鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土的力學性能試驗

梁雄雄，亢晉軍，陳晶，耿連恒，尤志國

(華北理工大學 建筑工程學院 河北 唐山 063210)

引言

輕骨料混凝土可以降低混凝土的質量，并且具有保溫和耐火的特點，粉煤灰陶粒具有輕質、成本低、原材料豐富等特點，目前很多城市在建筑工程中采用陶粒替代粗骨料。鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土可以改善普通混凝土的脆性、抗裂性能和抗彎性能等[1]。李季[2]等學者研究了鍍銅鋼纖維高強混凝土力學性能。試驗結果表明：鍍銅鋼纖維有效地改善了混凝土的脆性破壞特征。探究了鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土的力學性能，研究不同輕骨料替代率和多尺度纖維對混凝土抗壓強度和抗折強度的影響。

1試驗概況

1.1 試驗原材料

采用唐山冀東牌P.O42.5型普通硅酸鹽水泥；碎石直徑5～10 mm；中砂、細度模數為2.76；上海某公司生產的聚羧酸牌高性能減水劑，減水率為20%；粉煤灰陶粒，其成分及性能見表1、表2所示；Ⅱ級粉煤灰；硅灰；自來水；鍍銅鋼纖維，見圖1所示，其性能參數見表3所示。

表1 粉煤灰陶粒化學成分/%

表2 粉煤灰陶粒物理性能

表3 鍍銅鋼纖維性能參數

圖1 鍍銅鋼纖維

1.2 配合比及試件設計

該試驗配合比中：鍍銅鋼纖維摻量為40 kg/m3，水膠比均是0.39，水泥、用水量、減水劑、砂、硅灰及粉煤灰之間材料用量比例保持不變，粉煤灰陶粒替代率(30%、50%、70%)和鍍銅鋼纖維長度(6 mm、13 mm、17 mm)為變量。該試驗材料配合比見表4所示，其中CSF為鍍銅鋼纖維混凝土，字母前面表示輕骨料替代率，后面表示纖維長度。共設計12組抗壓強度和抗折強度試件，立方體試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，棱柱體試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。

表4 混凝土配合比設計

1.3 粗骨料特性試驗

以粗骨料特性試驗分析陶粒替代石子后粒徑分布是否合理作為依據，以50%替代率為例，具體試驗步驟如下：首先取1.5 kg碎石，將粉煤灰陶粒替代50%碎石的混合骨料放入烘箱內烘至恒溫；取篩孔為16 mm、10 mm、5.0 mm、2.5 mm的套篩，進行篩分，篩分12 min；然后取出套篩，進行手工篩分，篩出量為小于總質量的0.1%；最后量取每個套篩的剩余質量，并根據公式計算出骨料的級配見表5所示，從累計篩余量可以看出，2種骨料混合之后達到了5～16 mm的連續級配，級配效果好于單一骨料，可以在混凝土結構內易形成骨架。

表5 替代率50%的篩分試驗

2試驗方法

2.1 立方體抗壓強度試驗

立方體試件養護齡期28 d，試件從混凝土養護室取出，擦凈試件表面和上下承壓板面。試件承壓面垂直于成型時頂面，試驗機下壓板中心對準試件中心。使用2 000 kN壓力機加載，加載速率0.5～0.8 MPa/s。

2.2 抗折強度試驗

對棱柱體試件進行三分點加載，試件承壓面為試件成型時的側面，加載速率為0.15±0.02 mm/min均勻加載。

3試驗結果

立方體抗壓強度、抗折強度實測結果是取3個試件的平均值，試驗結果詳見表6。

表6 各組試件力學性能試驗結果

由表6可知，替代率為30%、50%、70%的6 mmCSF輕骨料混凝土抗壓強度與普通混凝土相比降低了12%、19%、24%，替代率為30%、50%、70%的13 mmCSF抗壓強度降低了24%、14%、5%，替代率為30%、50%、70%的17 mmCSF抗壓強度降低了11%、4%、15%。17 mmCSF替代率為50%時，其抗壓強度最大，13 mmCSF替代率為30%，抗壓強度最小。

4試驗結果分析

4.1 立方體抗壓強度

4.1.1輕骨料替代率對抗壓強度的影響

圖2所示為抗壓強度—替代率影響曲線。

圖2 抗壓強度—替代率影響曲線

由圖2可知，隨著替代率增加，6 mmCSF輕骨料混凝土抗壓強度呈下降趨勢，13 mmCSF的輕骨料混凝土抗壓強度呈先降低后增加的趨勢，當替代率從30%變化到70%，抗壓強度提高了24.5%；17 mmCSF呈先下降后增加再降低趨勢，替代率為30%抗壓強度降低最小。在鍍銅鋼纖維輕骨料混凝土中，陶粒強度低于石子，抗壓強度取決于水泥砂漿、輕骨料、部分石子、鋼纖維的性質及其相互作用。

4.1.2不同尺度纖維對抗壓強度的影響

圖3給出了抗壓強度隨著纖維長度變化的影響曲線。

圖3 抗壓強度—纖維長度影響曲線

由圖3可知：替代率為30%、50%時，隨著纖維長度的增加，抗壓強度呈現先減少后增加趨勢，但替代率為70%時，抗壓強度先增加后降低。纖維長度短(≤13 mm)和替代率低(≤50%)時，混凝土抗壓強度出現降低現象。粉煤灰陶粒替代部分石子后，混凝土的抗壓強度會下降，但對于混凝土自重和環保等方面的考慮，一定量的替代率是有優勢的。因此，建議鍍銅鋼纖維長度17 mm，輕骨料替代率為50%。

4.2 抗折強度

4.2.1輕骨料替代率對抗折強度的影響

圖4給出了抗折強度隨著輕骨料替代率變化的影響曲線。

圖4 抗折強度—替代率影響曲線

結合表6可知，替代率30%的6 mmCSF輕骨料混凝土抗折強度與替代率50%、70%的6 mmCSF輕骨料混凝土抗折強度相比分別提高了0%、21%，替代率為30%的13 mmCSF輕骨料混凝土抗折強度與替代率為50%、70%的13 mmCSF輕骨料混凝土相比均降低了16%，替代率為30%的17 mmCSF輕骨料混凝土抗折強度與替代率為50%、70%的17 mmCSF輕骨料混凝土相比抗折強度分別提高了2%、2.5%。由圖4可知，6 mm和17 mmCSF混凝土隨著輕骨料替代率的增加抗折強度降低，但17 mmCSF混凝土降低幅度大于6 mm的CSF混凝土下降幅度，13 mmCSF輕骨料混凝土抗折強度隨著替代率的增加呈先下降后增加趨勢。隨著替代率的增加，各長度曲線趨于一點，13 mm和17 mmCSF混凝土抗折強度在輕骨料替代率70%時幾乎相同，而6 mmCSF混凝土出現明顯下降，原因是鍍銅鋼纖維的抗拉強度遠大于混凝土，混凝土開裂后短纖維容易被拔出。

4.2.2不同尺度纖維對抗折強度的影響

圖5為抗折強度隨著纖維長度變化的影響曲線。

圖5 抗折強度—纖維長度影響曲線

從圖5可以看出，輕骨料混凝土低于普通混凝土的抗折強度，輕骨料替代率為30%和50%時，6 mm和17 mm的纖維長度對抗折強度影響明顯；替代率為30%時，長度13 mm的纖維混凝土抗折強度先減小后增加，當纖維從6 mm增至13 mm時，抗折強度降低了21%，而當纖維從6 mm增至17 mm時，抗折強度增加了21%。長尺度纖維與砂漿基體有較好的黏結，纖維長度越長，其抗折強度也會相應提高。

5結論

(1)輕骨料混凝土的抗壓強度均低于普通混凝土，6 mm的鍍銅鋼纖維隨著輕骨料替代率增加呈下降趨勢，在輕骨料混凝土中，17 mm鍍銅鋼纖維輕骨料替代率50%時，抗壓強度最佳。

(2)對于抗折強度，長纖維因纖維與水泥砂漿基體黏結性好且混凝土開裂后長纖維能跨越更寬裂縫提供拉力，17 mm鍍銅鋼纖維輕骨料替代率為30%時，其抗折強度最為理想。