塑鋼纖維混凝土早齡期力學(xué)性能研究

段小芳，袁嬌嬌

(1. 南通開放大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226006；2. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，南京 210098)

混凝土力學(xué)性能對結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性有重要影響.目前，關(guān)于混凝土早齡期力學(xué)性能的研究較少.李德超等[1]通過在混凝土中摻入纖維提高了混凝土強(qiáng)度.李曉偉[2]、陳茜[3]、白春等[4]研究發(fā)現(xiàn)在混凝土中摻入適量塑鋼纖維可以提高其早齡期抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，摻量過少強(qiáng)度提升不明顯，摻量過多則強(qiáng)度降低.

混凝土早齡期立方體抗壓強(qiáng)度影響拆模時(shí)間，對工程工期有重要影響，且混凝土早齡期收縮大，在外部荷載作用下會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)外部拉應(yīng)力超過混凝土早齡期抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會(huì)開裂.已有研究者[5-6]通過摻入鋼纖維提高了混凝土早齡期抗拉強(qiáng)度.和鋼纖維相比，塑鋼纖維材質(zhì)輕、價(jià)格便宜，在混凝土中亂象分布，形成三維支撐，使混凝土中的骨料不易下沉.因此，本文開展了塑鋼纖維混凝土早齡期力學(xué)性能研究，將不同體積率塑鋼纖維摻入混凝土中，探尋早齡期立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度發(fā)展變化規(guī)律.

1 試驗(yàn)方案

混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C60，采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，粗骨料為5～15 mm 石子，細(xì)骨料為2～5 mm 砂子，粉煤灰為I 級，礦粉等級為S95，混凝土配合比見表1.塑鋼纖維長度為24 mm，直徑為0.8 mm，密度為0.95 g/cm3，抗拉強(qiáng)度為530 MPa，彈性模量為9 800 MPa.

表1 混凝土配合比 g

根據(jù)塑鋼纖維摻量的不同將混凝土分成4 組，組號為PS0、PS0.45、PS0.9 和PS1.35，對應(yīng)的塑鋼纖維體積率分別為0.0%、0.45%、0.9%和1.35%.混凝土早齡期力學(xué)性能包括：立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度.根據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2019)[7]確定試件尺寸和計(jì)算方法，試件的工況見表2.試件養(yǎng)護(hù)溫度為20±2 ℃，相對濕度為90%.

表2 試件工況

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 早齡期立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1.1 塑鋼纖維對早齡期立方體抗壓強(qiáng)度的影響

圖1 為不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期立方體抗壓強(qiáng)度對比圖.

圖1 不同摻量塑鋼纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度對比

由圖1 可知，立方體抗壓強(qiáng)度隨塑鋼纖維摻量的增加整體呈增長趨勢，但增幅不顯著.圖2為立方體抗壓強(qiáng)度增幅圖.由圖2 可知，塑鋼纖維體積摻量為0.45%時(shí)，0～14 d 混凝土早齡期立方體抗壓強(qiáng)度小幅度降低(降幅＜4%)，14～28 d強(qiáng)度小幅度提升(增幅＜3%)；當(dāng)塑鋼纖維體積摻量為0.9%～1.35%時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度增加，增幅接近8%.這表明適量塑鋼纖維均勻分布在混凝土中時(shí)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，阻止了骨料的下沉；同時(shí)，纖維可填充早齡期水化反應(yīng)產(chǎn)生的空隙，使混凝土內(nèi)部更加均勻密實(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度提高。綜上，建議塑鋼纖維體積率≥0.9%.

圖2 早齡期塑鋼纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度增幅

2.1.2 齡期對混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 為不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期立方體抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線.

圖3 立方體抗壓強(qiáng)度隨齡期變化曲線

由圖3 可知，塑鋼纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨著齡期的發(fā)展呈非線性增長，14 d 以前強(qiáng)度發(fā)展較快；14 d 以后強(qiáng)度發(fā)展較慢，14 d 齡期立方體強(qiáng)度約為28 d 的80%～85%，14～28 d 期間其強(qiáng)度提高約15%～20%.由此可見，隨著齡期的發(fā)展，塑鋼纖維混凝土強(qiáng)度趨于平穩(wěn).

2.1.3 塑鋼纖維混凝土早齡期立方體抗壓強(qiáng)度計(jì)算模型

擬合圖3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期立方體抗壓計(jì)算模型，見式(1)：PS0.45、PS0.9 和PS1.35 這4 組試件參數(shù)A、B、C和擬合相關(guān)系數(shù)R2見表3.

表3 參數(shù)A、B、C 和擬合相關(guān)系數(shù)R2取值

2.2 早齡期劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.2.1 塑鋼纖維對早齡期劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖4 為不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期劈裂抗拉強(qiáng)度對比圖.由圖4 可知，劈裂抗拉強(qiáng)度隨塑鋼纖維摻量的增加而增加.

圖4 不同摻量塑鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度對比

圖5 為不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期劈裂抗拉強(qiáng)度增幅對比圖.

圖5 不同摻量塑鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度增幅對比

由圖5 可知，當(dāng)塑鋼纖維體積摻量為0.45%時(shí)，劈拉強(qiáng)度增幅為15%～23%；當(dāng)其摻量為0.9%時(shí)，增幅為29%～42%；當(dāng)其摻量為1.35%時(shí)，增幅為34%～49%.3 d 齡期塑鋼纖維對劈拉強(qiáng)度增幅最顯著，7～28 d 齡期強(qiáng)度增幅曲線基本一致.塑鋼纖維在混凝土中亂象分布，形成了三維網(wǎng)絡(luò)支撐，當(dāng)混凝土達(dá)到抗拉強(qiáng)度后塑鋼纖維通過橋接作用繼續(xù)承受外部拉應(yīng)力，阻礙裂縫擴(kuò)展，與混凝土形成一個(gè)共同受力體系，使其劈裂抗拉強(qiáng)度提高.

2.2.2 齡期對混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖6 為不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期劈裂抗拉強(qiáng)度隨齡期變化曲線。由圖6 可知，隨著齡期發(fā)展，劈裂抗拉強(qiáng)度呈非線性增長，在14 d 前強(qiáng)度發(fā)展較快，14 d 后發(fā)展趨于平緩.當(dāng)塑鋼纖維體積摻量為0%時(shí)，14 d 齡期強(qiáng)度約為28 d 強(qiáng)度的94.31%；當(dāng)摻量0.45%～1.35%時(shí)，14 d 強(qiáng)度約為28 d 的93%～ 95%.由此可見，隨著齡期的發(fā)展，塑鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度和普通混凝土強(qiáng)度發(fā)展趨勢基本一致.

圖6 劈裂抗拉強(qiáng)度隨齡期變化曲線

2.2.3 早齡期劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算模型

擬合圖6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期劈裂抗拉計(jì)算模型，見式(2)：

表4 參數(shù)A、B、C 和擬合相關(guān)系數(shù)R2取值

2.3 早齡期抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.3.1 塑鋼纖維對早齡期抗折強(qiáng)度的影響

圖7 為不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期抗折強(qiáng)度對比圖.由圖7 可知，抗折強(qiáng)度隨塑鋼纖維摻量的增加而增加.圖8 為不同摻量塑鋼纖維混凝土抗折強(qiáng)度增幅對比圖.由圖8 可知，當(dāng)塑鋼纖維體積摻量為 0.45%時(shí)，抗折強(qiáng)度增幅為15%～26%；當(dāng)摻量為0.9%時(shí)，增幅為20%～26%；當(dāng)摻量為1.35%時(shí)，增幅為20%～35%.3 d 齡期塑鋼纖維混凝土抗折強(qiáng)度增幅最顯著，7～28 d 強(qiáng)度增幅逐漸趨于平穩(wěn).塑鋼纖維單絲在混凝土中形成三維網(wǎng)狀支撐，骨料和水泥漿不易離析，混凝土內(nèi)部形成致密均勻的整體，且隨外部荷載增大導(dǎo)致混凝土開裂后，塑鋼纖維通過橋接作用繼續(xù)承受混凝土表面的拉應(yīng)力.

圖7 不同摻量塑鋼纖維混凝土抗折強(qiáng)度對比

圖8 不同摻量塑鋼纖維混凝土抗折強(qiáng)度增幅對比

2.3.2 齡期對混凝土抗折強(qiáng)度的影響

圖9 為不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期抗折強(qiáng)度隨齡期變化曲線.由圖9 可知，隨著齡期發(fā)展，抗折強(qiáng)度呈非線性增長，其中14 d 前發(fā)展較快，14 d 后發(fā)展較慢.當(dāng)塑鋼纖維體積摻量為0%時(shí)，14 d 齡期強(qiáng)度約為28 d 強(qiáng)度的91.6%；當(dāng)摻量為0.45%～1.35%時(shí)，14 d 強(qiáng)度約為28 d 的89%～92%.可見，隨著齡期的發(fā)展，塑鋼纖維混凝土和普通混凝土抗折強(qiáng)度發(fā)展趨勢基本一致.

圖9 抗折強(qiáng)度隨齡期變化曲線

2.3.3 塑鋼纖維混凝土早齡期抗折強(qiáng)度計(jì)算模型

擬合圖9 試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期抗折強(qiáng)度計(jì)算模型，見式(3)：4 組試件參數(shù)A、B、C和擬合相關(guān)系數(shù)R2，見表5.

表5 參數(shù)A、B、C 和擬合相關(guān)系數(shù)R2取值

2.4 塑鋼纖維混凝土早齡期拉壓比試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.4.1 塑鋼纖維摻量對混凝土拉壓比的影響

圖10 為混凝土拉壓比(立方體劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比)隨塑鋼纖維摻量變化曲線圖.由圖10 可知，拉壓比隨著塑鋼纖維摻量的增大而增大.

圖10 混凝土拉壓比隨塑鋼纖維摻量變化曲線

圖11 為拉壓比增幅變化曲線圖.由圖11 可知，當(dāng)塑鋼纖維摻量為0.45%時(shí)，拉壓比增幅為11%～28%；當(dāng)摻量為1.35%時(shí)，增幅為26%～50%.拉壓比越大，混凝土塑性越好[8]，這說明摻入塑鋼纖維使混凝土脆性性能得到了明顯改善.

圖11 拉壓比增幅隨塑鋼纖維摻量變化曲線

2.4.2 齡期對拉壓比的影響

混凝土拉壓比隨齡期變化曲線見圖12.

圖12 混凝土拉壓比隨齡期變化曲線

由圖12 可知，拉壓比隨齡期增長而降低，前21 d 降幅較大，21～28 d 逐漸趨于平穩(wěn).0～21 d拉壓比為0.09～0.16，21～28 d 拉壓比為0.08～0.11，這說明立方體早齡期劈裂抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度發(fā)展速度快.

2.5 塑鋼纖維混凝土早齡期折壓比試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.5.1 塑鋼纖維摻量對混凝土折壓比的影響

圖13 為混凝土折壓比(立方體抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比)隨塑鋼纖維摻量變化曲線圖，圖14為折壓比增幅變化曲線圖.由圖13～圖14 可知，塑鋼纖維能提高混凝土折壓比，立方體抗折強(qiáng)度的提高大于其抗壓強(qiáng)度的提高，這說明適量摻入塑鋼纖維能夠改善混凝土脆性性能.

圖13 混凝土折壓比隨塑鋼纖維摻量變化曲線

圖14 折壓比增幅隨塑鋼纖維摻量變化曲線

2.5.2 齡期對折壓比的影響

混凝土折壓比隨齡期變化曲線見圖15.由圖15 可知，折壓比隨齡期增長而降低，前7 d 折壓比降幅較大，14～28 d 逐漸趨于平穩(wěn).0～7 d 折壓比為0.12～0.18，14～28 d 折壓比為0.11～0.15，這說明立方體早齡期抗折強(qiáng)度比其抗壓強(qiáng)度發(fā)展速度快.當(dāng)塑鋼纖維摻量為0.45%～1.35%時(shí)，3 d齡期折壓比增幅為20%～36%，7～28 d 齡期增幅為12%～20%，這說明摻入塑鋼纖維對前3 d 的折壓比影響較大.

圖15 混凝土折壓比隨齡期變化曲線

3 結(jié)論

1)適量塑鋼纖維可以提高混凝土早齡期立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度.塑鋼纖維對混凝土早齡期劈裂抗拉強(qiáng)度的增幅最大，抗折強(qiáng)度次之，對立方體抗壓強(qiáng)度影響最小.

2)隨著齡期發(fā)展，早齡期劈裂抗拉強(qiáng)度發(fā)展最快，抗折強(qiáng)度次之，立方體抗壓強(qiáng)度發(fā)展最慢.對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了3 種強(qiáng)度隨齡期發(fā)展的計(jì)算模型，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)塑鋼纖維體積率為0%～1.35%，3 d 齡期時(shí)，塑鋼纖維對早齡期劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度提升幅度最大，劈裂抗拉強(qiáng)度增幅約22%～49%，抗折強(qiáng)度增幅約22%～35%；7～28 d 時(shí)，增幅降低并趨于平穩(wěn)，劈裂抗拉強(qiáng)度增幅約29%～37%，抗折強(qiáng)度增幅約15%～23%.

3)適量塑鋼纖維可以提高混凝土早齡期拉壓比和折壓比，改善混凝土脆性；0～28 d 塑鋼纖維混凝土早齡期拉壓比和折壓比隨著齡期增大而降低，最終趨于平穩(wěn).