高強(qiáng)鋼纖維輕骨料混凝土力學(xué)性能研究

張穎

（山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006）

0 引言

隨著當(dāng)今建筑技術(shù)的迅速發(fā)展，高強(qiáng)輕骨料混凝土在建筑工程中的應(yīng)用也日趨廣泛[1-2]。高強(qiáng)輕骨料混凝土是指部分或全部使用輕骨料替代天然骨料，配制出表觀密度不高于1950 kg/m3、強(qiáng)度等級(jí)不低于LC40的混凝土[3]。相比于普通混凝土，輕骨料混凝土具有如下優(yōu)點(diǎn)：干密度小，可以有效降低結(jié)構(gòu)自重，減少構(gòu)件截面尺寸，有利于結(jié)構(gòu)抗震性能；結(jié)構(gòu)自重的減輕，可以減少建筑地基基礎(chǔ)處理費(fèi)用，更加經(jīng)濟(jì)；導(dǎo)熱系數(shù)較低，有利于降低建筑能耗，符合當(dāng)今可持續(xù)發(fā)展的理念要求[4-5]。目前高強(qiáng)輕骨料混凝土已經(jīng)在房屋建筑、道路橋梁等各類(lèi)工程中得到普遍應(yīng)用。

陶?；炷潦禽p骨料混凝土較為常見(jiàn)的一種，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)陶粒混凝土也進(jìn)行了大量研究[6-8]。然而低強(qiáng)度仍然是輕骨料混凝土面臨的重要問(wèn)題，針對(duì)高強(qiáng)陶粒輕骨料混凝土的系統(tǒng)性研究相對(duì)較少?；诖耍疚母鶕?jù)輕骨料混凝土已有的研究成果，通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化高強(qiáng)陶粒輕骨料混凝土的配合比，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究鋼纖維體積摻量對(duì)高強(qiáng)輕骨料混凝土抗壓、抗拉及抗折強(qiáng)度的影響，為高強(qiáng)輕骨料混凝土的推廣應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：P·O42.5，28 d抗壓強(qiáng)度 49.6 MPa。

（2）粉煤灰：某電廠產(chǎn)的Ⅱ級(jí)灰，比表面積502 m2/kg。

（3）陶粒：采用3種不同的陶粒，分別為粉煤灰陶粒、黏土陶粒、頁(yè)巖陶粒，其基本性能指標(biāo)如表1所示。

表1 陶粒的基本性能指標(biāo)

（4）砂：河砂，中砂，細(xì)度模數(shù) 2.69，表觀密度 2652 kg/m3。

（5）納米 SiO2：平均粒徑約 30 nm，SiO2含量 99.5%。

（6）鋼纖維：波紋型，等效長(zhǎng)度35 mm，等效直徑0.6 mm，抗拉強(qiáng)度＞600 MPa。

（7）減水劑：萘系高效減水劑，減水率25%～30%。

（8）水：自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分為兩步驟進(jìn)行，首先基于正交試驗(yàn)找出高強(qiáng)輕骨料陶?；炷恋淖罴雅浜媳?。試驗(yàn)影響因素包括：水膠比、納米SiO2摻量（按占膠凝材料質(zhì)量計(jì)）、陶粒種類(lèi)、粉煤灰摻量（按占膠凝材料質(zhì)量計(jì)），每個(gè)因素包含3個(gè)水平，通過(guò)9組不同配合比，考察各因素對(duì)高強(qiáng)輕骨料混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響。正交試驗(yàn)因素水平如表2所示。基于正交試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)極差分析確定高強(qiáng)輕骨料混凝土的最佳配合比。第二步基于最佳配合比，進(jìn)一步摻加鋼纖維，研究鋼纖維體積摻量對(duì)高強(qiáng)輕骨料陶?；炷量箟?、劈裂抗拉及抗折強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)基礎(chǔ)配合比為：水泥 460 kg/m3，陶粒 560 kg/m3，砂 572 kg/m3，減水劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.75%。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

1.3 測(cè)試方法

試件抗壓、抗折及劈裂抗拉強(qiáng)度均參照GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度試件尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm，抗折強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，測(cè)試設(shè)備為WAW2000微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，抗壓、劈裂抗拉及抗折強(qiáng)度測(cè)試加載速度分別為 0.5、0.05、0.05 MPa/s。

2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、性能測(cè)試結(jié)果及極差分析見(jiàn)表3。

由表3可知：

（1）水膠比對(duì)高強(qiáng)輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度影響最明顯，水膠比越低，高強(qiáng)輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度越高。當(dāng)水膠比由0.32降低到0.30時(shí)，高強(qiáng)輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度提高4.97%，而當(dāng)水膠比進(jìn)一步降低到0.28時(shí)，高強(qiáng)輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度可提高16.57%。當(dāng)水膠比控制在0.28～0.30時(shí)，可以獲得較為理想的抗壓強(qiáng)度。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、性能測(cè)試結(jié)果及極差分析

（2）陶粒種類(lèi)對(duì)高強(qiáng)輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響較為明顯，頁(yè)巖陶粒配制的輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度最高，粉煤灰陶粒和黏土陶粒配制的輕骨料混凝土抗壓明顯低于頁(yè)巖陶粒，輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度與輕骨料的強(qiáng)度及吸水率存在著明顯相關(guān)關(guān)系。頁(yè)巖陶粒筒壓強(qiáng)度最高，故以頁(yè)巖陶粒為輕骨料配制的混凝土抗壓強(qiáng)度也最高。而黏土陶粒和粉煤灰陶粒的筒壓強(qiáng)度則相對(duì)較低，故配制出的輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度分別比頁(yè)巖陶粒的低4.93%和7.01%。此外粉煤灰陶粒具有較大的吸水率，這也會(huì)對(duì)混凝土的流動(dòng)性及成型后混凝土的密實(shí)程度產(chǎn)生影響，進(jìn)而不利于混凝土的抗壓強(qiáng)度。基于試驗(yàn)結(jié)果可知，摻加頁(yè)巖陶粒的輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度最高。

（3）納米SiO2的摻加對(duì)高強(qiáng)輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度有一定的積極作用，當(dāng)納米SiO2摻量增加到1.0%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度較摻量為0.5%的提高2.11%；當(dāng)納米SiO2摻量增加到1.5%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度較摻量為0.5%的提高5.52%。納米SiO2對(duì)混凝土強(qiáng)度的提高主要是由于納米SiO2可以與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，生成水化硅酸鈣凝膠，使得混凝土表觀更加致密，從而有利于提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。此外納米SiO2對(duì)混凝土內(nèi)部微小空隙的填充作用也是混凝土抗壓強(qiáng)度提高的原因之一?；谠囼?yàn)結(jié)果可知，當(dāng)納米SiO2摻量為1.5%時(shí)，高強(qiáng)輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度較為理想。

（4）粉煤灰摻量對(duì)高強(qiáng)輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的影響較小，當(dāng)粉煤灰摻量由15%增大至20%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度略有提高，而當(dāng)粉煤灰摻量增大至25%時(shí)，抗壓強(qiáng)度略有下降。摻加粉煤灰可以有利于提高混凝土的流動(dòng)性，適量的粉煤灰對(duì)提高混凝土強(qiáng)度也有一定作用，粉煤灰的火山灰效應(yīng)可以與水泥水化反應(yīng)生成的Ca2+發(fā)生反應(yīng)，加速水泥水化反應(yīng)速度；同時(shí)粉煤灰具有填充效應(yīng)，可以使得漿體更為致密，有利于混凝土抗壓強(qiáng)度的提高。而當(dāng)粉煤灰摻量較大時(shí)，混凝土中起激發(fā)作用的Ca（OH）2變少，粉煤灰水化條件變差，混凝土抗壓強(qiáng)度開(kāi)始降低?；谠囼?yàn)分析可知，粉煤灰的最佳摻量為20%。

基于上述正交試驗(yàn)可知，A1B3C3D2為最佳組合，即水膠比為0.28、納米SiO2摻量為1.5%、陶粒種類(lèi)為頁(yè)巖陶粒、粉煤灰摻量為20%，此時(shí)制備的高強(qiáng)輕骨料混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為47.8 MPa。

3 鋼纖維對(duì)高強(qiáng)輕骨料混凝土強(qiáng)度的影響

基于正交試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步摻加鋼纖維，研究鋼纖維體積摻量對(duì)高強(qiáng)輕骨料混凝土抗壓、劈裂抗拉及抗折強(qiáng)度的影響，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 鋼纖維摻量對(duì)高強(qiáng)輕骨料混凝土強(qiáng)度的影響

由表4可知：

（1）隨著鋼纖維體積摻量的增加，高強(qiáng)輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸提高，當(dāng)鋼纖維體積摻量大于1.5%時(shí)，鋼纖維摻量的增大對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響變小。當(dāng)鋼纖維摻量分別為1.0%、1.5%、2.0%時(shí)，高強(qiáng)輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度較未摻鋼纖維的分別提高9.41%、13.18%、13.39%。鋼纖維的摻加有利于在陶粒骨料周?chē)纬煽臻g網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與陶粒骨料協(xié)同受力，一定程度減小了受荷時(shí)陶粒承受的應(yīng)力，有利于提高混凝土的極限抗壓強(qiáng)度，彌補(bǔ)輕骨料混凝土骨料強(qiáng)度低對(duì)混凝土強(qiáng)度的制約。當(dāng)鋼纖維摻量大于1.5%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度基本不再有提升，這主要是由于鋼纖維摻量較大時(shí)，比表面也隨之增大，鋼纖維缺少足夠水泥砂漿包裹、填充，混凝土內(nèi)不可避免殘留缺陷，不利于混凝土抗壓強(qiáng)度的提高。

（2）隨著鋼纖維摻量的增加，高強(qiáng)輕骨料混凝土的劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度均先提高后降低，當(dāng)鋼纖維摻量為1.0%時(shí)達(dá)到最高，較未摻鋼纖維的分別提高27.69%、28.03%；而當(dāng)鋼纖維摻量大于1.0%時(shí)，劈裂抗拉及抗折強(qiáng)度均開(kāi)始降低。與抗壓強(qiáng)度對(duì)比可知，鋼纖維的摻加對(duì)混凝土抗拉及抗折強(qiáng)度的改善效果遠(yuǎn)高于抗壓強(qiáng)度，這主要是由于鋼纖維的摻加可以阻止混凝土裂縫的開(kāi)展，同時(shí)鋼纖維有利于緩解試件受拉引起的應(yīng)力集中，與混凝土協(xié)同受力，對(duì)提高混凝土抗拉強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度效果顯著。而當(dāng)鋼纖維摻量較大時(shí)，由于需要更多的水泥漿包裹覆蓋，不可以避免在混凝土內(nèi)形成更多的缺陷，減少混凝土有效受荷面積，對(duì)混凝土抗拉及抗折強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

（3）隨著鋼纖維摻量的增加，高強(qiáng)輕骨料混凝土的拉壓比先增大后減小，當(dāng)鋼纖維摻量為1.0%時(shí)達(dá)到最大，摻鋼纖維后拉壓比均高于未摻鋼纖維的，表明鋼纖維對(duì)改善混凝土脆性有一定作用。

綜合考慮，鋼纖維體積摻量為1.0%較為適宜，此時(shí)高強(qiáng)輕骨料混凝土的抗壓、劈裂抗拉及抗折強(qiáng)度較未摻鋼纖維的分別提高9.41%、27.69%、28.03%。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）正交試驗(yàn)結(jié)果表明，水膠比對(duì)高強(qiáng)輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度影響最為顯著，陶粒種類(lèi)及納米SiO2摻量對(duì)其抗壓強(qiáng)度有一定影響，粉煤灰摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響最小。最佳配比組合為A1B3C3D2，即水膠比為0.28、納米SiO2摻量為1.5%、陶粒種類(lèi)為頁(yè)巖陶粒、粉煤灰摻量為20%，此時(shí)制備的高強(qiáng)輕骨料混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為47.8 MPa。

（2）摻加一定體積摻量的鋼纖維，可以進(jìn)一步提高高強(qiáng)輕骨料混凝土的抗壓、劈裂抗拉及抗折強(qiáng)度。當(dāng)鋼纖維體積摻量為1.0%時(shí)，高強(qiáng)輕骨料混凝土的抗壓、劈裂抗拉及抗折強(qiáng)度較未摻鋼纖維的分別提高9.41%、27.69%、28.03%?；炷恋拇嘈缘玫礁纳?。

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