高強混凝土的配制及增韌研究

常 鴻 雁

(太原市市政工程總公司，山西 太原 030002)

·建筑材料及應用·

高強混凝土的配制及增韌研究

常 鴻 雁

(太原市市政工程總公司，山西 太原 030002)

利用高性能骨料、水泥、硅灰以及鋼纖維和聚丙烯纖維兩種增韌材料配制標準立方體抗壓強度100 MPa的高強高韌性混凝土，通過靜力受壓彈性模量實驗繪制對應的應力—應變曲線圖的分析發(fā)現這兩種增韌材料對混凝土韌性的提高顯著，同時鋼纖維對混凝土基體抗壓強度的提升明顯而聚丙烯纖維對其提升不顯著。

高強混凝土，鋼纖維，聚丙烯纖維，應力—應變曲線，韌性

0 引言

近年來，世界各國使用的混凝土強度都在不斷提高。我國40 MPa～60 MPa的混凝土的用量亦日趨增多，僅就使用的混凝土最高強度等級而言，在工業(yè)發(fā)達的西方國家，C60的混凝土已普遍采用，C80以上的混凝土用量不斷增加。而且，美、日、俄、德等國已將C100以上的混凝土用于大跨度橋梁，空間桁架以及高層建筑、多層建筑和超高層建筑等重要結構物上。

盡管高強混凝土代表著混凝土材料技術的最新發(fā)展，但是高強混凝土也有不足的一面。首先，高強混凝土對于原材料的質量和加工工藝要求嚴格，必須用高強水泥、高質量摻合料、外加劑和骨料，拌和、運輸、澆搗、養(yǎng)護工藝須嚴格控制，原材料質量波動、工藝過程管理和實施不善對質量的影響遠比對普通混凝土的影響嚴重；其次，混凝土在滿足混凝土建筑物或其構件強度要求的情況下，仍然發(fā)生混凝土結構的破壞，而且屬于低應力的脆斷，實際上，混凝土本質上屬脆性材料，只是隨著混凝土強度的不斷提高，其固有的脆性問題才愈顯突出。混凝土的高強化與高脆性化的矛盾限制了混凝土的發(fā)展與應用。如何在保持混凝土強度的前提下解決其高脆的弊病成為現代高強混凝土應用研究的重點?，F在普遍的做法是在混凝土中添加各種纖維材料以提高構件的抗彎承載力，改善結構的延性，同時提高混凝土本身的抗壓強度[2]。目前出現的纖維混凝土有：鋼纖維混凝土(SFRC)，玻璃纖維混凝土(GFRC)，碳纖維混凝土(CFRC)以及合成纖維混凝土(SNFRC)，在實際工程中已使用的纖維混凝土主要品種為SFRC，CFRC和PPFRC(聚丙烯纖維混凝土)。

近年太原市立體式交通加速建設中，隨著高強混凝土的大跨化應用，混凝土的脆性問題也愈顯突出。本文在配制高強(100 MPa)混凝土的基礎上，通過應力—應變測試對摻加纖維高強混凝土與基準混凝土的強度及彈性模量進行對比分析，研究纖維增韌材料的增強增韌機理及相關影響因素。

1 試驗

1.1 原材料

強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥；最大粒徑不大于20 mm，針片狀顆粒含量小于5%，含泥量小于0.5%，泥塊含量小于0.2%的連續(xù)級配的碎石；細度模數介于2.6～3.1之間，含泥量小于2.0%，泥塊含量小于0.5%級配良好的優(yōu)質天然河砂；脂肪酸系高效減水劑，減水率20%，固體含量33%～35%之間，摻量為0.8%；Ⅱ級粉煤灰，硅灰，采用粉煤灰和硅灰雙摻提高混凝土強度和韌性[3]；切斷弓形鋼纖維(體積密度7.8 g/cm3)、聚丙烯纖維(體積密度0.9 g/cm3)分別作增韌材料。各組混凝土配合比如表1所示。

表1 各組混凝土材料配合比 kg/m3

1.2 性能測試

1.2.1 強度測試

按照上述配比分別成型150 mm×150 mm×150 mm抗壓強度試件及150 mm×150 mm×300 mm軸心抗壓強度試件，并放于標準養(yǎng)護室養(yǎng)護，測試3 d,7 d,28 d抗壓強度以及28 d軸心抗壓強度。

結果如表2所示。

表2 各組混凝土強度值 MPa

1.2.2 彈性模量測試

根據我國現行標準以指定應力為1/3軸心抗壓強度時的加荷割線彈性模量定義為混凝土的彈性模量。由于施加的荷載是靜荷載，故稱為靜力受壓彈性模量。三組混凝土加荷過程曲線如圖1所示。

混凝土彈性模量值按式(1)計算：

(1)

其中，Ec為混凝土彈性模量,MPa；Fa為應力為1/3軸心抗壓強度時的荷載,N；F0為應力為0.5 MPa時的初始荷載,N；A為試樣承壓面積,mm2；L為測量標距,mm;εa為最后一次加載至Fa時試件兩側變形的平均值,mm；ε0為最后一次加載至F0時試件兩側變形的平均值,mm。

每組平行測試三個試件，取其算術平均值作為該組混凝土的彈性模量測試值，計算結果精確至100 MPa[4]。試驗結果見表3。

表3 各組混凝土彈性模量測試結果

圖2為三組混凝土的應力—應變曲線。從圖2中可以看出，在應力由0變化至Fa時(即彈性形變階段)應力應變曲線呈直線狀態(tài)，在這一階段混凝土基本處于彈性工作階段，在此之后試件出現初裂縫，并隨之進入裂縫穩(wěn)定擴展階段，曲線雖然仍保持上升，但開始逐漸向水平軸彎曲，而后試件進入裂縫不穩(wěn)定擴展階段，此時界面裂縫向砂漿內擴展延伸，砂漿裂縫急劇增加，應力應變曲線開始逐漸向下彎曲；而對于鋼纖維混凝土，在應力達峰值時(即破壞荷載)，混凝土試件的主裂縫已形成通縫，而后應力迅速下降，但變形繼續(xù)增長，體現在應力應變曲線上會出現水平向曲線的不規(guī)則抖動，這實際上是裂縫的繼續(xù)擴展，試件上出現多條不連續(xù)的豎向裂縫，橫向變形加劇，隨即若干條縱向裂縫發(fā)展相連，貫通整個試件，形成破壞斷面，隨著破壞面不斷增加混凝土試件解體破壞[5]。仔細觀察三種混凝土試塊破壞過程發(fā)現，空白混凝土在達到破壞荷載后呈崩塌狀瞬間散裂，與纖維混凝土裂縫積累擴展相比有很明顯的不同，其脆性與另兩種混凝土相比較大。

三種混凝土應力應變曲線的下降段也各有不同，空白混凝土在破壞荷載之后基體裂縫急劇延伸并增寬，試件迅速脆性破壞，曲線下降段短，而纖維混凝土下降段則比較平緩，這是由于纖維的阻裂效應。因此在破壞荷載之后，鋼纖維混凝土里的鋼纖維陸續(xù)的拔出和聚丙烯纖維混凝土內部纖維網的撕裂分解是纖維混凝土解體比較明顯的特征。

2 分析與討論

高強混凝土在原材料選擇方面與普通混凝土有不同的要求，這也是影響高強混凝土抗壓強度最主要的因素。此外，高效減水劑的摻入，在保證混凝土工作性的前提下，可以顯著的減少用水量，進而有利于提高混凝土的強度。

從圖2亦可以看到，聚丙烯纖維混凝土的下降段有很長的拖尾(這是產生大斷裂能的主要原因)，而空白混凝土卻沒有，這是由于聚丙烯纖維在混凝土中單位體積含量(根數)很大，在混凝土開裂后拉應力主要由聚丙烯纖維承擔。而聚丙烯纖維的延展性又很大，在混凝土產生大的裂縫后仍然能夠起作用[6]。而對于鋼纖維混凝土，在應力達峰值時，混凝土試件的主裂縫已形成通縫，而后應力迅速下降，但變形繼續(xù)增長。由于鋼纖維高強混凝土中的孔隙小，基體混凝土中水泥漿強度、水泥漿與骨料間界面強度、骨料強度之間的差別也較小，所以，相對來說更接近于勻質材料，使得鋼纖維高強混凝土表現出與普通強度混凝土不同的特性。鋼纖維的加入改變了混凝土的破壞形態(tài)，使脆性材料表現出延性性能，擴大了混凝土的應用范圍。

3 結語

1)高強混凝土在原材料選擇方面要求較高，這是影響高強混凝土強度最主要的因素。此外，高效減水劑的摻入，在保證混凝土工作性的前提下，可以顯著的減少用水量，進而有利于提高混凝土的強度。高細度硅粉的摻入可有效減少混凝土的空隙率，從而改善了界面過渡區(qū)的微結構，消除或減少了界面區(qū)的原生微裂縫，使混凝土的強度增高脆性降低。

2)2%鋼纖維體積摻率對混凝土抗壓強度值和延性的提升效果顯著，而0.8%體積摻率的聚丙烯纖維沒有帶來明顯的抗壓強度提升，但可有效增加材料抵抗開裂的塑性抗拉強度，從而降低混凝土的脆性，提高混凝土的韌性。

[1] 吳中偉,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

[2] 蔣家奮.在工程上應用高強混凝土的經濟分析[J].混凝土,2000(9)：13-15.

[3] 錢小倩.高性能混凝土原材料和配合比設計中的問題與對策[J].混凝土,1998(1)：23.

[4] GB/T 50081—2002,普通混凝土力學性能試驗方法[S].

[5] 關麗秋,李樹瑫.關于鋼釬維混凝土中纖維分布和取向計算方法的探討[J].東北水利發(fā)電學報,1987(1)：32-34.

[6] 朱 江,蘇健波,李士恩.聚丙烯纖維混凝土的力學性能研究[J].廣西工學院學報,2000(11)：11-14.

Studyonpreparationandtougheningofhighstrengthconcrete

ChangHongyan

(TaiyuanMunicipalEngineeringGeneralCorporation,Taiyuan030002,China)

In the paper, the high strength (100 MPa) and high toughness concrete was prepared with high quality aggregates, cement silica fume, steel fiber and polypropylene fiber. According to the stress-strain curve from the static bearing elasticity modulus experiment, discovering these two kinds of plasticizing materials are remarkable to the toughness enhancement of the concrete. Simultaneously, the increasing concrete compressive strength of the steel fiber is significant while the polypropylene fiber has little effect.

high strength concrete, steel fiber, polypropylene fiber, stress-strain curve, toughness

1009-6825(2017)23-0115-02

2017-06-07

常鴻雁(1984- )，男，工程師

TU528.31

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