任大鵬,于吉鯤,方 迪

(大連海洋大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116300)

0 引 言

隨著我國城市化的不斷發(fā)展，建筑工程及建筑物等越來越高層化、跨度化、耐久化以及高強(qiáng)度化，而混凝土作為土木工程、建筑工程中應(yīng)用最廣泛、用量最大的建筑材料，其自身的屬性、強(qiáng)度是工程質(zhì)量的核心所在，因此對(duì)混凝土的要求也越來越嚴(yán)格[1-5]。未來混凝土的發(fā)展趨勢必然是輕質(zhì)量、高強(qiáng)度、多功能、高耐久等[6]。雖然高強(qiáng)度、高耐久的混凝土能滿足工程需求，但是一般情況下這種混凝土都會(huì)存在水膠比較低、前期易開裂、成分復(fù)雜等缺點(diǎn)，這也大大影響了工程品質(zhì)[7-9]。對(duì)于如何提高混凝土材料強(qiáng)度的同時(shí)，還能保證其韌性、降低脆性等問題已成為混凝土發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)[10-11]。常規(guī)混凝土的增韌、提高強(qiáng)度的方法有：聚合物改性增韌、納米材料增韌和纖維增韌[12-14]，其中聚合物增韌主要是向水泥材料中加入聚合物，該聚合物能在基體和骨料之間形成良好的粘接膜，提高基體之間的結(jié)合能力，達(dá)到增韌的效果[15]。納米材料增韌即向基體中引入納米材料，通過發(fā)揮納米材料的“小尺寸效應(yīng)”，以改善水泥基材料的韌性和強(qiáng)度[16]。纖維增韌是通過向水泥基材料中加入纖維后，纖維能與基體產(chǎn)生較強(qiáng)的結(jié)合，阻礙裂紋的擴(kuò)展，在基體受到應(yīng)力及拉伸時(shí)，從脆性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂[17]。近年來關(guān)于混凝土增韌的研究也越來越多。劉喜等[18]采用碎石型高強(qiáng)頁巖陶粒制備了不同纖維類型和體積分?jǐn)?shù)的LC60級(jí)纖維增韌高強(qiáng)輕骨料混凝土，研究了其力學(xué)性能，結(jié)果表明，高強(qiáng)輕骨料混凝土界面的粘結(jié)性能優(yōu)于普通混凝土，纖維能夠有效阻止高強(qiáng)輕骨料混凝土裂縫的發(fā)展，還可適當(dāng)提高其抗壓強(qiáng)度，并明顯提高其抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，起到增強(qiáng)增韌的作用，鋼纖維與水泥漿體的粘結(jié)性能良好，碳纖維可在高強(qiáng)輕骨料混凝土中均勻分散且與水泥漿體的粘結(jié)性能良好，相同體積分?jǐn)?shù)下，碳纖維的增韌作用優(yōu)于鋼纖維。桂許蘭等[19]在優(yōu)化UHPC配合比的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)研究了膠凝材料，骨料級(jí)配和鋼纖維摻量等因素對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度和韌性的影響，結(jié)果表明，250 ℃的高溫養(yǎng)護(hù)可以顯著提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，總平均值為163.5 MPa，較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的抗壓強(qiáng)度提高了27%，較熱水養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓強(qiáng)度提高了10.8%，硅灰的摻量比例為膠凝材料的15%左右時(shí)，對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的提升效果最好，在石英砂級(jí)配中，粗砂、中砂、細(xì)砂的最佳比例為1∶4∶3，可以得到較好的骨料密實(shí)度，并有效提高UHPC的抗壓強(qiáng)度，鋼纖維的體積摻量為2.5%左右對(duì)UHPC的抗壓強(qiáng)度和韌性提升效率較高。因此本文以高輕度骨料混凝土為基礎(chǔ)，通過引入不同體積比的鋼纖維對(duì)混凝土進(jìn)行改性研究，通過對(duì)力學(xué)性能、流動(dòng)性、抗壓抗折等性能分析，研究了鋼纖維摻量對(duì)混凝土基體的影響，力求得到高抗壓強(qiáng)度、高抗折強(qiáng)度、高韌性的混凝土體系。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

硅酸鹽水泥：P.I 42.5，山東龍晟澤化工科技有限公司；硅灰：密度為200～250 kg/m3，比表面積為20～28 m2/g，平均粒徑約為0.1～0.3 um，山東龍晟澤化工科技有限公司；粉煤灰：Ⅱ級(jí)粉煤灰，比表面積為425 m2/kg，山東龍晟澤化工科技有限公司；鋼纖維：長纖維長度為12 mm，短纖維長度為6 mm，直徑為0.2 mm，抗拉強(qiáng)度約為2 500 MPa；減水劑：聚羧酸系減水劑，固含量為18%，減水率>25%，沈陽興正和化工有限公司。硅酸鹽水泥、硅灰和粉煤灰的成分組成如表1所示。

表1 硅酸鹽水泥、硅灰和粉煤灰的成分組成Table 1 Composition of portland cement, silica fume and fly ash

1.2 試樣的配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)的配合比設(shè)計(jì)根據(jù)預(yù)定強(qiáng)度值選擇水膠比固定為0.17，膠砂比固定為1∶1.1，減水劑含量固定為1%，以及硅酸鹽水泥、粗骨料、硅灰和粉煤灰分別固定占比70%，10%，10%和10%，作為基準(zhǔn)配比，選取不同體積比的鋼纖維進(jìn)行試拌，高強(qiáng)混凝土試樣的配合比設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 高強(qiáng)混凝土試樣的配合比設(shè)計(jì)Table 2 Proportioning design of high-strength concrete sample

1.3 樣品的制備

首先，將硅酸鹽水泥、硅灰和粉煤灰按配合比稱量好后，按順序倒入青島迪凱機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的行星式水泥膠砂攪拌機(jī)中，干拌3～5 min；其次，加入粗骨料、水和減水劑進(jìn)行濕拌6～8 min；接著，到混合料開始結(jié)塊時(shí)，勻速加入不同體積比的鋼纖維，濕拌2～4 min；然后，通過壓力成型的方式將拌合物填入試模中成型；最后，對(duì)試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)48 h，再90 ℃熱養(yǎng)護(hù)12 h。

1.4 樣品的性能測試試驗(yàn)

流動(dòng)度試驗(yàn)：按照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測定方法》對(duì)上述制備的高強(qiáng)混凝土的流動(dòng)度進(jìn)行測試，將鋼纖維摻雜的混凝土分兩層裝入模具中，第一層裝1/2高度后，用插搗棒插搗15次，裝好剩余1/2后插搗15次，隨后向上提起試模，啟動(dòng)跳桌，頻率為1次/s，進(jìn)行25次跳動(dòng)后停止，測量其直徑并取平均值。

抗壓試驗(yàn)：制備40 mm×40 mm×160 mm的試樣，抗壓強(qiáng)度按照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢測方法》進(jìn)行測試，采用壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同含量鋼纖維增韌混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測試，給定加載機(jī)的加荷速率為2.4 kN/s，每組測試5個(gè)樣品，取平均值。

抗折試驗(yàn)：采用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同含量鋼纖維增韌混凝土試樣的抗折強(qiáng)度進(jìn)行了測試，軟件加載速率為1 mm/min，載荷達(dá)到極限值，試件破壞后停止儀器，記錄數(shù)據(jù)，取3組試樣的抗折強(qiáng)度平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

沖擊壓縮試驗(yàn)：制備直徑為75 mm，高度為45 mm的圓柱樣品，采用霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置進(jìn)行測試沖擊壓縮性能，每組測試樣10個(gè)，在測試過程中分成3個(gè)應(yīng)變率對(duì)試樣進(jìn)行加載。

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣的流動(dòng)度分析

圖1為鋼纖維增韌混凝土的流動(dòng)度測試曲線。從圖1可以看出，未摻雜鋼纖維的混凝土的流動(dòng)度為198 mm，隨著鋼纖維的摻入，混凝土的流動(dòng)度逐漸降低，從198 mm降至144 mm，這是因?yàn)殇摾w維相比起骨料，其尺寸更為細(xì)長，比表面積較大，鋼纖維引入后在混凝土基體中起到了支撐框架的作用，并且可以與基體產(chǎn)生較強(qiáng)的粘接效果，增大骨料之間的摩擦力，當(dāng)鋼纖維含量較多時(shí)，甚至?xí)纬衫w維團(tuán)，降低了整體的流動(dòng)度[20]。

圖1 鋼纖維增韌混凝土試樣的流動(dòng)度Fig 1 Fluidity of steel fiber toughened concrete specimens

2.2 試樣的抗壓強(qiáng)度分析

圖2為3，7和28 d下鋼纖維增韌混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度曲線。從圖2可以看出，鋼纖維的摻入對(duì)基體的抗壓強(qiáng)度有了明顯的改善，隨著鋼纖維含量的增加，試樣的抗壓強(qiáng)度逐漸升高，當(dāng)鋼纖維含量為3%(體積分?jǐn)?shù))時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，在3，7和28 d的抗壓強(qiáng)度分別為112.4，129.1和135.7 MPa。對(duì)比齡期相同情況下，鋼纖維含量越多，試樣的抗壓強(qiáng)度越高，7與3 d相比抗壓強(qiáng)度增加了14.86%，28與7 d相比抗壓強(qiáng)度增加了5.11%；當(dāng)鋼纖維含量為2%(體積分?jǐn)?shù))時(shí)，試樣在3，7和28 d的抗壓強(qiáng)度分別為105.9，118.4和130.2 MPa，7與3 d相比抗壓強(qiáng)度增加了11.8%，28與7 d相比抗壓強(qiáng)度增加了9.97%；當(dāng)鋼纖維含量為1%(體積分?jǐn)?shù))時(shí)，試樣在3，7和28 d的抗壓強(qiáng)度分別為98.3，117.5和126.3 MPa，7與3d相比抗壓強(qiáng)度增加了19.5%，28與7 d相比抗壓強(qiáng)度增加了7.49%。綜合上述分析可知，隨著鋼纖維含量的增加，試樣的抗壓強(qiáng)度逐漸升高，但升高趨勢呈現(xiàn)出前期增幅快，后期增幅慢的特點(diǎn)。

圖2 鋼纖維增韌混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度Fig 2 Compressive strength of steel fiber toughened concrete specimens

2.3 試樣的抗折強(qiáng)度分析

圖3為3，7和28 d下鋼纖維增韌混凝土試樣的抗折強(qiáng)度曲線。從圖3可以看出，隨著鋼纖維的摻入，試樣的抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢，當(dāng)鋼纖維含量為3%(體積分?jǐn)?shù))時(shí)，試樣的抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值，對(duì)比齡期相同情況下，鋼纖維含量越多，試樣的抗折強(qiáng)度越高。當(dāng)鋼纖維含量為3%(體積分?jǐn)?shù))時(shí)，試件在3，7和28 d的抗折強(qiáng)度分別為26.9，35.4和41.8 MPa，7與3 d相比強(qiáng)度增加了31.6%，28與7 d相比強(qiáng)度增加了18.08%；當(dāng)鋼纖維含量為2%(體積分?jǐn)?shù))時(shí)，試件在3，7和28 d的抗折強(qiáng)度分別為21.1，29.3和33.1 MPa，7與3 d相比強(qiáng)度增加了38.86%，28與7 d相比強(qiáng)度增加了12.97%；當(dāng)鋼纖維含量為1%(體積分?jǐn)?shù))時(shí)，試件在3，7和28 d的抗折強(qiáng)度分別為15.2，20.4和26.7 MPa，7與3 d相比強(qiáng)度增加了34.2%，28與7 d相比強(qiáng)度增加了30.88%。綜合上述分析可知，隨著鋼纖維含量的增加，試樣的抗折強(qiáng)度逐漸升高，但升高趨勢呈現(xiàn)出前期增幅快，后期增幅稍慢的特點(diǎn)。表3為鋼纖維增韌混凝土試樣的各項(xiàng)性能測試數(shù)據(jù)。

圖3 鋼纖維增韌混凝土試樣的抗折強(qiáng)度Fig 3 Flexural strength of steel fiber toughened concrete specimens

表3 鋼纖維增韌混凝土試樣的各項(xiàng)性能測試數(shù)據(jù)Table 3 Various performance test data of steel fiber toughened concrete specimens

2.4 試樣的SEM分析

圖4為鋼纖維和鋼纖維增韌混凝土試樣的SEM圖。從圖4(a)可以看出，鋼纖維的直徑約為200 μm左右，表面無凹坑，比較光滑。從圖4(b)-(e)可以看出，鋼纖維和漿體的結(jié)合比較緊密，沒有產(chǎn)出空槽斷面。圖4(c)和(d)中的黑線是裂紋，從圖4(c)可以明顯看出，第一條裂紋穿過了鋼纖維，第二條裂紋擴(kuò)展到鋼纖維處已并無延伸，說明鋼纖維的引入可以有效阻礙裂紋的擴(kuò)展。從圖4(d)可以看出，當(dāng)試樣受力進(jìn)行拉伸時(shí)，在鋼纖維附近會(huì)產(chǎn)生一圈裂紋，這是因?yàn)殇摾w維的引入，導(dǎo)致應(yīng)力很難傳導(dǎo)，裂紋的產(chǎn)生阻礙了斷裂行為，鋼纖維與基體之間具有較強(qiáng)的結(jié)合力，從而導(dǎo)致整體韌性的增強(qiáng)，避免了脆性斷裂的產(chǎn)生。

圖4 鋼纖維和鋼纖維增韌混凝土試樣的SEM圖Fig 4 SEM image of steel fiber and steel fiber toughened concrete specimens

2.5 試樣的沖擊壓縮性能分析

圖5為鋼纖維增韌混凝土試樣的沖擊壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的積分即為沖擊壓縮能，面積大小直接反映出沖擊壓縮的好壞。從圖5可以看出，在未引入鋼纖維的基體中，沖擊壓縮曲線圍成的面積最小，這說明未摻雜鋼纖維的基體沖擊壓縮性能最差，隨著鋼纖維的摻入，試樣的沖擊壓縮性能均得到了明顯改善，整體表現(xiàn)出鋼纖維摻量越多，沖擊壓縮性能越好。這主要是因?yàn)殇摾w維摻入后，在基體中以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布，起著連接結(jié)合基體與阻礙裂紋擴(kuò)展的作用，鋼纖維量越多，連接作用越強(qiáng)，裂紋擴(kuò)展越困難，從而提高了基體的抗壓抗折強(qiáng)度。

圖5 鋼纖維增韌混凝土試樣的沖擊壓縮曲線Fig 5 Impact compression curve of steel fiber toughened concrete specimens

3 結(jié) 論

以高輕度骨料混凝土為基礎(chǔ)，通過引入不同體積比(0，1%，2%和3%)的鋼纖維對(duì)混凝土進(jìn)行改性，制備出了鋼纖維增韌高強(qiáng)混凝土試樣。通過對(duì)流動(dòng)性、抗壓抗折、沖擊壓縮等性能分析，研究了鋼纖維摻量對(duì)混凝土基體的影響，結(jié)論如下：隨著鋼纖維含量的增加，試樣的流動(dòng)度逐漸降低，從198 mm降至144 mm；而試樣的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均逐漸升高，當(dāng)鋼纖維含量為3%時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值，對(duì)比齡期相同情況下，鋼纖維含量越多，試樣的抗壓和抗折強(qiáng)度越高，試樣的強(qiáng)度上升趨勢呈現(xiàn)出前期強(qiáng)度增幅快，后期增幅慢的特點(diǎn)；SEM分析發(fā)現(xiàn)，鋼纖維的直徑約為200 μm左右，表面無凹坑，比較光滑，鋼纖維和漿體的結(jié)合比較緊密，沒有產(chǎn)出空槽斷面，鋼纖維的摻入可以有效阻礙裂紋的擴(kuò)展，纖維與基體之間具有較強(qiáng)的結(jié)合力，整體韌性得到了有效增強(qiáng)，避免了脆性斷裂的產(chǎn)生；對(duì)混凝土沖擊壓縮應(yīng)力-應(yīng)變分析發(fā)現(xiàn)，未摻雜鋼纖維的基體沖擊壓縮性能最差，隨著鋼纖維含量的增加，試樣的沖擊壓縮性能均得到了明顯改善，整體表現(xiàn)出鋼纖維摻量越多，沖擊壓縮性能越好。