓強(qiáng)度約為121 MPa；

（2）直拉力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果為：3%表面改性液改性的纖維混凝土直拉力學(xué)性能最佳，此時纖維混凝土初裂強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為7.26、8 MPa；

（3）試件破壞形態(tài)分析結(jié)果為：含量3%的表面改性劑改性的纖維混凝土表面均勻分布著較多細(xì)小的裂縫，混凝土韌性得到明顯提升；

（4）將制備的纖維混凝土用于下拱橋時，混凝土的韌性得到明顯的提升。

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收稿日期：2023-06-10；修回日期：2023-09-24

作者簡介：喬園園（1982-），男，工程師，主要從事路橋施工與管理；E-mail：vssri123@163.com。

基金項(xiàng)目：廣東省既有橋梁檢測與維修加固工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2018024）。

引文格式：喬園園，袁正武，劉年明，等.

表面活性劑改性高強(qiáng)度鋼纖維混凝土及應(yīng)用效果［J］.粘接，2023，50（11）：157-160.