超高層墻柱節(jié)點纖維增強自密實混凝土彎曲韌性研究

干 露 （寧波市建設工程安全質量管理服務總站，浙江 寧波 315100）

自密實混凝土（self-compacting concrete，SCC）作為一種高性能混凝土，適用于難以振搗的節(jié)點部位，可憑借自身重量填充鋼筋孔隙，且流動時不會離析[1-2]。SCC可創(chuàng)造無振動的施工環(huán)境，大幅降低施工噪音，并減少人工參與，從而提高施工質量[3-4]。然而硬化后的SCC 存在易收縮開裂等缺陷。為此，研究人員嘗試在SCC中摻入纖維以提高其韌性，但不同類型的纖維及摻量對SCC的強度提升不盡相同。張馳等人[5]研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維的摻入對SCC 的抗壓強度提升作用不明顯，但可有效提高自密實混凝土韌性，其中1.2%摻量鋼纖維可使SCC 抗折強度提高69.3%；朱一丁等人[6]在SCC 中摻入硅灰和聚丙烯纖維，并通過改變兩種材料的摻量，探究了SCC 的抗壓強度及劈裂強度，當聚丙烯纖維摻量為0.2%時，獲得了最高的抗壓強度和劈裂抗拉強度。

近年來，隨著超高層建筑的持續(xù)發(fā)展，墻柱關鍵節(jié)點逐漸復雜化，內部配筋繁多，普通混凝土在這種情況下難以振搗壓實，而SCC 則可很好地解決上述問題[7]。本文旨在探究不同纖維類型對墻柱節(jié)點自密實混凝土和易性及彎曲韌性的性能影響，并進行了抗壓強度、劈裂拉伸強度及抗折強度試驗，以評估SCC 的和易性能及彎曲韌性。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

本試驗所選膠凝材料為P·O 42.5及普通硅酸鹽水泥和硅灰（SF），其中水泥和硅灰主要成分見表1。粗集料粒徑小于12.7mm，細集料粒徑小于4.75mm。減水劑選用聚羧酸高性能減水劑，摻量為1%。本文共選用五種纖維，其中端鉤鋼纖維和聚丙烯纖維是用于加固混凝土的工業(yè)纖維，低碳鋼纖維和彎曲鋼纖維是從廢電線中收集而來的，玄武巖纖維購買于河南某工程材料有限公司。各種類型纖維特性見表2。

表1 水泥與硅灰主要化學成分表/%

表2 各類型纖維特性

將五種纖維外摻入自密實混凝土中制備不同組別纖維改性自密實混凝土，并設置空白對照組。水泥摻量、水灰比、SF摻量以及各種類型纖維摻量保持均保持不變，其中水泥摻量為350kg/m3，SF摻量為150kg/m3，水膠比為0.4，纖維摻量為混凝土體積的0.25%。具體配合比設計見表3。

表3 各種纖維增韌SCC配合比設計/kg/m3

1.2 試驗方法

混凝土和易性試驗方法參照JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》中T 0532—2020《水泥混凝土拌合物坍落擴展度及擴展時間試驗方法》；抗壓強度參照T 0553—2005《水泥混凝土抗壓強度試驗方法》；彎拉強度試驗參照T 0558—2005《水泥混凝土彎拉強度試驗方法》；劈裂抗拉強度試驗參照T 0561—2005《水泥混凝土圓柱體劈裂抗拉強度試驗方法》。

2 試驗結果分析

2.1 和易性

不同組別新拌SCC坍落擴展度及擴展時間試驗結果見圖1、圖2。

圖1 混凝土坍落擴展度

圖2 混凝土坍落擴展T500結果

由圖1可知，纖維的摻入使得所有類型SCC的和易性變差，其中摻入聚丙烯纖維和端鉤鋼纖維對SCC 流動性影響最大，與對照組的670mm 相比，分別降低了53mm 和45mm，這可能是由于這兩種纖維的表面積較大，纖維的大面積擴散，阻礙了新拌混凝土的流動性能，對其產生負面影響；而摻入玄武巖纖維對SCC流動性影響最小，與對照組相比，僅降低了12mm。

據圖2 可知，根據纖維類型和形狀不同，添加纖維同樣會對混凝土坍落擴展時間產生影響，且與坍落擴展度結果相同，坍落擴展度越大，擴展時間越短。如摻入端鉤鋼纖維的SCC 需5.1s 才能擴展到500mm，這可能是由于纖維末端長度的影響，而摻入玄武巖纖維對SCC坍落擴展時間影響最小，與對照組相比，僅相差0.3s。

2.2 抗壓強度

據圖3 可知，在混凝土強度發(fā)展前期，端鉤鋼纖維SCC抗壓強度略高于對照組，但隨著養(yǎng)護時間的不斷增加，端鉤鋼纖維SCC強度逐漸低于對照組，這可能是由于端鉤鋼纖維長度和端部形狀對混凝土拌合的影響，導致內部壓實不密實，存在部分空隙，導致抗壓強度降低。另外值得注意的是彎曲鋼SCC和聚丙烯纖維SCC，兩者28d 抗壓強度分別為36.68MPa 和35.94MPa，同對照組相比，提高了3.99%和1.90%；90d抗壓強度分別為39.94MPa和40.12MPa，同對照組相比，提高了3.15%和3.61%。因此不難發(fā)現(xiàn)，與未添加纖維的SCC 相比，添加纖維會降低新拌混凝土的抗壓強度，雖有部分添加纖維組強度略有提高，但強度提升很小，可忽略不計。

圖3 不同混凝土試樣抗壓強度

2.3 劈裂抗拉強度

據圖4可知，摻端鉤鋼纖維SCC劈拉強度提高最明顯，7d、14d、28d和90d強度與對照組相比，分別提高了57.01%、59.29%、40.70%和37.54%，摻玄武巖SCC 劈拉強度提高最緩，7d、14d、28d和90d強度與對照組相比，分別提高了15.38%、13.44%、8.33%和9.91%。因此不難發(fā)現(xiàn)，在SCC 中添加纖維對SCC 的劈裂抗拉強度發(fā)展起到了正向的積極作用，這是因為纖維和混凝土共同承受裂縫擴展時的能量，當混凝土試件受拉破壞時，纖維通過連接裂縫兩端的混凝土從而阻止裂縫進一步擴展，直至受拉能量超過纖維與混凝土共同作用的極限。同時，各種鋼纖維對劈拉強度的增益效果最明顯，摻聚丙烯纖維次之，摻玄武巖纖維增益效果最差。

圖4 不同混凝土試樣劈裂抗拉強度

2.4 抗折試驗

據圖5 可知，加入纖維后，各種纖維增韌SCC 抗折強度都有明顯提升，養(yǎng)護7d 后，SCC-H、SCC-L、SCCC、SCC-P 和SCC-B 抗折強度較對照組分別提高61.54%、44.69%、48.72%、34.80%和38.10%；養(yǎng)護90d后，SCC-H、SCC-L、SCC-C、SCC-P 和SCC-B 抗折強度較對照組分別提高32.17%、28.95%、31.10%、23.86%和16.09%。且其中鋼纖維對SCC 的增韌改善效果最明顯，玄武巖對SCC 的增韌改善效果最差，分析其原因，當混凝土試件彎曲開裂后，試件內部主要由纖維提供抗拉強度，玄武巖雖然可以在一定程度上阻止裂縫的產生和擴展，但相比于玄武巖纖維，鋼纖維具有更高的抗拉強度，因此鋼纖維增韌SCC 抵抗開裂能力更加明顯，表現(xiàn)出更加優(yōu)異的韌性。

圖5 不同混凝土試樣抗折強度

據圖6 可知，在SCC 中添加纖維后，各種纖維增韌SCC折壓比均高于對照組，這說明摻入纖維可以有效提高SCC的抗彎曲變形能力，養(yǎng)護7d后，SCC-H、SCC-L、SCC-C、SCC-P 和SCC-B 折壓比較對照組分別提高了57.48%、34.08%、48.33%、28.39%和40.67%；養(yǎng)護90d后，SCC-H、SCC-L、SCC-C、SCC-P 和SCC-B 折壓比較對照組分別提高了31.47%、30.79%、27.14%、19.55%和15.23%。而這一變化趨勢也與抗壓強度及抗折強度變化趨勢類似，在另一方面佐證了鋼纖維增韌效果最優(yōu)、聚丙烯纖維次之以及玄武巖纖維增韌效果最差。

圖6 不同混凝土試樣折壓比

3 結語

（1）在SCC中摻入纖維會對其和易性能產生影響，且影響程度根據纖維種類有所不同。其中摻聚丙烯纖維SCC流動性最差，端鉤鋼纖維SCC次之，摻玄武巖纖維SCC影響最小。

（2）不同種類纖維在SCC中影響作用不同，但整體趨向于負面影響，聚丙烯纖維和玄武巖纖維SCC 抗壓強度雖有提升，但提升很小，可忽略不計。

（3）在SCC中添加纖維有利于提高其彎曲韌性，其中端鉤鋼纖維SCC增韌效果最明顯，7d和90d抗折強度分別提高了61.54%和32.17%，7d 和90d 折壓比分別提高了57.48%和31.47%，玄武巖纖維增韌改性效果最不明顯。