鋼聚丙烯混雜纖維自密實輕骨料混凝土性能

吳 濤, 楊 雪, 劉 喜

(長安大學 建筑工程學院, 陜西 西安 710061)

自密實輕骨料混凝土(SCLC)是一種兼具自密實混凝土良好工作性與輕骨料混凝土輕質高強等特性的新型高性能混凝土.其澆筑時無需外力振搗,在自重作用下即可有效填充、密實鋼筋間隙和模板,尤其適用于在新建或加固工程中澆筑形體復雜、壁薄、配筋密集,以及其他振搗困難的場合[1].但相較于自密實混凝土,SCLC還具有輕骨料混凝土脆性突出、抗拉強度低等缺點,是其進一步推廣應用急需解決的問題.

已有研究表明,鋼纖維和聚丙烯纖維可在自密實混凝土中發揮阻裂、增韌作用,能有效改善混凝土的材料性能[2].Grabois等[3]和Khaloo等[4]研究表明,鋼纖維摻量增加可顯著提高自密實混凝土的抗拉強度及彎曲韌性,但對其工作性能和抗壓強度有不利影響.Iqbal等[5]研究顯示,上述結論同樣適用于SCLC.Mazaheripour等[6]研究了聚丙烯纖維對SCLC的影響,發現隨著聚丙烯纖維摻量的提高,SCLC的抗拉強度提高明顯,而其工作性能受到不同程度削弱.羅素蓉等[1]研究證明,通過優化外加劑摻量、調整配合比和砂率,可使自密實纖維混凝土的工作性能滿足要求.Sahmaran等[7]認為，將混雜纖維增強混凝土與自密實混凝土相結合,可制備同時滿足新拌狀態下工作性及硬化狀態下力學性能要求的自密實混雜纖維混凝土.于婧等[8]采用混雜鋼纖維對自密實混凝土進行改性,發現自密實混雜鋼纖維混凝土結合了鋼纖維與自密實混凝土的優勢,具有強度高,流動性、黏聚性和間隙通過性良好等優點.

盡管國內外學者針對SCLC和自密實纖維混凝土的基本力學性能開展了大量試驗研究,但對于摻入纖維,尤其是摻入混雜纖維的SCLC性能仍需進一步明確.基于此,本文采用混雜鋼纖維和聚丙烯纖維來增強SCLC,通過鋼-聚丙烯混雜纖維SCLC工作性能、基本力學性能和微觀結構試驗,研究了混雜纖維體積分數對SCLC性能的影響,以期為混雜纖維自密實混凝土的研究和應用提供數據參考.

1 試驗

1.1 試驗材料

輕骨料(LWA)：湖北宜昌產900級高強膨脹頁巖陶粒,顆粒呈碎石形且粒徑偏小,其物理力學性能及顆粒級配見表1.纖維：鋼纖維(ST)和聚丙烯纖維(PP),其中鋼纖維表面鍍銅膜作防銹處理,呈單絲狀態,聚丙烯纖維呈束狀形式,2類纖維基本物理力學性能見表2.水泥：海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥.細骨料：最大粒徑4mm的渭河中砂,細度模數為2.83.輔助膠凝材料：I級粉煤灰(表觀密度2.30kg/m3)、微硅粉(表觀密度2.79kg/m3).外加劑(SP)：BKS-199聚羧酸性高效減水劑.

表1 輕骨料物理力學性能及顆粒級配

表2 纖維物理力學性能

1.2 配合比設計

為研究不同類型和體積分數纖維對SCLC工作性能和力學性能的影響,采用固定砂石體積法[9]和全計算法[10]相結合的配合比設計方法,同時考慮輕骨料特性,設計了4組混雜纖維SCLC和1組無纖維SCLC(對照組)配合比,見表3.上述5組SCLC的水膠比(質量比,文中涉及的水膠比、摻量等除特別注明外均為質量比或質量分數)均取為0.3.膠凝材料、骨料及含水量固定不變,通過調整減水劑摻量,保證混凝土坍落擴展度為(660±20)mm.4組混雜纖維增韌SCLC配合比中,將鋼纖維體積分數固定為0.50%,聚丙烯纖維體積分數分別為0%、0.50%、0.75%和1.00%.5組SCLC制備前均對輕骨料進行預濕處理,使之達到飽和面干狀態.

表3 SCLC配合比

2 試驗方法

2.1 工作性能試驗

根據歐洲規范EFNARC中的《European guidelines for self-compacting concrete:Specification, production and use》建議,通過坍落擴展度、L型槽、V型漏斗和U型槽試驗對新拌混凝土的工作性能進行評估.相應試驗及試驗裝置見圖1.新拌SCLC的工作性能可通過流動性、黏聚性和間隙通過性3個指標進行評價.采用坍落擴展度來評價新拌SCLC的流動性，以混凝土流動擴展直徑D達到500mm時所需的時間T500和通過V型漏斗所需的時間Tv表征新拌SCLC的流動性和黏聚性;采用混凝土通過L型槽后兩端的高度比h2/h1和通過U型槽后兩側高度差Δh表征新拌SCLC的填充性和流經鋼筋的間隙通過性.表4為EFNARC規范對SCLC拌和物工作性能相關指標的建議值.

圖1 工作性能試驗及試驗裝置Fig.1 Workability tests and apparatus(size:mm)

表4 EFNARC規范對SCLC拌和物相關指標的建議值

2.2 力學性能試驗

SCLC的力學性能試驗包括抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度試驗,其具體試驗過程和加載機制依據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》和CECS 13—2009《纖維混凝土試驗方法標準》選取.SCLC的干表觀密度按JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術規程》中的破碎試件烘干法測定.每組SCLC成型6塊邊長為100mm的立方體試件、3塊尺寸為100mm×100mm×400mm的棱柱體試件.混凝土澆筑過程不振搗,試件成型后用塑料薄膜覆蓋并置于實驗室環境中,24h后拆模置于水中(水溫約23℃)養護至相應齡期或28d.采用立方體試件測定28d抗壓強度和劈裂抗拉強度,加載速率分別為6、1kN/s;采用棱柱體試件測定28d抗折強度,加載速率為0.6kN/s.試驗結果取3個試件的平均值.

2.3 微觀結構試驗

選取表3中1#～3#SCLC制成微觀試樣,分別用于骨料-基體界面區、鋼纖維-基體界面區及聚丙烯纖維-基體界面區微觀形貌的觀測.首先成型3塊尺寸為40mm×40mm×160mm棱柱形試件,同力學性能試件一同養護;達到待測齡期后,對試件進行劈裂破型,選取斷裂面中骨料或纖維與混凝土基體共存區域,制成厚度為7～10mm的試樣,將其置于丙酮中終止水化,以觀測相應齡期下斷裂面的微觀形貌.需要說明的是,采用S-4800掃描電鏡觀測前,須將試樣烘干至恒重,涂抹導電膠帶并粘貼試樣,對試樣進行噴金處理以提高導電性.

3 試驗結果與分析

3.1 工作性能

圖2為新拌SCLC的坍落擴展度試驗結果.由圖2可見,5組新拌SCLC的流動擴展直經在660～760mm 或臨近區域內,根據EFNARC規范，可被劃分為SF2級(見表4).同時,隨纖維體積分數的變化,改變減水劑摻量,新拌SCLC的坍落擴展度緩慢減小,但始終保持在一個較窄的范圍內(645～680mm).坍落擴展度結果表明,5組SCLC均具有足夠流動性.

圖2 坍落擴展度結果Fig.2 Result of slump flow

圖3為新拌SCLC坍落擴展時間(T500)與V型漏斗通過時間(Tv)的試驗結果.由圖3可見,新拌SCLC的T500和Tv均隨纖維體積分數提高而增大,表明纖維的摻入提高了混凝土的黏聚性.這一現象可通過纖維在混凝土中的分散程度、取向和體積分數解釋,纖維的存在有利于抑制輕骨料的離析,最終表現為混凝土黏聚性的增強[11].5組新拌SCLC均落在VS2VF2級區域,滿足自密實混凝土流動性和黏聚性要求.EFNARC規范認為VS2VF2級自密實混凝土有助于限制模板壓力,具有良好的抗離析性.

圖3 坍落擴展時間與V型漏斗通過時間的關系Fig.3 Relationship between T500 and Tv

圖4、5分別為新拌SCLC L型槽和U型槽試驗結果.2個圖中,灰色區域為ENFARC規范建議值范圍(h1/h2≥0.8和Δh≤30mm),在此范圍內的自密實混凝土具有良好的填充性和流經鋼筋的間隙通過性.由圖4、5可見,h1/h2和Δh的最小值分別為0.91、10mm,最大值為0.98、21mm,分別對應于無纖維SCLC和ST0.5PP1.0,表明纖維的摻入對SCLC的間隙通過性有不利影響.但5組SCLC仍在ENFARC規范的建議值范圍內,滿足自密實混凝土對L型槽和U型槽試驗的指標要求,具有良好的填充性和間隙通過性.綜上所述,5組SCLC均具有良好的流動性、黏聚性和間隙通過性,滿足自密實混凝土工作性要求.

圖4 L型槽試驗通過高度比結果Fig.4 Result of passing ratio in L-box test

圖5 U型槽試驗高度差結果Fig.5 Result of height difference in U-box test

3.2 力學性能

3.2.1比強度及抗壓強度

比強度為強度與干表觀密度的比值,用以評價輕骨料混凝土質輕高強的特性.SCLC試件28d抗壓強度及其對應的比強度見圖6.由圖6可見,SCLC試件的比強度與抗壓強度變化趨勢一致,說明SCLC試件的抗壓強度與其干表觀密度成正相關.SCLC的抗壓強度為56.7～61.7MPa,對應干表觀密度為1794～1817kg/m3,既滿足輕骨料混凝土結構的密度(1120～1920kg/m3)和強度(>17MPa)要求,也滿足高強輕骨料混凝土(>40MPa)的要求(ACI 213R-14《Guide for structural lightweight concrete》).

圖6 SCLC試件28d抗壓強度及其對應比強度Fig.6 28d compressive strength of SCLC specimens and its relationship with specific strength

由圖6還可見：無纖維SCLC(1#試件)的28d抗壓強度為57.3MPa,單獨摻入鋼纖維后SCLC(2#試件)的抗壓強度下降較小,但其比強度明顯降低,可歸因于鋼纖維的高密度;保持鋼纖維體積分數(0.50%)不變,摻入0.50%聚丙烯纖維后,SCLC(3#試件)的抗壓強度和比強度同時達到最大值61.7MPa和33.7MPa/(t·m-3),相較于無纖維SCLC分別提高15.1%和8.0%,說明2種纖維混雜后表現出正協同作用;之后隨著聚丙烯纖維體積分數的增加,SCLC試件的抗壓強度及比強度逐漸降低,特別是聚丙烯纖維體積分數為1.00%的5#試件,其抗壓強度低于無纖維SCLC(1#試件)及單摻鋼纖維SCLC(2#試件),2種纖維的正協同作用逐漸減弱.

纖維對混凝土強度的提高作用在于纖維可通過界面黏結力與混凝土共同承擔荷載,當混凝土開裂時,纖維可有效抑制裂縫的開展與延伸,改變裂縫發展方向,降低裂縫前端應力集中效應.而當摻入的纖維為低長徑比纖維,如本研究中的鋼纖維(長徑比65)時,由于纖維與混凝土基體間的黏結長度較短,鋼纖維發生拔出破壞,導致內部缺陷增多,纖維阻裂作用發揮不充分[12].另外,纖維的增強作用又與纖維在混凝土中的分布情況密切相關,在SCLC中摻入密度較大的鋼纖維后,由于纖維在自重作用下發生沉降,導致纖維分布不均勻,易在受力傳遞時產生局部應力集中現象[13].因此鋼纖維在多重因素共同作用下，最終導致混凝土強度變化不明顯或輕微降低.

在鋼纖維體積分數固定的基礎上摻入適量大長徑比(長徑比250)的聚丙烯纖維后,纖維與基體間的有效黏結面積增大,同時聚丙烯纖維的存在抑制了鋼纖維的沉降,在2種纖維共同作用下,混凝土中形成了均勻的三維纖維網,有效限制了混凝土的橫向變形[14].此外,2種纖維的彈性模量相差較大,可在不同尺度上抑制裂縫的發展[15],鋼纖維與聚丙烯纖維相互混雜,發揮了正協同作用,可有效提高SCLC(3#試件)的抗壓強度.但當聚丙烯纖維摻量超過某一限值時,纖維易在SCLC(4#試件和5#試件)中產生結團效應,使內部缺陷增加,導致混凝土的抗壓強度和比強度出現略微降低.

3.2.2劈裂抗拉強度及抗折強度

由于直接測量SCLC抗拉強度的限制條件較多,通常采用劈裂抗拉強度和抗折強度來間接衡量其抗拉性能.SCLC試件劈裂抗拉強度、抗折強度,以及拉壓比、折壓比隨纖維組合的變化分別見圖7、8.不同纖維組合下SCLC試件的劈裂抗拉強度及抗折強度增長率見表5.由圖7、8可見,與無纖維SCLC(1#試件)相比,纖維的摻入使混凝土的劈裂抗拉強度和抗折強度均有較大提升,當纖維組合為0.50%鋼纖維+0.75%聚丙烯纖維和0.50%鋼纖維+1.00%聚丙烯纖維時,SCLC(4#試件和5#試件)的劈裂抗拉強度和抗折強度分別達到了最大值,與無纖維SCLC(1#試件)相比,分別提高了80.0%和61.1%,與單摻鋼纖維的SCLC(2#試件)相比,分別提高了22.0%和48.7%.由此可見：相較于單摻鋼纖維,鋼-聚丙烯纖維混摻可顯著提高SCLC的劈裂抗拉強度和抗折強度,表現出正協同作用.在鋼-聚丙烯混雜纖維SCLC中,鋼纖維與聚丙烯纖維可在不同尺度、不同階段發揮阻裂作用,實現優勢疊加.在加載過程中,隨荷載增大,SCLC裂縫生成并延伸,開裂前期,開裂處的拉力由混凝土與跨越裂縫的纖維共同承擔,裂縫寬度繼續增加,混凝土間傳力機制失效,拉力僅由纖維承擔，直至纖維拔出或拔斷.鋼纖維單根強度高,發生拔出脫黏,可有效橋接宏觀裂縫.聚丙烯纖維長度較長,跨越裂縫數量多,但由于其彈性模量較低,一般僅對微觀裂縫有抑制作用.

表5 SCLC試件的力學性能試驗結果

圖7 SCLC試件的劈裂抗拉強度及拉壓比Fig.7 Splitting tensile strength and splitting tensile-compressive strength ratio of SCLC specimens

圖8 SCLC試件的抗折強度及折壓比Fig.8 Flexural strength and flexural-compressive strength ratio of SCLC specimens

由圖7、8還可見：SCLC試件拉壓比和折壓比的變化趨勢分別與其劈裂抗拉強度和抗折強度保持一致,分別在0.070～0.122和0.063～0.100內.這表明纖維的摻入可有效提高混凝土的拉壓比和折壓比,且隨纖維體積分數的提高,增強作用亦有增加;纖維的摻入使得混凝土抗拉強度的增長速率超過抗壓強度,從側面證實采用纖維,尤其是混雜纖維可有效改善混凝土脆性,提高其韌性.

4 微觀結構

硬化混凝土由骨料、水泥漿體及兩者間的界面過渡區(ITZ)組成,摻入纖維后會出現纖維-基體界面區,混凝土宏觀性能受其影響顯著.本文采用S-4800掃描電鏡,重點觀測SCLC骨料-基體界面區微觀結構,以及鋼纖維-基體界面區和聚丙烯纖維-基體界面區3、28d齡期的微觀結構,以期從微觀層次揭示混凝土的宏觀性能特征.主要研究內容見表6.

表6 微觀試樣及研究內容

4.1 骨料-基體界面區微觀形貌

圖9、10分別為無纖維SCLC 3、28d齡期的骨料-基體界面過渡區微觀形貌.由圖9、10可見：圖片下部的輕骨料內部充滿封閉密集的孔洞,而圖片上部混凝土基體結構密實,基本無肉眼可見孔洞;輕骨料靠近邊界處孔洞完整且距界面區有一定距離,表明輕骨料表面無明顯孔洞;輕骨料表層覆蓋一層致密結構,可從微觀層次解釋此種骨料輕質高強、吸水率低的特性.

圖9 無纖維SCLC骨料-基體界面過渡區微觀形貌(3d)Fig.9 Microstructures of ITZ between aggregates and cement paste at 3d of plain SCLC

圖10 無纖維SCLC骨料-基體界面過渡區微觀形貌(28d)Fig.10 Microstructures of ITZ between aggregates and cement paste at 28d of plain SCLC

對比圖9、10可知：無纖維SCLC 3、28d齡期時，界面區微觀結構差異明顯,早齡期(3d)界面區結構疏松,有明顯孔隙;28d齡期時界面區結構致密,無可見裂縫,輕骨料與基體間黏結緊密.界面區水化產物主要包括水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)、氫氧化鈣晶體(CH)和鈣礬石(AFt),其中C-S-H凝膠為決定混凝土基體性能的主要相[16].水化早期,細長針狀AFt與板狀CH富集在界面區,而C-S-H結晶度較低,呈纖維狀,水化反應發生在未水化水泥熟料表面,水化產物相互重疊交錯,未水化水泥熟料被水化產物包裹,有助于提高骨料與漿體間機械咬合力.養護后期界面區含水率降低,與輕骨料內部形成水壓差,此時由于輕骨料自身特有的“微泵效應”[17],輕骨料返水起到內養護的作用,使水化反應充分發展,水化產物增多且相互嚙合,界面區密實度明顯提高(圖10(d)).另外,粉煤灰與CH間發生火山灰反應,反應產物可有效填充毛細孔,進一步提高了骨料與基體間界面區的密實性,界面區微觀結構得到優化.

4.2 纖維-基體界面區微觀形貌

圖11、12分別為混雜SCLC 28d齡期時鋼纖維/聚丙烯纖維-基體界面區微觀形貌.由圖11、12可見：鋼纖維和聚丙烯纖維表面均富集了大量水化物,說明纖維與水泥基體間黏結性良好;混凝土拌制過程中因骨料碰撞導致纖維表面有輕微損傷,增強了纖維與水泥基體間的摩擦和黏結行為[18].

圖11 混雜纖維SCLC鋼纖維-基體界面區微觀形貌(28d)Fig.11 Microstructures of ITZ between ST fiber and cement paste at 28d of hybrid fiber SCLC

圖12 混雜纖維SCLC聚丙烯纖維-基體界面區微觀形貌(28d)Fig.12 Microstructures of ITZ between PP fiber and cement paste at 28d of hybrid fiber SCLC

在混凝土硬化過程中,鋼纖維與聚丙烯纖維由于表面相對憎水,周圍出現泌水現象,水膜層厚度增大、離子濃度降低,導致纖維-基體界面區水膠比較高,易形成粗大晶體富集層,界面區孔隙率增大.因纖維表面光滑,與基體間機械咬合力較小,且兩者間不發生化學作用,纖維與基體間存在微細孔隙(圖11(c)和圖12(c)).另外,水泥漿體在水化過程中的自收縮作用增加了纖維與基體間距[19].在多重因素共同作用下,纖維-基體界面區結構較為松散,與Li等[19]、董祥[20]研究結果一致.

5 結論

(1)5組新拌SCLC均具有良好的流動性、黏聚性和間隙通過性,可滿足自密實混凝土工作性要求,隨著纖維體積分數的增加,新拌SCLC的工作性輕微降低.

(2)單摻鋼纖維使SCLC抗拉強度提高,而對其抗壓強度影響較小;鋼纖維和聚丙烯纖維混摻可顯著提高SCLC的抗壓強度及抗拉強度.2種纖維可在混凝土中形成三維纖維網,在不同結構層次、不同受荷階段發揮阻裂效果,產生正協同作用.

(3)隨著養護齡期的延長,SCLC的骨料-基體界面區微觀結構密實度明顯提高.早齡期該界面區結構疏松,有明顯孔隙;養護后期,輕骨料返水起到內養護的作用,使得水化反應充分發展,28d齡期時界面區結構致密且無可見裂縫,輕骨料與基體黏結緊密.

(4)纖維與水泥漿體間良好的黏結性能可通過纖維表面附著的密集水化物體現.與骨料-基體界面區相比,纖維-基體間存在微細孔隙,該界面區結構較為松散.