钢纤维混凝土复合层路面材料的力学性能*

汪益敏 贺军 焦楚杰

(1.华南理工大学土木与交通学院,广东广州 510640;2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室,广东广州 510640;3.广州大学土木工程学院,广东广州 510006)

国内外一些室内实验和工程实践证明[1-3],在水泥混凝土中掺入适量钢纤维,可以有效地改善混凝土的抗疲劳强度,提高抗冲击能力,防止混凝土裂缝的产生.钢纤维混凝土在我国公路路面工程中的应用始于20世纪 90年代.钢纤维抑制了混凝土早期裂缝的产生和裂缝的扩展,同时对混凝土的抗拉、抗弯拉、抗冲击、抗渗和抗冻性能等有较大的增强作用,能显著提高混凝土路面的断裂韧性和抗冲击性能,变脆性破坏为近似于延性断裂,可以较好地解决混凝土路面早期严重损坏的问题[4-6].近年来,钢纤维混凝土已成为了新型路面结构方面的研究热点之一.

文中对强度等级为C40、钢纤维掺量为0～2.0%的钢纤维混凝土力学性能进行了一系列室内实验,研究了不同复合层钢纤维混凝土的力学性能及经济性,为工程实践提供科学依据.

1 实验设计

实验方案的设计主要依据《纤维混凝土结构技术规程》(CECS 38—2004)和《钢纤维混凝土试验方法》(CECS 13∶89)的技术要求,首先考虑采用不同的钢纤维混凝土配合比,测试其工作性能与抗压、弯拉强度,进行配合比的优化研究.然后基于节省造价的目的,采用优化配合比的钢纤维混凝土与普通混凝土进行复合层组合设计,测试复合层试件的力学性能.

1.1 原材料

钢纤维:浙江嘉兴市南湖区东栅强力钢纤维厂生产的QLGQW-20钢纤维,长径比为50∶1,规格为0.4mm×0.4mm×20mm,表面洁净,无锈无油.

水泥:佛山高明金协和建材有限公司生产的P.O 42.5R水泥,密度为3.10g/cm3.

细集料:质地坚硬、洁净的中砂,细度模数为2.6,表观密度为2.60g/cm3.

粗集料:根据强度要求,选择粒径为 5～20mm的花岗岩碎石,表观密度为2.63g/cm3.

水:普通自来水,pH值为7.0.

外加剂:广东柯杰外加剂科技有限公司生产的聚羧酸系 KJ-JS高性能减水剂,液体密度为1.06 g/cm3.

1.2 钢纤维混凝土配合比设计

根据《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTGD 40—2002)中重级交通等级用混凝土弯拉强度等级4.5～5.0MPa的要求,初步确定混凝土强度等级为C40,由此确定的钢纤维混凝土实验配合比如表 1所示.其中:普通混凝土试样一组,不掺钢纤维,组号记为C40V0;钢纤维混凝土(SFRC)试样4组,钢纤维掺量(质量分数,下同)分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%,试样组号分别记为 C40V0.5、C40V1.0、C40V1.5、C40V2.0.

表1 钢纤维混凝土配合比Table 1 Mixture ratio of steel fiber reinforced concrete kg/m3

1.3 复合层混凝土组合设计

采用优化配合比的钢纤维混凝土与普通 C40混凝土共同制作 3组复合层混凝土试样,复合式混凝土组合设计方案如表2所示.

表2 复合层混凝土组合方式Tab le 2 Compound modes of lam inated concrete

2 实验方法

2.1 实验装置

抗压实验在无锡建筑材料仪器机械厂制造的MYL-2000型压力试验机上进行,抗折实验在美国MTS公司制造的MTS810电液微机伺服试验机上进行.

2.2 试件制作

试件制作要求符合《钢纤维混凝土试验方法》(CECS13∶89)、《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE 30—2005)和《公路水泥混凝土路面施工技术规范》(JTGF 30—2003)的技术要求,试件尺寸及数量如表3所示.

表3 试件尺寸及数量Tab le 3 Size and number of samp les

2.2.1 均匀钢纤维混凝土试件

主要按照以下步骤进行试件制作:(1)按设计配合比加入石子、砂、胶凝材料,开动强制式搅拌机; (2)按设计配合比加入水和高效减水剂;(3)按设计钢纤维掺量计算钢纤维用量,撒入钢纤维,继续搅拌混合料,直至拌合物成糊化状;(4)将拌合物倒入模具中,然后放到振动台上振捣,当混凝土不再下沉,不再出现气泡,且表面开始泛浆时,停止振捣,注意防止因过度振捣而导致钢纤维在构件中出现上疏下密等不均匀现象;(5)振动完成后用抹刀抹平表面,然后对试件编号.

2.2.2 两层式复合钢纤维混凝土试件

钢纤维混凝土加普通混凝土的两层式复合试件的制件步骤为:(1)依据最佳钢纤维混凝土配合比掺入钢纤维和其他材料,按照 2.2.1中的试件制作方法将钢纤维混凝土搅拌均匀;(2)将基准配合比的普通混凝土混合料搅拌均匀;(3)将搅拌好的钢纤维混凝土混合料倒入模具至设计高度,接着倒入普通混凝土混合料,然后放到振动台上振捣.(4)振动完成后用抹刀抹平表面,对试件编号.

2.2.3 三层式复合钢纤维混凝土试件

两层钢纤维混凝土中间夹一层普通混凝土的三层式复合层试件的制件步骤为:(1)按照设计配合比分别搅拌好钢纤维混凝土和普通混凝土混合料; (2)将钢纤维混凝土混合料倒入模具至四分之一的高度,然后在上面加入约占模具高度一半的普通混凝土,最后再加入钢纤维混凝土,直至模具填满; (3)将试样放在振动台上振捣;(4)振动完成后用抹刀抹平表面,然后对试件编号.

所有试件在编号后用湿布覆盖,在(20±2)℃的条件下静置 1～2天,然后脱模放置于养护室内标准养护28天.

对复合式钢纤维混凝土进行抗压与弯拉实验前,必须对试件成型面进行打磨和抛光,实验时将试件的成型侧面朝上作为承压面进行测试,其中小梁抗折实验的加载方式为三分点加载,加载速度保持均匀连续,大小为0.04MPa/s.

3 结果与分析

3.1 钢纤维混凝土的工作性能

按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE 30—2005)中的实验方法对钢纤维混凝土的坍落度进行测定,实验结果如表4所示.

表4 钢纤维混凝土的工作性能Tab le 4 Working performance of SFRC

由表 4可见,钢纤维混凝土的坍落度随钢纤维掺量的增大而显著减小.从理论上说,钢纤维掺量越大,对混凝土的增强增韧功效越明显,但是如果拌合物坍落度过小,容易造成混合料搅拌不均匀、流动性差、施工困难,影响工程质量.《公路水泥混凝土路面施工技术规范》(JTGF30—2003)规定,水泥混凝土路面用道路混凝土拌合物的坍落度宜为 10～30mm.从表4的工作性能实验结果可知,钢纤维掺量为2.0%时的坍落度只有7mm,拌合料中存在钢纤维结团、分散不均匀等现象,流动性差,达不到应有的增强增韧效果.因此,钢纤维掺量为2.0%的配合比不推荐为实验配合比.

3.2 抗压强度及弯拉强度

钢纤维掺量不同的钢纤维混凝土的抗压强度和弯拉强度实验结果如表 5所示,其中弯拉强度值考虑了试件为100mm×100mm×400mm的非标准小梁,按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTGE 30—2005)规定,将实验结果乘以尺寸系数0.85换算得出.

由表 5可见,抗压强度随钢纤维掺量增大而升高,钢纤维掺量为1.5%时,抗压强度达到51.7MPa,相比普通混凝土提高了27%.当钢纤维掺量为1.0%时,弯拉强度达到4.65MPa,相比普通混凝土,弯拉强度值提高了28%;当钢纤维掺量为1.5%时,弯拉强度增强到 5.44MPa,相比普通混凝土增大了50%.钢纤维掺量继续增大,弯拉强度有所降低.由于水泥混凝土路面设计中以弯拉强度作为主要的强度控制指标,以抗压强度作为参考强度指标,因此可以认为掺量为1.5%的钢纤维混凝土 C40V1.5的配合比最优.

表5 钢纤维混凝土的抗压强度及弯拉强度Table 5 Compressive strength and flexural-tensile strength of SFRC

采用最优配合比的C40V1.5钢纤维混凝土与普通混凝土成型的 3组复合层试件弯拉强度如表 6所示.

表6 复合层钢纤维混凝土的弯拉强度Tab le 6 Flexural-tensile strength of laminated SFRC

由表6可见,三层复合式钢纤维混凝土C40V1.5P2的弯拉强度相对较小,但是相比普通混凝土 C40V0,其弯拉强度仍提高了34%.三层式复合混凝土路面结构分层较多,施工较复杂,不容易控制设计厚度,不利于在道路工程实践中推广应用.两层式复合钢纤维混凝土C40V1.5P1和C40V1.5P3的弯拉强度与普通混凝土的弯拉强度相比,分别提高了 42%和48%,并且都达到了5MPa以上,满足重交通水泥混凝土路面弯拉强度要求;同时,两层式结构施工较方便,钢纤维的掺入可以有效抑制混凝土收缩裂纹的产生和扩展,使混凝土路面易断裂的薄弱环节得到改善,因此,两层复合式钢纤维混凝土具有较好的力学性能和工程推广应用价值.

3.3 荷载作用下的变形特性

小梁抗折实验时测得 5种不同配合比钢纤维混凝土以及3种复合式混凝土的荷载 -挠度关系曲线,如图1所示.

由图1(a)可见,普通混凝土C40V0的挠度随荷载增加而线性增大,且观察实验过程发现,主要呈弹性变形破坏特征,试件在发生断裂破坏前没有先兆,瞬间产生破坏,并且破裂面完全断开.钢纤维混凝土和复合层式混凝土的挠度一开始随荷载的增加近似呈线性增大,当荷载达到峰值后,荷载降低,小梁试件的挠度继续增大,荷载与挠度的关系曲线具有典型的加工软化特征,试件可以适应较大的弯拉变形,破坏呈现延性断裂破坏特征,抗弯拉变形能力有显著的提高和改善.

图1 不同结构的荷载–挠度曲线Fig.1 Load-deflection curves of different structures

不同配合比钢纤维混凝土的峰值荷载、挠度以及根据荷载-挠度实验曲线计算得出的韧度指数如表7所示.

表7 不同配合比钢纤维混凝土峰值荷载、挠度和韧度指数Table 7 Peak load,deflection and toughness index of SFRC with differentmixture ratios

对比钢纤维混凝土的峰值荷载与普通混凝土的峰值荷载以及对应的挠度可见,掺入钢纤维后混凝土的峰值强度显著增加,峰值荷载作用时的挠度值也明显增大,钢纤维在混凝土中发挥了较明显的抗弯拉作用.以韧度指数作为钢纤维混凝土弯曲韧性的评价指标,对比和评价不同配合比钢纤维混凝土的弯曲韧性[7],结果显示钢纤维掺量为 1.5%的一组试件 C40V1.5韧度指数值最大,其次是两层式复合层钢纤维混凝土C40V1.5P3以及C40V1.5P1.一般认为,钢纤维混凝土的韧度指数越大,其弯曲韧性越强.按照韧度指数 ηm10对各组钢纤维混凝土的弯曲韧度进行排序,由大到小依次为C40V1.5＞C40V1.5P3＞C40V1.5P1＞C40V2.0＞C40V1.0＞C40V1.5P 2＞C40V0.5,其中,按照钢纤维混凝土与普通混凝土厚度比 1∶3组成的两层式复合钢纤维混凝土 C40V1.5P1的韧度指数与按照钢纤维混凝土与普通混凝土厚度比 1∶1组成的两层式复合钢纤维混凝土 C40V1.5P3的韧度指数大小相近,并且均达到钢纤维掺量为 1.5%的单层式钢纤维混凝土 C40V1.5的韧度指数的 99%,由此可见,两层式复合钢纤维混凝土材料的弯曲韧性和弯拉变形协调能力几乎未受到钢纤维混凝土层厚分布的影响.

4 钢纤维混凝土的经济性分析

参照《公路工程基本建设项目概算预算编制办法》(JTGB 06—2007)及《公路工程概算定额》(JTG/TB 06 01—2007),并参考广东省2010年建筑材料市场价格情况[8],以钢纤维单价 7000元/t,C40混凝土单价 500元/m3,对钢纤维掺量为 1.5%的3组钢纤维混凝土路面材料进行成本计算,得出钢纤维混凝土C40V1.5的材料成本为1424元/m3,复合层式混凝土 C40V1.5P1的材料成本为 731元/m3, C40V1.5P3的材料成本为962元/m3,复合层式混凝土的材料成本相比单层式钢纤维混凝土降低了32.4%～48.7%.对比两种复合层式混凝土的材料成本,C40V1.5P1比C40V1.5P3每立方米单价减少了231元,即材料成本单价降低了 24.2%.从性能上看, 3组钢纤维混凝土材料的弯拉强度均满足重交通路面要求,其中两种复合层式钢纤维混凝土的弯拉强度相差仅0.2MPa,C40V1.5P3的弯拉强度比C40V1.5P1高约4%,两者的韧度指数相差无几.综合分析工程性能与经济性,认为以 C40普通混凝土为基质掺入1.5%的钢纤维,按 1∶3的钢纤维混凝土与普通混凝土厚度比组成的两层式复合钢纤维混凝土C40V1.5P1可以较好地满足路面工程安全、经济的要求.

5 结论

(1)在混凝土中掺入钢纤维可有效提高混凝土的抗压强度,当钢纤维的掺量由 0.5%逐步增加至2.0%时,钢纤维混凝土的抗压强度随掺量增加而增大.

(2)钢纤维掺量对钢纤维混凝土的弯拉强度有显著的影响,钢纤维的掺量由 0.5%逐步增加至2.0%时,弯拉强度在钢纤维掺量为 1.5%时达最大,相比普通混凝土,弯拉强度提高率达 50%.

(3)钢纤维的掺入使混凝土的荷载-位移关系由以弹性变形破坏为主转变为弹塑性变形破坏形式,混凝土的抗弯变形协调能力增强,弯曲韧性显著提高,可以有效抑制混凝土裂缝的产生和扩展,使混凝土路面易断裂的不良性能得到改善.

(4)钢纤维掺量为 1.5%的钢纤维混凝土与普通混凝土按照 1∶3的厚度比组合成的两层式复合钢纤维混凝土具有良好的力学强度和抗弯拉变形性能,同时具有良好的经济效益,在公路路面工程中有较高的推广应用价值.

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