钢纤维全轻混凝土基本性能试验研究

潘丽云，徐文晓，陈彦磊，李长永

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

目前，对钢纤维轻骨料混凝土的研究大都集中在其力学性能和耐久性能方面，对钢纤维轻骨料混凝土配合比设计的研究较少［1－5］． 砂轻和全轻混凝土通常采用以试验和应用经验为基础的松散体积法进行配合比计算［6］，但设计规范中允许1 m3混凝土中骨料的总体积取值波动在±0．3 m3范围，造成配合比设计结果因人而异;如果用于钢纤维全轻混凝土配合比设计，则很难保证混凝土中钢纤维体积率达到设定数值．与其比较，绝对体积法是按每立方米混凝土绝对体积为各组成材料的绝对体积之和进行计算，概念明确，且相比松散体积法未显著增加原材料的测试工序．如利用松散体积法时，同样需要测试轻骨料1 h 的吸水率，在此基础上稍微增加一些时间就可测得绝对体积法所需的骨料表观密度．因此，本文采用了考虑裹浆厚度的配合比体积法进行钢纤维全轻混凝土的配合比计算，并进行了相应的试验研究．

1 试验概况

原材料采用焦作P·O 52．5 普通硅酸盐水泥、淄博高强页岩陶粒粗骨料、陶砂细骨料．5 ～20 mm连续级配粗骨料采用5 ～10 mm，10 ～16 mm，16 ～20 mm 3 种级配的粗骨料按最大紧密堆积密度确定比例后混合而成．各原材料的物理力学性能及化学组成见表1—3． 钢纤维采用钢板剪切端钩型钢纤维，长度lf=40．15 mm，长径比lf/df=46．36，减水剂采用聚羧酸系高性能减水剂，实际减水率为25%．拌合水采用自来水．

表1 水泥主要物理力学性能

表2 陶粒的物理力学性能

表3 轻砂的物理力学性能

试验共设计21 组配合比，基准全轻混凝土(水灰比W/C=0．3)按强度等级LC40、轻骨料等级900选择配合比参数范围［6］，掺入钢纤维后的全轻混凝土采用式(1)—(2)计算，参数组合见表4，减水剂用量为水泥用量的0．8%． 钢纤维混凝土配合比设计采用绝对体积直接计算法［7］，并考虑额外增加一定量的水泥浆包裹钢纤维，以充分利用钢纤维的增强作用．为此，把钢纤维全轻混凝土看作由水泥浆包裹的钢纤维与基体混凝土组成，且包裹钢纤维的浆体体积由钢纤维总表面积乘以裹浆厚度(tp)来计算，可建立钢纤维全轻混凝土配合比计算公式:

式中:mc，mwn，ma，ms，ρf，vfc，va，vs分别为1 m3钢纤维全轻混凝土中水泥、净用水、陶粒、陶砂的质量，钢纤维体积率，包裹钢纤维的水泥浆体积，陶粒、陶砂的绝对体积;ρc，ρw，ρap，ρs，Sp分别为水泥的相对密度，水的密度，陶粒、陶砂的表观密度，绝对体积砂率．实际设计时，mc按不考虑裹浆厚度的同强度等级全轻混凝土水泥用量选取，mwn由与之相对应的净水灰比进行计算［8］．

表4 试验参数的组合

本试验主要进行混凝土拌合物的工作性能、湿表观密度、干表观密度、立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的测试．试验均采用标准尺寸的试块，试验方法按相关规范执行．通过测试粗、细骨料1 h 的吸水率随时间的变化(表5)规律，确定了合理的骨料预湿时间，对骨料进行预湿处理．为使钢纤维在基体混凝土中均匀分散，搅拌采用卧轴强制式搅拌机．搅拌完成后，将拌合物装入试模，当ρf≤1．0%，采用一次成型;当ρf＞1．0%时，分两次装模，并适当延长振捣时间，振捣时用抹刀沿试模内壁插捣，至混凝土表面出浆后刮去多余的拌合物并用抹刀抹平．成型24 h 后脱模，放入标准养护室养护28 d．

表5 骨料吸水率随时间的变化

2 试验结果与分析

2．1 钢纤维全轻混凝土拌合物的工作性能

本试验混凝土拌合物的黏聚性和保水性良好．混凝土拌合物坍落度随钢纤维体积率和砂率的变化规律如图1 所示．

图1 混凝土坍落度的变化规律

在ρf≤1．0%时，坍落度随钢纤维体积率的增大而增大;在ρf＞1．0%时，则坍落度随着钢纤维体积率的增大而减小．说明钢纤维需要水泥浆包裹，引入钢纤维裹浆厚度在一定程度上能改善钢纤维混凝土的和易性，使其坍落度有所增加．但当钢纤维体积率继续增加时，由于钢纤维的“棚架”拉结作用大于裹浆作用，坍落度将会降低． 同时，砂率对混凝土的坍落度有一定的影响．在水灰比为0．25 和0．30 时，存在最佳砂率，使混凝土的和易性达到最佳．

2．2 钢纤维全轻混凝土的表观密度

混凝土拌合物的表观密度的变化规律如图2 所示．不同配合比情况下，钢纤维全轻混凝土在振实后的湿表观密度校正系数为0．963 ～0．998，说明本试验的各项材料用量基本为最终的配合比设计值，不用进行调整．不同配合比情况下，混凝土的干表观密度为1 668． 2 ～1 891． 2 kg/m3，属于密度等级为1 700 ～1 900 的轻骨料混凝土［6］．

图2 混凝土表观密度的变化规律

砂率及钢纤维裹浆厚度的变化对混凝土的湿、干表观密度影响甚小．随着水灰比的减小，混凝土的表观密度略有提高，水灰比从0．35 降到0．25 时，湿表观密度的增幅为2．5%左右，干表观密度的增幅为3．0%左右．随着钢纤维体积率的增加，不同裹浆厚度混凝土的湿、干表观密度均呈现递增趋势，相对于基体混凝土而言，钢纤维体积率每增加0． 5%，干、湿表观密度相应增加1% ～3%．

2．3 钢纤维全轻混凝土的立方体抗压强度

混凝土立方体抗压强度的变化规律如图3 所示．与全轻混凝土相同，随着水灰比减小，混凝土立方体的抗压强度有所提高，但水灰比从0．35 降到0．25时，立方体抗压强度仅提高了10%左右;砂率对钢纤维全轻混凝土立方体抗压强度的影响较小［1］．

图3 混凝土立方体抗压强度的变化规律

钢纤维全轻混凝土立方体抗压试块呈裂而不散的破坏状态，钢纤维起到了阻止内部微裂缝扩展和宏观裂缝发生、发展的作用，从根本上改变了全轻混凝土立方体抗压试块呈散体状脆性破坏的形态． 随着钢纤维体积率的增大，混凝土立方体抗压强度不断增大．钢纤维裹浆厚度对立方体抗压强度的影响较小，但以裹浆厚度1．0 mm 的效果最佳．相对于基体混凝土，该裹浆厚度时，钢纤维体积率为0．5%，1．0%，1．5%，2．0%的立方体抗压强度分别提高了9．7%，13．9%，18．0%，20．6%． 按通常方法配制的钢纤维轻骨料混凝土，当钢纤维体积率为0．5% ～1．5%时，立方体抗压强度仅提高了4% ～6%;当钢纤维体积率为2．0%时，立方体抗压强度会降低．

2．4 钢纤维全轻混凝土的劈裂抗拉强度

水灰比和砂率对钢纤维全轻混凝土的劈裂抗拉强度的影响较小，如图4 所示．钢纤维全轻混凝土劈裂试块呈裂而不断的破坏形态，与全轻混凝土发生陶粒直接劈裂、劈裂面平齐的脆性破坏明显不同，钢纤维跨越劈裂面起到了搭接承载作用，随着钢纤维体积率的增大，其劈裂抗拉强度显著提高．相对于全轻混凝土，钢纤维体积率为0． 5%，1． 0%，1． 5%，2．0% 时，劈裂抗拉强度分别提高了38． 7%，60．8%，142． 5%，177． 3%． 钢纤维体积率每增加0．5%，则劈裂抗拉强度增加30% ～40%．

图4 混凝土劈裂抗拉强度的变化规律

3 结 语

水灰比和砂率对钢纤维全轻混凝土的力学性能影响较小．合理的纤维裹浆厚度对保证钢纤维与基体混凝土的黏结性能具有重要作用，并能改善钢纤维全轻混凝土的工作性能．经综合分析，钢纤维全轻混凝土的最佳钢纤维裹浆厚度为1．0 mm．

按本文考虑钢纤维裹浆厚度的绝对体积法配制的钢纤维全轻混凝土，不仅满足混凝土的工作性能和干表观密度的要求，而且使全轻混凝土的立方体抗压强度明显提高． 特别是对于钢纤维全轻混凝土的劈裂抗拉强度的提高效果更加显著，钢纤维体积率每增加0．5%，劈裂抗拉强度增加30% ～40%．

［1］李长永，陈淮，赵顺波． 机制砂陶粒混凝土抗压性能试验研究［J］．广西大学学报(自然科学版)，2010，35(4):688 －692．

［2］潘丽云，尚亚琼，康星星，等．钢筋钢纤维全轻混凝土叠浇梁抗弯刚度试验研究［J］． 华北水利水电大学学报(自然科学版)，2015，36(1):43 －46．

［3］李长永，钱晓军，赵顺波． 全轻混凝土基本力学性能研究［J］．混凝土，2010(5):79 －82．

［4］李长永，陈淮，赵顺波． 钢纤维全轻混凝土抗冻性能研究［J］．混凝土，2011(11):98 －99．

［5］张晓燕，李长永，袁浩，等．混合纤维增强全轻混凝土弯曲韧性试验研究［J］．水利发电，2013(5):87 －90．

［6］中国建筑科学研究院．JGJ 51—2002 轻骨料混凝土技术规程［S］．北京:中国建筑工业出版社，2002．

［7］宋丽莎，孙丽，曹晨杰，等．钢纤维混凝土拌合物工作性能试验研究［J］．华北水利水电学院学报，2013，34(1):24 －26．

［8］陈彦磊．钢纤维全轻混凝土配合比直接设计方法及基本力学性能试验研究［D］．郑州:华北水利水电大学，2013．