基于欧洲规范的钢纤维陶粒混凝土力学性能试验研究

杨芳芳，庄一舟，张彬彬

(福州大学 土木工程学院， 福建 福州 350108)

基于欧洲规范的钢纤维陶粒混凝土力学性能试验研究

杨芳芳，庄一舟，张彬彬

(福州大学 土木工程学院， 福建 福州 350108)

在欧洲规范CEB-FIP Model Code 1990可计算出普通混凝土任意龄期的抗压强度、劈拉强度与弹性模量的基础上，通过测试不同钢纤维掺量的陶粒混凝土在不同龄期(1 d、2 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d)时的抗压强度、劈拉强度和弹性模量，并与理论值作对比，验证现有欧洲规范对钢纤维陶粒混凝土力学性能随龄期发展规律预测的适用性和准确性。研究表明：欧洲规范对钢纤维陶粒混凝土力学性能随龄期发展规律在最初的5 d或3 d并不适用；采用1 d、28 d抗压强度、劈拉强度与弹性模量计算其他各龄期的抗压强度、劈拉强度与弹性模量小于采用7 d、28 d抗压强度、劈拉强度与弹性模量计算得到的相对误差的最大值。建议采用1 d、28 d的抗压强度、劈拉强度和弹性模量计算掺钢纤维的陶粒混凝土任意龄期的抗压强度、劈拉强度与弹性模量。

钢纤维陶粒混凝土；力学性能；发展规律；欧洲规范

轻骨料混凝土由于其优良的经济和技术特性，越来越多地被应用在多种结构中[1]。结合陶粒混凝土的延性低于普通混凝土的现状，在陶粒混凝土中掺入钢纤维，以增强其韧性。它集中了钢纤维混凝土和轻骨料混凝土的优点, 弥补了普通混凝土存在的抗拉强度低和自重大等不足，其中劈拉强度、抗折强度随钢纤维掺量的增加呈现线性增长的规律[2]。

另外，混凝土早期力学性能变化快速，其强度和弹性模量控制施工过程，决定高层结构的拆模时间[3]。因此，研究混凝土的力学性能随龄期的发展规律，可为其结构的早期抗裂分析和裂缝控制提供参考[4]。有学者研究了掺矿物掺合料混凝土的力学性能随龄期的发展规律，试验结果表明，前3 d的强度提高幅度远高于3 d～7 d，早期强度对后期强度及耐久性都有重要的影响[5]。目前，一般以某一龄期的力学性能作为混凝土力学性能的设计或评定指标，如文献[6]将三种不同的钢纤维混凝土龄期在28 d时的抗压强度、抗弯强度、劈裂抗拉强度和弹性模量作为检验湿润-干燥环境养护与标准条件养护的混凝土是否有增强趋势的指标。文献[7]将28 d抗压强度作为轻骨料混凝土随钢纤维掺量变化影响的指标，或仅仅以少数几个龄期的力学性能表征混凝土力学性能随龄期的整个变化。陈宗平等[8]研究了15 d、30 d再生混凝土的三轴受压力学性能在不同围压值下峰值应力变化趋势，并参照了CEB-FIP(1990)方法得出的理论值与实测值吻合较好。对能准确描述混凝土力学性能随龄期的发展规律和预测方法却缺乏研究。欧洲规范[9](CEB-FIP Model Code 1990)给出了适用于普通混凝土力学性能随龄期发展的计算公式，但是否适合于钢纤维陶粒混凝土，其精度如何，有待验证。

此文以钢纤维陶粒混凝土为对象，通过测试不同钢纤维掺量、不同龄期陶粒混凝土的抗压强度、抗拉强度和弹性模量，验证欧洲规范是否适用于计算和预测钢纤维陶粒混凝土力学性能随龄期发展规律，并决定采用哪两个(7 d和28 d或1 d和28 d)龄期值能更好地预测其发展规律。

1 试验过程

1.1 原材料

水泥：福建炼石牌42.5R普通硅酸盐水泥；

钢纤维：浙江海宁博恩金属制品有限公司生产的剪切型钢纤维，其各项技术指标如表1所示；

陶粒：湖北宜昌高强页岩圆球形陶粒，各项性能指标如表2所示；

细骨料：细度模数为2.5的中砂；

水：福州地区的自来水；

减水剂：福建建筑科学研究院生产的TW-JS聚羧酸高效减水剂，减水率15%～18%。

表1 钢纤维性能指标

表2 陶粒的各项性能指标

1.2 陶粒混凝土配合比

陶粒混凝土的配合比如表3所示。

表3 陶粒混凝土配合比

注：Vf/表示钢纤维体积率。

1.3 试件测试

分别用尺寸均为100 mm×100 mm×100 mm的试件测量钢纤维陶粒混凝土1 d、2 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d的抗压强度fc、劈裂抗拉强度ft,和试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm测试动弹性模量Ec。抗压强度和劈拉强度的测量参照规范《普通混凝土力学性能试验方法标准》[10](GB/T 50081—2002)进行。采用DT-15动弹模仪，按规范《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[11](GB/T 50082—2009)测量钢纤维陶粒混凝土的动弹性模量。

2 试验结果与分析

2.1 钢纤维掺量对陶粒混凝土力学性能的影响

不同钢纤维掺量陶粒混凝土的抗压强度、劈拉强度和弹性模量试验结果如表4所示。

文献[12-18]研究得出纤维对轻骨料混凝土的抗压强度改善并不明显，但钢纤维的掺入显著提高了混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度。这是因为当基体混凝土出现拉裂纹时，钢纤维能有效地阻止这些裂纹的继续扩展，直到钢纤维被拔出后混凝土才彻底破坏[19]。其中文献[18]掺入的是聚丙烯纤维。该次试验的测试结果从表4中可以看出陶粒混凝土抗压强度、劈拉强度和弹性模量的增长规律和上述文献基本一致。

表4 钢纤维陶粒混凝土力学性能测试结果

2.2 力学性能随龄期的发展规律

2.2.1 采用7 d、28 d力学性能定义的混凝土力学性能发展系数

标准养护条件下，混凝土的抗压强度、劈拉强度及弹性模量随龄期的发展规律只与混凝土本身特性有关。欧洲规范[9](CEB-FIP Model Code1990)对混凝土力学性能随龄期发展规律的规定如下：混凝土在龄期t时的强度与水泥品种、养护的温湿度有关。在标准养护条件下，混凝土的力学性能随龄期的发展规律如式(1)所示。

f(t)=βcc(t)f(28)

(1)

式中：f(t)为混凝土在龄期t时的力学性能；f(28)为混凝土28 d龄期时的力学性能；βcc(t)为混凝土在龄期t时的力学性能发展系数。

龄期t时，混凝土力学性能发展系数βcc(t)可按式(2)计算，βcc(t)等于在龄期t时的力学性能与28 d时的比值，如式(3)所示。

(2)

(3)

式中：c为与混凝土本身性质有关的系数，与混凝土的龄期无关。

一般仅测量混凝土7 d、28 d的力学性能，利用混凝土7 d、28 d的抗压强度、劈拉强度和弹性模量计算其他各龄期对应的抗压强度、劈拉强度和弹性模量。分别把7 d、28 d对应的抗压强度、劈拉强度和弹性模量代入到式(3)中，即可求得7 d龄期时的力学性能发展系数βcc(7)、βT(7)、βE(7)；再把βcc(7)、βT(7)、βE(7)代入到式(2)中，即可进一步求得各自的c、cT、cE；把任意的龄期t及c、cT、cE代入到式(2)，即可求得任意龄期t的力学性能发展系数βcc(t)、βT(t)、βE(t)，再代入到式(1)，即可求得任意龄期对应的抗压强度、劈拉强度和弹性模量。

按上述方法，求得此次试验中不同钢纤维掺量的陶粒混凝土1 d、2 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d抗压强度、劈拉强度和弹性模量，并把理论值与表4的实测值对比，结果如图1～图3所示。

由7 d、28 d抗压强度、劈拉强度和弹性模量求得的1 d、2 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d对应的抗压强度、劈拉强度和弹性模量的理论值与实测值的最大误差率及出现的龄期结果如表5所示。

表5 采用7 d、28 d值得到理论值与实测值误差率及出现的龄期

由图1～图3可知，由7 d、28 d抗压强度、劈拉强度和弹性模量求得的各龄期对应的抗压强度、劈拉强度和弹性模量，在初始的5 d龄期内，均存在一段理论值与实测值之间相差较多的龄期，且龄期越早误差越大，最大相对误差基本发生在1 d龄期。对于抗压强度，1 d龄期时理论值与实测值之间的最大相对误差达到24%；对于劈拉强度，1 d龄期时，各组钢纤维陶粒混凝土劈拉强度的理论值与实测值之间相对误差的最大值达到78%。且抗压强度和劈拉强度都是在5 d龄期以后，理论值与实测值之间较为接近，两条曲线基本重合。对于弹性模量，1 d龄期时，各组钢纤维陶粒混凝土弹性模量的理论值与实测值之间相对误差的最大值达到25%；在3 d龄期之后，弹性模量理论值发展曲线与实测值之间基本重合,理论值与实测值相差很小。

2.2.2 采用1 d、28 d力学性能定义的力学性能发展系数

由2.2.1节的分析可知，采用欧洲规范CEB-FIP Model Code 1990中的力学性能发展公式，由7 d、28 d抗压强度、劈拉强度、弹性模量求得的各个龄期的抗压强度、劈拉强度、弹性模量的理论值与实测值相比，在最初的5 d龄期内均存在理论值与实测值误差较大的情况，故此文考虑分别采用1 d、28 d力学性能计算钢纤维陶粒混凝土的力学性能发展系数c、cT、cE，并进一步求得各龄期抗压强度、劈拉强度与弹性模量，计算方法与2.2.1节相同。不同钢纤维掺量时，各龄期钢纤维陶粒混凝土抗压强度、劈拉强度与弹性模量的理论值与实测值的对比结果如图4～图6所示。

图1 由7 d, 28 d抗压强度计算不同龄期的抗压强度理论值和实测值

图2由7 d, 28 d劈拉强度计算不同龄期的劈拉强度理论值和实测值

图3由7 d, 28 d弹性模量计算不同龄期的弹性模量理论值和实测值

图4由1 d, 28 d抗压强度计算不同龄期的抗压强度理论值和实测值

由1 d、28 d抗压强度、劈拉强度和弹性模量求得的1 d、2 d、3 d、5 d、7 d、14 d、28 d对应的抗压强度、劈拉强度、弹性模量理论值与实测值的最大误差率及出现的龄期如表6所示。

由图4～图6可知，对于抗压强度，采用1 d、28 d抗压强度求得的各龄期抗压强度的理论值与实测值相比，相对误差最大为15%，小于用7 d、28 d抗压强度求得的各龄期抗压强度理论值与实测值之间的最大相对误差。对于劈拉强度，采用1 d、28 d劈拉强度求得的各龄期劈拉强度的理论值与实测值相比，理论值均小于或等于实测值，在龄期为3 d、5 d、7 d时，理论值与实测值相差较多，且相对误差最大为14%，出现在5 d龄期时。此理论计算结果与用7 d、28 d劈拉强度计算得到的结果(相对误差最大为78%)相比，理论值与实测值之间的最大相对误差较小，且用1 d、28 d劈拉强度得到的理论值小于实测值，计算结果偏于安全。对于弹性模量，采用1 d、28 d弹性模量求得的各龄期弹性模量的理论值与实测值相比，在2 d～7 d龄期内，理论值与实测值相比，相对误差最大为8%，出现在2 d龄期，且小于用7 d、28 d弹性模量计算得到的弹性模量理论值与实测值之间相对误差的最大值(25%)。

图5 由1 d, 28 d劈拉强度计算不同龄期的劈拉强度理论值和实测值

图6 由1 d, 28 d弹性模量计算不同龄期的弹性模量理论值和实测值

表6 采用1 d、28 d值得到的最大误差率与对应的龄期

比较两种不同龄期(7 d和28 d或1 d和28 d)的抗压强度、劈拉强度与弹性模量计算其他龄期的抗压强度、劈拉强度与弹性模量，当采用7 d和28 d时，抗压强度、劈拉强度与弹性模量的实测值均比理论值要小，而采用1 d和28 d计算时，抗压强度的实测值比理论值小，但是劈拉强度和弹性模量刚好相反，其原因可能是加入的陶粒和纤维影响了系数c值的大小。这两者的实测值大于理论值说明选用这种计算方式可以提高其安全度。并且采用1 d和28 d的抗压强度、劈拉强度与弹性模量计算其他龄期的抗压强度、劈拉强度与弹性模量的最大相对误差都小于采用7 d和28 d计算的最大相对误差。建议采用1 d、28 d抗压强度、劈拉强度与弹性模量计算其他各龄期的抗压强度、劈拉强度与弹性模量。

3 结 论

(1) 采用7 d、28 d的抗压强度、劈拉强度和弹性模量计算其他各龄期对应力学性能的理论值时，在初始的几天龄期内，均存在一段理论值与实测值之间相差较多的龄期，并在1 d的时候达到最大，分别为24%、78%、25%，故用7 d、28 d抗压强度、劈拉强度、弹性模量求得各龄期对应的抗压强度、劈拉强度、弹性模量时，对于最初的5d龄期，对钢纤维陶粒混凝土而言并不适合。

(2) 按照欧洲规范CEB-FIP Model Code 1990的思路，采用1 d和28 d的抗压强度、劈拉强度、弹性模量，计算其它各龄期的抗压强度、劈拉强度、弹性模量时,理论值与实测值的相对误差分别小于或等于15%、14%与8%，且都小于采用7 d、28 d抗压强度、劈拉强度和弹性模量计算其他各龄期对应力学性能的理论值与实测值之间的相对误差。所以，对钢纤维陶粒混凝土，建议采用1 d、28 d抗压强度、劈拉强度与弹性模量计算其他各龄期的抗压强度、劈拉强度与弹性模量。

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DevelopmentofMechanicalPropertiesofSteelFiberReinforcedCeramsiteConcreteBasedonEurocode

YANG Fangfang, ZHUANG Yizhou, ZHANG Binbin

(CollegeofCivilandArchitecturalEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350108,China)

In CEB-FIP Model Code 1990, the compressive strength, splitting strength and modulus of elasticity of 7 d and 28 d can be used to calculate the compressive strength, splitting strength and modulus of elasticity at any age. In this paper, the compressive strength, splitting tensile strength and elastic modulus of different steel fiber content of ceramsite concrete at different ages (1 d, 2 d, 3 d, 5 d, 7 d, 14 d, 28 d) is tested and compared with the theoretical value to verify the applicability and accuracy of the prediction of mechanical properties of steel fiber reinforced ceramsite concrete. The results show that development of the mechanical properties of steel fiber reinforced ceramsite concrete are not applicable for the first 5 or 3 days in European code; when calculating compressive strength, splitting tensile strength and elastic modulus of other age with compressive strength, which is less than that of 7 d, 28 d. The compressive strength, splitting tensile strength and elastic modulus of 1 d and 28 d are recommended to calculate the compressive strength, splitting tensile strength and modulus of elasticity at any age.

steelfiberreinforcedceramsiteconcrete;mechanicalproperties;development;Europeancode

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.012

2017-07-07

2017-08-09

国家自然科学基金资助项目(51278126，51578161)；福建省自然科学基金资助项目(2013J01187)

杨芳芳(1992—)，女，湖北襄阳人，硕士研究生，研究方向为超高性能混凝土。 E-mail：1436405742@qq.com

庄一舟(1964—)，男，加拿大人，博士，教授，主要从事无缝桥，超高性能混凝土的研究。 E-mail：yizhouzhuang@qq.com

TU528.572

A

1672—1144(2017)06—0057—07