李 瑜，黃光請

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

0 引言

粉煤灰通過等量替換混凝土中的部分水泥，不僅能夠改善工作性能，降低結構物自重，而且具備良好的社會環(huán)境效益，在我國多個水利大壩工程、機場工程及道路工程中得到了廣泛應用。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混凝土力學性能的影響，發(fā)現波紋型鋼纖維在混凝土中的應用優(yōu)勢，結合研究成果提出了相應的基本參數[1]；遲維勝等分析了原狀粉煤灰對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性能，研究成果僅限于機場道面混凝土的應用[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鋼纖維混凝土的抗壓強度、抗碳化性能的影響，結果顯示粉煤灰的摻加降低了混凝土內部氫氧化鈣的含量，但對混凝土抗折強度具有劣化作用[4]；張學兵、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性能，研究結論顯示鋼纖維體積率、粉煤灰取代率均對混凝土力學性能存在較大影響[5-6]。

綜上所述，針對鋼纖維混凝土和粉煤灰混凝土的應用開展了較多的研究，并頒布了行業(yè)規(guī)范或技術指南，而針對鋼纖維粉煤灰混凝土的應用處于研究探索階段，尤其涉及高強混凝土產品。本文通過常規(guī)的力學性能試驗、侵蝕凍融試驗等分析粉煤灰摻量變化、養(yǎng)護齡期對鋼纖維粉煤灰混凝土綜合力學性能的影響，為進一步推廣環(huán)保新型混凝土的應用提供指導。

1 試驗方案

1.1 原材料

1.1.1 水泥

水泥選擇普通硅酸鹽水泥P.O42.5，技術指標均合格，見表1。

表1 水泥物理性能指標表

1.1.2 鋼纖維

試驗采用波紋型鋼纖維，由江蘇省宜興市軍威金屬纖維有限公司生產，技術指標見表2。

表2 鋼纖維基本性能參數表

1.1.3 粉煤灰

試驗采用河南省洛陽市孟津縣發(fā)電廠生產的粉煤灰，技術指標見表3。

表3 粉煤灰性能指標表

1.1.4 骨料

采用質地堅硬、耐久、潔凈、密實，粒徑為5～15 mm的碎石，粗、細集料的技術指標分別見表4和表5，并滿足《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685)要求。

表4 粗骨料性能指標表

表5 砂的性能指標表

1.2 試驗方案

鋼纖維混凝土具備優(yōu)良的力學抗拉、抗裂及疲勞等性能，廣泛應用于橋梁、隧道、機場跑道等結構，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混凝土性能進行改善，能夠降低水化熱、減少內部裂縫，提高密實度等。文章結合前期研究成果分析粉煤灰、養(yǎng)護齡期等因素變化對鋼纖維-粉煤灰混凝土各項力學性能的影響。具體試驗方案如下：

1.2.1 鋼纖維粉煤灰混凝土基準配合比設計

鋼纖維粉煤灰混凝土配合比設計基本參數主要包含水灰比、水泥用量、砂率、鋼纖維用量及粉煤灰用量。試驗步驟過程與普通混凝土相同，按照最大水灰比、最小水泥用量的設計原則確定水灰比為0.42，水泥用量為400 kg/m3，鋼纖維體積率采用1.2%，設計參數見表6。

表6 鋼纖維粉煤灰混凝土基準配合比設計表

1.2.2 力學性能試驗方法

研究分析粉煤灰摻量變化和養(yǎng)護齡期(1 d、3 d、7 d、14 d、28 d)變化對鋼纖維粉煤灰混凝土力學性能的影響?？箟簭姸群团芽估瓘姸仍囼灠凑铡朵摾w維混凝土試驗方法》(CECS13：89)要求，采用(150×150×150) mm的立方體試件；抗折強度試驗采用(100×100×400) mm的小梁試件。利用UTM-100控制電液伺服萬能試驗機，加載方式采用三分點加載方式。

1.2.3 侵蝕凍融循環(huán)試驗

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

(1)成型試件養(yǎng)護到期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 ℃的低溫試驗箱內8 h；取出試件放入15 ℃～20 ℃的硫酸鈉溶液中融化侵蝕。融化侵蝕時間為8 h。

(2)侵蝕結束后取出試件，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個完成的侵蝕凍融循環(huán)。

(3)按照上述步驟對經過不同侵蝕凍融循環(huán)次數的試件進行小梁抗折試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 粉煤灰對鋼纖維混凝土抗壓性能的影響

鋼纖維混凝土規(guī)范中抗壓強度等級仍按照普通混凝土立方體抗壓強度評定，通過改變粉煤灰用量探究其對抗壓強度的影響規(guī)律，試驗結果見圖1和圖2。

圖1 鋼纖維混凝土的抗壓強度隨粉煤灰摻量擬合曲線圖

圖2 鋼纖維混凝土的抗壓強度隨養(yǎng)護齡期擬合曲線圖(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度存在不同程度的劣化現象，且隨粉煤灰用量的增加，抗壓強度值逐漸下降。養(yǎng)護齡期7 d和28 d的鋼纖維粉煤灰混凝土摻量40%的抗壓強度值分別下降了33.1%和28.6%(以粉煤灰摻量20%為基準)，摻量25%的抗壓強度值分別下降了4.7%和3.3%。其中，粉煤灰摻量與抗壓強度值呈對數關系變化，二者具有較高的相關性。

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

2.2 粉煤灰對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抗拉性能、柔韌性能更具有顯著優(yōu)勢，鋼纖維混凝土一般破壞狀態(tài)表現為塑性破壞，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抗拉性能變化規(guī)律，試驗結果見圖3和圖4。

圖3 鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強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度隨養(yǎng)護齡期擬合曲線圖(粉煤灰-25%)

由圖3、圖4可知：

(1)粉煤灰對鋼纖維混凝土力學抗拉性能存在相應的劣化作用，隨粉煤灰摻量的增加，劈裂抗拉強度值呈下降趨勢，且粉煤灰摻量指標與劈裂抗拉強度指標呈良好的對數關系。如養(yǎng)護齡期7 d時，粉煤灰在摻量為25%、40%時的劈裂抗拉強度值分別下降了10.3%和31.0%(與粉煤灰摻量20%相比)，養(yǎng)護齡期為28 d的劈裂抗拉強度值分別下降了3.6%和24.8%。這說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%時對混凝土的劣化程度超過了10%。這主要是因為粉煤灰的細度遠低于水泥材料，在混凝土中具有填充孔隙結構和反應生成膠凝材料的功能，超過一定用量時，大部分粉煤灰會表現出填充孔隙結構的作用，而力學抗拉性能的優(yōu)良主要通過水化膠凝材料來貢獻，因此鋼纖維粉煤灰混凝土的力學抗拉強度性能呈降低狀態(tài)。

(2)隨養(yǎng)護齡期的延長，鋼纖維粉煤灰混凝土的劈裂抗拉強度顯著增加，且早期強度增加幅度遠高于后期，這與抗壓強度變化規(guī)律相一致。養(yǎng)護齡期3 d、7 d和14 d的抗拉強度分別達到28 d齡期的43.5%、79.1%和89%。這說明鋼纖維粉煤灰混凝土的力學抗拉性能主要在早期養(yǎng)護時間內形成，高于對力學抗壓強度的影響。

結合7 d、28 d的抗拉強度數據，分析可知粉煤灰對抗拉強度的影響隨齡期的延長而呈下降狀態(tài)，這與抗壓強度影響規(guī)律相接近，但對抗拉強度影響的敏感性更加顯著，這與粉煤灰火山灰效應的變化規(guī)律有關。

2.3 粉煤灰對鋼纖維混凝土抗折性能的影響

實體工程中對鋼纖維混凝土彎曲抗拉性能的基本要求遠高于其他力學性能，研究粉煤灰對鋼纖維混凝土的抗折強度影響規(guī)律具有重要指導意義。試驗結果見圖5、圖6。

圖5 鋼纖維混凝土抗折強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度隨養(yǎng)護齡期擬合曲線圖

由圖5和圖6可知：

(1)鋼纖維粉煤灰混凝土抗折強度隨粉煤灰摻量的增加呈下降趨勢，且二者呈對數關系變化，這與抗壓強度、抗拉強度指標變化規(guī)律相一致，說明粉煤灰對鋼纖維混凝土的綜合力學性能具有相應的劣化作用。對養(yǎng)護齡期7 d、28 d，粉煤灰摻量25%的抗折強度分別下降了9.7%和8.6%，粉煤灰摻量40%的抗折強度分別下降了33.9%和27.9%。這說明粉煤灰對鋼纖維混凝土7 d齡期的影響程度高于養(yǎng)護齡期28 d，這與上述抗壓、抗拉指標影響規(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，在混凝土內部進行的水化反應需要在水泥反應生成物之后。隨養(yǎng)護齡期的延長，粉煤灰的活性反應持續(xù)進行，不斷彌補了之前對早期性能的劣化，對養(yǎng)護齡期28 d的影響減弱。以粉煤灰摻量25%為例，鋼纖維混凝土力學性能指標的影響規(guī)律為抗折強度>抗拉強度>抗壓強度。

(2)隨養(yǎng)護齡期的延長，鋼纖維粉煤灰混凝土的抗折強度呈對數曲線增加，養(yǎng)護齡期3 d、7 d和14 d的抗折強度分別達到28 d齡期的57.7%、78.9%和85.4%，說明鋼纖維粉煤灰混凝土彎曲抗拉性能對齡期的養(yǎng)護時間更為敏感，3 d的抗折強度超過28 d強度的50%，這與抗壓強度、抗拉強度不同。養(yǎng)護齡期對鋼纖維粉煤灰混凝土力學性能的影響規(guī)律為抗折強度>抗拉強度>抗壓強度。

3 結語

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

(2)隨養(yǎng)護齡期的延長，鋼纖維粉煤灰混凝土的各項力學性能均顯著改善，各項指標呈對數曲線增加，養(yǎng)護齡期3 d的抗壓強度、抗拉強度和抗折強度指標分別為28 d齡期的38.7%、43.5%和57.7%。

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