纖維增強SCLC在裝配式建筑結構中的應用研究

孫海軍

（河南六建建筑集團有限公司，河南洛陽 471000）

普通混凝土自重大、韌性不足且抗裂性差，難以在大跨度、超高層以及復雜結構的建筑中應用，隨著建筑技術要求不斷提升，對新型建筑材料的需求日益增多，而裝配式建筑結構具有施工效率高、施工質量易于控制等優勢，正逐漸成為當今建筑產業化的發展趨勢，如何提升裝配式建筑材料和結構的性能成為當下的熱點話題［1］。

為了改善普通混凝土自重大的問題，自密實輕質混凝土（SCLC）應運而生，SCLC的表觀密度一般小于1950kg/m3，具有坍落度大、工作性能好等特點，但也存在著脆性大（韌性不足）、抗裂性大等缺點［2-4］，為了改善這一缺陷，向其加入纖維成為一項不錯的選擇，通過利用纖維自身具有的高抗拉強度和良好的延伸特性，可以顯著提升SCLC的韌性和抗裂性，雖然目前已有一些關于纖維增強SCLC的研究［5-8］，但將其應用到裝配式結構中的研究還比較鮮見。

本文設計了玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維增強SCLC，并將其應用到壓型鋼板- SCLC裝配式組合樓板結構中，以期能為裝配式建筑材料的研究與應用普及提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

水泥：選用PO42.5普通硅酸鹽水泥，標準稠度為26.5%，比表面積為342m2/kg，表觀密度為3g/cm3，初凝和終凝時間分別為188min和395min，28d抗壓和抗折強度分別為45.6MPa和9MPa；粗骨料：粉煤灰陶粒，粒徑為6~18 mm，表觀密度為1675kg/m3，堆積密度為975kg/m3，含水率為0.8%，1h吸水率為9.6%，筒壓強度為6.5MPa；細骨料：頁巖陶粒，表觀密度為1085kg/m3，堆積密度為950kg/m3，堆積孔隙率>26%，不均勻系數<1.25；粉煤灰：I級，平均細度為8.6%，需水比為93%，燒失量為0.68%，三氧化硫含量0.78%，含水率0.14%；礦渣粉：S95磨細礦渣粉；減水劑：聚羧酸減水劑，減水率為25%，含固量為20.35%，含氣量為3.85%，泌水率比為28%；纖維：為保證混凝土具有足夠的輕質性，選用玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維分別進行配比試驗，三種纖維的性能參數見表1。

表1 三種纖維性能參數Table 1 Performance parameters of three fibers

1.2 試驗方案

纖維增強SCLC的配制需要在自密實輕骨料的配合比上進行，本文以L30強度等級的輕骨料混凝土為計算配合比的依據，按照JGJ/T 12-2019《輕骨料混凝土應用技術標準》中的相關規定：新拌SCLC混凝土的坍落擴展度等級必須滿足SF1（550~650 mm），擴展時間必須滿足VS（2s≤T50≤5s），坍落擴展度與 J 環擴展度差值必須滿足PA1（25mm≤PA1≤50mm），浮漿百分比必須滿足SR2（≤15%）。調整膠凝材料用量、體積砂率以及用水量三個因素，首先設計了13組自密實輕骨料混凝土的配合比方案，見表2。通過13組配合比方案確定出SCLC的最優配比后，再摻入不同用量的纖維，確定最佳的纖維摻量。

表2 試驗配合比方案Table 2 Test mix proportion scheme

1.3 試驗過程

試驗前先對粉煤灰陶粒進行預濕處理24h，接著稱取對應質量的原材料，向強制式攪拌機內依次摻入陶粒砂、水泥、粉煤灰和礦渣粉，攪拌時間為60s，然后向攪拌筒中摻入預濕處理的粉煤灰陶粒，并摻入80%的用水量和減水劑，再次攪拌60s，緊接著再向攪拌機內摻入剩余的20%用水量（有纖維時還應在此刻加入纖維），繼續攪拌60s，將拌制好的拌合物盡快進行工作性能測試，最后裝入混凝土試件模具中，養護對應時間，進行相應的力學性能測試。

2 最佳配合比確定

2.1 工作性能

不同配合比下SCLC的坍落擴展度試驗結果如圖1所示。從圖1可以看到：當膠凝材料（水泥+粉煤灰+礦渣粉）用量一定時，凈水量越多，混凝土的坍落度越大；隨著膠凝材料的增加，混凝土的坍落擴展度逐漸減小，砂率增加，可在一定程度上降低坍落擴展度，這主要是因為增加砂率可以消耗多余阻礙混凝土漿體流動的漿體，但是當凈用水量較大或者減水劑用量過大時，可能會造成坍落度超出坍落擴展度規定的上限值（如試驗9、11、12組）；對13組配合比下的坍落擴展度進行方差分析，結果發現三項因素對SCLC坍落擴展度的影響大小依次為：凈用水量>膠凝材料用量>體積砂率，因此在考慮SCLC工作性能時，應優先考慮凈用水量，其次為膠凝材料用量，再次為體積砂率。

圖1 坍落擴展度試驗結果Fig. 1 Slump expansion test results

2.2 力學性能

不同配合比下SCLC的28d抗壓強度試驗結果如圖2所示。從圖2可知：當凈用水量一定時，隨著膠凝材料用量的增加，混凝土的強度逐漸增大，膠凝材料用料太小時，混凝土強度達不到L30強度等級對于配制強度(38.225MPa)的要求，達到這一要求的試驗組分別為3、4、7、8、10、12和13，膠凝材料摻量分別為527 、527、501、501、527、527、501 kg/m3。膠凝材料用量低于501kg/m3或者膠凝材料用量為501kg/m3，但減水劑用量同時也較低時，強度達不到設計要求；對13組配合比下的28d抗壓強度進行方差分析，結果發現三項因素對SCLC強度的影響大小依次為：膠凝材料用量>凈用水量>體積砂率，因此在考慮SCLC力學性能時，應優先考慮膠凝材料用量，其次為凈用水量，再次為體積砂率。

圖2 28d抗壓強度試驗結果Fig. 2 28d compressive strength test results

2.3 SCLC最優配比

綜合考慮SCLC的工作性能和力學性能，對試驗結果進行響應面交互作用分析，結果表明當SCLC膠凝材料用量為527kg/m3，凈用水量為184kg/m3，體積砂率為46%時，SCLC的綜合性能最佳，此時混凝土的坍落擴展度為640mm，28d抗壓強度為39.3MPa。SCLC最優配合比情況見表3。

表3 SCLC最優配合比方案Table.3 SCLC optimal mix proportion scheme

2.4 纖維最佳摻量

在SCLC最優配比基礎上，向混凝土中分別摻入不同種類的纖維，以提高SCLC的韌性和抗裂性，但是摻入纖維會降低混凝土的流動度，從而使混凝土的坍落擴展度達不到設計要求，為了改善纖維增強混凝土的工作性能，向混凝土中摻入纖維的同時，提高減水劑的用量，從而使纖維增強SCLC的工作性能依然滿足設計要求。通過多組試驗，最終確定了玄武巖纖維增強SCLC的最佳摻量為纖維0.2%+減水劑1.0%，聚乙烯醇纖維增強SCLC的最佳摻量為：纖維0.05%+減水劑1.2%，聚丙烯纖維增強SCLC的最佳摻量為：纖維0.06%+減水劑1.1%，不同SCLC的工作性能見表4。從表4中可知：摻入纖維后，混凝土的SF1有所減小，且擴展時間均有所增加，這是因為纖維摻入后會阻礙拌合物的流動，漿體的粘聚性增大導致坍落擴展度減小，但是都滿足JGJ/T 12-2019中的相關規定。摻入纖維后，混凝土的PA1有所減小，表明纖維增強SCLC的鋼筋間隙通過性、抗離析性以及自流平能力有所減弱，但仍滿足設計要求；當摻入纖維后，SCLC的SR2有所減小，表明纖維可以減小混凝中的浮漿百分比，提升抗離析性能，這是因為纖維三向隨機分布特性可以同裹挾著漿體，使得纖維與骨料之間的界面摩擦力增大，從而抑制骨料周圍富裕漿體的離析性。

表4 纖維增強SCLC工作性能Table 4 Working performance of fiber reinforced SCLC

3 纖維增強SCLC基本力學性能

3.1 強度性能

不同纖維增強SCLC試驗組的強度試驗結果如圖3所示。從圖3中可知：當摻入纖維后，SCLC的抗壓強度有所降低，玄武巖纖維增強SCLC、聚乙烯醇纖維增強SCLC和聚丙烯纖維增強SCLC的28d抗壓強度分別較SCLC降低2%、1.5%和0.7%，但是摻入纖維后，會使SCLC的抗拉和抗折強度得到顯著增強，其中抗拉強度分別較SCLC提高18.3%、13.5%和6.3%，抗折強度分別較SCLC提高16.7%、13%和10.5%，這是因為纖維在混凝土漿體中呈雜亂無規律的分布，避免不了有些區域由于攪拌不均勻形成薄弱界面，從而導致抗壓強度降低，但是纖維摻入后，由于其增強了纖維與骨料界面的摩阻力，使得混凝土在裂縫擴展過程中能夠表現出較強的拉結和阻裂效應，同時纖維摻入可以抑制混凝土早期裂縫的產生，使得抗彎性能增強。

圖3 纖維增強SCLC強度特征Fig. 3 Strength characteristics of fiber reinforced SCLC

3.2 彈性模量

不同纖維增強SCLC試驗組的彈性模量試驗結果如圖4所示。從圖4中可知：A、B、C、D四組的彈性模量分別為21.5、23.1、22.2、21.3 GPa，在SCLC中摻入玄武巖纖維之后，彈性模量提升了7.5%，摻入聚乙烯醇纖維之后彈性模量提升了3.3%，摻入聚丙烯纖維之后，彈性模量則降低了0.94%，這說明高強高彈模的玄武巖和聚乙烯醇纖維對SCLC彈性模量有改善作用，而低強低彈模的聚丙烯纖維對SCLC彈性模量反而有一定的抑制作用，主要是因為聚丙烯纖維在攪拌過程中易結團成球，導致混凝土試件中形成較多的薄弱界面，從而影響混凝土的彈性模量。

圖4 纖維增強SCLC彈性模量特征Fig.4 Elastic modulus characteristics of fiber reinforced SCLC

3.3 收縮性能

不同纖維增強SCLC試驗組的收縮率隨時間的變化特征如圖5所示。從圖5中可知：在養護初期（0~3d），不同試驗組均出現了不同程度的膨脹現象，這是因為陶粒、陶粒砂等輕骨料具有吸水和儲水功能，當溫度升高后，這些水分會在試件內部形成蒸汽壓力，從而導致微膨脹現象產生；隨著水化反應繼續進行，時間內部水分被消耗殆盡，各試驗組逐漸開始出現混凝土收縮現象，60d過后，A、B、C、D四個試驗組的收縮率分別為383.9×10-6、298.7×10-6、322×10-6、345.5×10-6，由此可見，摻入纖維可以抑制SCLC的自由收縮和干燥收縮，摻入玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維之后，收縮率分別較SCLC試驗組降低了22.2%、16.1%和10%。

圖5 纖維增強SCLC收縮率變化特征Fig. 5 Variation characteristics of fiber reinforced SCLC shrinkage

4 壓型鋼板- SCLC裝配式結構力學特性

4.1 有限元模型構建

基于上述試驗成果，將不同材料的自密實輕質混凝土應用到壓型鋼板- SCLC裝配式結構力學特性中。首先采用ABAQUS有限元數值分析軟件建立壓型鋼板-SCLC組合樓板模型［9-10］，在模型當中，壓型鋼板選用S350型，鋼板截面形式包括閉口式和燕尾式兩種，每種截面形式的厚度為1mm和1.2mm，鋼板屈服強度取值為350MPa；鋼筋選用HRB400，φ=6mm，@=200mm，鋼筋極限伸長率為18.8%，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3；根據上文試驗結果，四種纖維增強SCLC材料的參數取值見表5。整個壓型鋼板- SCLC組合樓板模型的尺寸為長×寬×厚=3200mm×600mm×120mm(或150mm)，混凝土采用C3D8R單元，壓型鋼板采用S4R單元，鋼筋采用T3D2單元，壓型鋼板與纖維增強組合樓板之間設置為“硬接觸”，建立的壓型鋼板- SCLC組合樓板有限元模型如圖6所示。

表5 維增強SCLC材料參數取值Table 5 Parameter values of 3D reinforced SCLC materials

圖6 壓型鋼板- SCLC組合樓板有限元模型Fig.6 Finite element model of profiled steel sheet SCLC composite floor

4.2 纖維種類對抗彎性影響

對四種壓型鋼板（燕尾型厚1.0mm）-纖維增強SCLC（厚120mm）組合樓板進行荷載-撓度曲線的模擬分析，結果如圖7所示。從圖7中可以看到：壓型鋼板-纖維增強SCLC組合樓板的荷載-撓度曲線分為三個階段：彈性變形階段、彈塑性變形階段以及峰后殘余變形階段，彈性變形階段，四種組合樓板的荷載-撓度曲線基本一致，隨著荷載繼續增大，組合樓板進入彈塑性發展階段，撓度增長速度變快，且撓度發展逐漸出現差異，當撓度達到18mm時，采用SCLC的組合樓板達到峰值荷載74kN，當撓度為24mm時，采用玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維以及聚丙烯纖維增強SCLC的組合樓板分別達到峰值荷載，峰值荷載分別為71、69.5、74 kN，由此可見，當壓型鋼板參數和組合樓板厚度不變的情況下，摻入纖維對組合樓板的承受力影響不大，但能大大提升組合樓板的韌性和抗裂性，這是因為在纖維在混凝土中呈亂向分布，纖維具有很強的抗拉強度，同時纖維與骨料之間具有很大摩阻力，裂縫在發展過程中會受到更大的阻力，裂縫發展速度變換，從而延長了組合樓板的破壞時間，可以為地震等災害情況下預留更多的逃生時間。

圖7 四種壓型鋼板-纖維增強SCLC組合樓板荷載-撓度曲線Fig. 7 Load deflection curves of four profiled steel plate fiber reinforced SCLC composite floors

4.3 鋼板厚度及樓板厚度對抗彎性影響

設計了六種不同鋼板參數和樓板厚度的抗彎性模擬試驗，分別為YL1：閉口式壓型鋼板（1.0mm）-聚乙烯醇纖維增強SCLC（120mm）組合樓板，YL2：閉口式壓型鋼板（1.2mm）-玄武巖纖維增強SCLC（120mm）組合樓板，YL3：閉口式壓型鋼板（1.2mm）-聚丙烯纖維增強SCLC（150mm）組合樓板，YL4：燕尾式壓型鋼板（1.0mm）-聚乙烯醇纖維增強SCLC（120mm）組合樓板，YL5：燕尾式壓型鋼板（1.2mm）-玄武巖纖維增強SCLC（120mm）組合樓板，YL6：燕尾式壓型鋼板（1.0mm）-聚丙烯纖維增強SCLC（150mm）組合樓板。

模擬試驗得到的荷載-撓度曲線如圖8所示。從圖8中可知：當壓型鋼板參數不變時，將纖維增強SCLC組合樓板厚度由120mm增大至150mm后，YL3的峰值荷載較YL2增大約49.3%，YL6的峰值荷載較YL4增加約50%，但是增大組合樓板厚度后，峰值荷載所對應的撓度值均降低了約32%；當壓型鋼板截面形式以及組合樓板厚度一定時，增加壓型鋼板厚度，組合樓板的峰值荷載（YL2較YL1，YL5較YL4）均增大約10%，但峰值荷載所對應的撓度值均降低了約20%，由此可見，不管是增大鋼板厚度還是增大組合樓板厚度，都可以提升樓板結構的受彎承載力，但是當厚度增大時，會在受壓區導致部分混凝土結構過早發生壓壞，即有點類似于“超筋破壞”。當壓型鋼板和組合樓板厚度一定時，采用閉口式壓型鋼板的組合樓板承載特性相較于燕尾式壓型鋼板組合樓板的承載力略大（YL4較YL1，YL5較YL2）。

圖8 鋼板參數、樓板厚度對組合樓板抗彎性影響Fig. 8 Influence of steel plate parameters and floor thickness on bending resistance of composite floor

5 結論

采用室內試驗和數值模擬方法，對不同纖維增強自密實輕質混凝土的最佳配合比、工作性能、力學性能以及在壓型鋼板- SCLC裝配式組合樓板結構中的應用進行了分析，得出如下結論：

（1）SCLC的最佳配比為：膠凝材料用量為527 kg/m3，凈用水量為184 kg/m3，體積砂率為46%；玄武巖纖維增強SCLC的最佳纖維摻量為纖維0.2%+減水劑1.0%，聚乙烯醇纖維增強SCLC的最佳摻量為纖維0.05%+減水劑1.2%，聚丙烯纖維增強SCLC的最佳摻量為纖維0.06%+減水劑1.1%。

（2）纖維對SCLC抗壓強度的影響不大，可以明顯提升抗拉強度、抗折強度和收縮性能；高強高彈模的玄武巖和聚乙烯醇纖維對SCLC彈性模量有明顯改善作用，但低強低彈模的聚丙烯纖維對SCLC彈性模量反而有一定的減弱作用。

（3）纖維對壓型鋼板- SCLC裝配式組合樓板的抗彎承載力影響不大，但可以明顯提升撓度變形，提升幅度可達1/3；增加組合樓板或者鋼板厚度都可以提升樓板結構的受彎承載力，但可能會引發“超筋破壞”，同時變形性能也會降低，此時采用纖維來增強組合樓板的變形性能就顯得尤為重要；當壓型鋼板和組合樓板厚度一定時，采用閉口式壓型鋼板的組合樓板承載特性相較于燕尾式壓型鋼板組合樓板的承載力略大。