塑鋼纖維輕骨料混凝土力學性能及最佳纖維摻量試驗研究

牛建剛，李京軍，尹亞柳，李云云

(1.內蒙古科技大學建筑與土木工程學院，包頭　014010；2.重慶大學材料科學與工程學院，重慶　400045)

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塑鋼纖維輕骨料混凝土力學性能及最佳纖維摻量試驗研究

牛建剛1，李京軍1，尹亞柳2，李云云1

(1.內蒙古科技大學建筑與土木工程學院，包頭014010；2.重慶大學材料科學與工程學院，重慶400045)

以不摻塑鋼纖維的LC30輕骨料混凝土為基準，研究了塑鋼纖維摻量變化(5kg/m3、7kg/m3、9kg/m3、11kg/m3、13kg/m3)對輕骨料混凝土抗壓、劈裂抗拉、抗折、彎曲韌性及抗沖擊性能的影響，結果表明：塑鋼纖維對輕骨料混凝土抗壓性能改善效果不明顯，但能顯著提高輕骨料混凝土的劈裂抗拉強度、抗折強度、彎曲韌性及抗沖擊性能。綜合各項性能指標給出塑鋼纖維用于結構輕骨料混凝土的建議摻量為9kg/m3。

塑鋼纖維； 輕骨料混凝土； 力學性能； 纖維摻量

1　引　言

輕骨料混凝土相對于普通混凝土而言具有輕質高強、保溫隔熱效果好、抗震性能優良等優點[1,2]。但目前大多數輕骨料混凝土強度較低，且容易產生脆性破壞等性能缺陷，致使我國輕骨料混凝土仍主要應用于低強度的非承重結構。研究表明，將纖維作為增強材料摻入輕骨料混凝土中，既能將輕骨料混凝土的輕質高強等獨特性能優勢傳承下來，又能有效克服混凝土的脆性問題，同時起到改善輕骨料混凝土各項力學性能的作用[3,4]。

塑鋼纖維具有彈性模量大、抗拉強度高等特點，能夠應用于建筑工程中抑制混凝土裂縫開展，是一種應用前景廣闊的混凝土增強材料。

目前，關于塑鋼纖維摻入輕骨料混凝土的試驗研究才剛剛起步。向曉峰等[5]研究了塑鋼纖維對輕骨料混凝土抗壓強度、抗劈拉強度以及表觀密度的影響，結果表明：塑鋼纖維對輕骨料混凝土的表觀密度、抗壓強度沒有顯著影響，但能顯著改善輕骨料混凝土的抗拉性能。牛建剛等[6]研究了在輕骨料混凝土中分別摻入不同摻量的鋼纖維以及塑鋼纖維，得出其在力學性能方面的差異。王丹等[7]研究了塑鋼混雜纖維輕骨料混凝土在不同應變率和加載方式時的動態力學性能和變化規律。

綜合國內外研究現狀可知，關于塑鋼纖維輕骨料混凝土的研究并不全面，研究主要集中于某一項特定性能。塑鋼纖維輕骨料混凝土應用于工程結構時纖維摻量取值沒有科學合理的依據，大多數時候是根據經驗確定的。因此本文通過對塑鋼纖維輕骨料混凝土的抗壓、劈裂抗拉、抗折、彎曲韌性等進行試驗，研究了塑鋼纖維摻入后對輕骨料混凝土的影響，綜合各項性能指標探究了塑鋼纖維的最佳摻量。

2　試　驗

2.1試驗原材料及配合比

水泥：包頭市蒙西水泥有限責任公司生產的P·O42.5R普通硅酸鹽水泥；粗骨料：包頭市精正建材公司生產的圓球型粉煤灰陶粒，性能指標見表1；細骨料：普通河砂，含泥量2.1%，堆積密度1547kg/m3；塑鋼纖維：浙江寧波大成新材料股份有限公司生產的異型塑鋼纖維，性能指標見表2；減水劑：萘系高效減水劑，減水率為20%。

表1　塑鋼纖維性能指標

表2　粗骨料性能指標

試驗采用松散體積法對輕骨料混凝土進行配合比設計，基準混凝土強度等級為LC30，具體配合比(kg/m3)為：水泥420、粗骨料660、砂681、水185、減水劑5.03。以不同塑鋼纖維摻量的輕骨料混凝土作為試驗組，塑鋼纖維摻量分別為5kg/m3、7kg/m3、9kg/m3、11kg/m3、13kg/m3，對應的減水劑用量分別為5.28kg/m3、5.53kg/m3、5.78kg/m3、6.03kg/m3、8.28kg/m3。

圖1　彎折韌性試驗裝置Fig.1　Bending toughness test device

圖2　抗沖擊試驗裝置Fig.2　Anti-impact test device

2.2試驗方法

試驗參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)及《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS13：2009)實施?？箟涸囼?、劈裂抗拉試驗試件尺寸為150mm×150mm×150mm，每組3個；彎折韌性試驗裝置見圖1，試件尺寸為100mm×100mm×400mm，每組3個；抗沖擊性能試驗參考ACI544委員會規定，采用自制落錘試驗裝置，落錘重3kg，下落高度為300mm，試驗裝置見圖2，試件尺寸為100mm×100mm×400mm，每組6個。

3　塑鋼纖維輕骨料混凝土力學性能研究

圖3　荷載-撓度曲線Fig.3　Load-deflection curve

3.1力學性能試驗結果

在抗折強度試驗中，將荷載和梁跨中撓度接入高速靜態數據采集儀(TDS-530)中，將數據采集儀測得的試驗數據擬合處理后，得到不同纖維摻量下輕骨料混凝土荷載-撓度曲線如圖3所示。

觀察圖3可知，不摻纖維輕骨料混凝土試件幾乎無法測得曲線下降段，而摻入纖維后，可測得較完整的荷載-撓度曲線，曲線走勢基本相同，且隨纖維摻量增加，曲線趨于豐滿，試塊達到峰值荷載的變形能力不斷增加，與峰值荷載相對應的撓度值不斷增加，曲線下降段趨于平緩。

表3　試驗結果

注：CA代表采用圓球型粉煤灰陶粒配制的輕骨料混凝土，后面的數字00、05、07、09、11、13分別表示在1m3輕骨料混凝土中所摻入的塑鋼纖維的質量；N1為初裂次數；N2為破壞次數。

抗折強度是在圖3荷載-撓度曲線基礎上，采用公式(1)計算得到；塑鋼纖維輕骨料混凝土的沖擊性能用初裂耗能W1及破壞耗能W2表示，分別采用公式(2)、(3)計算；所得各項強度結果列于表3。

ffc,m=FmaxL/(bh2)

(1)

W1=N1mg

(2)

W2=N2mg

(3)

式中：ffc,m為抗折強度；Fmax為極限荷載；L、b、h分別為支座間距、試件截面寬度和試件截面高度。

3.2試驗結果分析

從表3可知，(1)塑鋼纖維能夠改善輕骨料混凝土的抗壓性能及劈裂抗拉性能，且對后者強度提高效果更顯著；(2)塑鋼纖維能夠顯著提高輕骨料混凝土抗折強度及彎曲韌性，主要是因為隨機分布的纖維能夠抑制混凝土內部原生裂紋開展，延緩混凝土開裂破壞，能夠對荷載作用下的試件起到彈性緩沖作用，同時搭接在裂縫處纖維對裂縫兩端混凝土起到橋聯作用。

塑鋼纖維輕骨料混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度隨纖維摻量增加均呈先增后減趨勢變化，當纖維摻量為9kg/m3時取得極值。以CA00組試件各項力學強度指標為基準，纖維摻量為9kg/m3時對應的抗壓強度為43.00MPa，比基準組高8.6%；劈裂抗拉強度為3.68MPa，比基準組高33.3%；抗折強度為5.95MPa，比基準組高45.8%。當塑鋼纖維摻量超過9kg/m3時，出現下降趨勢。主要原因是摻入過量塑鋼纖維，纖維比表面積增加，纖維周圍缺乏足夠水泥漿體包裹與填充，使得混凝土內部密實度降低，產生較多缺陷，從而對輕骨料混凝土的強度不利。

表3中輕骨料混凝土初裂耗能隨塑鋼纖維摻量增加呈現緩慢遞增趨勢變化，而破壞耗能大幅度提升。這是由于在沖擊初期，輕骨料混凝土與塑鋼纖維共同承受外力，前者是外力的主要承受者；試件出現裂紋后，搭接在裂縫上的纖維成為受力的主要承擔者[11]。輕骨料混凝土的抗破壞沖擊性能在選定的纖維摻量范圍內隨纖維摻量增加一直呈增大趨勢變化，未得出纖維最佳摻量。

試驗過程中發現，盡管當纖維摻量超過9kg/m3時，試件破壞耗能仍然大幅度提高，但會造成其在攪拌過程中結團，對輕骨料混凝土的抗沖擊性能及其它力學性能指標產生不利影響，當塑鋼纖維摻量為9kg/m3時試件對應破壞耗能為1937.49J，是CA00組試件的48.8倍，所以當纖維摻量為9kg/m3時能夠顯著提高輕骨料混凝土的抗沖擊破壞性能。因此當考慮到經濟性和拌合工藝要求時，給出塑鋼纖維輕骨料混凝土抗沖擊破壞性能指標下纖維推薦使用摻量為9kg/m3。

3.3塑鋼纖維輕骨料混凝土力學性能指標評價

(1)脆性指標、抗開裂指標

混凝土的拉壓比可以間接衡量混凝土的脆性程度，拉壓比越小，試件脆性程度越明顯。混凝土的折壓比可以反映混凝土試件的抗開裂能力，折壓比越大，試件抗開裂效果越顯著。根據表3可求得塑鋼纖維輕骨料混凝土的拉壓比、折壓比，計算結果見表4。

表4　塑鋼纖維輕骨料混凝土拉壓比、折壓比及沖擊延性指標

根據表4中試驗數據，繪出纖維摻量對輕骨料混凝土拉壓比及折壓比的影響曲線，如圖4所示。

圖4　纖維摻量對輕骨料混凝土拉壓比及折壓比的影響Fig.4　Effect of fiber content on the tension compression ratio and flexural-compressive strength ratio of LWAC

圖5　纖維摻量對沖擊延性指標的影響Fig.5　Effect of fiber content on the impact ductility indices of LWAC

由圖4可知，輕骨料混凝土拉壓比、折壓比峰值點均出現在9kg/m3。說明當從輕骨料混凝土能夠避免脆性問題以及抗開裂角度考慮時，給出塑鋼纖維輕骨料混凝土的纖維建議摻量為9kg/m3。

(2)韌性指標

韌性是混凝土材料強度與變形的綜合概括[8]，目前對于混凝土的韌性評價還沒有統一的方法[9]。鄧宗才等[10]認為，對于粗合成纖維當撓度為2mm時仍具有較強增韌效果，為此提出以撓度為2mm作為計算纖維混凝土的結束標準。剩余強度基于圖3荷載-撓度曲線，采用公式(4)計算得出，所得韌性指標列于表3。

SAR=L(P0.5+P1.0+P1.5+P2.0)/(4bh2)

(4)

式中：Pi為對于試件撓度為imm時的荷載，i可取為0.5、1.0、1.5、2.0。

從表3可知，塑鋼纖維能夠纖維改善輕骨料混凝土的彎曲韌性。剩余強度隨纖維摻量增加呈現先增后減趨勢變化，當纖維摻量為9kg/m3時取得極值，此時對應的剩余強度為6.54MPa，比CA05組試件高21.6%。

(3)沖擊延性指標

混凝土開裂后耗能和變形能力可以通過延性指標反映，對于混凝土結構的使用安全性具有重要的意義，采用下式計算輕骨料混凝土的延性指標β，試驗結果如圖5所示。

β=(N2-N1)/N1

(5)

由圖5可知，輕骨料混凝土沖擊延性指標隨塑鋼纖維摻量的增加呈現較大幅度增長趨勢，說明塑鋼纖維能顯著提高混凝土的沖擊延性，混凝土結構的安全性隨纖維摻量的增加而加強。但當混凝土結構在滿足規范規定的可靠度即安全性、適用性、耐久性的要求時，尚應從經濟性等方面考慮。當纖維摻量超過9kg/m3時盡管能夠大幅度提高輕骨料混凝土的延性指標，但纖維摻入過量時會造成其他強度指標及其他性能指標的降低，對輕骨料混凝土結構產生負面影響。

3.4輕骨料混凝土中塑鋼纖維最佳摻量提出

通過本文所開展的關于塑鋼纖維輕骨料混凝土的一系列力學性能試驗，根據塑鋼纖維摻量對輕骨料混凝土力學性能的影響規律，綜合脆性指標、抗開裂指標、韌性指標及混凝土的沖擊延性指標，給出塑鋼纖維輕骨料混凝土用于結構時塑鋼纖維建議摻量為9kg/m3。

4　結　論

(1)塑鋼纖維能在一定程度上改善輕骨料混凝土的抗壓性能，能夠顯著提高輕骨料混凝土的抗折強度、劈裂抗拉強度，彎曲韌性以及抗沖擊性能；

(2)輕骨料混凝土拉壓比、折壓比峰值點均出現在9kg/m3，塑鋼纖維輕骨料混凝土的沖擊延性指標隨纖維摻量的增加而提高；

(3)綜合各項性能指標給出塑鋼纖維輕骨料混凝土用于結構時塑鋼纖維建議摻量為9kg/m3。

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[5] 向曉峰，徐曉偉，劉峰．塑鋼纖維增強輕骨料混凝土試驗研究[J]．施工技術，2005，34(增刊)：89-91．

[6] 牛建剛，李伯瀟，張縝．纖維增強輕骨料混凝土力學性能試驗研究[J]．混凝土，2013，(11)：93-100．

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[11] 梁磊，趙文，李藝等．增強纖維的加入對混凝土抗沖擊性能的影響[J].混凝土與水泥制品，2007(1)：44-46.

ExperimentalInvestigationonMechanicalPropertiesandOptimalFiberContentinPlasticSteelFiberReinforcedLightweightAggregateConcrete

NIU Jian-gang1，LI Jing-jun1，YIN Ya-liu2，LI Yun-yun1

(1.SchoolofArchitectureandCivilEngineering,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,China;2.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400045,China)

TheLC30LWACwithoutplasticsteelfiberwasusedasabenchmarkofconcrete.Thetestswithdifferentdosageofplasticsteelfiber(i.e. 5kg/m3、7kg/m3、9kg/m3、11kg/m3、13kg/m3)werecarriedoutforeffectsonthemechanicalpropertiesofLWAC,includingcompressivestrength,splittingtensilestrength,flexuralstrength,flexuraltoughnessandimpactstrength.TheinfluencesofthedosageofplasticsteelfiberonthemechanicalpropertiesofLWACwerepresented.Itisnotedthatplasticsteelfiberhasnomuchinfluenceonthecompressivestrengthbutcansignificantlyimprovethetensilestrength,flexuralstrength,impactresistanceandtoughness.Basedonthevariousperformanceindicators,theoptimalfibercontentof9kg/m3isproposed.

plasticsteelfiber；lightweightaggregateconcrete(LWAC)；mechanicalproperty；fibercontent

國家自然科學基金(51368042)；內蒙古自然科學基金(2014MS0528)

牛建剛(1976-)，男，工學博士，教授，碩導.主要從事結構可靠度和混凝土結構耐久性方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0087-05