微細鋼纖維高強輕骨料混凝土靜力試驗研究

葉艷霞, 王宗彬, 彭瓊武, 張志銀, 劉繼磊

(1.長安大學 建筑工程學院, 陜西 西安 710061; 2.西安基準方中建筑設計有限公司, 陜西 西安 710061)

高強輕骨料混凝土(high-strength lightweight aggregate concrete,HLAC)具有輕質、高強、無堿骨料反應和抗震性好等優點,是高層建筑、大跨結構、高抗震區和軟土地基地區的一種重要建筑材料,在工程領域具有廣泛的應用前景[1].但輕骨料混凝土(lightweight aggregate concrete,LWAC)的抗剪強度和抗拉強度均較低,尤其是隨著強度的提高，其脆性更加明顯[2],因此LWAC的增強增韌研究成為近年的研究熱點.

一些學者利用鋼纖維來改善HLAC的各項性能.研究表明,鋼纖維對HLAC的失效模式、強度、韌性、延性和抗沖擊性具有明顯改善作用[3-7].目前大多數研究采用粗鋼纖維對HLAC進行改性,然而普通粗鋼纖維在高體積分數下會交叉結團,缺乏足夠的漿體包裹,對混凝土強度影響較小甚至造成強度降低[8].鍍銅微細鋼纖維是一種高強、高彈性模量的親水性材料,容易與混凝土漿體緊密結合,形成較高的黏結強度,目前主要用于改善微硅粉高強混凝土的脆性[9].石飛等[9]研究表明,在大體積分數情況下,微細鋼纖維對混凝土的抗壓強度和抗折強度增強效果較普通鋼纖維更加顯著.Ma等[10]研究表明,體積分數為2.0%的13mm微細鋼纖維可使3種混凝土的抗壓強度提高19%～42%,抗彎強度提高 78%～108%,骨料類型對微細鋼纖維的增強效應影響較大.Iqbal等[11]研究表明,體積分數為1.25%的微細鋼纖維使全輕質浮石混凝土的抗壓強度降低12%,但其劈裂抗拉強度和抗折強度分別提高37%和110%,基體性質對微細鋼纖維的作用存在一定影響.

本文采用高強頁巖陶粒、微細鋼纖維和礦物摻和料制備高強高韌性微細鋼纖維高強輕骨料混凝土(micro steel fiber high-strength lightweight aggregate concrete,MSFHLAC)試件,分析微細鋼纖維體積分數(φf)、砂率(質量分數,文中涉及的砂率、水灰比等除特別注明外均為質量分數或質量比)和水灰比對MSFHLAC試件抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度、抗剪強度和韌性指標的影響規律,以期為MSFHLAC在工程中的應用和試驗研究提供參考.

1 試驗

1.1 原材料

水泥選用秦嶺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,表觀密度為3100kg/m3,其3、28d抗壓強度分別為20.6、48.4MPa,安定性合格;粗骨料采用湖北宜昌光大陶粒制品有限責任公司產800級碎石型頁巖陶粒,粒徑5～16mm,筒壓強度為6.2MPa,堆積密度為750kg/m3,表觀密度為1360kg/m3;細骨料采用普通河砂,細度模數為2.6,表觀密度為2650kg/m3,級配良好;粉煤灰和硅粉采用實驗室專用Ⅰ級粉煤灰和微硅灰,其表觀密度分別為2600、2200kg/m3;微細鋼纖維采用江西贛州大業金屬纖維有限公司產φ0.2×13mm鍍銅微細鋼纖維;減水劑采用陜西精誠減水劑工程公司產聚羧酸高效減水劑,減水率25%～27%.

1.2 試驗設計

參照JCJ 51—2002《輕骨料混凝土技術規程》,采用絕對體積法進行混凝土配合比設計,其中水泥量為440kg/m3,粉煤灰和硅粉摻量為膠凝材料質量的15%和5%,砂率為0.36、0.39和0.42,水灰比為0.24、0.27和0.30,微細鋼纖維體積分數為0.5%、1.0%、1.5%和2.0%.為保證MSFHLAC的工作性,減水劑摻量基本為膠凝材料的0.8%,部分做了調整.試件配合比如表1所示.其中編號P為未摻加微細鋼纖維的HLAC試件;其余編號均為MSFHLAC試件,其中的數字依次代表微細鋼纖維體積分數、砂率和水灰比.

表1 試件配合比

拌和物參照JGJ 51—2002和CECS 13:2009《纖維混凝土試驗方法標準》,采用60L強制攪拌機,先將晾干的河砂和膠凝材料干拌2min;然后加入摻有減水劑的水攪拌2min,制成砂漿;接著加入潤濕24h的陶粒繼續攪拌1min;最后在攪拌機轉動狀態下均勻加入微細鋼纖維攪拌4min后出料.拌和物一次入模,用鐵棒敲擊模具側壁約30次并在地上輕輕振動,用抹刀將拌和物上表面抹平;成型24h后拆模并灑水養護28d(西安室外6月份氣候),之后進行靜力學試驗.

1.3 試驗方法

參照CECS 13:2009進行力學試驗.其中抗壓和劈裂抗拉試件尺寸為100mm×100mm×100mm;抗折和抗剪試件尺寸為100mm×100mm×400mm,每組3個試件.抗壓、劈裂抗拉和抗折試驗的尺寸換算系數分別取為0.90、0.80和0.82.試驗在長春機械院產1000kN萬能試驗機上進行,荷載數據通過計算機軟件TestExpert.NET進行采集,小梁跨度中間位置的縱向位移采用DH3820準靜態應變采集系統及其配套的位移傳感器進行采集,位移控制加載,加載速率為0.1mm/min.

2 試驗結果與分析

表2為HLAC和MSFHLAC試件的試驗結果.表中ρd代表試件的干表觀密度,fcu(ffcu)、ft,s(fft,s)、fcr(ffcr)、ftm(fftm)和fv(ffv)分別代表HLAC(MSFHLAC)試件的立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、初裂抗折強度、抗折強度和抗剪強度.

表2 HLAC和MSFHLAC試件的試驗結果

2.1 工作性能

由表2可知：(1)由于摻入了一定的礦物摻和料,各試件的流動性較好,其坍落度和擴展度隨微細鋼纖維體積分數(φf)的增加而降低,微鋼纖維所形成的交叉網絡增大了拌和物的摩阻力,拌和物的流動性呈指數下降.(2)當φf=0.5%時,微細鋼纖維對拌和物的流動性影響較小;當φf=1.0%時,漿體的潤滑作用隨著砂率和水灰比的減小而減弱,鋼纖維與粗骨料間的纏繞堆積作用加強,拌和物的流動性也有所降低,但降幅不大;當φf≥1.5%時,拌和物流動性迅速變差，尤其當φf=2.0%時,其擴展度只有190mm,基本喪失了流動性,試件成型困難.

2.2 立方體抗壓強度

圖1為試件的立方體抗壓破壞模式.由圖1可見：受“環箍效應”影響,HLAC試件呈現倒錐體破壞;MSFHLAC試件呈現外鼓狀,混凝土表皮翹起,但基本未剝落.由此可知,微細鋼纖維對MSFHLAC形成了較強的環形約束力,使其抗壓強度提高顯著,抗壓韌性明顯增強.

表2表明,隨著微細鋼纖維體積分數(φf)的增加,試件的立方體抗壓強度逐漸增大,在試件砂率為0.42,水灰比為0.30的情況下,當φf由0.5%、1.0%、1.5%增至2.0%時,試件的立方體抗壓強度與HLAC對照組(試件P)相比，分別提高11.3%、27.3%、32.8%和40.8%.這與文獻[10]中摻加2.0%的微細鋼纖維使HLAC抗壓強度提高42%的結論基本一致.

借鑒“比強度”概念,定義輕骨料混凝土立方體抗壓強度與干表觀密度的比值為材料“抗壓比強度”,用于考察微細鋼纖維對HLAC的增強效果.由表2可知：MSFHLAC試件的抗壓強度和抗壓比強度均隨φf的增加而增大,且當φf<1.0%時抗壓增強效應較為理想;MSFHLAC試件(MF1.0-0.42-0.27)的抗壓比強度達0.036N·m/g,大于HLAC試件的抗壓比強度(0.028N·m/g).相關研究[4-5]表明,摻入體積分數2.0%的大尺寸鋼纖維可使HLAC抗壓強度提高20%左右.相比普通鋼纖維,微細鋼纖維可以更加均勻、密集地分布于HLAC基體中,鋼纖維與基體形成較強黏結力,對HLAC抗壓強度的增強效應更顯著.

圖1 立方體抗壓破壞模式Fig.1 Cube compressive failure mechanisms

由表2還可知：當砂率從0.42降為0.36時,MSFHLAC試件立方體抗壓強度降低4.65%,而抗壓比強度降低2.62%,降幅不大;水灰比對MSFHLAC 立方體抗壓強度影響稍大,水灰比為0.27試件的立方體抗壓強度比水灰比為0.30的試件提高5.39%,其抗壓強度可達70.5MPa,而當試件水灰比為0.24時,其抗壓強度反而降低,這主要因為水灰比過小,膠凝材料水化反應不充分所致.

經回歸分析,得到MSFHLAC試件立方體抗壓強度(ffcu)與HLAC立方體抗壓強度(fcu)、微細鋼纖維體積分數(φf)之間的關系表達式：

ffcu=fcu(1+0.218φf)

(1)

式(1)相關系數R=0.9869.

2.3 劈裂抗拉強度

表2表明：隨著微細鋼纖維體積分數(φf)的增加,試件的劈裂抗拉強度增強非常明顯,在試件砂率為0.42,水灰比為0.30的情況下,當φf由0.5%、1.0%、1.5%增加到2.0%時,試件的劈裂抗拉強度與HLAC對照組(試件P)相比分別提高55.9%、102.5%、123.4%和155.0%;微細鋼纖維體積分數較低(φf=0.5%、1.0%)時,抗拉增強效果更優.與體積分數2.0%的普通鋼纖維使HLAC劈裂抗拉強度提高92.5%[4]相比,本文采用微鋼纖維對HLAC劈裂抗拉強度的增強效果更優,說明MSFHLAC試件劈裂面的鋼纖維分布更多,可建立更均勻的應力場,抗拉增強效果更加明顯.

試件在破壞過程中,會聽到纖維被拔出的“滋滋”聲.當φf由0%增到2.0%時,試件的拉壓比由1/16.4增長到1/9.0,纖維對HLAC的抗拉韌性改善明顯.試件的劈裂抗拉強度主要受纖維體積分數的影響,改變砂率(0.36～0.42)和水灰比(0.24～0.30),試件劈裂抗拉強度雖均有不同程度的降低,但最多降低9.7%,相比纖維體積分數,水灰比對MSFHLAC試件的劈裂抗拉強度影響較小.

經回歸分析,得到MSFHLAC劈裂抗拉強度(fft,s)與HLAC劈裂抗拉強度(ft,s)、微細鋼纖維體積分數(φf)之間的關系表達式：

fft,s=ft,s(1+0.834φf)

(2)

式(2)相關系數R=0.9832.

JGJ 51—2002中陶粒混凝土抗拉強度ft與抗壓強度fcu滿足ft=0.26fcu2/3.根據ft=1.18ft,s可知,HLAC試件的ft/fcu2/3=0.267,與規程較為接近.采用同樣方式建立MSFHLAC試件的抗拉強度fft與立方體抗壓強度ffcu間的關系,如圖2所示.

圖2 MSFHLAC試件的fft與ffcu關系Fig.2 Relationship between fft and ffcu of MSFHLAC specimens

由圖2擬合得到MSFHLAC試件的fft與ffcu關系表達式：

(3)

由圖2可見,MSFHLAC試件的拉壓強度關系理論值與試驗值吻合度較高,式(3)可以較好地反映微細鋼纖維高強輕骨料混凝土拉壓強度變化規律.

2.4 初裂抗折強度和抗折強度

初裂抗折強度可反映材料抵御初期裂縫荷載的能力.阻裂系數(ftm/fcr或fftm/ffcr)表示試件初裂后阻止裂紋開展的能力[12].各試件的阻裂系數見表2.

由表2可知,隨著微細鋼纖維體積分數(φf)的提高,MSFHLAC的初裂抗折強度和極限抗折強度均隨纖維體積分數呈線性增長,說明微細鋼纖維對HLAC具有較好的阻裂效應,阻裂系數變化范圍為1.12～1.19.調整砂率(0.36～0.42)和水灰比(0.24～0.30),試件抗折強度可降低10.0%左右,而阻裂系數僅下降4%左右.砂率和水灰比對纖維抵御初始開裂的能力影響較大,對開裂后的阻裂效應影響較小.對比文獻[4]中采用普通鋼纖維的SFHLAC阻裂系數變化范圍1.18～1.41,可知微鋼纖維對HLAC開裂后的阻裂效應低于大尺寸異型鋼纖維.微細鋼纖維對裂縫源的控制較強,試件抵御開裂的能力較好,而試件一旦開裂,微細鋼纖維較光滑短,纖維被拔出,試件的抗折強度在開裂后提高有限.

經回歸分析,得到MSFHLAC試件初裂抗折強度(ffcr)、抗折強度(fftm)與HLAC試件劈裂抗拉強度(ft,s)和微細鋼纖維體積分數(φf)之間的關系表達式：

ffcr=ft,s(1+0.167φf)

(4)

fftm=ft,s(1+0.310φf)

(5)

式(4)、(5)的相關系數R分別為0.9772和0.9995.

MSFHLAC試件的抗折強度fftm與劈裂抗拉強度fft,s、抗壓強度ffcu的關系式為：

fftm=1.94fft,s2/3

(6)

fftm=0.10ffcu

(7)

式(6)、(7)的相關系數R分別為0.9983和0.9960.

由式(7)可見,MSFHLAC試件的折壓比(抗折強度與抗壓強度之比)為0.10,與文獻[13]中陶粒混凝土的折壓比0.12非常接近.由此可知,微細鋼纖維對HLAC立方體抗壓強度的影響略微低于對抗折強度的影響.

圖3為MSFHLAC試件的fftm與ffcu、fft,s的關系.由圖3可見,擬合得到的理論值與試驗值較為吻合.

圖3 fftm、ffcu和fft,s的關系Fig.3 Relationship between fftm,ffcuand fft,s

2.5 抗剪強度

表2表明,HLAC試件的剪壓比(fv/fcu)為1/11.3,而低強度輕骨料混凝土的剪壓比為1/7.03[14],說明HLAC具有明顯的剪脆性,因此改善HLAC的剪脆性尤為重要;當φf=0.5%～2.0%時,MSFHLAC試件的抗剪強度提高幅度為54.7%～256.7%,其剪壓比可達1/8.12～1/4.87.由此可見,微細鋼纖維對HLAC的抗剪強度和剪切韌性的提高非常明顯;相比之下,一定范圍內的砂率(0.36～0.42)和水灰比(0.24～0.30)變化,對MSFHLAC試件剪切強度的影響并不大,最多減少10.3%.

經過擬合分析,得到MSFHLAC試件抗剪強度(ffv)與HLAC試件劈裂抗拉強度(fv)、微細鋼纖維體積分數(φf)之間的關系表達式：

ffv=fv(1+1.109φf)

(8)

式(8)的相關系數R=0.9983.

工程中抗剪切與抗拉是密切相關的性能[15].通過回歸分析,得到MSFHLAC的抗剪強度(ffv)與劈裂抗拉強度(fft,s)、抗壓強度(ffcu)關系表達式：

ffv=0.632fft,s1.5

(9)

(10)

文獻[16]中鋼纖維高強混凝土滿足ffv=0.96fft,s1.42,說明鋼纖維對普通高強混凝土和輕骨料高強混凝土抗剪強度貢獻率基本相同.

圖4為MSFHLAC試件ffv與ffcu、fft,s的關系.由圖4可見,試驗值與理論值吻合度較高.

圖4 ffv、ffcu和fft,s的關系Fig.4 Relationship between ffv,ffcu and fft,s

2.6 彎曲韌性

圖5為不同砂率、水灰比和微細鋼纖維體積分數下MSFHLAC試件的彎曲試驗荷載-位移曲線.由圖5可知：不同砂率、水灰比和微細鋼纖維體積分數下MSFHLAC試件的荷載-位移曲線形狀基本相

同;MSFHLAC試件的韌性和延性均隨微細鋼纖維體積分數增加而增長,砂率和水灰比對試件的韌性影響不大;微細鋼纖維體積分數從0.5%增到2.0%時,試件峰值位移從0.119mm增到0.274mm,MSFHLAC試件的延性和耗能能力變好;MSFHLAC試件的荷載-位移曲線具有明顯的屈服段,峰后荷載基本按照線性進行退化,在整個變形階段連續光滑,試件具有穩定的耗能能力.

為了定量分析MSFHLAC抵抗斷裂的能力,參照ASTM C1018—97《Standard test method for flexural toughness and first crack strength of fiber reinforced concrete》和JSCE-SF4《Method of test for flexural strength and flexural toughness of fiber reinforced concrete》進行韌性指標計算.ASTM C1018—97的韌性指數I5、I10、I30、I50和I100分別表示3.0δ、5.5δ、15.5δ、25.5δ和50.5δ時荷載-撓度曲線下的面積與初裂撓度δ對應的荷載-撓度關系曲線下的面積之比.JSCE-SF4標準的韌性指標T150為撓度l/150所對應的荷載-位移曲線下的面積.

圖5 MSFHLAC試件彎曲試驗荷載-位移曲線Fig.5 Load-displacement curves of bending test of MSFHLAC specimens

表3為按照以上方法計算的MSFHLAC的彎曲韌性指標.

由表3可知：韌性指數隨著微細鋼纖維體積分數的增長而呈線性增長,當φf由0.5%增長到2.0%時,T150增長76.4%,I100增長20.4%,證明MSFHLAC試件的韌性變好;隨著砂率和水灰比的減小,MSFHLAC試件的T150在水灰比0.27時增長6.5%,在砂率0.36時降低14.3%,材料偏離理想彈塑性材料的程度加大,尤其在砂率為0.36時,韌性指數降低較多.文獻[4]中大尺寸壓痕型鋼纖維高強輕骨料混凝土的韌性指數I5和I10與MSFHLAC的I5和I10較為接近,然而I30、I50和I100與MSFHLAC的對應韌性值偏離程度增大,文獻[4]中的I100只能達到理想彈塑性材料的22%～38%,而MSFHLAC的I100可以達到理想彈塑性材料的54%～66%,由此可見,MSFHLAC試件在大變形下表現出較好的韌性.

表3 彎曲韌性指標

3 結論

(1)微細鋼纖維對HLAC各項力學性能都具有較好的改善作用.當微細鋼纖維體積分數為2.0%時,MSFHLAC的立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度和抗剪強度分別提高40.8%、137.2%、62.1%和226.7%.這說明微細鋼纖維的摻入對HLAC的抗拉強度和抗剪強度具有顯著的增強效果,對抗折強度的增強效果為抗壓強度增強效果的1.5倍.

(2)微細鋼纖維可以顯著改善HLAC的韌性.當微細鋼纖維體積分數由0.5%增長到2.0%時,韌性指標T150增長76.4%,微細鋼纖維高強輕骨料混凝土在大變形階段的韌性指數明顯大于普通鋼纖維高強輕骨料混凝土,在整個變形階段的彈塑性較好.

(3)在一定范圍內減小砂率(0.36～0.42)和水灰比(0.24～0.30),微細鋼纖維高強輕骨料混凝土的各項力學和韌性指標的增減幅度基本在10%以內.這說明,相比鋼纖維體積分數,在一定范圍內的砂率和水灰比對微細鋼纖維高強輕骨料混凝土的影響較小.

(4)建立了微細鋼纖維高強輕骨料混凝土立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度和抗剪強度的強度擬合公式以及強度之間的相互關系.這些公式可以較好地反映微細鋼纖維高強輕骨料混凝土的強度變化規律,為相關研究提供借鑒.