混雜纖維輕骨料混凝土的力學和抗凍性能研究

劉勝兵，靳哲鑫，姚鵬飛

武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430074

輕骨料混凝土是指采用輕粗骨料、輕砂（或普通砂）、水泥和水配制而成的干表觀密度不大于1950 kg/m3的混凝土［1］。在混凝土中摻入纖維是改善混凝土性能的有效手段［2］，研究結果表明［3-5］：在普通混凝土中摻加適量的高彈性模量的纖維可明顯提高混凝土的強度，而摻加適量的低彈性模量或高延伸率的纖維可明顯提高混凝土的韌性。

混凝土的耐久性和力學性能同樣重要，混凝土耐久性是結構在設計使用年限內抵抗外界環境和內部本身侵蝕破壞作用、正常使用及外觀使人可接受的能力［6-7］。相關研究表明［8-9］在混凝土中摻入單一纖維對混凝土性能的改善有限，若要改善混凝土的綜合性能可以將兩種或兩種以上的纖維按不同尺寸和不同性能混雜后摻入混凝土基體，通過取長補短，在不同層面相互協調工作，從而提高混凝土的綜合性能。

美國是最早將輕骨料混凝土應用于建筑工程的國家。美國在1970年至1990年修建的400多座大跨度橋梁中便廣泛使用了輕骨料混凝土［10］。其次日本、德國、挪威等國家在對輕骨料混凝土的研究較為深入。我國直到20世紀50年代才開始著手這方面的研究［11］。在輕骨料混凝土研究的初期，由于混凝土強度過低、生產工藝落后等原因，輕骨料混凝土只能應用于非承重構件或者圍護結構，隨著我國近年來的高速發展，輕骨料混凝土的研究與國外先進水平的差距也逐漸縮小，輕骨料混凝土的研究和應用技術也直逼世界先進水平［12］。

目前，對混雜纖維輕骨料混凝土的研究還比較少，尤其是耐久性方面的研究更少。本文通過試驗研究混雜纖維及單摻纖維對輕骨料混凝土的立方體抗壓、劈裂抗拉及抗凍性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料和技術性能

1）水泥：選用武漢華新水泥廠的42.5級普通硅酸鹽水泥。

2）輕粗骨料：湖北宜昌寶珠陶粒開發有限公司生產的高強頁巖陶粒，碎石型。表觀密度為1330 kg/m3，堆積密度800 kg/m3，粒徑不大于20 mm。

3）細骨料：天然河砂，中砂。

4）減水劑：為提高混凝土和易性，減水劑采用FDN高效減水劑，減水率達15%～25%。

5）纖維：鋼纖維和聚丙烯纖維，性能指標見表1。

表1 兩種纖維的物理和力學性能Tab.1 Physical and mechanical properties of two fibers

1.2 試驗方案

試驗中選定鋼纖維體積率和聚丙烯纖維體積率兩個影響因素［13］，進行單摻纖維輕骨料混凝土和混雜纖維輕骨料混凝土的基本力學性能和抗凍性能的試驗研究。基本力學性能試驗包括立方體抗壓試驗和劈裂抗拉試驗，其中立方體抗壓和抗凍試驗每組3個試件，試件尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm；劈裂抗拉試驗每組3個試件，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。

本次試驗中輕骨料混凝土的強度等級為LC30，是根據《纖維混凝土技術及應用》［14］的要求及《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》［15］中有關配合比設計的規定采用松散體積法確定的，見表2。

表2 混凝土配合比設計Tab.2 Mixing proportion design of concrete

為了分別比較單摻纖維及混雜纖維對輕骨料混凝土立方體抗壓、劈裂抗拉以及抗凍性能影響，本次試驗按不同的纖維體積率設計了9組混雜纖維輕骨料混凝土，3組單摻鋼纖維輕骨料混凝土，3組單摻聚丙烯纖維輕骨料混凝土和1組普通輕骨料混凝土對比試件，試驗分組見表3。分別將聚丙烯纖維以0.05%、0.10%、0.15%的體積摻加率單摻，鋼纖維以1.0%、1.5%、2.0%的體積摻加率單摻及聚丙烯纖維與鋼纖維混雜后摻入輕骨料混凝土基體中對其進行立方體抗壓、劈裂抗拉與抗凍性能試驗研究。

1.3 試件的制作與所用設備

試驗中攪拌混凝土的機器為強制式攪拌機，以保證拌合物的均勻性，首先將陶粒和細骨料加入攪拌機中干拌30 s，待二者拌合均勻后加入水泥并觀察攪拌情況，待三者攪拌均勻后向攪拌機中加入纖維，最后向攪拌機中加入水進行濕拌制成纖維輕骨料混凝土。將濕拌的纖維輕骨料混凝土立即裝入相應的試模后，使用振動臺振搗成型。1 d后拆模，拆模后立即放入標準養護室中養護，養護室相對濕度為95%以上，溫度為（20±2）℃，室內濕度均勻。制作試件的過程中用到的設備有強制式攪拌機、振動臺以及混凝土試模。力學性能試驗中所用設備為液壓式壓力試驗機；抗凍融循環試驗中凍融循環次數為50次，采用慢凍法，試驗設備為武漢工程大學自主研制的凍融機。

表3 試驗分組Tab.3 Test grouping

2 結果與討論

2.1 立方體抗壓試驗與劈裂抗拉試驗結果

本次試驗中基本力學性能試驗包括立方體抗壓與劈裂抗拉試驗，每組試件的抗壓和抗拉強度值為其3個試件的算術平均值，立方體抗壓與劈裂抗拉試驗的結果見表4。

表4 抗壓與抗拉試驗結果平均值Tab.4 Average value of compression and tensile test results

由表4可以看出：1）在輕骨料混凝土中摻入適量纖維可以提高混凝土的立方體抗壓強度和劈拉強度。2）鋼纖維或聚丙烯纖維及二者混雜均不同程度提高了基體的立方體抗壓強度，當鋼纖維體積率為1.0%，聚丙烯纖維體積率為0.05%時，立方體抗壓強度最大為39.16 MPa，相較于對照組提高了17.92%。3）鋼纖維對基體劈裂抗拉強度的提高尤其明顯，并且提高幅度大于聚丙烯纖維，其中單摻鋼纖維體積率為1.5%時，劈拉強度最大為4.77 MPa，相較于對照組提高了63.36%。輕骨料混凝土中摻入纖維后，輕骨料混凝土的破壞過程及破壞形態有明顯改善，圖1為劈拉試驗中摻入不同纖維時輕骨料混凝土的破壞形態。

圖1 不同纖維體積率的情況下試塊的破壞形態：（a）和（b）素輕骨料混凝土，（c）混雜纖維輕骨料混凝土，（d）鋼纖維輕骨料混凝土Fig.1 Destruction form of cube in different fiber volume fractions：（a）and（b）plain lightweight aggregate concrete，（c）hybrid fiber reinforced lightweight aggregate concrete，（d）steel fiber lightweight aggregate concrete

試驗過程中，當荷載達到一定數值后，素輕骨料混凝土表面首先出現1～2條微小的裂縫，隨著試驗的進行，在原微裂縫的遠處相繼出現其他裂縫，隨著荷載進一步增加，裂紋的寬度迅速增大，長度也迅速增長，直到裂縫由上至下貫通整個試塊，隨即混凝土試件碎裂成塊而破壞，這種破壞是突發的，表現出明顯的脆性。鋼纖維和混雜纖維輕骨料混凝土試塊達到極限承載力后，試塊表面裂縫的發展有一定過程，極限承載力雖不能增長，但是下降速度明顯放緩，試塊破壞時，纖維還在試塊表面將試塊連成一個整體，試塊表現出良好的延性。摻入鋼纖維的輕骨料混凝土尤其明顯，混凝土試塊達到極限承載力時，試塊表面出現多條裂紋，此時繼續加載，可以聽到纖維因拔斷而發出的明顯噼啪聲，此時試件仍沒有破壞，并且在較長的一段時間里試件仍具有較大的承載力，試件表現出較強的韌性。因此，不難看出素輕骨料混凝土中摻入纖維可以有效改善混凝土的脆性。

2.2 抗凍融循環試驗

混凝土抗50次凍融循環試驗采用慢凍法，測定混凝土50次凍融循環后的強度損失率，每組試件的強度損失率為其3個試件的算術平均值，試驗結果見圖2。

圖2 混凝土強度損失率Fig.2 Strength loss rate of concretes

混凝土抗凍融循環試驗后強度損失率越小表示混凝土抗凍性能越好。由圖2可以看出在素輕骨料混凝土基體中摻入纖維均不同程度地降低了混凝土基體的強度損失率。混雜纖維系列尤其明顯，其中混雜纖維系列中，當鋼纖維體積率為1.0%，聚丙烯纖維體積率分別為0.05%、0.10%、0.15%時，混凝土強度損失率較素輕骨料混凝土分別降低了65.80%、57.80%、68.92%；當鋼纖維體積率為1.5%，聚丙烯纖維體積率分別為0.5%、0.10%、0.15%時，混凝土強度損失率較素輕骨料混凝土分別降低了52.08%、56.08%、55.56%；而當鋼纖維體積率提高到2%時，聚丙烯纖維體積率分別為0.05%、0.10%、0.15%時，強度損失率較素輕骨料混凝土分別降低了39.41%、27.78%、17.71%。

2.3 混雜效應分析

為研究上述抗凍融循環試驗中闡述的現象，引入纖維混雜系數與增強系數［15］，定義強度損失隨纖維摻量情況變化的衰減系數為：

式（1）中：β3為摻入纖維后混凝土的強度損失衰減系數；F1為摻入纖維后混凝土的強度損失率；F2為素輕骨料混凝土的強度損失率。

混雜效應應考慮2種纖維在單一狀態下對水泥基材料作用的乘積，定義強度損失隨纖維摻量情況變化的混雜系數為：

式（2）中：α3為混雜纖維輕骨料混凝土強度損失隨纖維摻量情況變化的混雜系數；βef為混雜纖維輕骨料混凝土的強度衰減系數；βe為單摻鋼纖維輕骨料混凝土強度衰減系數；βf為單摻聚丙烯纖維輕骨料混凝土強度衰減系數。由混雜系數公式不難看出，當α3≤1時為正混雜效應，當α3≥1時為負混雜效應。表5列出了以LC30輕骨料混凝土為基準，各組混雜纖維輕骨料混凝土的纖維體積率對應的衰減系數和混雜系數。

表5 強度損失率和混雜系數Tab.5 Strength loss rate and hybrid coefficient

觀察表5中的強度損失率衰減系數和混雜系數，部分混雜系列組雖然衰減系數小于1，但是混雜系數卻大于1。說明混雜纖維雖然降低了素輕骨料混凝土的強度衰減系數，但是兩種纖維的混雜卻產生了負混雜效應。這也體現了探討混雜系數所帶來的意義，不單看某一種纖維的作用，而是從整體來考慮他們的混雜效應。當兩種纖維混雜在一起時，混雜纖維所產生的作用大于兩種纖維單摻時作用的代數和時即為正混雜效應，反之則為負混雜效應。產生正負混雜效應的原因有很多，如兩種不同尺寸的纖維在不同層面上相互協調、相互補充即可產生正混雜效應；而負混雜效應并不表示兩種纖維混雜對混凝土沒有改善作用。例如本次凍融循環試驗中的Ssp8組、Ssp9組，雖然改善了混凝土的抗凍性能，但是卻產生了負混雜效應，主要是因為纖維較小的單絲直徑及纖維摻量過多之后導致的纖維間距較小，纖維間發生重疊，相互干擾。

3 結 語

1）在輕骨料混凝土中摻入適量的混雜纖維可提高混凝土立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度，當鋼纖維體積率為1.0%，聚丙烯纖維體積率為0.05%時，立方體抗壓強度最大為39.16 MPa，相較于對照組提高了17.92%。

2）鋼纖維對混凝土基體劈裂抗拉強度的提高尤其明顯。當單摻鋼纖維體積率為1.5%，劈拉強度最大為4.77 MPa，相較于對照組提高了63.36%。向輕骨料混凝土中摻入混雜纖維可以有效改善混凝土基體的脆性，使基體由脆性破壞轉變為延性破壞。

3）當鋼纖維體積率為1.0%、聚丙烯纖維體積率為0.15%時，50次凍融循環試驗后混雜纖維輕骨料混凝土的強度損失率最低為1.79%，相較于對照組降低了68.92%。