粉煤灰對(duì)鋼纖維混凝土力學(xué)性能的影響研究

李 瑜，黃光請(qǐng)

(1.廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001；2.南寧市筑路技術(shù)與筑路材料工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530001)

0 引言

粉煤灰通過(guò)等量替換混凝土中的部分水泥，不僅能夠改善工作性能，降低結(jié)構(gòu)物自重，而且具備良好的社會(huì)環(huán)境效益，在我國(guó)多個(gè)水利大壩工程、機(jī)場(chǎng)工程及道路工程中得到了廣泛應(yīng)用。鋼纖維混凝土中的鋼纖維材料具有良好的阻尼效果，能夠顯著提高混凝土的抗拉、抗彎及抗疲勞性能，但鋼纖維的加入影響了混凝土和易性，水泥用量提高，增加了混合料的綜合成本。曹玉新等研究了不同類型的鋼纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)波紋型鋼纖維在混凝土中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，結(jié)合研究成果提出了相應(yīng)的基本參數(shù)[1]；遲維勝等分析了原狀粉煤灰對(duì)鋼纖維混凝土的性能影響，粉煤灰超量取代水泥后并不能改善其力學(xué)性能，研究成果僅限于機(jī)場(chǎng)道面混凝土的應(yīng)用[2]；吳振華等研究了鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土的基本性能，提出了輕骨料混凝土的鋼纖維摻量及粉煤灰的替代量[3]；程華清等研究了粉煤灰對(duì)鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗碳化性能的影響，結(jié)果顯示粉煤灰的摻加降低了混凝土內(nèi)部氫氧化鈣的含量，但對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度具有劣化作用[4]；張學(xué)兵、石保全等分別研究了鋼纖維粉煤灰再生混凝土和碾壓鋼纖維粉煤灰混凝土的相關(guān)性能，研究結(jié)論顯示鋼纖維體積率、粉煤灰取代率均對(duì)混凝土力學(xué)性能存在較大影響[5-6]。

綜上所述，針對(duì)鋼纖維混凝土和粉煤灰混凝土的應(yīng)用開展了較多的研究，并頒布了行業(yè)規(guī)范或技術(shù)指南，而針對(duì)鋼纖維粉煤灰混凝土的應(yīng)用處于研究探索階段，尤其涉及高強(qiáng)混凝土產(chǎn)品。本文通過(guò)常規(guī)的力學(xué)性能試驗(yàn)、侵蝕凍融試驗(yàn)等分析粉煤灰摻量變化、養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)鋼纖維粉煤灰混凝土綜合力學(xué)性能的影響，為進(jìn)一步推廣環(huán)保新型混凝土的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1.1.1 水泥

水泥選擇普通硅酸鹽水泥P.O42.5，技術(shù)指標(biāo)均合格，見(jiàn)表1。

表1 水泥物理性能指標(biāo)表

1.1.2 鋼纖維

試驗(yàn)采用波紋型鋼纖維，由江蘇省宜興市軍威金屬纖維有限公司生產(chǎn)，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 鋼纖維基本性能參數(shù)表

1.1.3 粉煤灰

試驗(yàn)采用河南省洛陽(yáng)市孟津縣發(fā)電廠生產(chǎn)的粉煤灰，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 粉煤灰性能指標(biāo)表

1.1.4 骨料

采用質(zhì)地堅(jiān)硬、耐久、潔凈、密實(shí)，粒徑為5～15 mm的碎石，粗、細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)分別見(jiàn)表4和表5，并滿足《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685)要求。

表4 粗骨料性能指標(biāo)表

表5 砂的性能指標(biāo)表

1.2 試驗(yàn)方案

鋼纖維混凝土具備優(yōu)良的力學(xué)抗拉、抗裂及疲勞等性能，廣泛應(yīng)用于橋梁、隧道、機(jī)場(chǎng)跑道等結(jié)構(gòu)，部分UHPC混凝土也采用了一定量的鋼纖維材料。粉煤灰作為活性材料替代少量水泥對(duì)混凝土性能進(jìn)行改善，能夠降低水化熱、減少內(nèi)部裂縫，提高密實(shí)度等。文章結(jié)合前期研究成果分析粉煤灰、養(yǎng)護(hù)齡期等因素變化對(duì)鋼纖維-粉煤灰混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能的影響。具體試驗(yàn)方案如下：

1.2.1 鋼纖維粉煤灰混凝土基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)

鋼纖維粉煤灰混凝土配合比設(shè)計(jì)基本參數(shù)主要包含水灰比、水泥用量、砂率、鋼纖維用量及粉煤灰用量。試驗(yàn)步驟過(guò)程與普通混凝土相同，按照最大水灰比、最小水泥用量的設(shè)計(jì)原則確定水灰比為0.42，水泥用量為400 kg/m3，鋼纖維體積率采用1.2%，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 鋼纖維粉煤灰混凝土基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)表

1.2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)方法

研究分析粉煤灰摻量變化和養(yǎng)護(hù)齡期(1 d、3 d、7 d、14 d、28 d)變化對(duì)鋼纖維粉煤灰混凝土力學(xué)性能的影響?？箟簭?qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)按照《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》(CECS13：89)要求，采用(150×150×150) mm的立方體試件；抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用(100×100×400) mm的小梁試件。利用UTM-100控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載方式采用三分點(diǎn)加載方式。

1.2.3 侵蝕凍融循環(huán)試驗(yàn)

侵蝕凍融循環(huán)試驗(yàn)選擇(100×100×400) mm的小梁試件(粉煤灰含量為25%，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d)，硫酸鈉浸泡溶液濃度為100 mg/L，循環(huán)次數(shù)選擇10次、20次、30次，具體步驟如下：

(1)成型試件養(yǎng)護(hù)到期28 d的前24 h置于清水中浸泡(15 ℃～20 ℃)，浸泡完畢后擦拭試件表面水分，直接放入溫度為-15 ℃的低溫試驗(yàn)箱內(nèi)8 h；取出試件放入15 ℃～20 ℃的硫酸鈉溶液中融化侵蝕。融化侵蝕時(shí)間為8 h。

(2)侵蝕結(jié)束后取出試件，擦拭表面水分，置于60 ℃烘箱中2 h保持試件干燥，然后放入清水中浸泡4 h，至此作為1個(gè)完成的侵蝕凍融循環(huán)。

(3)按照上述步驟對(duì)經(jīng)過(guò)不同侵蝕凍融循環(huán)次數(shù)的試件進(jìn)行小梁抗折試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰對(duì)鋼纖維混凝土抗壓性能的影響

鋼纖維混凝土規(guī)范中抗壓強(qiáng)度等級(jí)仍按照普通混凝土立方體抗壓強(qiáng)度評(píng)定，通過(guò)改變粉煤灰用量探究其對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量擬合曲線圖

圖2 鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期擬合曲線圖(粉煤灰-25%)

由圖1、圖2可知：

(1)摻加粉煤灰的鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度存在不同程度的劣化現(xiàn)象，且隨粉煤灰用量的增加，抗壓強(qiáng)度值逐漸下降。養(yǎng)護(hù)齡期7 d和28 d的鋼纖維粉煤灰混凝土摻量40%的抗壓強(qiáng)度值分別下降了33.1%和28.6%(以粉煤灰摻量20%為基準(zhǔn))，摻量25%的抗壓強(qiáng)度值分別下降了4.7%和3.3%。其中，粉煤灰摻量與抗壓強(qiáng)度值呈對(duì)數(shù)關(guān)系變化，二者具有較高的相關(guān)性。

(2)隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加，鋼纖維粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度值呈逐漸增加的趨勢(shì)，養(yǎng)護(hù)早期的抗壓強(qiáng)度增加速率高于養(yǎng)護(hù)后期，這與水泥早期快速水化反應(yīng)規(guī)律有關(guān)。如在養(yǎng)護(hù)齡期3 d的抗壓強(qiáng)度值提高了143%，7 d的抗壓強(qiáng)度值提高了122.5%，7 d的抗壓強(qiáng)度值達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期28 d的63.3%。

2.2 粉煤灰對(duì)鋼纖維混凝土劈裂抗拉的影響

研究表明，鋼纖維混凝土的力學(xué)抗拉性能、柔韌性能更具有顯著優(yōu)勢(shì)，鋼纖維混凝土一般破壞狀態(tài)表現(xiàn)為塑性破壞，而普通混凝土的破壞狀態(tài)為脆性破壞。分析不同粉煤灰摻量下鋼纖維混凝土力學(xué)抗拉性能變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨粉煤灰摻量擬合曲線圖

圖4 鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期擬合曲線圖(粉煤灰-25%)

由圖3、圖4可知：

(1)粉煤灰對(duì)鋼纖維混凝土力學(xué)抗拉性能存在相應(yīng)的劣化作用，隨粉煤灰摻量的增加，劈裂抗拉強(qiáng)度值呈下降趨勢(shì)，且粉煤灰摻量指標(biāo)與劈裂抗拉強(qiáng)度指標(biāo)呈良好的對(duì)數(shù)關(guān)系。如養(yǎng)護(hù)齡期7 d時(shí)，粉煤灰在摻量為25%、40%時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度值分別下降了10.3%和31.0%(與粉煤灰摻量20%相比)，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度值分別下降了3.6%和24.8%。這說(shuō)明在鋼纖維混凝土中增加粉煤灰填料將劣化其抗拉性能，摻量>25%時(shí)對(duì)混凝土的劣化程度超過(guò)了10%。這主要是因?yàn)榉勖夯业募?xì)度遠(yuǎn)低于水泥材料，在混凝土中具有填充孔隙結(jié)構(gòu)和反應(yīng)生成膠凝材料的功能，超過(guò)一定用量時(shí)，大部分粉煤灰會(huì)表現(xiàn)出填充孔隙結(jié)構(gòu)的作用，而力學(xué)抗拉性能的優(yōu)良主要通過(guò)水化膠凝材料來(lái)貢獻(xiàn)，因此鋼纖維粉煤灰混凝土的力學(xué)抗拉強(qiáng)度性能呈降低狀態(tài)。

(2)隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，鋼纖維粉煤灰混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度顯著增加，且早期強(qiáng)度增加幅度遠(yuǎn)高于后期，這與抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律相一致。養(yǎng)護(hù)齡期3 d、7 d和14 d的抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到28 d齡期的43.5%、79.1%和89%。這說(shuō)明鋼纖維粉煤灰混凝土的力學(xué)抗拉性能主要在早期養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)形成，高于對(duì)力學(xué)抗壓強(qiáng)度的影響。

結(jié)合7 d、28 d的抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)，分析可知粉煤灰對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響隨齡期的延長(zhǎng)而呈下降狀態(tài)，這與抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律相接近，但對(duì)抗拉強(qiáng)度影響的敏感性更加顯著，這與粉煤灰火山灰效應(yīng)的變化規(guī)律有關(guān)。

2.3 粉煤灰對(duì)鋼纖維混凝土抗折性能的影響

實(shí)體工程中對(duì)鋼纖維混凝土彎曲抗拉性能的基本要求遠(yuǎn)高于其他力學(xué)性能，研究粉煤灰對(duì)鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度影響規(guī)律具有重要指導(dǎo)意義。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 鋼纖維混凝土抗折強(qiáng)度隨粉煤灰摻量擬合曲線圖

圖6 鋼纖維混凝土劈裂抗折強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期擬合曲線圖

由圖5和圖6可知：

(1)鋼纖維粉煤灰混凝土抗折強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加呈下降趨勢(shì)，且二者呈對(duì)數(shù)關(guān)系變化，這與抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律相一致，說(shuō)明粉煤灰對(duì)鋼纖維混凝土的綜合力學(xué)性能具有相應(yīng)的劣化作用。對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期7 d、28 d，粉煤灰摻量25%的抗折強(qiáng)度分別下降了9.7%和8.6%，粉煤灰摻量40%的抗折強(qiáng)度分別下降了33.9%和27.9%。這說(shuō)明粉煤灰對(duì)鋼纖維混凝土7 d齡期的影響程度高于養(yǎng)護(hù)齡期28 d，這與上述抗壓、抗拉指標(biāo)影響規(guī)律相一致，但影響幅度存有較大的變化。

總體而言，粉煤灰作為一種火山灰材料，在混凝土內(nèi)部進(jìn)行的水化反應(yīng)需要在水泥反應(yīng)生成物之后。隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，粉煤灰的活性反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，不斷彌補(bǔ)了之前對(duì)早期性能的劣化，對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期28 d的影響減弱。以粉煤灰摻量25%為例，鋼纖維混凝土力學(xué)性能指標(biāo)的影響規(guī)律為抗折強(qiáng)度>抗拉強(qiáng)度>抗壓強(qiáng)度。

(2)隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，鋼纖維粉煤灰混凝土的抗折強(qiáng)度呈對(duì)數(shù)曲線增加，養(yǎng)護(hù)齡期3 d、7 d和14 d的抗折強(qiáng)度分別達(dá)到28 d齡期的57.7%、78.9%和85.4%，說(shuō)明鋼纖維粉煤灰混凝土彎曲抗拉性能對(duì)齡期的養(yǎng)護(hù)時(shí)間更為敏感，3 d的抗折強(qiáng)度超過(guò)28 d強(qiáng)度的50%，這與抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度不同。養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)鋼纖維粉煤灰混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律為抗折強(qiáng)度>抗拉強(qiáng)度>抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)粉煤灰對(duì)鋼纖維混凝土的綜合力學(xué)性能均存在一定程度的劣化作用，且隨粉煤灰用量的增加，各項(xiàng)性能呈顯著下降趨勢(shì)。但隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，對(duì)各項(xiàng)力學(xué)性能的影響有所下降，這與粉煤灰中活性材料的緩慢反應(yīng)有關(guān)?？傮w而言，對(duì)力學(xué)性能劣化影響規(guī)律為抗折強(qiáng)度>抗拉強(qiáng)度>抗壓強(qiáng)度。

(2)隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，鋼纖維粉煤灰混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能均顯著改善，各項(xiàng)指標(biāo)呈對(duì)數(shù)曲線增加，養(yǎng)護(hù)齡期3 d的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度指標(biāo)分別為28 d齡期的38.7%、43.5%和57.7%。

(3)隨侵蝕凍融循環(huán)次數(shù)的增加，鋼纖維粉煤灰混凝土的力學(xué)抗折性能顯著下降，破壞最大撓度值呈下降趨勢(shì)，混凝土由塑性狀態(tài)向脆性狀態(tài)過(guò)度，侵蝕凍融循環(huán)30次的破壞撓度值下降了25.8%，抗折強(qiáng)度值下降了18.5%。