纤维增强轻骨料混凝土抗压性能试验研究

牛建刚 林 红

1内蒙古科技大学建筑与土木工程学院（014010） 2包钢集团设计研究院（有限公司）（014010）

轻骨料混凝土的抗压强度、抗剪强度及抗拉强度均较低，尤其是其弹性模量小、徐变和收缩大及容易产生脆性破坏等性能缺陷的存在，使轻骨料混凝土在我国仍主要应用于低强度的非承重结构[1～3]，应用范围受到了很大的限制。如何提高轻骨料混凝土的断裂韧性及拉压强度，同时保证其质轻的特点是现今轻骨料混凝土研究及应用中迫切需要解决的问题。为此本文将钢纤维与塑钢纤维掺入轻骨料混凝土中，通过抗压性能试验来确定纤维增强轻骨料混凝土的效果。

1 试验材料及配合比

1.1 试验材料

水泥∶包头市“乌拉山”牌PO42.5普通硅酸盐水泥；

细骨料∶中砂＜5 mm，级配合格；

粗骨料∶包头市精正建材公司生产的粉煤灰陶粒，粒径 5～30 mm，级配合格；

塑钢纤维∶浙江宁波大成新材料股份有限公司生产。材料为改性聚丙烯，纤维长度为38 mm，直径为0.91 mm，密度为0.95 g/cm3，抗拉强度为530 N/mm2，弹性模量为7 GPa，沿纤维长度方向有波浪形压纹，纤维截面为五叶形；

钢纤维∶由天津市无极科技发展有限公司生产，纤维类型∶铣销型波纹钢纤维，长度38 mm，等效直径为0.7 mm，抗拉强度为785 N/mm2。

1.2 配合比设计

试验设计的轻骨料混凝土强度等级为LC30。采用的塑钢纤维体积率掺量分别为0.5%，0.7%，0.9%，1.1%，1.3%；钢纤维体积率掺量分别为0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%。试验配合比如表1所示。

2 受压破坏试验现象和破坏特征

由于环箍效应，未掺入纤维的轻骨料混凝土试块开裂后，有碎片陆续向外崩落，且与试件承压面相垂直的侧面有整面脱落的现象，加压至最大荷载后四周混凝土破碎剥落，最终形成两个对顶角椎形破坏面，呈现明显的脆性破坏。

表1 轻骨料混凝土实际配合比

掺纤维轻骨料混凝土试件在受压开裂后，随着荷载的持续增大，裂纹数目增多，宽度增大。钢纤维轻骨料混凝土表面偶有碎片崩落,使钢纤维外露，而塑钢纤维增强混凝土试件几乎无碎片掉落。继续加载至极限荷载时，试件呈现出横截面明显增大、呈外鼓状的现象，整个加载过程中试件保持较好的完整性，裂而不碎，轻骨料混凝土的变形速度也得到一定程度的减缓。

从破坏形态来看，纤维掺入极大地改善了轻骨料混凝土的受压变形及破坏特征，横跨于断裂面的纤维起到阻止裂缝扩展的作用，限制轻骨料间的裂缝沿受力方向的发展。当达到极限荷载时，纤维的连接作用延缓了试件中裂缝的失稳扩展，使轻骨料混凝土的抗压韧性得到提高。因而，纤维的加入使轻骨料混凝土由脆性破坏转变为具有一定塑性的破坏形态，这样的破坏形态对地震中结构耗能有着较强优势，对地震破坏时建筑结构中人员和财产安全有很大意义。

3 试验结果与分析

3.1 抗压强度试验结果

测得不同掺量的塑钢纤维及钢纤维增强轻骨料混凝土立方体抗压强度如表2所示。

3.2 试验结果分析

由表2中数据可以看出∶1）轻骨料混凝土掺入钢纤维后抗压强度均有所提高，当掺入钢纤维的体积率为0.5%～2.0%时，钢纤维增强轻骨料混凝土的抗压强度比基准混凝土约提高2.5%～13.7%,且抗压强度随掺入钢纤维体积率的增加而逐步提高，但当钢纤维体积率为2.5%时,抗压强度较2.0%时有所降低。2）塑钢纤维的掺入对轻骨料混凝土抗压强度的影响作用不明显，且有升有降，塑钢纤维的体积率为0.5%、0.7%、1.1%时,轻骨料混凝土的抗压强度得到提高，而体积率为0.9%、1.3%时，抗压强度则低于未掺入纤维的轻骨料混凝土试件。当塑钢纤维的体积率为0.7%时,轻骨料混凝土抗压强度得到的增强作用最大，增强幅度为5.3%，但是当体积率掺量为0.9%时，抗压强度下降最大，下降幅度同样为5.3%。3）塑钢纤维与钢纤维对轻骨料混凝土抗压性能的增强作用相比较,两种纤维在掺量为0.5%时对试件抗压性能的增强作用相同，当塑钢纤维体积率为0.7%时试件的抗压强度在钢纤维对轻骨料混凝土抗压强度的影响曲线之上，此后塑钢纤维对轻骨料混凝土抗压强度的增强作用均小于钢纤维。

表2 立方体抗压强度

塑钢纤维体积率掺量为0.9%时,试件抗压强度下降较大，是由于在此组试件养护期间，所使用的养护室供暖系统工作不稳定,且养护室试件较多，该组试件所放位置温度较低，所以使该组试件养护不充分，造成试件抗压强度较小。

4 纤维对轻骨料混凝土抗压强度的影响原因

纤维的掺入可以有效抑制轻骨料混凝土的离析。由于轻骨料的密度小于水泥砂浆的密度，未掺入的纤维的轻骨料混凝土在振捣过程中易出现骨料上浮现象,导致较多的骨料集中于上层拌合物，而下层拌合物的骨料含量较少,从而产生离析现象。掺入的纤维可以形成能够抑制轻骨料上浮的网架，从而提高轻骨料混凝土的连续性及均质性，使轻骨料混凝土的力学性能得以改善。

与普通混凝土立方体抗压强度试验相似，轻骨料混凝土在试验机上受到单向压力时，会产生竖向缩短、横向扩张的现象。纤维的掺入对轻骨料混凝土试件在单向受压时发生的横向变形产生约束力，相当于对试件由上到下施加了一个横向套箍作用，使轻骨料混凝土试件在抵抗压应力时能够成为一个整体，呈现出一定的三向受压现象，从而起到对轻骨料混凝土的抗压强度的增强作用。在试件破坏时也没有明显的混凝土剥落，轻骨料混凝土试块形状依旧是一个立方体。

同时由于塑钢纤维的弹性模量远小于轻骨料混凝土，使加荷过程中产生的压应力全部由轻骨料混凝土承受，且塑钢纤维的掺入减小了试件中轻骨料混凝土的受压面积,随着塑钢纤维掺量的增大，试件的有效受压面积逐渐减小，导致其抗压强度也逐渐减小。与塑钢纤维相比，钢纤维的弹性模量远大于轻骨料混凝土，同时由于钢材的强度远高于轻骨料混凝土，使其能有效的分担试件在加载过程中产生的压应力。随着钢纤维掺量的增加，轻骨料混凝土中的钢纤维对压应力的分担份额越大，使钢纤维轻骨料混凝土的抗压强度也逐渐增大。由于试件中粗骨料的存在制约着纤维的分布及取向，当钢纤维掺量较高时，即纤维体积率为2.0%～2.5%时，纤维不能被足够的水泥浆体包裹，内部缺陷增多，使得钢纤维与轻骨料混凝土的粘结力下降，造成混凝土抗压强度降低。

5 总结

通过对不同纤维掺量的塑钢纤维及钢纤维增强轻骨料混凝土进行抗压强度试验,得到如下结论∶

1）塑钢纤维对强度为LC30的轻骨料混凝土的抗压强度增强作用不明显，钢纤维对其有较稳定的增强，但增强幅度不是很大，纤维增强轻骨料混凝土的抗压强度与混凝土的强度等级有关。

2）塑钢纤维与钢纤维对轻骨料混凝土抗压性能的增强作用相比较,两种纤维在掺量为0.5%时对试件抗压性能的增强作用相同，当塑钢纤维体积率为0.7%时试件的抗压强度在钢纤维对轻骨料混凝土抗压强度的影响曲线之上，此后塑钢纤维对轻骨料混凝土抗压强度的增强作用均小于钢纤维。

3）塑钢纤维及钢纤维的掺入极大的改善了轻骨料混凝土的受压变形及破坏特征，使轻骨料混凝土由脆性破坏转变为具有一定塑性的破坏形态。

[1]Gao Jianming,Sun Wei,MorinoKeiji.Mechanica1 Properties of Stee1 Fiber Reinforced High Strength Lightweight Concrete[J].Cement and Concrete Composites,1997(19):307～313.

[2]董祥，高建明，朱亚菲.掺矿物掺合料高性能轻骨料混凝土力学性能的试验研究[J].混凝土与水泥制品，2004(增刊):52～54.

[3]张勇.不同纤维对轻骨料混凝土韧性性能影响的研究[J].混凝土，2002(5):30～32.