鋼纖維增強粉煤灰自密實混凝土力學性能

海 然，劉 盼，楊艷蒙，劉俊霞

(中原工學院 建筑工程學院，河南 鄭州 450007)

自密實混凝土(SCC)具有較高的流動性、均勻性和穩(wěn)定性，澆筑時無需外力振搗就能夠在自重作用下流動并充滿模板空間，因其良好的工作性能而被廣泛應用于形狀復雜、配筋密集的結構之中.為滿足SCC高流動性且不離析、不泌水的要求，相同強度等級的SCC與普通混凝土相比，水膠比低，砂率、水泥和外加劑用量大，致使SCC水化熱高、自收縮大、成本高[1-2].因此，用粉煤灰取代部分水泥來配制SCC不僅能夠有效地解決上述問題，還能改善其工作性.

摻加鋼纖維是改善混凝土力學性能和變形性能的主要途徑，在利用鋼纖維的橋接和阻裂作用抑制微裂紋產生和擴展的同時，還可以減少混凝土的自收縮變形.Majain等[3]對比研究了摻入不同體積分數(0%，0.5%，1.0%)鋼纖維的自密實混凝土(SCCSF)抗壓強度，發(fā)現鋼纖維摻量為0.5%和1.0%的SCCSF抗壓強度較SCC分別提高了6.6%和8.0%.Sulthan等[4]和Siddique等[5]的研究結果表明，摻加鋼纖維能夠改善SCC的力學性能，鋼纖維對SCC劈拉、抗折強度的改善程度優(yōu)于抗壓強度.通過研究CF40鋼纖維混凝土軸壓應力-應變全曲線，張曉燕等[6]發(fā)現鋼纖維混凝土的軸心抗壓強度和韌性比隨著鋼纖維體積分數的增加而提高.趙順波等[7]研究表明，鋼纖維全輕混凝土單軸受壓應力-應變曲線的峰值應力及其對應應變隨鋼纖維體積分數的提高呈現增大趨勢，鋼纖維體積分數的增加使試件的破壞形態(tài)由脆性向塑性轉變，與權長青等[8]的研究結果相一致.楊久俊等[9]研究表明，鋼纖維對大流動度超高強混凝土的拉壓比、折壓比起著顯著增強作用，軸壓條件下的相對韌性達到基體的2倍.

上述研究表明，摻加鋼纖維能夠改善普通混凝土、高強混凝土、輕質混凝土和SCC的力學性能和韌性，對SCC工作性的影響尤為顯著[10-11].鑒于此，本文以粉煤灰取代40%水泥配制的粉煤灰SCC為基準混凝土，通過工作性、力學性能和軸壓條件下的應力-應變試驗，研究鋼纖維體積分數變化對粉煤灰SCC工作性、力學性能的影響，重點研究粉煤灰SCC應力-應變曲線的極限應力、峰值應變、應變能和相對韌性及其應變軟化階段的承載能力和變形特征隨鋼纖維體積分數的變化規(guī)律，為鋼纖維增強粉煤灰SCC的研究和應用提供參考.

1 試驗原料與方法

1.1 試驗原料

普通硅酸鹽水泥由天瑞集團鄭州水泥公司生產，45μm篩余量(質量分數，文中涉及的篩余量、含水率等除特別說明外均為質量分數)為2.55%，比表面積為358m2/kg，密度為3.03g/cm3，標準稠度用水量為27.30%，膠砂流動度為192mm，其技術性能指標見表1；石灰石粉由廣東省鶴山市沙坪鎮(zhèn)連南橋建材店生產；粉煤灰的比表面積為463m2/kg，含水率為0.18%，需水量比為104.32%，28d活性指數為79.34%，其主要組成見表2；粗骨料為5～19mm連續(xù)集配碎石，堆積密度為1.56g/cm3，表觀密度為2.61g/cm3；細骨料為混合砂，細度模數為2.75，堆積密度為1.52g/cm3，表觀密度為2.65g/cm3；水為自來水；減水劑(WRA)為南京斯泰寶貿易有限公司生產的530P型聚羧酸鹽高效減水劑，減水率為30%；鋼纖維為河北衡水瑞海橡膠制品有限公司生產的波紋型鋼纖維，其基本性能參數見表3.

表1 普通硅酸鹽水泥性能指標

表2 粉煤灰化學組成

表3 鋼纖維基本性能參數

1.2 試驗方法

1.2.1鋼纖維增強粉煤灰SCC工作性測試

鋼纖維增強粉煤灰SCC的工作性由填充性、間隙通過性和抗離析性表征，工作性試驗參照JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規(guī)程》進行.

1.2.2鋼纖維增強粉煤灰SCC力學性能試驗

粉煤灰SCC的配合比見表4.鋼纖維為外摻，其體積分數分別為0%、0.25%、0.50%、0.75%和1.00%.鋼纖維增強粉煤灰SCC的抗壓強度和劈裂抗拉強度試塊尺寸均為100mm×100mm×100mm，抗折強度試塊尺寸為100mm×100mm×400mm.參照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》相關規(guī)定，進行基本力學性能測試，每組試塊數量均為3個，結果取平均值.

表4 粉煤灰SCC配合比

1.2.3鋼纖維增強粉煤灰SCC軸壓條件下應力-應變試驗

鋼纖維增強粉煤灰SCC軸壓條件下應力-應變試驗選用YAW6206型壓力試驗機，試驗過程采用位移控制獲得荷載-位移曲線，加載速度為0.05mm/min，試驗過程見圖1.試塊尺寸為100mm×100mm×300mm，測試齡期為28d，每組3塊，結果取平均值.

圖1 鋼纖維增強粉煤灰SCC軸壓試驗過程Fig.1 Axial compression test process of SCC

2 試驗結果與分析

2.1 鋼纖維體積分數對粉煤灰SCC工作性的影響

粉煤灰SCC工作性測試指標有坍落擴展度、T500、J環(huán)擴展度和離析率篩析試驗.表5為鋼纖維增強粉煤灰SCC拌和物的工作性測試結果.由表5可知：隨著鋼纖維體積分數的增加，粉煤灰SCC的坍落擴展度和J環(huán)擴展度逐漸降低，T500流動時間延長，坍落擴展度和J環(huán)擴展度的差值均在0～25mm 之間，離析率呈現先增加后減小的趨勢，但均能滿足SCC填充性、流動性、間隙通過性和離析率的要求；當鋼纖維體積分數大于0.75%時，粉煤灰SCC拌和物工作性各指標均顯著降低.

表5 鋼纖維增強粉煤灰SCC拌和物的工作性

鋼纖維體積分數對粉煤灰SCC工作性產生的影響主要歸因于以下3個方面：一是摻入鋼纖維后，新拌粉煤灰SCC體系用于包裹骨料和纖維的漿體增多，導致其體系內部自由砂漿含量減少，增大了流動時的內應力和黏度；二是隨著鋼纖維體積分數的增加，粉煤灰SCC體系內的鋼纖維根數也在增加，鋼纖維的三維亂向分布和相互搭接更加明顯，鋼纖維的亂向分布形成空間網絡結構，將粉煤灰SCC體系中的漿體團聚在網絡結構中，阻礙了體系漿體的自由流動而影響新拌料的流動性和間隙通過性；三是由于鋼纖維的表面較光滑，降低了鋼纖維表面水泥漿體的吸附能力，因而使拌和物的離析率隨鋼纖維體積分數的增加而增大，當鋼纖維體積分數大于0.50%時，在拌和物體系自由漿體含量減少和鋼纖維周圍漿體吸附能力降低的共同作用下，新拌混凝土的離析率又逐漸減小.

2.2 鋼纖維體積分數對粉煤灰SCC力學性能的影響

2.2.1鋼纖維體積分數對粉煤灰SCC抗壓強度的影響

圖2為鋼纖維體積分數對粉煤灰SCC各齡期抗壓強度的影響.由圖2可知：鋼纖維體積分數對各齡期粉煤灰SCC抗壓強度的影響不明顯，鋼纖維體積分數為0.25%～0.75%的各試塊28d抗壓強度提高幅度較高；鋼纖維體積分數為1.00%的試塊SCC 28d抗壓強度略有降低，但仍略高于試塊SCC-0.這是由于鋼纖維在粉煤灰SCC中相互搭接，在受力過程中，基體受到的荷載能夠傳遞到分散的鋼纖維上，當粉煤灰SCC中微小裂紋受荷擴展時必將遇到鋼纖維，裂紋繞過鋼纖維繼續(xù)擴展時，跨越裂紋的鋼纖維將力傳遞給未開裂的混凝土，裂紋尖端的應力集中程度得到緩解，從而在一定程度上提高了粉煤灰SCC的抗壓強度；當鋼纖維體積分數過高時，粉煤灰SCC體系中形成的大量新的黏結強度較低的鋼纖維-水泥基界面，降低了粉煤灰SCC的密實性，導致其抗壓強度降低.因此，在粉煤灰SCC受壓過程中，當鋼纖維的抗裂、增強作用為主導時，粉煤灰SCC抗壓強度會有小幅度提高；當鋼纖維-水泥基界面為主導時，其抗壓強度呈現小幅度的下降趨勢.

圖2 鋼纖維體積分數對粉煤灰SCC各齡期抗壓強度的影響Fig.2 Effect of steel fiber volume fraction on compressive strength of fly ash SCC at different ages

2.2.2鋼纖維體積分數對粉煤灰SCC彎拉性能的影響

圖3為鋼纖維增強粉煤灰SCC 28d劈裂抗拉強度和抗折強度.由圖3可知：當鋼纖維體積分數大于0.25%時，試塊劈裂抗拉強度逐漸增大，鋼纖維體積分數介于0.25%～0.50%時，增加幅度最為明顯；鋼纖維體積分數為0.25%的試塊SCC-1劈裂抗拉強度較試塊SCC-0出現小幅度的降低.各試塊抗折強度隨鋼纖維體積分數的增加呈先降后增的趨勢，鋼纖維體積分數介于0.25%～0.50%的各試塊抗折強度較試塊SCC-0略有降低，鋼纖維體積分數超過0.50%后，試塊抗折強度逐漸提高.鋼纖維體積分數為1.00%的試塊SCC-4劈裂抗拉強度和抗折強度的增加幅度均達到最大，較SCC-0分別提高了14%和12%.這是因為加入鋼纖維后，粉煤灰SCC內引入了大量新的黏結強度較低的鋼纖維-水泥基界面，當鋼纖維體積分數較小時，鋼纖維-水泥基界面為主導作用，粉煤灰SCC的劈裂抗拉、抗折強度會有小幅度下降，隨著鋼纖維體積分數的增加，纖維阻裂作用開始占優(yōu)勢，在受拉或受彎過程中，基體開裂后，具有較大變形能力的鋼纖維將起到承擔拉力并保持基體裂縫緩慢擴展的作用，直到鋼纖維被拉斷或者從基體中拔出，從而提高了粉煤灰SCC的劈裂抗拉、抗折強度.在劈裂抗拉試驗和抗折試驗過程中發(fā)現，不加鋼纖維的粉煤灰SCC破壞表現為脆性斷裂；摻入鋼纖維后的破壞表現出一定的延性，試塊斷裂面有鋼纖維連接而沒有完全斷開.上述結果表明，鋼纖維的加入能夠改善粉煤灰SCC的彎拉性能，緩解其脆性破壞強度.

圖3 鋼纖維增強粉煤灰SCC 28d劈裂抗拉強度和抗折強度Fig.3 Splitting tensile strength and flexural strength of steel fiber reinforced fly ash SCC at 28d

2.3 鋼纖維體積分數對粉煤灰SCC軸壓變形性能的影響

鋼纖維增強粉煤灰SCC軸壓試驗采集的荷載-位移數據，通過式(1)、(2)計算轉化成應力和應變值并繪制成應力-應變(σ-ε)曲線(見圖4).

σ=F/A

(1)

ε=ΔL/L

(2)

式中：F為軸向荷載，kN；A為試塊截面面積，mm2；ΔL為試塊軸壓位移，mm；L為試塊高度，mm.

圖4 軸壓條件下應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curves under axial compression

混凝土的應變能通常用應力-應變曲線下的面積表示，表征混凝土喪失承載力時單位體積吸收的能量.本文以1.25倍峰值位移下的應力-應變曲線面積為參考依據，分析鋼纖維體積分數對粉煤灰SCC軸壓條件下的應變能Vε(N·m)：

(3)

式中：V為試件體積，mm3；ε1為1.25倍峰值應變，μm/m；σ為軸壓應力，MPa；ε為應變，μm/m.

為對比不同鋼纖維體積分數粉煤灰SCC軸壓條件下的變形特征，以單位體積混凝土極限應力時單位強度所消耗的應變能作為比較參數，即：

(4)

式中：Γ為相對韌性；σ0為極限應力，MPa.

按照式(1)～(4)，依據圖4，計算得出各試塊的極限應力σ0、峰值應變ε0、應變能Vε和相對韌性Γ，見表6.

表6 鋼纖維增強粉煤灰SCC的σ0、ε0、Vε和Γ

由圖4可知，所有試塊在軸壓條件下均出現了明顯的彈性變形階段、非線性強化階段、應力突然跌落階段和應變軟化階段[12].鋼纖維體積分數為0.50%的試塊SCC-2，應力突然跌落階段不明顯，應變軟化階段的曲線更加飽滿.結合表6數據可知，隨著鋼纖維體積分數的增加，各試塊的極限應力逐漸增大，鋼纖維體積分數為0.25%的試塊SCC-1因引入少量的鋼纖維在混凝土內部形成了許多鋼纖維-水泥基界面薄弱區(qū)，使其極限應力較試塊SCC-0明顯降低，其降低幅度為17%.各試塊的峰值應變隨鋼纖維體積分數的增加而逐漸減小，但與試塊SCC-0相比明顯提高，鋼纖維體積分數為0.25%～0.50%的各試塊峰值應變增幅最大，較試塊SCC-0提高了35%；當應力-應變曲線下降段達到0.8σ0時，對應應變值隨鋼纖維體積分數的增加呈先增后減的變化趨勢，鋼纖維體積分數為0.50%的試塊SCC-2下降至0.8σ0時對應的應變值較相同條件下的試塊SCC-0提高了28%.這表明加入一定數量的鋼纖維后，鋼纖維的開裂應變高于混凝土基體的開裂應變，當試塊達到極限應力后，其橫向膨脹變形增大并開始產生豎向裂紋，此時鋼纖維起到約束變形的作用，將混凝土所承受的壓縮變形能轉化為鋼纖維的拉伸變形能，從而提高了粉煤灰SCC的軸壓變形能力；然而，隨著鋼纖維數量的增多，鋼纖維之間相互搭接結團，使其結構內部缺陷增加，從而在一定程度上降低了粉煤灰SCC的軸壓變形能力.

由表6可知，加入鋼纖維后，各試塊的應變能和相對韌性較試塊SCC-0明顯提高，隨著鋼纖維體積分數的增加，各試塊的應變能和相對韌性呈先增后減的趨勢，但所有鋼纖維增強粉煤灰SCC的應變能和相對韌性均大于試塊SCC-0.鋼纖維體積分數為0.50%的試塊SCC-2應變能和相對韌性最高，分別達到101.01N·m和1.03×10-3，相對試塊SCC-0分別提高了53%和49%；鋼纖維體積分數大于0.50%時，由于粉煤灰SCC的內部缺陷增多，造成試塊應變能和相對韌性在一定程度上有所降低.這說明在粉煤灰SCC受力過程中，鋼纖維的加入能夠改變試塊的受力形式，由集中受力變成分散受力，鋼纖維的約束作用能夠有效地抑制微裂紋產生，增大微裂紋擴展的行程，延長試塊的開裂時間，從而提高粉煤灰SCC破壞時所吸收的能量，增大其應變能和相對韌性.然而，當鋼纖維體積分數超過某一臨界值時，鋼纖維之間的“棚架”作用會使其流動性降低，鋼纖維之間、鋼纖維與水泥石之間界面過渡區(qū)的缺陷增多，導致其應變能和韌性會在一定程度上有所降低.

3 結論

(1)鋼纖維增強粉煤灰SCC的工作性隨鋼纖維體積分數的增加而降低，當鋼纖維體積分數大于0.75%時，其T500值明顯增大，流動性急劇下降.

(2)鋼纖維對粉煤灰SCC抗壓強度的影響不明顯，但能夠顯著改善其彎拉性能，鋼纖維體積分數為1.00%的鋼纖維增強粉煤灰SCC的劈裂抗拉強度和抗折強度較純粉煤灰分別提高了14%和12%.

(3)鋼纖維增強粉煤灰SCC的極限應力σ0隨著鋼纖維體積分數的增加而線性增加，峰值應變ε0隨鋼纖維體積分數的增加逐漸減小，應變能Vε和相對韌性Γ隨鋼纖維體積分數的增加呈先增后減的趨勢.總體上鋼纖維增強粉煤灰SCC的σ0、ε0、Vε和Γ均高于純粉煤灰SCC；鋼纖維體積分數為0.50%時，鋼纖維增強粉煤灰SCC的σ0、ε0、Vε和Γ與純粉煤灰SCC相比分別提高了3%、35%、53%和49%.