高强混凝土的配制及增韧研究

常 鸿 雁

(太原市市政工程总公司，山西 太原 030002)

·建筑材料及应用·

高强混凝土的配制及增韧研究

常 鸿 雁

(太原市市政工程总公司，山西 太原 030002)

利用高性能骨料、水泥、硅灰以及钢纤维和聚丙烯纤维两种增韧材料配制标准立方体抗压强度100 MPa的高强高韧性混凝土，通过静力受压弹性模量实验绘制对应的应力—应变曲线图的分析发现这两种增韧材料对混凝土韧性的提高显著，同时钢纤维对混凝土基体抗压强度的提升明显而聚丙烯纤维对其提升不显著。

高强混凝土，钢纤维，聚丙烯纤维，应力—应变曲线，韧性

0 引言

近年来，世界各国使用的混凝土强度都在不断提高。我国40 MPa～60 MPa的混凝土的用量亦日趋增多，仅就使用的混凝土最高强度等级而言，在工业发达的西方国家，C60的混凝土已普遍采用，C80以上的混凝土用量不断增加。而且，美、日、俄、德等国已将C100以上的混凝土用于大跨度桥梁，空间桁架以及高层建筑、多层建筑和超高层建筑等重要结构物上。

尽管高强混凝土代表着混凝土材料技术的最新发展，但是高强混凝土也有不足的一面。首先，高强混凝土对于原材料的质量和加工工艺要求严格，必须用高强水泥、高质量掺合料、外加剂和骨料，拌和、运输、浇捣、养护工艺须严格控制，原材料质量波动、工艺过程管理和实施不善对质量的影响远比对普通混凝土的影响严重；其次，混凝土在满足混凝土建筑物或其构件强度要求的情况下，仍然发生混凝土结构的破坏，而且属于低应力的脆断，实际上，混凝土本质上属脆性材料，只是随着混凝土强度的不断提高，其固有的脆性问题才愈显突出。混凝土的高强化与高脆性化的矛盾限制了混凝土的发展与应用。如何在保持混凝土强度的前提下解决其高脆的弊病成为现代高强混凝土应用研究的重点。现在普遍的做法是在混凝土中添加各种纤维材料以提高构件的抗弯承载力，改善结构的延性，同时提高混凝土本身的抗压强度[2]。目前出现的纤维混凝土有：钢纤维混凝土(SFRC)，玻璃纤维混凝土(GFRC)，碳纤维混凝土(CFRC)以及合成纤维混凝土(SNFRC)，在实际工程中已使用的纤维混凝土主要品种为SFRC，CFRC和PPFRC(聚丙烯纤维混凝土)。

近年太原市立体式交通加速建设中，随着高强混凝土的大跨化应用，混凝土的脆性问题也愈显突出。本文在配制高强(100 MPa)混凝土的基础上，通过应力—应变测试对掺加纤维高强混凝土与基准混凝土的强度及弹性模量进行对比分析，研究纤维增韧材料的增强增韧机理及相关影响因素。

1 试验

1.1 原材料

强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥；最大粒径不大于20 mm，针片状颗粒含量小于5%，含泥量小于0.5%，泥块含量小于0.2%的连续级配的碎石；细度模数介于2.6～3.1之间，含泥量小于2.0%，泥块含量小于0.5%级配良好的优质天然河砂；脂肪酸系高效减水剂，减水率20%，固体含量33%～35%之间，掺量为0.8%；Ⅱ级粉煤灰，硅灰，采用粉煤灰和硅灰双掺提高混凝土强度和韧性[3]；切断弓形钢纤维(体积密度7.8 g/cm3)、聚丙烯纤维(体积密度0.9 g/cm3)分别作增韧材料。各组混凝土配合比如表1所示。

表1 各组混凝土材料配合比 kg/m3

1.2 性能测试

1.2.1 强度测试

按照上述配比分别成型150 mm×150 mm×150 mm抗压强度试件及150 mm×150 mm×300 mm轴心抗压强度试件，并放于标准养护室养护，测试3 d,7 d,28 d抗压强度以及28 d轴心抗压强度。

结果如表2所示。

表2 各组混凝土强度值 MPa

1.2.2 弹性模量测试

根据我国现行标准以指定应力为1/3轴心抗压强度时的加荷割线弹性模量定义为混凝土的弹性模量。由于施加的荷载是静荷载，故称为静力受压弹性模量。三组混凝土加荷过程曲线如图1所示。

混凝土弹性模量值按式(1)计算：

(1)

其中，Ec为混凝土弹性模量,MPa；Fa为应力为1/3轴心抗压强度时的荷载,N；F0为应力为0.5 MPa时的初始荷载,N；A为试样承压面积,mm2；L为测量标距,mm;εa为最后一次加载至Fa时试件两侧变形的平均值,mm；ε0为最后一次加载至F0时试件两侧变形的平均值,mm。

每组平行测试三个试件，取其算术平均值作为该组混凝土的弹性模量测试值，计算结果精确至100 MPa[4]。试验结果见表3。

表3 各组混凝土弹性模量测试结果

图2为三组混凝土的应力—应变曲线。从图2中可以看出，在应力由0变化至Fa时(即弹性形变阶段)应力应变曲线呈直线状态，在这一阶段混凝土基本处于弹性工作阶段，在此之后试件出现初裂缝，并随之进入裂缝稳定扩展阶段，曲线虽然仍保持上升，但开始逐渐向水平轴弯曲，而后试件进入裂缝不稳定扩展阶段，此时界面裂缝向砂浆内扩展延伸，砂浆裂缝急剧增加，应力应变曲线开始逐渐向下弯曲；而对于钢纤维混凝土，在应力达峰值时(即破坏荷载)，混凝土试件的主裂缝已形成通缝，而后应力迅速下降，但变形继续增长，体现在应力应变曲线上会出现水平向曲线的不规则抖动，这实际上是裂缝的继续扩展，试件上出现多条不连续的竖向裂缝，横向变形加剧，随即若干条纵向裂缝发展相连，贯通整个试件，形成破坏断面，随着破坏面不断增加混凝土试件解体破坏[5]。仔细观察三种混凝土试块破坏过程发现，空白混凝土在达到破坏荷载后呈崩塌状瞬间散裂，与纤维混凝土裂缝积累扩展相比有很明显的不同，其脆性与另两种混凝土相比较大。

三种混凝土应力应变曲线的下降段也各有不同，空白混凝土在破坏荷载之后基体裂缝急剧延伸并增宽，试件迅速脆性破坏，曲线下降段短，而纤维混凝土下降段则比较平缓，这是由于纤维的阻裂效应。因此在破坏荷载之后，钢纤维混凝土里的钢纤维陆续的拔出和聚丙烯纤维混凝土内部纤维网的撕裂分解是纤维混凝土解体比较明显的特征。

2 分析与讨论

高强混凝土在原材料选择方面与普通混凝土有不同的要求，这也是影响高强混凝土抗压强度最主要的因素。此外，高效减水剂的掺入，在保证混凝土工作性的前提下，可以显著的减少用水量，进而有利于提高混凝土的强度。

从图2亦可以看到，聚丙烯纤维混凝土的下降段有很长的拖尾(这是产生大断裂能的主要原因)，而空白混凝土却没有，这是由于聚丙烯纤维在混凝土中单位体积含量(根数)很大，在混凝土开裂后拉应力主要由聚丙烯纤维承担。而聚丙烯纤维的延展性又很大，在混凝土产生大的裂缝后仍然能够起作用[6]。而对于钢纤维混凝土，在应力达峰值时，混凝土试件的主裂缝已形成通缝，而后应力迅速下降，但变形继续增长。由于钢纤维高强混凝土中的孔隙小，基体混凝土中水泥浆强度、水泥浆与骨料间界面强度、骨料强度之间的差别也较小，所以，相对来说更接近于匀质材料，使得钢纤维高强混凝土表现出与普通强度混凝土不同的特性。钢纤维的加入改变了混凝土的破坏形态，使脆性材料表现出延性性能，扩大了混凝土的应用范围。

3 结语

1)高强混凝土在原材料选择方面要求较高，这是影响高强混凝土强度最主要的因素。此外，高效减水剂的掺入，在保证混凝土工作性的前提下，可以显著的减少用水量，进而有利于提高混凝土的强度。高细度硅粉的掺入可有效减少混凝土的空隙率，从而改善了界面过渡区的微结构，消除或减少了界面区的原生微裂缝，使混凝土的强度增高脆性降低。

2)2%钢纤维体积掺率对混凝土抗压强度值和延性的提升效果显著，而0.8%体积掺率的聚丙烯纤维没有带来明显的抗压强度提升，但可有效增加材料抵抗开裂的塑性抗拉强度，从而降低混凝土的脆性，提高混凝土的韧性。

[1] 吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999.

[2] 蒋家奋.在工程上应用高强混凝土的经济分析[J].混凝土,2000(9)：13-15.

[3] 钱小倩.高性能混凝土原材料和配合比设计中的问题与对策[J].混凝土,1998(1)：23.

[4] GB/T 50081—2002,普通混凝土力学性能试验方法[S].

[5] 关丽秋,李树瑫.关于钢钎维混凝土中纤维分布和取向计算方法的探讨[J].东北水利发电学报,1987(1)：32-34.

[6] 朱 江,苏健波,李士恩.聚丙烯纤维混凝土的力学性能研究[J].广西工学院学报,2000(11)：11-14.

Studyonpreparationandtougheningofhighstrengthconcrete

ChangHongyan

(TaiyuanMunicipalEngineeringGeneralCorporation,Taiyuan030002,China)

In the paper, the high strength (100 MPa) and high toughness concrete was prepared with high quality aggregates, cement silica fume, steel fiber and polypropylene fiber. According to the stress-strain curve from the static bearing elasticity modulus experiment, discovering these two kinds of plasticizing materials are remarkable to the toughness enhancement of the concrete. Simultaneously, the increasing concrete compressive strength of the steel fiber is significant while the polypropylene fiber has little effect.

high strength concrete, steel fiber, polypropylene fiber, stress-strain curve, toughness

1009-6825(2017)23-0115-02

2017-06-07

常鸿雁(1984- )，男，工程师

TU528.31

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