鋼纖維增強高強輕骨料混凝土的力學(xué)性能

葉艷霞,王宗彬，謝夫林,付翠紅,張志銀

(1.長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061; 2.成都基準方中建筑設(shè)計有限公司西安分公司, 陜西 西安 710061)

高強輕骨料混凝土(HLAC)的表觀密度小于1950kg/m3，強度不低于LC40，是輕質(zhì)、高強、節(jié)能環(huán)保的結(jié)構(gòu)材料[1-2].在高層、大跨、橋梁、海事和軟土地基工程中，HLAC具有廣泛的應(yīng)用前景和良好的社會經(jīng)濟效益.隨著高強輕質(zhì)陶粒生產(chǎn)技術(shù)的進步，HLAC的制備工藝不斷成熟，且輕質(zhì)陶粒的生產(chǎn)原料(工業(yè)廢渣、粉煤灰、煤矸石、浮石、黏土等)儲備豐富，為HLAC的推廣應(yīng)用提供了保障.隨著HLAC強度的提高，其脆性更加明顯，不利于其在一些高受拉和高剪切結(jié)構(gòu)部位的應(yīng)用.因此，HLAC的增強增韌成為近些年的研究熱點之一.

文獻[3-5]借鑒了鋼纖維增強普通混凝土的研究經(jīng)驗，利用鋼纖維(SF)來改善HLAC各項力學(xué)性能，提高了其韌性和延性.Campione等[3]研究表明，同一類型和摻量的鋼纖維可使膨脹黏土和陶粒輕骨料混凝土抗壓強度提高30%左右，對浮石輕骨料混凝土抗壓強度基本沒有影響.Ma等[4]將13mm 微細型鋼纖維加入到3種類型粗骨料混凝土中，使混凝土抗壓強度分別提高了19%、40%和42%，抗折強度分別提高了108%、92%和78%，表明粗骨料類型對鋼纖維增強混凝土抗壓強度的影響較大.劉漢勇等[5]同樣證實了鋼纖維對HLAC各項強度和韌性均有明顯改善，其對HLAC抗壓強度的改善優(yōu)于低強度等級輕骨料混凝土和普通混凝土.朱海堂等[6]研究發(fā)現(xiàn)不同類型鋼纖維對混凝土的強度增強效應(yīng)存在較大差異，且有明顯的尺寸效應(yīng).由此可見，鋼纖維類型、尺寸參數(shù)、粗骨料類型等對HLAC的性能影響較大，有必要對鋼纖維增強高強輕骨料混凝土(SFHLAC)的增強增韌效應(yīng)及機理進行系統(tǒng)研究.

本文選取工程中常用的微細型鋼纖維(M-SF)、端鉤型鋼纖維(H-SF)和波紋型鋼纖維(C-SF)3種典型鋼纖維，研究了鋼纖維類型及其體積分數(shù)對HLAC抗壓、劈裂抗拉、抗折和抗剪強度的影響，分析了SFHLAC的韌度因子和承載力變化系數(shù)，為工程應(yīng)用和試驗研究提供參考.

1 試驗

1.1 原材料

選用P·O 42.5型普通硅酸鹽水泥(C)，表觀密度為3100kg/m3；Ⅰ級粉煤灰(FA)，密度為2600kg/m3;微硅粉(SF)，密度為2200kg·m-3；粗骨料采用5～16mm連續(xù)級配碎石型頁巖陶粒(A)，筒壓強度為6.2MPa，堆積密度為750kg/m3，表觀密度為1360kg/m3，1h吸水率(1)文中涉及的吸水率、水膠比等除特殊說明外均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比.為3.2%，24h 吸水率為3.8%；細骨料(S)采用細度模數(shù)2.6的普通河砂，表觀密度為2600kg/m3；減水劑采用聚羧酸高效減水劑，減水率為25%～27%；鋼纖維采用M-SF、H-SF和C-SF，其特征參數(shù)見表1.

表1 鋼纖維的特征參數(shù)

1.2 試驗設(shè)計

參照JSCE-SF-4《Method of test for flexural strength and flexural toughness of fiber reinforced concrete》，采用絕對體積法進行強度等級為LC50的高強輕骨料混凝土配合比設(shè)計，基準HLAC的配合比見表2.試件編號規(guī)則如下：P代表基準HLAC；M-SF0.5、H-SF0.5、C-SF0.5分別表示鋼纖維M-SF、H-SF、C-SF的體積分數(shù)φM-SF、φH-SF、φC-SF均為0.5%的SFHLAC,其他按此類推；M-SFHLAC、H-SFHLAC和C-SFHLAC分別表示微細型、端鉤型和波紋型鋼纖維增強高強輕骨料混凝土.

表2 基準高強輕骨料混凝土配合比

1.3 試件制作

根據(jù)JGJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》和CECS13—2009《纖維混凝土試驗方法標準》，采用容量為60 L的強制攪拌機進行攪拌，混凝土拌和物的制作工序為：先將晾干的河砂和膠凝材料干拌2min，接著加入摻有減水劑的水攪拌2min，制成砂漿漿體，然后加入潤濕24h的陶粒繼續(xù)攪拌1min，最后在攪拌機轉(zhuǎn)動狀態(tài)下均勻加入鋼纖維攪拌4min 后出料.新拌基準HLAC拌和物的坍落度和拓展度分別為244mm和680mm，流動性較好；隨著鋼纖維體積分數(shù)φSF的增大，拌和物工作性能逐漸變差，φSF=1.5%時，拌和物坍落度和拓展度分別為190～210mm和410～520mm，φSF=2.0%時，拌和物流動性驟降，其中M-SF2.0的擴展度只有190mm，流動性極差.將拌和物一次入模，制作抗壓、抗折、劈裂抗拉和抗剪強度試件(每組各3個)，用鐵棒敲擊試件側(cè)壁大約30次并在地上輕輕振動，用抹刀將上表面抹平，成型24h后拆模并灑水養(yǎng)護28d(西安室外6月份氣候)，養(yǎng)護完成后進行力學(xué)性能試驗.

1.4 試驗方法

根據(jù)CECS13—2009標準進行力學(xué)性能試驗，抗壓測試采用立方體試件，試件尺寸為100mm×100mm×100mm，劈裂抗拉、抗剪和抗折強度試件尺寸均為100mm×100mm×400mm，抗壓、劈裂抗拉和抗折強度試件的尺寸換算系數(shù)分別取0.90、0.80、0.82.力學(xué)性能測試在萬能試驗機上完成，荷載數(shù)據(jù)通過計算機軟件Test Expert.net采集，小梁跨度中間位置的縱向位移采用DH3820準靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)及其配套的位移傳感器進行數(shù)據(jù)采集，抗折強度試驗加載速率0.1mm/min.

將試驗所得荷載-位移(σ-ε)曲線進行擬合，受力初期的直線段峰值點即為初裂點，該點對應(yīng)的荷載和位移分別為試件的初裂荷載和初裂位移(δ).韌性指數(shù)ηm，n包括ηm，5、ηm，10、ηm，30，其含義為當位移分別達3.0δ、5.5δ和15.5δ時，荷載-位移曲線和橫坐標軸所圍面積與位移達初裂位移δ時所圍面積之比.承載力變化系數(shù)ζm,n為：

ζm,n=(ηm，n-α)/(α-1)

(1)

式中：α為給定位移與初裂位移的比值，取α=3.0、5.5、15.5.

為了比較不同SFHLAC的韌度，參照文獻[7]計算韌性指標T150(T150為撓度達L/150時對應(yīng)的荷載-位移曲線與橫坐標所圍面積)，對應(yīng)平均強度的韌度因子(TF)為：

TF=TbL/bh2δk=150T150/bh2

(2)

式中：Tb為韌性指標；L、b、h分別為支座間距、試件截面寬度和試件截面高度；δk為給定的撓度L/150.

2 結(jié)果與分析

2.1 抗壓強度

比強度為混凝土的抗壓強度與其干表觀密度之比，SFHLAC的抗壓強度(fcu)和比強度見圖1.

圖1 SFHLAC的抗壓強度和比強度Fig.1 Compressive strength and specific strength of SFHLACs

由圖1可見：不同鋼纖維類型SFHLAC試件的抗壓強度和比強度差異較大；φSF在0.5%～1.5%范圍內(nèi)遞增時，同一鋼纖維類型SFHLAC的抗壓強度和比強度亦隨之增大；φSF=2.0%時，試件M-SF2.0的抗壓強度和比強度增長幅度減弱，而試件H-SF2.0和C-SF2.0的抗壓強度和比強度卻降低.

φM-SF在0.5%～2.0%范圍內(nèi)，M-SF易分散，凝結(jié)硬化后M-SF與水泥基體黏結(jié)性能較好，對HLAC產(chǎn)生較強的環(huán)向約束力，因此M-SFHLAC試件的抗壓強度較基準試件P提高最為顯著；當φM-SF=2.0%時，試件的比強度達到36.23MPa/(kg·m-3)，試件M-SF2.0的抗壓強度和比強度較基準試件P分別提高40.8%和28.8%；φM-SF≤1.0%時，M-SFHLAC的抗壓強度增幅明顯，φM-SF>1.5%后，拌和物流動性大幅降低.因此建議φM-SF取0.5%～1.0%.

對比圖1中φSF相同的SFHLAC試件的抗壓強度，并結(jié)合表1，試件的抗壓強度增幅變化順序為M-SFHLAC>H-SFHLAC>C-SFHLAC；與基準試件P相比，試件H-SF2.0的抗壓強度和比強度分別提高了19.1%和8.3%，略低于文獻[5,8]中同類型的壓痕型(32mm，長徑比50)鋼纖維的抗壓增強效果，這表明形狀、幾何尺寸、力學(xué)性能等參數(shù)相近的同類型鋼纖維對HLAC的抗壓增強效果較為一致.文獻[6,9]中摻入與本試驗H-SF類似、體積分數(shù)不超過2.0%的鋼纖維時，使高強混凝土和普通輕骨料混凝土抗壓強度僅提高了10.0%左右，說明H-SF鋼纖維對HLAC的抗壓增強效果較高強混凝土和普通輕骨料混凝土更優(yōu).從破壞機理分析可知，HLAC破壞斷面與普通混凝土不同，前者骨料及水泥基體均開裂破壞，而后者主要為水泥基體開裂破壞，鋼纖維在HLAC中能更好地發(fā)揮約束變形和輔助受力作用.3種鋼纖維中，C-SF對HLAC抗壓強度的提高效果最差，僅為6.5%.其原因在于，本試驗中選用的C-SF在相同體積分數(shù)下的纖維數(shù)量較少，不易分散均勻，相對較低的力學(xué)性能使C-SF對基材破壞強度提高的貢獻度也偏低，成型后的試件上表面略鼓起，試件的密實度降低，試件在承受壓應(yīng)力時易變形，纖維約束變形和輔助受力效果都較弱.

為保障鋼纖維對HLAC的抗壓增強效應(yīng)，建議優(yōu)先選用較大長徑比的小尺寸直鋼纖維.

2.2 劈裂抗拉強度

SFHLAC的劈裂抗拉強度(fts)和拉壓比(fts/fcu)見圖2.由圖2可見：不同鋼纖維類型的SFHLAC劈裂抗拉強度與拉壓比隨φSF的變化規(guī)律一致；φSF為0.5%～2.0%時，M-SF、H-SF與C-SF可使HLAC的劈裂抗拉強度分別提高155.0%、88.4%和42.2%，鋼纖維對劈裂抗拉強度的增強效果可以達到抗壓強度增強效果的4倍左右.文獻[10]指出，劈拉試驗過程中鋼纖維主要通過水泥膠體傳遞應(yīng)力，界面的黏結(jié)強度決定鋼纖維傳遞應(yīng)力的水平，M-SF在試件劈裂面上分布較密，其與水泥可以形成較強的化學(xué)膠結(jié)作用，對HLAC抗拉強度的增強效果最好.因此在保障鋼纖維抗拉強度的情況下，應(yīng)優(yōu)選長徑比較大的M-SF對HLAC進行抗拉增強.在一定范圍內(nèi)隨著φSF的增加，鋼纖維數(shù)量增多，對裂縫源的控制作用加強，劈裂抗拉強度隨之增加.φM-SF、φH-SF為0.5%和1.0%時，SFHLAC的劈裂抗拉強度增長最明顯，而φH-SF、φC-SF為2.0%時，SFHLAC的劈裂抗拉強度基本不再增長甚至降低，主要原因在于當φSF增加到一定程度時，較大尺寸鋼纖維周圍水泥膠體的裹漿厚度減小，不足以提供所需的傳力能力，使增強效果不理想.

圖2 SFHLAC的劈裂抗拉強度和拉壓比Fig.2 Splitting tensile strength and ratio of tensile to compressive strength of SFHLACs

拉壓比是反映鋼纖維對混凝土脆性改善作用的一個指標[6]，本文設(shè)計的HLAC的拉壓比為1/16.4，φSF在0.5%～2.0%范圍內(nèi)，對應(yīng)的SFHLAC的拉壓比分別為1/11.7～1/9.0、1/13.0～1/10.5和1/13.6～1/11.8.由此可見，鋼纖維可以在不同程度上改善HLAC的脆性，M-SF對HLAC的脆性改善尤為明顯，M-SFHLAC的拉壓比與普通混凝土的拉壓比(1/12.0～1/8.0)較為接近.

2.3 抗折強度

初裂抗折強度(fcf,ini)和阻裂系數(shù)(極限抗折強度fcf,lim和初裂抗折強度的比值，fcf,lim/fcf,ini)分別反映了材料抵御初期裂縫荷載及阻止裂紋開展的能力[11].圖3(a)為SFHLAC試件的極限抗折強度和折壓比(fcf,lim/fcu)，圖3(b)為SFHLAC試件初裂抗折強度和阻裂系數(shù)，圖4為SFHLAC試件彎折試驗后的斷面圖.

由圖3可見：基準試件P的極限抗折強度為5.07MPa，遠低于文獻[6]中相近等級普通混凝土(7.71MPa)；SFHLAC的初裂和極限抗折強度均隨φSF增大而提高；與基準試件P相比，試件M-SF2.0和H-SF2.0的初裂抗折強度分別提高了24.5%和20.1%，極限抗折強度分別提高了62.1%、55.6%.觀察試件M-SF1.5和H-SF1.5的開裂破壞過程可知，試件初始裂縫細小，裂縫開展緩慢，鋼纖維抵御初始開裂的能力較強.盡管H-SF與水泥的黏結(jié)面積小于M-SF，但H-SF的端鉤在一定程度上提高了鋼纖維的錨固性能，結(jié)合圖4(b)可知：H-SF對HLAC試件開裂后的阻裂效應(yīng)略優(yōu)于M-SF，因此認為M-SF和H-SF對HLAC試件抗折強度增強效果相當.由圖4(a)、(b)可見，M-SF1.5和H-SF1.5試件斷裂面上的M-SF和H-SF產(chǎn)生了明顯塑性變形，這說明鋼纖維起到了增強作用.

由圖3還可見：C-SF對HLAC極限抗折強度的提高作用較小，φC-SF為0.5%～2.0%時，SFHLAC試件極限抗折強度并未隨φC-SF增大而上升，試件C-SF2.0的抗折強度與基準試件P基本相同；試件C-SF1.5的初裂和極限抗折強度分別較基準試件P提高了1.7%和10.7%.由圖4(c)可見，試件破壞斷面上大部分C-SF未起到阻裂作用，C-SF未被拉直就被拔出，斷面上僅可見少量鋼纖維被拉斷，C-SF的阻裂和增強效應(yīng)都較差.文獻[6]研究發(fā)現(xiàn)體積分數(shù)為2.0%的30.5mm H-SF(長徑比30.5)和32.4mm C-SF(長徑比57.4)可使普通混凝土抗折強度分別提高47.1%和7.0%，這與本文試驗結(jié)果基本吻合.對比文獻[6]的研究結(jié)論發(fā)現(xiàn)：鋼纖維對提高HLAC抗折強度貢獻的拉應(yīng)力主要通過與水泥膠體的黏結(jié)傳遞；在水泥膠體強度相同的情況下，盡管SFHLAC會因為骨料斷裂而導(dǎo)致其整體強度低于普通鋼纖維混凝土，但鋼纖維對不同骨料混凝土抗折強度增強率的貢獻相差不大.

圖3 SFHLA的抗折強度指標Fig.3 Index of flexural strength of SFHLACs

圖4 SFHLAC試件彎折試驗后的斷面圖Fig.4 Flexural cross-sectional view of SFHLACs

由圖3(a)還可見：3種類型鋼纖維對HLAC試件折壓比的影響規(guī)律差異較大；φSF為0.5%～2.0%時，不同SFHLAC試件的折壓比分別為0.101～0.111、0.098～0.126和0.097～0.100，H-SF對HLAC折壓比的改性效果較好，而C-SF的摻入不利于HLAC折壓比的提高.基準試件P的折壓比為0.093，由于基材強度等級較高，導(dǎo)致本文與文獻[12]給出的輕骨料混凝土折壓比擬合結(jié)果(0.12)存在較大差異.

2.4 抗剪強度

SFHLAC的抗剪強度(fs)和剪壓比(fs/fcu)見圖5.由圖5可見：基準試件P的剪壓比為1/11.30，這是因為基準試件P中基本沒有骨料的咬合作用，剪切面上骨料直接被剪斷.對比文獻[7-13]中普通輕骨料混凝土和高強混凝土的剪壓比分別為1/7.03和1/9.03，說明基準試件P的剪脆性較明顯.

圖5 SFHLAC的抗剪強度和剪壓比Fig.5 Shear strength and ratio of shear-compression of SFHLACs

由圖5還可見：鋼纖維對HLAC的剪切韌性改善較為明顯，這是因為SFHLAC試件裂縫帶上的鋼纖維具有很好的“橋聯(lián)作用”，試件在破壞過程中具有較好的完整性；與基準試件P相比，M-SF1.5、H-SF1.5和C-SF1.5試件的抗剪強度分別提高157.1%、80.4%和47.0%，其剪壓比分別為1/5.83、1/7.45和1/8.20，說明鋼纖維對HLAC剪切性能的改善效果與剪斷面上鋼纖維的數(shù)量有關(guān)，數(shù)量越多，HLAC裂縫源的控制能力越強；M-SF對HLAC的抗剪強度提高最為明顯，可達226.7%.因此，M-SF對HLAC可以起到很好的抗剪切增強效應(yīng)，在一些輕骨料混凝土框架節(jié)點、剪力墻等高剪力部位摻入一定量(考慮拌和料的工作性能，建議φM-SF為0.5%～1.5%)的M-SF，既對輕骨料混凝土的施工性影響不大，又會大幅度提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗剪切性能，從而提高結(jié)構(gòu)的耗能能力和安全儲備.

2.5 荷載-位移曲線

SFHLAC的彎曲試驗荷載-位移(σ-ε)曲線見圖6.由圖6可見：不同鋼纖維類型和體積分數(shù)使SFHLAC試件荷載-位移曲線形狀有較大差別，增韌效果差異較大；H-SF0.5和C-SF0.5試件在達到極限強度后繼續(xù)加載，其荷載-位移曲線出現(xiàn)陡然下降，而M-SF0.5試件在達到極限強度后繼續(xù)加載，其荷載-位移曲線較順滑，表現(xiàn)出較好的增韌效應(yīng)；隨著φSF的增大，SFHLAC試件的荷載-位移曲線上移，曲線形狀也更趨飽滿，表現(xiàn)出更好的材料韌性和延性；當φSF為0.5%～2.0%時，SFHLAC試件荷載- 位移曲線峰值點對應(yīng)的位移分別為0.119～0.274、0.052～0.130和0.050～0.065mm，M-SFHLAC試件的延性明顯優(yōu)于其他兩者；M-SFHLAC試件的荷載-位移曲線存在明顯的屈服段，達峰值荷載后曲線基本呈線性下降；H-SFHLAC試件的荷載- 位移曲線達峰值荷載后快速下降，H-SF在變形達到一定程度后其錨固作用明顯變差；C-SFHLAC試件的荷載-位移曲線幾乎沒有屈服段，峰值點對應(yīng)荷載較低、位移較小，達峰值點后曲線陡降，試件耗能能力較差.

圖6 SFHLAC的彎曲試驗荷載-位移曲線Fig.6 σ -ε curves of bending test for SFHLACs

2.6 韌度因子和承載力變化系數(shù)

SFHLAC的韌度因子見圖7.由圖7可見：φSF為0.5%～2.0%時，SFHLAC試件的韌度因子隨φSF的增大而降幅增長；不同鋼纖維類型的SFHLAC對由φSF變化引起的韌性增長幅度相差不大；M-SF對M-SF0.5試件韌度的增長貢獻明顯強于其他2種鋼纖維，其韌度因子為后兩者的3倍左右；當φSF為1.0%～2.0%時，M-SFHLAC的韌度也較H-SFHLAC和C-SFHLAC提高了約1.5～2.1倍，說明M-SF對HLAC的增韌效應(yīng)較好.

圖7 SFHLAC的韌度因子Fig.7 Toughness factor of SFHLACs

SFHLAC的彎曲承載力變化系數(shù)見圖8.由圖8可知：隨著φSF的增大，SFHLAC試件的彎曲承載力變化系數(shù)增大，試件韌性提高；鋼纖維類型對SFHLAC試件的固有彈塑性屬性影響較大；M-SFHLAC的承載力變化系數(shù)ζm,n基本大于1，具有較好的變形持荷和耗能能力；在小變形(3.0δ、5.5δ)下，H-SFHLAC的承載力變化系數(shù)ζm,5和ζm,10大于1，大變形(15δ)下對應(yīng)的ζm,30數(shù)值降低較多，大變形下的韌性較差；C-SFHLAC的承載力變化系數(shù)ζm,n在各φSF下均小于1，鋼纖維與水泥基體協(xié)同性較差.推薦φM-SF為0.5%～1.0%，φH-SF為1.0%～1.5%.

圖8 SFHLAC的彎曲承載力變化系數(shù)Fig.8 Variation coefficent of flexural resistance of SFHLACs

3 結(jié)論

(1)除體積分數(shù)為2.0%的波紋型鋼纖維(C-SF)增強高強輕骨料混凝土(HLAC)外，鋼纖維增強高強輕骨料混凝土(SFHLAC)的力學(xué)強度和韌性指標均隨著鋼纖維體積分數(shù)的增大而增大.相同體積分數(shù)的微細型鋼纖維(M-SF)、端勾型鋼纖維(H-SF)、C-SF對HLAC的抗剪、劈裂抗拉、抗折和抗壓強度的增強效果依次遞減.

(2)鋼纖維體積分數(shù)為0.5%～2.0%時，M-SF對HLAC的增強增韌效果最好；H-SF對HLAC抗折強度與M-SF具有相近的提高效果，但對HLAC的其他力學(xué)強度和韌性的提高效果不如M-SF；C-SF對HLAC的增強增韌效果均較差，尤其對其抗壓和抗折強度基本沒有影響.

(3)綜合考慮拌和物的工作性能、SFHLAC的力學(xué)和韌性特性，M-SF的建議體積分數(shù)為0.5%～1.0%，H-SF的建議體積分數(shù)為1.0%～1.5%；C-SF的建議體積分數(shù)為1.0%～1.5%，增韌時不推薦摻加C-SF.