歐 忙,任玉英,謝蕓菲

(1.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院,河南 鄭州 451100；2.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院,遼寧 大連 116024)

混凝土作為目前世界上應(yīng)用最多的一類建筑材料，被廣泛應(yīng)用在各類建筑結(jié)構(gòu)中。近年來，全球范圍的混凝土用量始終保持在50億m3/a以上[1]。隨著各類高聳建筑和大跨橋梁的設(shè)計(jì)修建頻頻出現(xiàn)，對(duì)混凝土性能的使用要求也逐漸提高，普通混凝土的性能已難以滿足。鑒于普通混凝土本身存在的抗拉強(qiáng)度低、抗裂性能差等缺陷，研制使用性能更佳的優(yōu)質(zhì)混凝土成為新的研究方向[2-4]。

1994年，Larrard 和Sedran首次提出“超高性能混凝土”這一概念[5]。超高性能混凝土作為一類新型復(fù)合材料的誕生，能夠有效改善混凝土的均勻性和密實(shí)度，韌性、抗拉、抗彎等力學(xué)性能及耐久性均得到提升，得到業(yè)內(nèi)的廣泛認(rèn)可，但受生產(chǎn)條件和養(yǎng)護(hù)條件的制約，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性的情況下，尚未進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用。

國內(nèi)外在超高性能混凝土方面已進(jìn)行一定程度的研究，雖然國內(nèi)這方面研究起步較晚，但已取得一定成果。趙軍[6]等人研究發(fā)現(xiàn)，摻入剪切波紋型鋼纖維時(shí)，當(dāng)摻量不超過2%，對(duì)提高混凝土抗壓強(qiáng)度有幫助；朱海棠[7]等人研究發(fā)現(xiàn)，隨著鋼 纖維摻量的增加，能夠提供混凝土的彎曲韌性；黃承逵[8]等人研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維混凝土在抗沖擊性能和耐疲勞性能方面的提高效果顯著；梁興文[9]等人研究發(fā)現(xiàn)，摻入長(zhǎng)鋼纖維的超高性能混凝土的力學(xué)性能優(yōu)于摻入短鋼纖維，且效果顯著；YOO[10]等人研究發(fā)現(xiàn)，隨著鋼纖維摻量的提高，超高性能混凝土的抗壓性能是先提高后降低，表明應(yīng)合理選擇鋼纖維的摻量。可見，鋼纖維摻量及規(guī)格對(duì)超高性能混凝土的性能有很大程度的影響，為進(jìn)一步探究這一問題，在前人研究的基礎(chǔ)上，本文將通過對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行施工性能和力學(xué)性能方面研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：P·O 52.5普通硅酸鹽水泥，具體成分見表1；砂：精制石英砂，粒徑20目～50目；微硅粉：深灰色，具體指標(biāo)及成分見表2；礦粉：白色，具體指標(biāo)及成分見表3；減水劑：瑞士西卡530P聚羧酸減水劑，白色粉末狀；鋼纖維：鍍銅平直型，長(zhǎng)度分別為13、16、18、20 mm共4種規(guī)格，具體指標(biāo)見表4；水：普通礦泉水。

表1 水泥組成成分表Table 1 Composition of cement材料類型水泥不同成分占比/%CaO+MgOSiO2Al2O3Fe2O3K2O+Na2OTiO2水泥60.8318.957.115.961.340.00

表2 微硅粉組成成分表Table 2 Composition of micro silica powder材料類型燒失量/(g·m-2)活性指數(shù)/(g·m-2)比表面積/(g·m-2)微硅粉不同成分占比/%SiO2CaO+MgOK2O+Na2OAl2O3Fe2O3TiO2微硅粉2.81252096.370.360.220.180.120.00

表3 礦粉組成成分表Table 3 Composition of mineral powder材料類型粒徑/μm礦粉不同成分占比/%SiO2CaO+MgOK2O+Na2OFe2O3TiO2/%Al2O3礦粉1.695.831.861.790.330.090.00

表4 鋼纖維物理及力學(xué)指標(biāo)表Table 4 Physical and mechanical indexes of steel fiber規(guī)格長(zhǎng)度/mm容重/(g·cm-3)直徑/mm長(zhǎng)徑比彈性模量/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa外觀類型137.800.20652.05×1052 850平直型167.800.20802.05×1052 850平直型187.800.20902.05×1052 850平直型207.800.201002.05×1052 850平直型

(a) 長(zhǎng)度13 mm

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

a.試驗(yàn)分組[11-13]。

在本試驗(yàn)中共設(shè)置2個(gè)組別，分別為：

① 試驗(yàn)1：A1～A9為0%～4%的不同鋼纖維摻量試驗(yàn)組，選用13 mm長(zhǎng)、Φ 0.2 mm的鋼纖維；

② 試驗(yàn)2：A6、B1～B3為不同長(zhǎng)徑比的鋼纖維試驗(yàn)組，本組試驗(yàn)選用2.5%的鋼纖維體積摻量，長(zhǎng)度分別為13、16、18、20 mm共4種。

在上述試驗(yàn)中，試驗(yàn)1中僅設(shè)置鋼纖維摻量為變量，試驗(yàn)2中僅設(shè)置鋼纖維長(zhǎng)徑比為變量，其余各組分相對(duì)比例保持不變，混凝土的水膠比設(shè)置為0.18，分組情況詳見表5。

表5 試驗(yàn)分組表Table 5 Test grouping table組號(hào)鋼纖維規(guī)格/mm鋼纖維體積摻量/%組號(hào)鋼纖維規(guī)格/mm鋼纖維體積摻量/%A1130 A7133 A2130.5A8133.5A3131A9134A4131.5B1162.5A5132B2182.5A6132.5B3202.5

b.試驗(yàn)儀器。

游標(biāo)卡尺: 150 mm×0.02 mmⅡ型，哈爾濱量具集團(tuán)有限責(zé)任公司；數(shù)顯式液壓萬能試驗(yàn)機(jī)：BJWE-S300B，濟(jì)南鉑鑒測(cè)試技術(shù)有限公司；微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)：WAW-2000，上海華龍測(cè)試儀器有限公司。

c.試驗(yàn)方法。

根據(jù)《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13:2009)和《活性粉末混凝土》(GB T 31387-2015)的試驗(yàn)要求，抗壓強(qiáng)度試件采用100 mm×100 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體，每組3個(gè)，抗折強(qiáng)度試件采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體，每組3個(gè)。按照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13:2009)在注模前進(jìn)行擴(kuò)展度試驗(yàn)，然后將試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。其中，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)(WAW-2000)，最大量程2 000 kN，試驗(yàn)過程中控制加載速度為5 kN/s；抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用數(shù)顯式液壓萬能試驗(yàn)機(jī)(BJWE-S300B)，量程為300 kN，試驗(yàn)過程中控制加載速度為0.05 mm/min。

圖2 擴(kuò)展度試驗(yàn)

圖3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

圖4 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

2 鋼纖維摻量對(duì)超高性能混凝土性能影響試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同摻量鋼纖維對(duì)超高性能混凝土的擴(kuò)展度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度[14-15]的影響如下：

從圖5可以看出，隨著鋼纖維摻量的增加，超高性能混凝土的擴(kuò)展度呈降低趨勢(shì)，特別是當(dāng)摻量超過1%后，擴(kuò)展度降低量特別顯著，這是因?yàn)殇摾w維摻量增加使得鋼纖維與混凝土之間的摩擦增強(qiáng)而降低了混凝土的流動(dòng)性。當(dāng)摻量到達(dá)1%之前，隨著鋼纖維摻量增加，擴(kuò)展度變化幅度較大，約為-6.5%；當(dāng)摻量到達(dá)1%之后，隨著鋼纖維摻量增加，擴(kuò)展度變化幅度顯著降低，約為-1.0%。

圖5 擴(kuò)展度測(cè)試結(jié)果圖

從表6和圖6、圖7可以看出：① 當(dāng)鋼纖維摻量為0時(shí)，超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度為107.13 MPa，當(dāng)摻量為4%時(shí)，超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度為166.84 MPa，增幅達(dá)55.7%，可見，鋼纖維的摻入對(duì)改善超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度有顯著作用。同時(shí)，隨著鋼纖維摻量的增加，超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度在整體上呈增加趨勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼纖維增加了混凝土內(nèi)部的粘結(jié)性，對(duì)混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)展起到了很好的抑制作用。鋼纖維摻量自0.5%遞增至4%過程中，相鄰組之間抗壓強(qiáng)度增加幅度相近。② 隨著鋼纖維摻量的逐級(jí)遞增，抗折強(qiáng)度變化幅度相差較大。當(dāng)摻量在3.5%以下時(shí)，隨著鋼纖維摻量的增加，超高性能混凝土的抗折強(qiáng)度整體上呈增加趨勢(shì)，最大值為43.74 MPa，而當(dāng)摻量超過3.5%時(shí)，抗折強(qiáng)度出現(xiàn)陡降，變化幅度為-22.5%。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鋼纖維摻量達(dá)到4%時(shí)，混凝土內(nèi)部鋼纖維出現(xiàn)“結(jié)團(tuán)”現(xiàn)象，對(duì)內(nèi)部的密實(shí)度造成影響，對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度有負(fù)面作用。

表6 抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 6 Test results of compressive strength and flexural strength鋼纖維體積摻量/%抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值/MPa抗壓強(qiáng)度平均值/MPa抗折強(qiáng)度試驗(yàn)值/MPa抗折強(qiáng)度平均值/MPa101.622.30107.3107.1321.421.57112.521.0125.720.10.5135.6131.1823.221.45132.321.1133.320.41137.3137.3020.922.43141.325.9143.124.31.5147.1146.7328.026.35150.026.8143.035.22159.4149.3832.635.00145.737.1154.736.42.5162.3157.2439.936.80154.734.1154.442.13162.6160.1338.939.45163.337.3162.045.93.5161.2161.1243.143.74160.242.2170.633.34164.3166.8433.533.91165.735.0

圖6 抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果圖

圖7 抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果圖

綜上所述，不同摻量的鋼纖維對(duì)超高性能混凝土擴(kuò)展度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的影響不同，且在確定鋼纖維合理摻量時(shí)，應(yīng)綜合考慮鋼纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響存在差異性，同時(shí)考慮施工時(shí)對(duì)混凝土流動(dòng)性的要求。

3 鋼纖維長(zhǎng)徑比對(duì)超高性能混凝土性能影響試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同長(zhǎng)徑比鋼纖維對(duì)超高性能混凝土的擴(kuò)展度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的影響如下：

圖8 擴(kuò)展度測(cè)試結(jié)果圖

從圖8可以看出，在保持鋼纖維摻量在2.5%的情況下，隨著鋼纖維長(zhǎng)徑比的增加，超高性能混凝土的擴(kuò)展度呈降低趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼纖維長(zhǎng)徑比越大，鋼纖維與超高性能混凝土之間的相互作用越顯著，摩擦力越大，從而引起超高性能混凝土的流動(dòng)性降低，擴(kuò)展度變小。當(dāng)長(zhǎng)徑比為65時(shí)，擴(kuò)展度為613 m；當(dāng)長(zhǎng)徑比為100時(shí)，擴(kuò)展度為508 mm，長(zhǎng)徑比的增加共引起變化幅度為-17.1%。

從表7和圖9、圖10可以看出：在保持鋼纖維摻量在2.5%的情況下，隨著鋼纖維長(zhǎng)徑比的增加，超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度整體上呈增加趨勢(shì)，但變化幅度均較小。當(dāng)鋼纖維長(zhǎng)徑比為100時(shí)，超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度最大值為164.89 MPa，抗折強(qiáng)度最大值為42.05 MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著鋼纖維長(zhǎng)徑比的增加，鋼纖維與混凝土內(nèi)部的接觸作用更加顯著，應(yīng)力作用距離增加，對(duì)混凝土內(nèi)部裂縫發(fā)展的抑制作用提高，從而引起超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等性能有所提高。

表7 抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 7 Test results of compressive strength and flexural strength長(zhǎng)徑比抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值/MPa抗壓強(qiáng)度平均值/MPa抗折強(qiáng)度試驗(yàn)值/MPa抗折強(qiáng)度平均值/MPa154.736.465162.3157.2439.936.80154.734.1162.037.080168.4162.4137.939.11156.942.4166.640.090164.1164.2034.438.70162.041.8167.544.6100156.0164.8938.742.05171.142.8

圖9 抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果圖

圖10 抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果圖

綜上所述，不同長(zhǎng)徑比的鋼纖維對(duì)超高性能混凝土擴(kuò)展度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的影響不同。當(dāng)鋼纖維摻量確定后，考慮施工時(shí)混凝土流動(dòng)性的前提下，適當(dāng)提高鋼纖維長(zhǎng)徑比有助于提高超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

4 結(jié)論

本文針對(duì)鋼纖維摻量及規(guī)格在超高性能混凝土中的應(yīng)用展開了研究，探究了兩種參數(shù)變化對(duì)超高性能混凝土的擴(kuò)展度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等方面性能的影響，得到如下結(jié)論：

a.當(dāng)鋼纖維長(zhǎng)徑比為65時(shí)，隨著摻量的增加，超高性能混凝土擴(kuò)展度呈降低趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，抗折強(qiáng)度呈先增加后降低的趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度最大值分別為166.84、43.74 MPa，對(duì)應(yīng)的鋼纖維摻量分別4%和3.5%。因此，在確定鋼纖維合理摻量時(shí)，應(yīng)綜合考慮鋼纖維摻量對(duì)超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響存在差異性，同時(shí)考慮施工時(shí)對(duì)混凝土流動(dòng)性的要求。

b.當(dāng)鋼纖維為2.5%時(shí)，隨著長(zhǎng)徑比的增加，超高性能混凝土擴(kuò)展度呈降低趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均呈增加趨勢(shì)，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度最大值分別為164.89、42.05 MPa。因此，在選擇鋼纖維長(zhǎng)徑比時(shí)，鋼纖維摻量確定后，考慮施工時(shí)混凝土流動(dòng)性的同時(shí)，適當(dāng)提高鋼纖維長(zhǎng)徑比有助于提高超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

c.鋼纖維摻量和規(guī)格對(duì)改善超高性能混凝土的施工流動(dòng)性和力學(xué)性能存在一定差異性，兩者之間相互影響，鋼纖維的最佳摻量并不唯一，因此，應(yīng)在滿足混凝土工作性能的前提下，適當(dāng)提高鋼纖維的長(zhǎng)徑比，從而改善超高性能混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用，較少裂縫的出現(xiàn)，提高耐久性。