鋼纖維自密實混凝土工作性能及抗壓強度試驗研究

顧廣娟

(安徽新華學院 土木與環(huán)境工程系，安徽 合肥 230088)

自密實混凝土是一種具備良好穩(wěn)定性、流動性、均勻性的混凝土，不施加外力作用就能均勻流動達到密實的效果，在流動過程中始終保持不離析的特性，是混凝土材料中性能最好的一種材料。混凝土的自密實特性，是指在澆筑過程中沒有經(jīng)過振搗作用也能均勻填滿模板。鋼纖維混凝土是一種通過在混凝土中摻入鋼纖維材料而形成的復合型材質(zhì)，鋼纖維混凝土與普通混凝土相比，前者摻入了鋼纖維，能夠有效增加混凝土的韌性，增強混凝土的抗拉、抗裂性能，還能增強抗疲勞、抗沖擊性能。

由于鋼纖維的存在，從微觀機制上改良了混凝土的力學性能，并且可以實現(xiàn)按使用要求設計材料，其具備的優(yōu)良性能被工程行業(yè)廣泛應用。目前，國內(nèi)外的相關研究和應用中，采用了較小的鋼纖維體積率，試驗結果對混凝土力學性能的提升作用不顯著。對自密實混凝土的研究情況來看，大量研究都是以普通混凝土為主，對鋼纖維自密實混凝土的力學性能和抗壓強度的綜合研究較少。因此，本文采用J-環(huán)試驗和坍落流動度試驗對鋼纖維混凝土的工作性能進行研究，對自密實混凝土抗壓強度進行了試驗，探討鋼纖維摻量、混凝土成型方式、鋼纖維體積率對混凝土抗壓強度的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料

(1)水泥：在鋼纖維混凝土性能試驗中，應選擇硅酸鹽水泥，水泥質(zhì)量達到了國家相關規(guī)定，滿足施工要求，本試驗中選取普通硅酸鹽水泥作為試驗原材料。

(2)粗骨料：在鋼纖維混凝土性能試驗中，應選擇采用粉碎型碎石進行試驗，粒徑最大為20mm，空隙率小于40%最佳，針片狀材料含量低于10%，粉碎型碎石的雜質(zhì)含量較少，材質(zhì)較為堅硬，因此將粉碎型碎石作為試驗原材料。

(3)細骨料：在鋼纖維混凝土性能試驗中，應選用含泥量不超過1%的粗砂或中砂，本試驗選用了級配良好的河砂作為細骨料。

(4)水：用于鋼纖維混凝土試驗的水，應滿足《混凝土拌合用水標準》的相關規(guī)定及標準，本試驗將飲用水作用實驗原材料。

(5)活性摻合料：在鋼纖維混凝土性能試驗中，應選用符合混凝土抗離析性的特征，例如磨細礦粉、粉煤灰或硅灰，也可以使用多種類型。本試驗使用一級粉煤灰作為試驗原材料。

(6)鋼纖維：本試驗使用了切斷型鋼纖維作為試驗原材料，鋼纖維直徑為0.7mm，長度為32mm。

(7)高效減水劑：在進行自密實混凝土性能測試實驗中，減水劑的使用十分重要，能夠保證混凝土具有加強的流動性，還能減少用水量，本試驗中選取聚羧酸減水劑作為試驗材料。

1.2 鋼纖維自密實混凝土配合比方案設計

目前，主要有四種設計自密實混凝土配合比的方法，即固定沙石體積含量方法、正交試驗方法、直接計算法、經(jīng)驗推導方法。本文試驗配合比設計采用固定沙石體積含量法來確定混凝土配合比，該方法的原理為：首先對石子松堆體積進行設置，根據(jù)砂的體積含量來計算砂漿、石子和砂子的含量，然后根據(jù)所使用的膠凝材料的數(shù)量以及水膠比例來計算出最終各材料的使用量。直接計算法主要是根據(jù)高性能混凝土的配合比計算法來確定原材料的含量。與普通混凝土配合比設計方法不同，鋼纖維混凝土配合比方案的確定更為復雜，需要進行多次反復的實驗，并且要求最終的方案具備較高的工作性能，因此在設計方案時應嚴格按照相關規(guī)定，使用正確的技術來設計鋼纖維混凝土配合比，從而確定滿足工作性能的情況下的最佳原材料比例。本試驗通過對自密實混凝土原料進行多次試配，設計了以下幾種混凝土的配合比，如表1所示。

表1 部分鋼纖維自密實混凝土配合比

1.3 鋼纖維自密實混凝土拌合方法

鋼纖維自密實混凝土因為加入了鋼纖維，尤其是加入的鋼纖維較多時，混凝土的攪拌過程就顯得非常重要了，若是攪拌方式不當，會大大降低鋼纖維的分散度，影響混凝土的性能。本文選取30 L強制式攪拌機，攪拌方法如下：首先把水泥、細骨料和煤炭灰投入攪拌機，攪拌時間設定為30 s；然后再加入粗骨料和水，繼續(xù)攪拌1min以上；再緩緩倒入減水劑，攪拌1min；最后一邊攪拌一邊加入鋼纖維，繼續(xù)攪拌約3min后出料。

1.4 試驗方法

1.4.1 工作性能測試方法

自密實混凝土的流變性是會改變的，隨放置時間長短而發(fā)生變化，其流變性能和動態(tài)特性無法通過傳統(tǒng)的靜態(tài)實驗描述出來，本文是采用J-環(huán)試驗和坍落流動度試驗對鋼纖維自密實混凝土拌合物的工作性能進行綜合評價。

進行J-環(huán)試驗，選用的儀器主要有：J環(huán)儀、硬質(zhì)不吸水平板、坍落度筒。試驗方法如下：先將硬質(zhì)平板放在堅硬的水平地面上，將坍落度筒及底板用水潤濕，但坍落度筒內(nèi)壁及底板上不能有明顯水滴，將坍落度筒放在J-環(huán)中央并一起置于平板的正中，具體操作步驟和坍落流動度試驗類似。最后在擴展后的混凝土相互垂直的方向上選取兩個最大直徑，用鋼尺測量其值，再算出平均值，再從不同的方向測量J-環(huán)內(nèi)混凝土的高度，并進行做差。以此來評判鋼纖維自密實混凝土通過鋼筋間隙的可能性。

進行坍落流動度試驗，選用儀器主要有坍落度筒、質(zhì)地堅硬且不吸水的光滑正方形平板(邊長為1m，最大撓度<4mm，在平板表面標出中心位置的坍落度筒和再以中心為圓心劃出直徑分別為50，60，70，80，90cm的同心圓)、秒表、鋼尺、鏟子等。實驗方法如下：用水潤濕底板和坍落度筒，然后將底板置于堅實的水平地面上，把坍落度筒放在的底板中心位置，然后進行裝料。在裝料操作時，用鏟子加料，每次約加入筒體的1/3，中間間隔30s，期間不用振搗。完成裝料后，用鏟刀抹平，清除灑落底板的混凝土。然后垂直向上，雙手平穩(wěn)的提起坍落度筒(提起過程應在6s內(nèi)完成)，使混凝土從筒內(nèi)自由流出。在提起坍落度筒時用秒表開始計時，在混凝土散流到50cm圓圈時停止計時，這個時間記為T500流動時間，用這個時間數(shù)據(jù)來評價混凝土的粘度。在混凝土停止流動后，用鋼尺測出混凝土的最大擴展直徑記為D1，測出與最大直徑D1垂直方向的擴散直徑，記為D2，計算兩組直徑的平均值，就是該混凝土的坍落擴展度。用這個試驗方法可大致測出鋼纖維自密實混凝土的自流平性能和填充性能。

1.4.2 自密實混凝土抗壓試驗

在抗壓試驗中，分別使用了0.6%、0.9%、1.2%的鋼纖維體積率，選用機械振搗和自密實成型兩種方式對鋼纖維混凝土進行澆筑，選取了立方體試塊對鋼纖維混凝土進行了抗壓強度試驗，立體方塊的邊長為100mm，根據(jù)力學性能試驗的相關標準以及要求來制作試塊，通過使用該試塊來測量鋼纖維混凝土的抗壓強度。

2 試驗結果及分析

2.1 鋼纖維自密實混凝土的工作性能

2.1.1 J-環(huán)試驗

通過采用J-環(huán)試驗分析鋼纖維摻量對不同強度等級混凝土產(chǎn)生的影響，結果如圖1。

圖1 不同強度等級混凝土的J環(huán)試驗值

由圖1可知，混凝土強度等級一樣時，鋼纖維摻量越大，試驗值就越大，混凝土強度等級越大，鋼纖維摻量增加的幅度越小，C30、C40、C50增加的幅度依次為20%、13%、8%，表明強度等級越低，鋼纖維摻量對其力學性能產(chǎn)生的影響就越大，隨著鋼纖維的摻入，拌合物間隙流通效果就越差。其主要原因在于在自密實混凝土摻入鋼纖維會降低其流動性，使混凝土內(nèi)部的應力變大，如果混凝土經(jīng)過攔截平面時就會出現(xiàn)堵塞。當鋼纖維摻量相同時，試驗值會隨著混凝土強度等級的增加而減小，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因在于當強度等級越高時，混凝土中水、灰所占比例較小，使得拌合物中間隙流通的效果就越差。試驗結果發(fā)現(xiàn)，自密實混凝土的性能隨著鋼纖維摻量的增多而降低，鋼纖維的摻入對混凝土工作性能有著較為明顯的影響，在坍落流動度試驗中工作性能最低的是鋼纖維摻量為0.6%時、強度等級為C50的自密實混凝土，但其流動時間指標和坍落擴展度都達到了相關標準，試驗中內(nèi)外差最大不超過7mm，在自密實混凝土的標準范圍內(nèi)，因此，本試驗設計的自密實混凝土配合比滿足施工標準和要求，并且工作性能較好。

2.1.2 坍落流動度試驗

由表2可知，自密實混凝土強度等級一樣時，T500流出時間會隨著鋼纖維摻入量的增加而增加，該結果表明鋼纖維降低了混凝土的流動性能，對混凝土黏度產(chǎn)生了影響。試驗結果還表明，與基準組相比，C40強度等級的混凝土T500流出時間增加了2s，而C30、C50強度的混凝土在鋼纖維摻量為0.6%的情況下，兩種強度的混凝土T500流出時間增加了1s，表明在較高或較低的混凝土中，自密實混凝土中的水灰比例對黏度影響較大，鋼纖維對其影響較小。

表2 T500試驗值

圖2為不同強度等級混凝土坍落擴展度與鋼纖維摻量的變化圖。由圖可知，鋼纖維摻入量越多，C30、C40、C50強度的自密實混凝土坍落擴展度迅速降低，變化的幅度依次為8.2%、7.4%、6.9%，該結果表明在混凝土中摻入鋼纖維會導致填充性能降低，鋼纖維摻入量保持不變時，坍落擴展度會隨著流動時間的增加和基體強度的上升呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢，而基體強度越小時，混凝土工作性能受到的鋼纖維摻入影響就越大。主要是因為混凝土的流動性會隨著強度等級的增加而降低。

圖2 不同強度等級混凝土坍落擴展度與鋼纖維摻量的變化

2.2 抗壓強度試驗結果及分析

2.2.1 鋼纖維摻量對抗壓強度的影響

鋼纖維摻量對試件的最終破壞形態(tài)有較大的影響，普通自密實混凝土在遭受過大應力時，破壞過程表現(xiàn)為先開裂再沿裂縫坍落、破碎。但鋼纖維自密實混凝土中由于有鋼纖維的均勻分布，起到了橋接作用，大大提高了強度，即使被較大應力破壞，最后也是裂而不散，各類混凝土的具體受壓破壞特征如下：①沒有摻雜鋼纖維的混凝土會產(chǎn)生不規(guī)則的裂紋，并蔓延整個試件，且受壓面被壓碎；②鋼纖維摻量0.2%的混凝土側面有出現(xiàn)斜裂縫，混凝土沿裂縫脫落；③鋼纖維摻量0.4%的混凝土側面出現(xiàn)輕微45°斜裂縫，混凝土并無明顯剝落；④鋼纖維摻量0.6%的混凝土沒有出現(xiàn)明顯的45°斜裂縫，無混凝土脫落，受破壞后試件仍保持較好的完整性。

表3為鋼纖維自密實混凝土立方體抗壓強度變化，由表可知，在同樣的混凝土中摻入鋼纖維的量慢慢增加，試件的抗壓強度也會慢慢變大，因為鋼纖維的摻量越大，鋼纖維所起到的橋接作用就越強，混凝土的完整性也越好，在受壓時橫向分力承載變強，其抗壓強度得到提高，宏觀表現(xiàn)為混凝土受壓不易破碎。在鋼纖維摻量固定為0.2%時，增大混凝土強度等級，試件抗壓強度與同等級混凝土相比，增量分別為0.57%，1.30%，1.59%。試驗表明，摻雜鋼纖維對高強度的混凝土抗壓強度得改善更加可觀，原理在于鋼纖維對混凝土的橋接作用力的大小主要取決于鋼纖維與混凝土的結合程度，結合越緊密，強度便會更高。摻入鋼纖維一方面可以約束混凝土在受壓時的橫向膨脹，阻止破壞過程，增大抗壓強度，但是當混凝土的自身強度較低時，摻入鋼纖維只會使混凝土界面薄弱層變多，這時的鋼纖維與基體混凝土的結合程度較低，不能有效提高混凝土的抗壓強度，如果基體混凝土強度較高，鋼纖維與混凝土的結合更加緊密，混凝土的抗壓強度就會大幅提高，這時摻量越大，強度也會更高，整體性也會更強。C30自密實混凝土相較于C50自密實混凝土，它的基體強度較低，所以試驗得出摻雜鋼纖維對C50自密實混凝土抗壓強度的增幅要比C30大得多。

表3 鋼纖維自密實混凝土立方體抗壓強度

2.2.2 成型方式對抗壓強度的影響

表4 成型方式對抗壓強度的影響

為分析不同成型方式對自密實混凝土抗壓強度的影響，本文以C30為例，采用機械振搗和自密實成型兩種方法并分析兩種成型方式的抗壓強度，見表4。通過對實驗結果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)采用機械振搗的方式比采用自密實成型對自密實混凝土的影響更大。對于自密實混凝土，兩種方式形成的混凝土抗壓強度比為0.93，說明不同成型方式對于自密實混凝土的影響不大。對于鋼纖維自密實混凝土，當鋼纖維體積率為0.6%時，采用振搗成型和采用自密實成型的混凝土抗壓強度比為1.18，當鋼纖維體積率為0.9%時，采用振搗成型和采用自密實成型的混凝土抗壓強度比為1.09，結果表明采用振搗方式成型更有利于自密實混凝土抗壓強度的提升。

值得注意的是，在較大的纖維體積率的情況下，使用振搗成型的方法不一定讓鋼纖維分布均勻，對混凝土的抗壓強度沒有太大影響，必須增加砂漿來提升混凝土的密實性。

2.2.3 鋼纖維體積率對抗壓強度的影響

圖3 鋼纖維體積率對抗壓強度比的影響

試驗通過分析鋼纖維體積率對自密實混凝土抗壓強度的影響，發(fā)現(xiàn)鋼纖維體積率越大，自密實混凝土的抗壓強度在整體呈現(xiàn)出一定的上升趨勢，如圖3所示。

從圖3可以看出，自密實混凝土的抗壓強度在1～1.21范圍內(nèi)變化，自密實混凝土抗壓強度的變化不明顯，此時鋼纖維對混凝土抗壓強度的影響較小，該結果與普通鋼纖維混凝土的抗壓試驗結果相似。

3結語

試驗通過在自密實混凝土中摻入鋼纖維，分析了鋼纖維對混凝土工作性能和抗壓強度的影響。試驗結果表明，混凝土工作性能會隨著鋼纖維摻入量的增加而降低，但是如果設計合理正確的原材料配合比和攪拌方式，也能設計出符合施工標準的自密實混凝土。在試驗中，自密實混凝土中水灰的比例對黏度的影響較大，不同等級強度的鋼纖維對其幾乎沒有影響，但是強度越低，鋼纖維對密實性混凝土的工作性能影響越顯著，鋼纖維摻入量越大，間隙通過性能逐漸降低，強度等級越低，采用振搗方式成型更有利于自密實混凝土抗壓強度的提升，鋼纖維摻量對其影響作用越顯著，鋼纖維體積率越大，自密實混凝土的抗壓強度在整體上呈現(xiàn)出上升趨勢。