單摻和雙摻不同長(zhǎng)徑比鋼纖維對(duì)全輕混凝土力學(xué)性能的影響

（1：吉林省信安物業(yè)服務(wù)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000，2：吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130119）

摘要：為研究單摻和雙摻不同長(zhǎng)徑比鋼纖維對(duì)免燒結(jié)粉煤灰陶粒全輕混凝土力學(xué)性能影響，選用體積摻量為1%的剪切鋼纖維作為增強(qiáng)材料，以鋼纖維長(zhǎng)徑比（18.75，25和31.25）和摻入方式（單摻、雙摻）為試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)LC30全輕混凝土進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼纖維能明顯改善全輕混凝土的力學(xué)性能；不同的長(zhǎng)徑比和摻入方式對(duì)全輕混凝土的抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度影響較大，對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度影響較小，對(duì)彈性模量幾乎沒(méi)有影響。

關(guān)鍵詞：免燒結(jié)粉煤灰陶粒；全輕混凝土；剪切波形鋼纖維；長(zhǎng)徑比；力學(xué)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528.2" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " 文章編號(hào)：

Effect of Single and Double Blending of Steel Fibers with Different Length-diameter Ratio on Mechanical Properties of All-lightweight Concrete

MOU Zongbin1，WU Qinyuan2，WANG Xiuli2*

（1：Jilin Xin'an Property Service Co.， Ltd.，Changchun Jilin 130000，China；

2：School of Civil Engineering，Jilin Jianzhu University，Changchun Jilin 130119，China）

Abstract：In order to study the effect of single and double doped steel fiber with different length to diameter ratios on mechanical properties of non-sintered pulverized coal ash ceramic all-light concrete， shear steel fiber with volume content of 1% was selected as the reinforcement material， and the length to diameter ratio of steel fiber （18.75， 25 and 31.25） and the mixing method （single and double doped） were used as the test parameters. The cubic compressive strength， axial compressive strength， flexural strength， splitting tensile strength and elastic modulus of LC30 all-light concrete were tested.The test results show that steel fiber can obviously improve the mechanical properties of all lightweight concrete，different aspect ratios and mixing methods have great influence on flexural strength and splitting tensile strength of all lightweight concrete，but little influence on cube compressive strength and axial compressive strength， and almost no influence on elastic modulus.

Keywords：sintering-free fly ash ceramsite；all-lightweight concrete；shear wave steel fiber； length-diameter ratio；mechanical properties

0 引言

承重型全輕混凝土作為一種輕質(zhì)建筑材料，其單位體積密度僅為普通混凝土的50%～80%，因此在建筑領(lǐng)域中被廣泛采用[1]。在建筑結(jié)構(gòu)中，采用承重型全輕混凝土替代普通混凝土，可減小結(jié)構(gòu)自重，降低結(jié)構(gòu)反應(yīng)，節(jié)約工程造價(jià)，并提高保溫隔熱和隔音性能[2-3]。全輕混凝土存在抗壓強(qiáng)度低、材料脆性大、易開(kāi)裂的缺點(diǎn)[4-5]。為此，工程領(lǐng)域通過(guò)添加增強(qiáng)材料的方式改良性能。常用的增強(qiáng)材料包括但不限于合成纖維、碳纖維、鋼纖維和納米材料等[6-9]。鋼纖維具有優(yōu)異的力學(xué)特性和相對(duì)較低的成本，因此成為工程領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。研究表明，摻入混雜纖維的混凝土能夠克服摻入單一纖維混凝土的局限性，這歸因于不同種類(lèi)的纖維在混凝土中會(huì)產(chǎn)生協(xié)同互補(bǔ)效應(yīng)，從而改善混凝土的強(qiáng)度、抗裂性、延性等性能，并提高混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變反應(yīng)性能和承載能力[10-11]。因此，混雜纖維混凝土更能滿足結(jié)構(gòu)對(duì)全輕混凝土高性能需求，具有較廣闊的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。

粉煤灰是工業(yè)燃煤產(chǎn)生的廢棄物，通過(guò)一定的生產(chǎn)工藝，將其轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)混凝土用的免燒結(jié)粉煤灰陶粒和陶砂，能夠有效解決粉煤灰排放對(duì)環(huán)境造成的危害，實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用。免燒結(jié)粉煤灰陶粒和陶砂易于制備，通常在常溫下進(jìn)行球團(tuán)化和干燥等處理即可[12]。相較于傳統(tǒng)高溫?zé)Y(jié)方法，這種方法無(wú)氣體排放，節(jié)能環(huán)保，滿足綠色建筑對(duì)于固廢利用、節(jié)能減排等理念要求。免燒結(jié)粉煤灰陶粒和陶砂具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、造價(jià)低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在建筑工程中具有廣泛的應(yīng)用前景。本文采用免燒結(jié)粉煤灰陶粒和陶砂完全替代傳統(tǒng)天然粗、細(xì)骨料，以粉煤灰、高爐礦渣作為摻合料，輔以高效減水劑，添加剪切波型鋼纖維作為增強(qiáng)材料，制備成全輕混凝土。

本研究采用長(zhǎng)徑比為18.75，25和31.25的剪切波形鋼纖維作為增強(qiáng)材料，通過(guò)單摻和雙摻的方式將其摻入全輕混凝土中。試驗(yàn)測(cè)定了全輕混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)和對(duì)比分析，得出鋼纖維的長(zhǎng)徑比和摻入方式對(duì)全輕混凝土的力學(xué)性能的影響。本研究結(jié)果可為全輕混凝土的實(shí)際工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1 全輕混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)選用P·O 42.5水泥，采用粒徑為5 mm～30 mm的免燒結(jié)粉煤灰陶粒作為粗骨料；使用粒徑為3 mm～5 mm的免燒結(jié)陶砂作為細(xì)骨料。外加劑包括粉煤灰和高效減水劑。鋼纖維形狀為剪切波浪形，截面形狀為矩形，根據(jù)《鋼纖維混凝土》[13]要求，鋼纖維的等效直徑和長(zhǎng)徑比分別按式（1），式（2）計(jì)算：（1）（2）

式（1）～式（2）中：L為鋼纖維長(zhǎng)度，mm；w為鋼纖維寬度，mm，t為鋼纖維厚度mm；d為鋼纖維等效直徑，mm；λ為鋼纖維長(zhǎng)徑比。鋼纖維的參數(shù)詳見(jiàn)表1，全輕混凝土的具體組成如圖1所示。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

全輕混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為L(zhǎng)C30，參照《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[14]和《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[15]進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，同時(shí)根據(jù)《鋼纖維混凝土》對(duì)配合比進(jìn)行優(yōu)化，具體配合比見(jiàn)表2。

1.3 試件制作和試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，設(shè)置不摻鋼纖維的試驗(yàn)組作為對(duì)照組，以鋼纖維的長(zhǎng)徑比和摻雜方式為試驗(yàn)變量，固定鋼纖維的體積摻量為1%，設(shè)計(jì)7個(gè)實(shí)驗(yàn)組。其中，鋼纖維的長(zhǎng)徑比分別為18.75，25和31.25，摻雜方式包括單摻和雙摻，具體的試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。

本試驗(yàn)測(cè)定的基本力學(xué)性能包括立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量。采用邊長(zhǎng)為 150 mm 的立方體試塊測(cè)定立方體抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度。采用 150 mm×150 mm×300 mm 的棱柱體試件測(cè)定軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量。抗折強(qiáng)度則采用 150 mm×150 mm×550 mm的長(zhǎng)方體試件進(jìn)行測(cè)定。

鑒于試件體積較小，鋼纖維的不均勻分布可能導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的波動(dòng)性較大。為保證試驗(yàn)精度，必須嚴(yán)格按照《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》第6章的要求制備、澆筑和養(yǎng)護(hù)鋼纖維混凝土。每種試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置3個(gè)試件，試驗(yàn)過(guò)程參考《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16]進(jìn)行。通過(guò)計(jì)算得出實(shí)測(cè)值，取平均值作為試件強(qiáng)度值。若3個(gè)實(shí)測(cè)值中存在一個(gè)值與中間值的差值超過(guò)中間值的15%，則將中間值作為該組試件的強(qiáng)度值。如果3個(gè)實(shí)測(cè)值的最大值和最小值與中間值之間的差值超過(guò)中間值的15%，則該組試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效。

試驗(yàn)采用200 t電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，S0試件加載速率為0.3 MPa/s～0.5 MPa/s，其余試件加載速率為0.5 MPa/s～0.8 MPa/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度

立方體混凝土試塊的測(cè)試初始階段會(huì)出現(xiàn)壓碎聲，但表面尚未出現(xiàn)明顯的破壞痕跡，這表明試塊內(nèi)部的骨料正在經(jīng)歷斷裂和破壞的過(guò)程。隨著載荷的持續(xù)增加，混凝土試塊內(nèi)部的微裂紋擴(kuò)展到試件表面，并伴隨著試塊表面混凝土的剝落和碎裂，如圖2所示。本試驗(yàn)全輕混凝土立方體試驗(yàn)的破壞結(jié)果是骨料被裂縫貫穿，而普通混凝土一般是在混凝土與骨料接觸面上發(fā)生裂紋。

軸心抗壓強(qiáng)度試塊在試驗(yàn)初始階段，試塊頂部產(chǎn)生寬度較小的對(duì)角斜裂紋，隨著荷載的增加，斜裂紋不斷擴(kuò)展。當(dāng)試件達(dá)到極限強(qiáng)度，斜裂紋迅速擴(kuò)張，最終導(dǎo)致試件破壞。

摻有鋼纖維的試塊表現(xiàn)出相似的破壞特征。與未摻鋼纖維的試塊相比，摻鋼纖維試塊中的裂紋出現(xiàn)時(shí)間較晚且發(fā)展速度緩慢，試塊最終的裂縫寬度較小，同時(shí)試塊表面的骨料剝落情況也相應(yīng)減輕。

試驗(yàn)的立方體抗壓強(qiáng)度如表4所示，軸心抗壓強(qiáng)度如表5所示。結(jié)果顯示，剪切波型鋼纖維的摻加可以有效提高全輕混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度。其中，立方體抗壓強(qiáng)度提升幅度為13.5%～19.28%，軸心抗壓強(qiáng)度提升幅度為11.73%～22.29%。軸心抗壓強(qiáng)度是立方體抗壓強(qiáng)度的0.92倍～0.94倍。試驗(yàn)結(jié)果表明，單摻條件下，S40表現(xiàn)出最高的抗壓強(qiáng)度，其次為S50，S30的抗壓強(qiáng)度最小。混摻兩種鋼纖維的試件中，S30+40的抗壓強(qiáng)度略微低于S30和S40，但差距不大；S30+50和S40+50的抗壓強(qiáng)度均高于單摻一種鋼纖維的試件，呈現(xiàn)出正混雜效應(yīng)。試件的立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度大小順序一致，從小到大依次為：S0，S30+40，S30，S50，S40，S30+50，S40+50。單摻條件下，抗壓強(qiáng)度并不隨長(zhǎng)徑比增加而增加，而是當(dāng)長(zhǎng)徑比達(dá)到一定值后，提高幅度變小，這是由于長(zhǎng)徑比的增加可能會(huì)對(duì)鋼纖維在混凝土中的分散性、應(yīng)力分布和受限作用產(chǎn)生影響，進(jìn)而限制鋼纖維在全輕混凝土中發(fā)揮最佳效果，抑制抗壓強(qiáng)度的提升。表明鋼纖維長(zhǎng)徑比有臨界值，長(zhǎng)徑比根據(jù)臨界值進(jìn)行單一纖維摻入，效果最佳。雙摻條件下，長(zhǎng)徑比相差懸殊的纖維不能實(shí)現(xiàn)最好的協(xié)同互補(bǔ)，反而是臨界值附近取值進(jìn)行摻入效果最佳。

2.2 抗折強(qiáng)度

試驗(yàn)使用兩個(gè)相同的集中荷載同時(shí)垂直加載在棱柱體試塊側(cè)面的兩個(gè)三分點(diǎn)處，試件于兩個(gè)集中荷載作用線之間發(fā)生斷裂，未摻鋼纖維試件斷裂面較為平整，摻鋼纖維試件斷裂面處鋼纖維被拔出或拉斷。試驗(yàn)破壞現(xiàn)象表明全輕混凝土具有脆性破壞的特點(diǎn)。

試驗(yàn)測(cè)得的抗折強(qiáng)度如表6所示。表6中，S40+50的最大值與中間值的差超過(guò)了中間值的15%，因此試驗(yàn)結(jié)果取中間值。試驗(yàn)結(jié)果表明鋼纖維能顯著提高全輕混凝土在承受彎曲負(fù)載時(shí)的抵抗能力。在單摻條件下，抗折強(qiáng)度隨著長(zhǎng)徑比的增加逐漸提高，提升幅度為23.4%～52.45%；而在雙摻不同長(zhǎng)徑比的鋼纖維時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生正混雜效應(yīng)，提升幅度為54.72%～70.57% 。雙摻對(duì)抗折影響提高更有優(yōu)勢(shì)?？拐蹚?qiáng)度是構(gòu)件受彎時(shí)的抗彎性能體現(xiàn)，材料沿橫截面高度上有拉、壓兩種應(yīng)力，因此變化規(guī)律與立方體抗壓明顯不同。雙摻條件下，增加長(zhǎng)徑比不顯著。

2.3 劈裂抗拉強(qiáng)度

劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)鋼制弧形墊塊半徑為75 mm，墊條寬度為20 mm。隨著試塊加載至極限載荷，試塊由頂部的鋼制墊塊處開(kāi)裂，裂紋逐漸向底部蔓延，最終形成垂直于承壓面的劈裂面。

表7為試驗(yàn)的劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果，其中S50的最大值與中間值的差超過(guò)中間值的15%，因此試驗(yàn)結(jié)果取中間值。試驗(yàn)結(jié)果顯示，鋼纖維能顯著提高試件的抗開(kāi)裂性能。單摻條件下，劈裂抗拉強(qiáng)度提升幅度為20%～28.97%；雙摻條件下，S30+40和S30+50的劈裂抗拉強(qiáng)度不如單摻，產(chǎn)生負(fù)混雜效應(yīng)；S40+50產(chǎn)生顯著的正混雜效應(yīng)，劈裂抗拉強(qiáng)度提升幅度為62.76%，單摻條件下，鋼纖維長(zhǎng)徑比對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度影響較大，鋼纖維長(zhǎng)徑比由18.75過(guò)渡到31.25時(shí)，強(qiáng)度不是一直上升，表明長(zhǎng)徑比對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度提升有臨界值，達(dá)到臨界值后效果不明顯。從本試驗(yàn)結(jié)果看，單摻條件下臨界長(zhǎng)徑比為25～31.25，準(zhǔn)確的臨界取值應(yīng)進(jìn)行更多的試驗(yàn)支撐。雙摻條件下，接近臨界長(zhǎng)徑比的兩種不同纖維摻入效果最佳，防開(kāi)裂性能最好，與臨界長(zhǎng)徑比相差較多的雙摻效果最差。

2.4 彈性模量

根據(jù)表8所示的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出鋼纖維對(duì)全輕混凝土的彈性模量提升幅度大致相同，表明全輕混凝土的彈性模量對(duì)于鋼纖維的長(zhǎng)徑比和混雜方式提高幅度不明顯，但從變化規(guī)律看仍然是臨界長(zhǎng)徑比下的雙摻效果最佳。

3 結(jié)論

本文研究了長(zhǎng)徑比為18.75，25和31.25的剪切波型鋼纖維在單摻和雙摻條件下對(duì)全輕混凝土力學(xué)性能的影響，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

1） 鋼纖維對(duì)全輕混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能均有顯著提升作用，不同力學(xué)性能指標(biāo)影響程度不同，依次為：抗折強(qiáng)度＞劈裂抗拉強(qiáng)度＞立方體抗壓強(qiáng)度＞軸心抗壓強(qiáng)度＞彈性模量。鋼纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的提升幅度最大，最高可達(dá)到70.57%；對(duì)于彈性模量，提升幅度較小，僅約為10%，且鋼纖維的長(zhǎng)徑比及摻入方式與彈性模量提升幅度之間不存在相關(guān)性。

2）全輕混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度為立方體抗壓強(qiáng)度的0.92倍～0.94倍。

3） 長(zhǎng)徑比25和31.25的鋼纖維在雙摻條件下各項(xiàng)力學(xué)性能均呈現(xiàn)出正混雜效應(yīng)，并獲得了最優(yōu)的立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量，全輕混凝土的力學(xué)性能極大提高。長(zhǎng)徑比為18.75和25，18.75和31.25的鋼纖維在雙摻條件下，劈裂抗拉強(qiáng)度不如單摻效果好，呈現(xiàn)出負(fù)混雜效應(yīng)。

4） 單摻條件下，長(zhǎng)徑比存在臨界值，臨界長(zhǎng)徑比下的鋼纖維摻入對(duì)多數(shù)力學(xué)性能指標(biāo)表現(xiàn)最佳。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 孟鑫鑫.低密高比強(qiáng)輕集料微孔混凝土及其預(yù)制墻板性能研究[D].南京：東南大學(xué)，2019.

[2] 余翔，藍(lán)堂偉，謝鵬，等.無(wú)機(jī)多孔材料對(duì)全輕混凝土性能的影響[J].混凝土世界，2022（8）：31-35.

[3] 寧寧，陳洪昌，付瑛琪.超輕混凝土的研究現(xiàn)狀及其在結(jié)構(gòu)中應(yīng)用前景[J].混凝土，2017（7）：149-150，153.

[4] 楊艷敏，胡挺益，陳宇，等.纖維對(duì)全輕混凝土抗壓性能試驗(yàn)研究[J].低溫建筑技術(shù)，2018，40（4）：1-4.

[5] 侯永祺，王秀麗，孫昊，等.棒型熱阻斷拉結(jié)件抗拔性能研究[J].北方建筑，2023，8（2）：13-17.

[6] 劉春陽(yáng)，于桂欣，高英棋，等.鋼纖維再生混凝土T形梁抗剪性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2022，52（3）：7-12，18.

[7] 韓古月，聶立武.納米材料在混凝土中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J].混凝土，2018（7）：65-68.

[8] 楊健輝，王彩峰，藺新艷，等.纖維對(duì)全輕混凝土的斷裂性能影響[J].混凝土，2019（02）：72-75，84.

[9] 李瀟雅，陳衛(wèi)峰，呂芹.纖維種類(lèi)對(duì)全輕混凝土抗沖擊性能的影響[J].河南城建學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，27（01）：57-61.

[10] 高英力，馮心崚，龍國(guó)鑫，等.混雜纖維-尾礦砂ECC配合比優(yōu)化及疲勞性能研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2023，42（5）：1785-1793.

[11] 王震，常新龍，張有宏，等.碳纖維、碳/?；祀s纖維層合板力學(xué)性能對(duì)比研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2021，42（10）：267-271.

[12] 朱萬(wàn)旭，酆磊，周紅梅，等.包殼型免燒結(jié)粉煤灰陶粒的制備及應(yīng)用分析[J].新型建筑材料，2016，43（10）：90-94.

[13] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.鋼纖維混凝土：JG/T 472—2015[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

[14] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：JGJ/T 12—2019[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2019.

[15] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程：JGJ/T 221—2010[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[16] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部和國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局.混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50081—2019[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2019.

編輯：楊洋

基金項(xiàng)目：吉林省科技廳重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（20210203145SF）

作者簡(jiǎn)介：牟宗賓（1990～），男，吉林省長(zhǎng)春市人，工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。

※通訊作者：王秀麗（1976～），女，吉林省長(zhǎng)春市人，副教授，碩士，研究方向：高層鋼結(jié)構(gòu)抗震減震，裝配式建筑與智能建造，新型混凝土材料應(yīng)用，E-Mail：374495135@qq.com