塑鋼纖維輕骨料混凝土力學(xué)性能及最佳纖維摻量試驗(yàn)研究

牛建剛，李京軍，尹亞柳，李云云

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，包頭　014010；2.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶　400045)

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塑鋼纖維輕骨料混凝土力學(xué)性能及最佳纖維摻量試驗(yàn)研究

牛建剛1，李京軍1，尹亞柳2，李云云1

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，包頭014010；2.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400045)

以不摻塑鋼纖維的LC30輕骨料混凝土為基準(zhǔn)，研究了塑鋼纖維摻量變化(5kg/m3、7kg/m3、9kg/m3、11kg/m3、13kg/m3)對(duì)輕骨料混凝土抗壓、劈裂抗拉、抗折、彎曲韌性及抗沖擊性能的影響，結(jié)果表明：塑鋼纖維對(duì)輕骨料混凝土抗壓性能改善效果不明顯，但能顯著提高輕骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彎曲韌性及抗沖擊性能。綜合各項(xiàng)性能指標(biāo)給出塑鋼纖維用于結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土的建議摻量為9kg/m3。

塑鋼纖維； 輕骨料混凝土； 力學(xué)性能； 纖維摻量

1　引　言

輕骨料混凝土相對(duì)于普通混凝土而言具有輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫隔熱效果好、抗震性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)[1,2]。但目前大多數(shù)輕骨料混凝土強(qiáng)度較低，且容易產(chǎn)生脆性破壞等性能缺陷，致使我國輕骨料混凝土仍主要應(yīng)用于低強(qiáng)度的非承重結(jié)構(gòu)。研究表明，將纖維作為增強(qiáng)材料摻入輕骨料混凝土中，既能將輕骨料混凝土的輕質(zhì)高強(qiáng)等獨(dú)特性能優(yōu)勢(shì)傳承下來，又能有效克服混凝土的脆性問題，同時(shí)起到改善輕骨料混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能的作用[3,4]。

塑鋼纖維具有彈性模量大、抗拉強(qiáng)度高等特點(diǎn)，能夠應(yīng)用于建筑工程中抑制混凝土裂縫開展，是一種應(yīng)用前景廣闊的混凝土增強(qiáng)材料。

目前，關(guān)于塑鋼纖維摻入輕骨料混凝土的試驗(yàn)研究才剛剛起步。向曉峰等[5]研究了塑鋼纖維對(duì)輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度、抗劈拉強(qiáng)度以及表觀密度的影響，結(jié)果表明：塑鋼纖維對(duì)輕骨料混凝土的表觀密度、抗壓強(qiáng)度沒有顯著影響，但能顯著改善輕骨料混凝土的抗拉性能。牛建剛等[6]研究了在輕骨料混凝土中分別摻入不同摻量的鋼纖維以及塑鋼纖維，得出其在力學(xué)性能方面的差異。王丹等[7]研究了塑鋼混雜纖維輕骨料混凝土在不同應(yīng)變率和加載方式時(shí)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和變化規(guī)律。

綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，關(guān)于塑鋼纖維輕骨料混凝土的研究并不全面，研究主要集中于某一項(xiàng)特定性能。塑鋼纖維輕骨料混凝土應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)時(shí)纖維摻量取值沒有科學(xué)合理的依據(jù)，大多數(shù)時(shí)候是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的。因此本文通過對(duì)塑鋼纖維輕骨料混凝土的抗壓、劈裂抗拉、抗折、彎曲韌性等進(jìn)行試驗(yàn)，研究了塑鋼纖維摻入后對(duì)輕骨料混凝土的影響，綜合各項(xiàng)性能指標(biāo)探究了塑鋼纖維的最佳摻量。

2　試　驗(yàn)

2.1試驗(yàn)原材料及配合比

水泥：包頭市蒙西水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·O42.5R普通硅酸鹽水泥；粗骨料：包頭市精正建材公司生產(chǎn)的圓球型粉煤灰陶粒，性能指標(biāo)見表1；細(xì)骨料：普通河砂，含泥量2.1%，堆積密度1547kg/m3；塑鋼纖維：浙江寧波大成新材料股份有限公司生產(chǎn)的異型塑鋼纖維，性能指標(biāo)見表2；減水劑：萘系高效減水劑，減水率為20%。

表1　塑鋼纖維性能指標(biāo)

表2　粗骨料性能指標(biāo)

試驗(yàn)采用松散體積法對(duì)輕骨料混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為LC30，具體配合比(kg/m3)為：水泥420、粗骨料660、砂681、水185、減水劑5.03。以不同塑鋼纖維摻量的輕骨料混凝土作為試驗(yàn)組，塑鋼纖維摻量分別為5kg/m3、7kg/m3、9kg/m3、11kg/m3、13kg/m3，對(duì)應(yīng)的減水劑用量分別為5.28kg/m3、5.53kg/m3、5.78kg/m3、6.03kg/m3、8.28kg/m3。

圖1　彎折韌性試驗(yàn)裝置Fig.1　Bending toughness test device

圖2　抗沖擊試驗(yàn)裝置Fig.2　Anti-impact test device

2.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)及《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS13：2009)實(shí)施?？箟涸囼?yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)試件尺寸為150mm×150mm×150mm，每組3個(gè)；彎折韌性試驗(yàn)裝置見圖1，試件尺寸為100mm×100mm×400mm，每組3個(gè)；抗沖擊性能試驗(yàn)參考ACI544委員會(huì)規(guī)定，采用自制落錘試驗(yàn)裝置，落錘重3kg，下落高度為300mm，試驗(yàn)裝置見圖2，試件尺寸為100mm×100mm×400mm，每組6個(gè)。

3　塑鋼纖維輕骨料混凝土力學(xué)性能研究

圖3　荷載-撓度曲線Fig.3　Load-deflection curve

3.1力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

在抗折強(qiáng)度試驗(yàn)中，將荷載和梁跨中撓度接入高速靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀(TDS-530)中，將數(shù)據(jù)采集儀測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合處理后，得到不同纖維摻量下輕骨料混凝土荷載-撓度曲線如圖3所示。

觀察圖3可知，不摻纖維輕骨料混凝土試件幾乎無法測(cè)得曲線下降段，而摻入纖維后，可測(cè)得較完整的荷載-撓度曲線，曲線走勢(shì)基本相同，且隨纖維摻量增加，曲線趨于豐滿，試塊達(dá)到峰值荷載的變形能力不斷增加，與峰值荷載相對(duì)應(yīng)的撓度值不斷增加，曲線下降段趨于平緩。

表3　試驗(yàn)結(jié)果

注：CA代表采用圓球型粉煤灰陶粒配制的輕骨料混凝土，后面的數(shù)字00、05、07、09、11、13分別表示在1m3輕骨料混凝土中所摻入的塑鋼纖維的質(zhì)量；N1為初裂次數(shù)；N2為破壞次數(shù)。

抗折強(qiáng)度是在圖3荷載-撓度曲線基礎(chǔ)上，采用公式(1)計(jì)算得到；塑鋼纖維輕骨料混凝土的沖擊性能用初裂耗能W1及破壞耗能W2表示，分別采用公式(2)、(3)計(jì)算；所得各項(xiàng)強(qiáng)度結(jié)果列于表3。

ffc,m=FmaxL/(bh2)

(1)

W1=N1mg

(2)

W2=N2mg

(3)

式中：ffc,m為抗折強(qiáng)度；Fmax為極限荷載；L、b、h分別為支座間距、試件截面寬度和試件截面高度。

3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

從表3可知，(1)塑鋼纖維能夠改善輕骨料混凝土的抗壓性能及劈裂抗拉性能，且對(duì)后者強(qiáng)度提高效果更顯著；(2)塑鋼纖維能夠顯著提高輕骨料混凝土抗折強(qiáng)度及彎曲韌性，主要是因?yàn)殡S機(jī)分布的纖維能夠抑制混凝土內(nèi)部原生裂紋開展，延緩混凝土開裂破壞，能夠?qū)奢d作用下的試件起到彈性緩沖作用，同時(shí)搭接在裂縫處纖維對(duì)裂縫兩端混凝土起到橋聯(lián)作用。

塑鋼纖維輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度隨纖維摻量增加均呈先增后減趨勢(shì)變化，當(dāng)纖維摻量為9kg/m3時(shí)取得極值。以CA00組試件各項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)為基準(zhǔn)，纖維摻量為9kg/m3時(shí)對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度為43.00MPa，比基準(zhǔn)組高8.6%；劈裂抗拉強(qiáng)度為3.68MPa，比基準(zhǔn)組高33.3%；抗折強(qiáng)度為5.95MPa，比基準(zhǔn)組高45.8%。當(dāng)塑鋼纖維摻量超過9kg/m3時(shí)，出現(xiàn)下降趨勢(shì)。主要原因是摻入過量塑鋼纖維，纖維比表面積增加，纖維周圍缺乏足夠水泥漿體包裹與填充，使得混凝土內(nèi)部密實(shí)度降低，產(chǎn)生較多缺陷，從而對(duì)輕骨料混凝土的強(qiáng)度不利。

表3中輕骨料混凝土初裂耗能隨塑鋼纖維摻量增加呈現(xiàn)緩慢遞增趨勢(shì)變化，而破壞耗能大幅度提升。這是由于在沖擊初期，輕骨料混凝土與塑鋼纖維共同承受外力，前者是外力的主要承受者；試件出現(xiàn)裂紋后，搭接在裂縫上的纖維成為受力的主要承擔(dān)者[11]。輕骨料混凝土的抗破壞沖擊性能在選定的纖維摻量范圍內(nèi)隨纖維摻量增加一直呈增大趨勢(shì)變化，未得出纖維最佳摻量。

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，盡管當(dāng)纖維摻量超過9kg/m3時(shí)，試件破壞耗能仍然大幅度提高，但會(huì)造成其在攪拌過程中結(jié)團(tuán)，對(duì)輕骨料混凝土的抗沖擊性能及其它力學(xué)性能指標(biāo)產(chǎn)生不利影響，當(dāng)塑鋼纖維摻量為9kg/m3時(shí)試件對(duì)應(yīng)破壞耗能為1937.49J，是CA00組試件的48.8倍，所以當(dāng)纖維摻量為9kg/m3時(shí)能夠顯著提高輕骨料混凝土的抗沖擊破壞性能。因此當(dāng)考慮到經(jīng)濟(jì)性和拌合工藝要求時(shí)，給出塑鋼纖維輕骨料混凝土抗沖擊破壞性能指標(biāo)下纖維推薦使用摻量為9kg/m3。

3.3塑鋼纖維輕骨料混凝土力學(xué)性能指標(biāo)評(píng)價(jià)

(1)脆性指標(biāo)、抗開裂指標(biāo)

混凝土的拉壓比可以間接衡量混凝土的脆性程度，拉壓比越小，試件脆性程度越明顯?；炷恋恼蹓罕瓤梢苑从郴炷猎嚰目归_裂能力，折壓比越大，試件抗開裂效果越顯著。根據(jù)表3可求得塑鋼纖維輕骨料混凝土的拉壓比、折壓比，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4　塑鋼纖維輕骨料混凝土拉壓比、折壓比及沖擊延性指標(biāo)

根據(jù)表4中試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪出纖維摻量對(duì)輕骨料混凝土拉壓比及折壓比的影響曲線，如圖4所示。

圖4　纖維摻量對(duì)輕骨料混凝土拉壓比及折壓比的影響Fig.4　Effect of fiber content on the tension compression ratio and flexural-compressive strength ratio of LWAC

圖5　纖維摻量對(duì)沖擊延性指標(biāo)的影響Fig.5　Effect of fiber content on the impact ductility indices of LWAC

由圖4可知，輕骨料混凝土拉壓比、折壓比峰值點(diǎn)均出現(xiàn)在9kg/m3。說明當(dāng)從輕骨料混凝土能夠避免脆性問題以及抗開裂角度考慮時(shí)，給出塑鋼纖維輕骨料混凝土的纖維建議摻量為9kg/m3。

(2)韌性指標(biāo)

韌性是混凝土材料強(qiáng)度與變形的綜合概括[8]，目前對(duì)于混凝土的韌性評(píng)價(jià)還沒有統(tǒng)一的方法[9]。鄧宗才等[10]認(rèn)為，對(duì)于粗合成纖維當(dāng)撓度為2mm時(shí)仍具有較強(qiáng)增韌效果，為此提出以撓度為2mm作為計(jì)算纖維混凝土的結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。剩余強(qiáng)度基于圖3荷載-撓度曲線，采用公式(4)計(jì)算得出，所得韌性指標(biāo)列于表3。

SAR=L(P0.5+P1.0+P1.5+P2.0)/(4bh2)

(4)

式中：Pi為對(duì)于試件撓度為imm時(shí)的荷載，i可取為0.5、1.0、1.5、2.0。

從表3可知，塑鋼纖維能夠纖維改善輕骨料混凝土的彎曲韌性。剩余強(qiáng)度隨纖維摻量增加呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)變化，當(dāng)纖維摻量為9kg/m3時(shí)取得極值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的剩余強(qiáng)度為6.54MPa，比CA05組試件高21.6%。

(3)沖擊延性指標(biāo)

混凝土開裂后耗能和變形能力可以通過延性指標(biāo)反映，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的使用安全性具有重要的意義，采用下式計(jì)算輕骨料混凝土的延性指標(biāo)β，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

β=(N2-N1)/N1

(5)

由圖5可知，輕骨料混凝土沖擊延性指標(biāo)隨塑鋼纖維摻量的增加呈現(xiàn)較大幅度增長趨勢(shì)，說明塑鋼纖維能顯著提高混凝土的沖擊延性，混凝土結(jié)構(gòu)的安全性隨纖維摻量的增加而加強(qiáng)。但當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)在滿足規(guī)范規(guī)定的可靠度即安全性、適用性、耐久性的要求時(shí)，尚應(yīng)從經(jīng)濟(jì)性等方面考慮。當(dāng)纖維摻量超過9kg/m3時(shí)盡管能夠大幅度提高輕骨料混凝土的延性指標(biāo)，但纖維摻入過量時(shí)會(huì)造成其他強(qiáng)度指標(biāo)及其他性能指標(biāo)的降低，對(duì)輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)面影響。

3.4輕骨料混凝土中塑鋼纖維最佳摻量提出

通過本文所開展的關(guān)于塑鋼纖維輕骨料混凝土的一系列力學(xué)性能試驗(yàn)，根據(jù)塑鋼纖維摻量對(duì)輕骨料混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，綜合脆性指標(biāo)、抗開裂指標(biāo)、韌性指標(biāo)及混凝土的沖擊延性指標(biāo)，給出塑鋼纖維輕骨料混凝土用于結(jié)構(gòu)時(shí)塑鋼纖維建議摻量為9kg/m3。

4　結(jié)　論

(1)塑鋼纖維能在一定程度上改善輕骨料混凝土的抗壓性能，能夠顯著提高輕骨料混凝土的抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度，彎曲韌性以及抗沖擊性能；

(2)輕骨料混凝土拉壓比、折壓比峰值點(diǎn)均出現(xiàn)在9kg/m3，塑鋼纖維輕骨料混凝土的沖擊延性指標(biāo)隨纖維摻量的增加而提高；

(3)綜合各項(xiàng)性能指標(biāo)給出塑鋼纖維輕骨料混凝土用于結(jié)構(gòu)時(shí)塑鋼纖維建議摻量為9kg/m3。

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ExperimentalInvestigationonMechanicalPropertiesandOptimalFiberContentinPlasticSteelFiberReinforcedLightweightAggregateConcrete

NIU Jian-gang1，LI Jing-jun1，YIN Ya-liu2，LI Yun-yun1

(1.SchoolofArchitectureandCivilEngineering,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,China;2.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400045,China)

TheLC30LWACwithoutplasticsteelfiberwasusedasabenchmarkofconcrete.Thetestswithdifferentdosageofplasticsteelfiber(i.e. 5kg/m3、7kg/m3、9kg/m3、11kg/m3、13kg/m3)werecarriedoutforeffectsonthemechanicalpropertiesofLWAC,includingcompressivestrength,splittingtensilestrength,flexuralstrength,flexuraltoughnessandimpactstrength.TheinfluencesofthedosageofplasticsteelfiberonthemechanicalpropertiesofLWACwerepresented.Itisnotedthatplasticsteelfiberhasnomuchinfluenceonthecompressivestrengthbutcansignificantlyimprovethetensilestrength,flexuralstrength,impactresistanceandtoughness.Basedonthevariousperformanceindicators,theoptimalfibercontentof9kg/m3isproposed.

plasticsteelfiber；lightweightaggregateconcrete(LWAC)；mechanicalproperty；fibercontent

國家自然科學(xué)基金(51368042)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金(2014MS0528)

牛建剛(1976-)，男，工學(xué)博士，教授，碩導(dǎo).主要從事結(jié)構(gòu)可靠度和混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0087-05