□□ 張 馳,邊亞東,陶宏利,宋 飛,尚福祥

(中原工學院 建筑工程學院,河南 鄭州451191)

引言

自密實混凝土憑借自身重力流動可填充模板,使其具有良好的工作性能[1-2]。在工程中使用自密實混凝土不僅可以使施工更便捷,縮短施工時間,還能減少人力物力的消耗,降低工程成本,因而自密實混凝土已廣泛應用于工程建設中[3-4]。當前工程對高強混凝土的需求量越來越大,對混凝土強度要求也越來越高。由于高強自密實混凝土韌性較差,容易斷裂,為此越來越多的學者對鋼纖維高強自密實混凝土進行研究。摻入鋼纖維可以提高自密實混凝土的抗折強度,阻止裂縫發(fā)展,改善自密實混凝土的脆性[5-6]。

水泥生產過程中會耗費大量的人力和物力,并產生大量CO2,給人類的生存空間帶來極大的污染[7-8]。硅灰顆粒細,活性高,采取硅灰部分替代水泥既可利用固體廢棄物,減少廢棄物對環(huán)境的污染,也可以改善自密實混凝土工作性能和強度[9-10],因而使用硅灰制備高強自密實混凝土具有重要意義。殷建光等[11]探究發(fā)現(xiàn)復摻粉煤灰和硅灰的自密實混凝土可以獲得更大的坍落拓展度,20%的粉煤灰使混凝土28 d抗壓強度達到49.97 MPa,28 d抗折強度達到6.46 MPa;4%的硅灰使得混凝土28 d抗壓強度增加了4.04 MPa,28 d抗折強度增加了1.24 MPa。孫江云等[12]研究發(fā)現(xiàn)摻入5%的硅灰可以使混凝土24 h水分蒸發(fā)速率下降16.7%,降低了混凝土早期開裂的風險;5%硅灰使混凝土裂縫最大寬度降低了1 mm,但增加了150 mm2的裂縫面積。張雄等[13]研究發(fā)現(xiàn)當硅灰替代率為9%時,混凝土28 d抗壓強度可以達到57.2 MPa,較未摻硅灰試件提升12.6%;28 d抗拉強度可以達到3.8 MPa,較未摻硅灰試件提升11.8%

高強自密實混凝土水膠比低,水泥與礦物摻合料多,因而其韌性更差,更容易發(fā)生脆性斷裂。在混凝土中加入纖維可以抑制小裂縫發(fā)展成貫穿寬裂縫,因而越來越多的學者對纖維自密實混凝土進行研究。吳濤等[14]研究發(fā)現(xiàn)單摻纖維對抗拉強度提升效果優(yōu)于抗壓強度,而復摻纖維可以在混凝土中形成三維結構網,最高可使抗拉強度提升80%。羅素蓉等[15]研究發(fā)現(xiàn)1.5%的鋼纖維會使坍落拓展度下降20 mm,1%鋼纖維會使劈拉強度提升18.2%。于婧等[16]研究發(fā)現(xiàn),纖維復摻會在混凝土中產生協(xié)同作用,單摻1.75%鋼纖維的試件比1%鋼纖維與0.75%聚乙烯醇復摻的試件28 d強度低28.3%。

上述研究表明,硅灰和鋼纖維不僅能改變自密實混凝土工作性能,還對力學性能有一定影響,但是關于二者在自密實混凝土中的最佳摻量還有待研究?，F(xiàn)基于C80自密實混凝土的配合比設計,選取2%、4%、6%、8%的硅灰摻量以及0.3%、0.6%、0.9%、1.2%的鋼纖維體積摻量為變量,設置9組試驗,通過坍落拓展度、T500、J環(huán)拓展度試驗以及力學性能、干縮率試驗研究自密實混凝土工作性能和力學性能隨硅灰和鋼纖維摻量變化的規(guī)律,闡明硅灰和鋼纖維的增強機理,為自密實混凝土的研究提供參考。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

水泥采用P·O 52.5水泥,性能指標見表1。粉煤灰采用Ⅱ級粉煤灰,比表面積為463 m2·kg-1;硅灰比表面積為19.1 m2·g-1,SiO2含量為96.1%;粗骨料采用粒徑為5～19 mm的碎石;細骨料采用中砂,細度模數為2.8;減水劑采用高效聚羧酸減水劑;鋼纖維采用長度為35 mm的波紋型鋼纖維,密度為7.8 g·cm-3。

表1 普通硅酸鹽水泥性能指標

1.2 試驗配合比

此次試驗水膠比為0.3,砂率為0.48。通過對硅灰摻量為0、2%、4%、6%和8%的試塊進行試驗得出最佳硅灰摻量。在最佳硅灰摻量下,研究不同鋼纖維體積摻量為0、0.3%、0.6%、0.9%和1.2%對自密實混凝土工作性能和力學性能的影響,探求硅灰和鋼纖維的最佳摻量。試驗配合比見表2。

表2 鋼纖維高強自密實混凝土配合比

1.3 試驗方法

2005年黨的十六屆五中全會正式提出“三農”問題，即農業(yè)、農村和農民問題，到十九大報告中的“農業(yè)農村農民問題是關系國計民生的根本性問題，必須始終把解決好三農問題作為全黨工作的重中之重”。我國作為一個農業(yè)大國，“三農”問題關系到國民素質提高、經濟和社會穩(wěn)定、國家富強、民族復興。而涉農企業(yè)的發(fā)展，有利于解決農民就業(yè)增收，農村繁榮和實現(xiàn)農業(yè)產業(yè)化問題。農業(yè)農村部等國家機構改革，黨對企業(yè)領導核心地位的鞏固加強，2018年《中共中央國務院關于實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》等一系列法律文件的出臺，為我國涉農企業(yè)的發(fā)展提供了保障，同時也對涉農企業(yè)現(xiàn)代化的公司治理提出了更高水平的要求。

首先將粗細骨料及膠凝材料倒入攪拌機,不加水攪拌30 s;稱量減水劑并充分溶解于水中。攪拌過程中,加入一半的水,攪拌90 s,加入剩余的水和鋼纖維,攪拌180 s,最后將拌合物倒出。出料后根據JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規(guī)程》,進行坍落擴展度、T500和J環(huán)擴展度試驗,如圖1和圖2所示。將工作性合格的拌合物裝入模具抹面成型,24 h后脫模,將試塊移至標準養(yǎng)護室,將其養(yǎng)護至規(guī)定齡期。根據GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》對100 mm×100 mm×100 mm的試塊進行抗壓強度、劈裂抗拉強度試驗,對100 mm×100 mm×400 mm的試塊進行抗折強度試驗,考慮到試件形狀效應,測試結果均乘以0.93。依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》對100 mm×100 mm×515 mm試塊進行收縮性能測試。

圖1 坍落拓展度

圖2 J環(huán)拓展度

2 試驗結果及分析

2.1 工作性能分析

試樣工作性能試驗結果見表3。由表3可以看出,隨著硅灰摻量從2%增加到8%,自密實混凝土的坍落拓展度從720 mm下降到685 mm;J環(huán)拓展度從705 mm下降到640 mm;T500在硅灰摻量為2%時達到最小值4.1 s。間隙通過性可以表示在澆筑過程中自密實混凝土不被鋼筋堵塞的性能,摻入2%硅灰會使自密實混凝土的間隙通過性比對照組增加5 mm,這是因為硅灰平均粒徑在0.1～0.2 μm,遠小于水泥的粒徑,水泥顆粒的空隙被硅灰填充,水泥中的自由水得以釋放,流動性變強;同時硅灰顆粒表面光滑,可以起到潤滑作用,減小摩擦力,增強了流動性;但與水泥相比,硅灰比表面積更大,需水量更多,因而過量的硅灰會結合體系中的自由水,使自由水含量減少,反而導致混凝土流動性下降。

表3 鋼纖維高強自密實混凝土工作性能

當鋼纖維體積摻量從0.3%增加到1.2%,自密實混凝土的坍落拓展度從695 mm下降到645 mm,J環(huán)拓展度從650 mm下降到605 mm。這是因為鋼纖維在拌合料中錯亂分布,影響了漿體的流動,并且鋼纖維會互相搭接,形成空間網絡結構,導致流動性變差;鋼纖維體積摻量逐漸增加,T500逐漸增加,間隙通過性變差。這是因為需要更多的漿體包裹纖維,自由流動的漿體減少,導致流動性變差。另外,纖維的摻入會增加拌合料內部的摩擦力,使拌合料變稠,從而降低流動性。

2.2 抗壓強度分析

抗壓強度受硅灰摻量的影響如圖3所示。隨著硅灰摻量由0增加到4%,混凝土試塊的3 d抗壓強度較未摻硅灰組試塊提升了8 MPa,7 d抗壓強度提升了8.9 MPa;試塊在28 d時達到了最高強度94.2 MPa,此時硅灰替代水泥的比例是4%,相對于對照組提高了22%,提升效果顯著。在硅灰摻量到達4%之前,自密實混凝土強度隨硅灰摻量增加而增加。

圖3 高強自密實混凝土的抗壓強度

在硅灰摻量>4%后,試塊抗壓強度開始下降。硅灰摻量從4%增加到8%,同一齡期下?lián)搅繛?%的試驗組抗壓強度明顯優(yōu)于摻量為6%和8%的試驗組。試塊7 d抗壓強度降低最多,降低了16.4 MPa,降低幅度達到22.8%。硅灰對不同齡期的試塊抗壓強度的影響順序為:7 d>3 d>28 d。雖然強度發(fā)生下降,但SCC-5組試塊28 d抗壓強度還是高于基準組。這是因為硅灰填補于水泥空隙中,使混凝土密實性得到提升,內部缺陷減少,強度得以提高。硅灰中占比最大的是SiO2,硅灰溶于水,與Ca(OH)2反應生成水化硅酸鈣,可優(yōu)化混凝土內部結構,提升試塊強度。但硅灰摻量>4%時,抗壓強度開始下降。這是因為硅灰替代水泥的比例增大,會導致水泥水化產生的Ca(OH)2減少,不足以與硅灰充分反應,生成的膠凝物質減少,硅灰替代水泥帶來的正面效應無法抵消水泥減少的負面效應,導致混凝土抗壓強度降低。

圖4 鋼纖維高強自密實混凝土的抗壓強度

2.3 劈裂抗拉與抗折強度分析

高強自密實混凝土抗拉強度與抗折強度如圖5所示。由圖5可知,當硅灰摻量從0增加到4%,劈裂抗拉強度從4.66 MPa增加到6.69 MPa;抗折強度從7.53 MPa增加到8.94 MPa。當硅灰摻量從4%增加到8%時,劈裂抗拉強度從6.69 MPa下降到4.78 MPa;抗折強度從8.94 MPa下降到8.18 MPa。

圖5 高強自密實混凝土抗拉強度與抗折強度

當硅灰摻量為4%時,劈裂抗拉與抗折強度達到了峰值,分別達到6.69 MPa和8.94 MPa。摻入2%～8%的硅灰可以使劈裂抗拉強度提升2.6%～43.6%。當硅灰摻量為2%、4%、6%和8%時,抗折強度分別提升了7.6%、18.7%、10.9%和8.6%。這是因為硅灰發(fā)生二次水化,生成了更多的膠凝物質,提升了混凝土的強度。摻入過量的硅灰會引起硅灰大量聚集,由于硅灰的比表面積遠大于水泥和粉煤灰,其需水量大于水泥,導致水泥不能充分水化,水化產物減少,硅灰無法充分發(fā)生二次水化,導致試塊強度降低。

鋼纖維高強自密實混凝土抗拉強度與抗折強度如圖6所示。由圖6看出,摻入1.2%的鋼纖維可以使28 d劈裂抗拉強度從6.69 MPa增加到7.89 MPa,28 d抗折強度從8.94 MPa增加到12.75 MPa。28 d劈裂抗拉強度最大可達7.89 MPa,較未摻纖維組提升了17.9%,此時鋼纖維體積摻量為1.2%。當鋼纖維體積摻量為0.3%、0.6%、0.9%和1.2%時,28 d抗折強度分別達到9.58 MPa、9.97 MPa、10.35 MPa和12.75 MPa,較未摻纖維組分別提升了7.2%、11.5%、15.8%和42.6%。鋼纖維<0.9%時,混凝土抗折強度提升較緩慢,這是因為鋼纖維可以與混凝土共同吸收能量,當出現(xiàn)裂縫時,鋼纖維通過橋接裂縫兩端的混凝土,阻止裂縫的發(fā)展,防止混凝土試塊開裂,直至鋼纖維停止發(fā)揮作用。

圖6 鋼纖維高強自密實混凝土抗拉強度與抗折強度

2.4 收縮性能分析

高強自密實混凝土收縮性能如圖7所示。由圖7看出,高強自密實混凝土前期收縮較快,14 d后收縮速率相對放緩。隨著硅灰摻量的增加,高強自密實混凝土的7 d、14 d和28 d的收縮率呈逐漸增加的趨勢。當硅灰摻量為8%時,試塊7 d、14 d和28 d收縮率達到最大值,分別為790×10-6、1 470×10-6和1 690×10-6。相較于對照組,試塊7 d、14 d和28 d收縮率分別增加49.1%、30.1%和20.7%。這是因為硅灰比表面積大,內部細孔多,導致同質量的硅灰需水量多于水泥,隨著齡期的增加,硅灰消耗水比水泥更多,從而引起高強自密實混凝土內部收縮。隨著齡期增加,硅灰水化反應越來越少,14 d后收縮曲線趨于平緩。

圖7 高強自密實混凝土收縮性能

鋼纖維高強自密實混凝土收縮性能如圖8所示。由圖8看出,在14 d前,鋼纖維高強自密實混凝土的收縮率增長速度較快,14 d后收縮率增長變平緩。隨著鋼纖維體積摻量的增加,試塊的收縮率先增大后減小。當鋼纖維體積摻量為0.3%時,試塊14 d的收縮率達到最大值,為1 430×10-6,相較于對照組增加了8.3%;當鋼纖維體積摻量為1.2%時,試塊28 d的收縮率最小,為1 290×10-6,減少了15.7%。這是因為鋼纖維摻入會形成鋼纖維-鋼纖維界面和鋼纖維-水泥基界面,基體內部水分通過這些界面進行傳輸,從而加劇了試件收縮。當鋼纖維繼續(xù)增加,鋼纖維相互搭接,削弱了毛細孔道內的收縮應力,降低了試塊的收縮率。

圖8 鋼纖維高強自密實混凝土收縮性能

3 結論

3.1 當硅灰摻量為2%時,自密實混凝土坍落拓展度提升了10 mm,J環(huán)拓展度提升了5 mm。但繼續(xù)增加會使自密實混凝土工作性下降。鋼纖維會降低自密實混凝土工作性,當鋼纖維體積摻量為0.9%時,坍落拓展度下降了60 mm。

3.2 當硅灰摻量為4%時,自密實混凝土的抗壓強度達到峰值94.2 MPa,抗拉強度與抗折強度也達到最優(yōu)。鋼纖維對抗壓強度作用較小,但能提高自密實混凝土韌性,1.2%鋼纖維可以使抗折強度提升69.3%。

3.3 當硅灰摻量為8%時,自密實混凝土7 d、14 d和28 d的收縮率分別增加49.1%、30.1%和20.7%。當鋼纖維體積摻量為1.2%時,試塊28 d的收縮率最小,為1 290×10-6,相比于對照組減少了15.7%。

3.4 試驗結果表明,當硅灰摻量為4%和鋼纖維體積摻量為1.2%時,鋼纖維高強自密實混凝土可以獲得最佳性能。