摻量及分層布設(shè)對鋼纖維混凝土力學性能的影響研究

鄒艷勝

(湖南省交通科學研究院有限公司, 湖南 長沙 410015)

0 引言

混凝土中加入鋼纖維主要作用是利用鋼纖維的高抗拉強度來抵消混凝土中因外界開裂引起的細裂縫端部應(yīng)力，從而達到抑制混凝土裂縫發(fā)展的目的[1-3]。鋼纖維運用到混凝土中同時一定程度上增加了混凝土與鋼纖維間的界面粘結(jié)力，達到了在鋼纖維上轉(zhuǎn)移外力的功效，因而提高了混凝土的綜合性能。但不同鋼纖維的物理力學性能不同，鋼纖維分布層次也不盡相同，需進行相關(guān)試驗確定最佳鋼纖維摻量及鋼纖維混凝土的最佳分層結(jié)構(gòu)[4-8]。國內(nèi)關(guān)于鋼纖維混凝土的各項性能研究較多，郭光玲[4]進行了鋼纖維增強混凝土力學性能試驗，結(jié)果表明鋼纖維混凝土的力學性能顯著強于普通混凝土試件。針對鋼纖維在混凝土中的分布方式，彭奧等[5]進行了鋼纖維的復(fù)合式、層布式力學性能研究，結(jié)果表明復(fù)合式鋼纖維混凝土的抗折強度及劈裂強度增長顯著，復(fù)合式較層布式更能提高鋼纖維混凝土的力學性能。盡管國內(nèi)鋼纖維混凝土的研究成果顯著，但相對于歐美等國的研究進度和發(fā)展程度還有較大差距，且國內(nèi)現(xiàn)行的鋼纖維混凝土技術(shù)規(guī)程及標準還存在少許與現(xiàn)實工程脫節(jié)的地方，受多種復(fù)雜因素影響還不能有效地滿足所有項目工程要求。所以，為獲得最佳使用性能的鋼纖維混凝土力學性能及其配比組成，需有針對性地進行試驗，通過控制單一變量變化來尋求最優(yōu)力學性能的鋼纖維摻量及分層結(jié)構(gòu)。本文基于鋼纖維、水泥等材料，制作多組試件，研究鋼纖維摻量及鋼纖維混凝土的分層結(jié)構(gòu)對鋼纖維混凝土的力學性能影響。

1 原材料

1.1 水泥

采用P·O32.5(普通硅酸鹽水泥)，安定性試驗滿足《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30—2017)規(guī)定要求。

1.2 細骨料

采用中砂，細度模數(shù)為2.69，表觀密度及堆積密度分別為2.63、1.48 g /cm3，含泥量為1%。篩分試驗結(jié)果滿足級配曲線分區(qū)要求。

1.3 粗骨料

采用碎石，表觀密度及堆積密度分別為2.82、1.43 g /cm3，含泥量為0.3%。級配為5～16 mm，壓碎指標為6%，其性能滿足《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2015)。

1.4 鋼纖維

采用長30 mm、長度與直徑比為60的波浪形鋼纖維(重慶泰路科技公司生產(chǎn))，質(zhì)量滿足鋼纖維混凝土相關(guān)規(guī)范要求。鋼纖維截面形狀為矩形，抗拉強度大于380 N/mm2，彈性模量為20 000 N /mm2，其性能滿足《鋼纖維混凝土標準規(guī)范》(JGT472—2015)要求。

1.5 減水劑

采用萘系高效減水劑，減水率≥20%，其性能滿足《混凝土外加劑》(GB 8076—2008)要求。

2 鋼纖維混凝土力學性能研究

2.1 試驗設(shè)計

2.1.1試件設(shè)計

試件按照《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》(CECS13∶89)要求制作，采用邊長為150 mm的立方體試件。考慮到分層結(jié)構(gòu)形式和層高對試件各性能產(chǎn)生的影響，試件可以分為以下5種不同結(jié)構(gòu)形式： ①下層為素混凝土、上層為5 cm厚的鋼纖維混凝土，編號為1#；②下層為5 cm厚的鋼纖維混凝土、上層為素混凝土，編號為2#；③下層為10 cm厚的鋼纖維混凝土、上層為素混凝土，編號為3#；④下層與上層均為5 cm厚的鋼纖維混凝土、中層為素混凝土，編號為4#；⑤全摻鋼纖維混凝土，編號為5#?；旌狭现袖撯F維的摻加量分為0%、0.5%、0.8%、1.2%、1.5%等5種，每種試件9個，每組編號試件為45個，共計225個試件。

2.1.2配合比設(shè)計

與普通混凝土相比，鋼釬維混凝土配合比設(shè)計還需考慮其抗拉、抗剪、抗彎強度符合相關(guān)技術(shù)要求，同時要特別注意避免鋼釬維在混合料中出現(xiàn)結(jié)團現(xiàn)象。根據(jù)《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》(CECS38∶92)相關(guān)規(guī)定，鋼釬維混合料配合比設(shè)計具體情況如表1所示。

表1 不同鋼釬維摻量的鋼纖維混合料配合比表鋼纖維摻量/%水灰比水泥/kg水/kg砂/kg石/kg砂率/%混凝土基體00.4510.451.563.17360.50.4510.451.622.58420.80.4510.451.622.3744C401.20.4510.451.612.18461.50.4510.451.612.0248

2.2 力學性能試驗結(jié)果

鋼纖維混凝土力學性能試驗加載方法參照《鋼纖維混凝土試驗方法》(CECS13∶89)。試件抗壓、抗折、抗彎強度的測定根據(jù)其發(fā)生開裂時對應(yīng)的最大破壞荷載來評價。試驗結(jié)論數(shù)據(jù)見表2～6所示。

表2 1#混凝土試件試驗結(jié)果鋼釬維摻量/%抗壓強度/MPa劈裂強度/MPa抗折強度/MPa039.13.144.450.540.33.904.610.840.93.994.601.241.34.185.091.539.94.264.87

表3 2#混凝土試件試驗結(jié)果鋼釬維摻量/%抗壓強度/MPa劈裂強度/MPa抗折強度/MPa039.13.144.450.541.23.675.600.842.44.045.821.245.14.546.041.546.94.786.57

表4 3#混凝土試件試驗結(jié)果鋼釬維摻量/%抗壓強度/MPa劈裂強度/MPa抗折強度/MPa039.13.144.450.542.74.195.660.843.44.276.121.248.04.326.351.547.14.506.51

表5 4#混凝土試件試驗結(jié)果鋼釬維摻量/%抗壓強度/MPa劈裂強度/MPa抗折強度/MPa039.13.144.450.542.63.995.100.843.14.105.621.243.64.286.211.542.74.246.71

表6 5#混凝土試件試驗結(jié)果鋼釬維摻量/%抗壓強度/MPa劈裂強度/MPa抗折強度/MPa039.13.144.450.544.34.165.96

續(xù)表6鋼釬維摻量/%抗壓強度/MPa劈裂強度/MPa抗折強度/MPa0.847.64.616.411.250.24.856.771.548.34.716.51

2.3 影響因素分析

2.3.1鋼釬維摻量對混凝土的力學性能影響分析

不同的纖維摻量時混凝土力學性能試驗結(jié)果如圖1，由圖可知：鋼纖維摻量對混凝土抗壓強度的影響，呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，當鋼纖維摻量超過1.2%時，混凝土抗壓強度反而減小。主要原因是鋼纖維大于1.2%時混凝土和易性較差，影響了混凝土的抗壓強度。鋼纖維摻量對混凝土的劈裂強度和抗折強度影響較小。

圖1 不同鋼纖維摻量時混凝土的力學性能試驗結(jié)果

結(jié)合圖1,可知推導出鋼纖維摻量、混凝土抗壓強度、鋼纖維混凝土強度之間的關(guān)系如式(1)所示。

(1)

鋼纖維摻量、鋼纖維混凝土劈裂抗拉強度、混凝土抗拉強度之間的關(guān)系如式(2)所示。

(2)

鋼纖維摻量為變量，可以得到不同混凝土強度下抗折強度與鋼纖維摻量之間的關(guān)系式：

fse，t=(1.05-0.086x+0.335x2)ft

(3)

式(1)～(3)中，x為鋼纖維摻量；fse，cu為鋼纖維混凝土抗壓強度；fcu為混凝土抗壓強度；fs，t為鋼纖維混凝土劈裂抗拉強度；ft為混凝土抗拉強度；fse，t為鋼纖維混凝土抗壓強度。

存在一個最佳的鋼纖維摻量可使鋼纖維混凝土的抗壓、抗拉、抗折強度達到最大，由試驗結(jié)果可知，本試驗中的最佳鋼纖維摻量為1.2%。

2.3.2試件分層以及層高對試件各性能影響

2.3.2.1 分層以及層高對試件抗壓強度影響分析

不同分層結(jié)構(gòu)的鋼纖維混凝土抗壓強度試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同分層結(jié)構(gòu)的鋼纖維混凝土抗壓強度

由圖2可知，分層結(jié)構(gòu)影響了整個試件的抗壓強度，試件全為鋼纖維混凝土時對應(yīng)的抗壓強度值在不同鋼纖維摻量下均最大。除4#結(jié)構(gòu)外，同一分層結(jié)構(gòu)下的試件抗壓強度值均隨著鋼纖維摻量增大呈現(xiàn)出了先增大后減小趨勢。整體而言，分層結(jié)構(gòu)對試件抗壓強度值的影響比鋼纖維摻量對其影響大。在試件受壓時，鋼釬維混合料作為一種復(fù)合材料，混合料在凝結(jié)硬化過程中內(nèi)部應(yīng)力變化復(fù)雜，水泥漿凝結(jié)硬化過程中存在一定收縮，這種收縮會受到粗骨料和鋼釬維限制，容易導致結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生裂縫；在外力作用下，裂縫受到進一步破壞，在荷載反復(fù)作用下，最終結(jié)構(gòu)物完全破壞?；旌狭戏謱咏Y(jié)構(gòu)不同對外力分擔各層次的表現(xiàn)不同，從而表現(xiàn)出一定的抗壓強度差異。

2.3.2.2 分層以及層高對試件劈裂強度影響分析

不同分層結(jié)構(gòu)的鋼纖維混凝土試件的劈裂強度試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同分層結(jié)構(gòu)的鋼纖維混凝土劈裂強度

由圖3可知，隨著鋼釬維摻量增加，不同分層結(jié)構(gòu)的鋼纖維混凝土抗壓強度均有不同程度增加，相對來看，1#、3#結(jié)構(gòu)比其余3種結(jié)構(gòu)的增長幅度要小，且這2種結(jié)構(gòu)在鋼釬維體積率為1.5%時，劈裂強度均達到最大值。隨著摻加鋼釬維體積率不斷增加，某些點會出現(xiàn)劈裂強度下降趨勢，這可能是由于混合料拌合施工過程中存在沒有完全拌合均勻的部分，導致試件整體劈裂強度有所下降。綜合來看，相較于素混凝土，鋼釬維混凝土的劈裂強度有明顯提高。

2.3.2.3 分層以及層高對試件的抗折強度影響分析

不同分層結(jié)構(gòu)的鋼纖維混凝土抗折強度試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同分層結(jié)構(gòu)的鋼纖維混凝土抗折強度

由圖4可知，不同分層結(jié)構(gòu)的鋼纖維混凝土抗折強度均有不同程度增加，相對來看，1#結(jié)構(gòu)比其余4種結(jié)構(gòu)的增長幅度要小，摻加鋼釬維體積率從0%增加至1.5%過程中，1#結(jié)構(gòu)抗折強度增長很小，而其余4種結(jié)構(gòu)的增長幅度都在45%以上，說明試件上層的鋼釬維對提高試件抗折強度作用較小。綜上可知：當試件下層鋼釬維混凝土厚度一致時，鋼釬維摻量越大，試件抗折強度越大；當鋼釬維摻加量一致時，試件下層鋼釬維混凝土厚度(≤40%試件高度)越大，則其抗折強度也越大。

3 結(jié)論

1) 混凝土中摻加適量的鋼釬維，一定程度上提高了混凝土的力學性能，但鋼釬維在混合料中分布不均勻則會降低鋼釬維提高混凝土強度的作用效果，因此需確?；旌狭习韬系木鶆蛐浴?/p>

2) 鋼纖維摻量影響了混凝土的抗拉、劈裂和抗折強度。通過比較不同鋼纖維摻量的力學性能指標，確定鋼纖維混凝土的最佳鋼纖維摻量為1.2%。

3) 分層結(jié)構(gòu)影響試件的抗壓、劈裂抗折、強度。試件全為鋼纖維混凝土時,所對應(yīng)的抗壓、抗折、劈裂強度值均為最大。分層結(jié)構(gòu)對試件的抗壓強度值影響比鋼纖維摻量對其影響更顯著。試件上層鋼釬維對提高試件的抗折強度作用較小，試件下層鋼釬維混凝土厚度(≤40%試件高度)越大，其抗折強度越大。