微细钢纤维高强轻骨料混凝土静力试验研究

叶艳霞, 王宗彬, 彭琼武, 张志银, 刘继磊

(1.长安大学 建筑工程学院, 陕西 西安 710061; 2.西安基准方中建筑设计有限公司, 陕西 西安 710061)

高强轻骨料混凝土(high-strength lightweight aggregate concrete,HLAC)具有轻质、高强、无碱骨料反应和抗震性好等优点,是高层建筑、大跨结构、高抗震区和软土地基地区的一种重要建筑材料,在工程领域具有广泛的应用前景[1].但轻骨料混凝土(lightweight aggregate concrete,LWAC)的抗剪强度和抗拉强度均较低,尤其是随着强度的提高，其脆性更加明显[2],因此LWAC的增强增韧研究成为近年的研究热点.

一些学者利用钢纤维来改善HLAC的各项性能.研究表明,钢纤维对HLAC的失效模式、强度、韧性、延性和抗冲击性具有明显改善作用[3-7].目前大多数研究采用粗钢纤维对HLAC进行改性,然而普通粗钢纤维在高体积分数下会交叉结团,缺乏足够的浆体包裹,对混凝土强度影响较小甚至造成强度降低[8].镀铜微细钢纤维是一种高强、高弹性模量的亲水性材料,容易与混凝土浆体紧密结合,形成较高的黏结强度,目前主要用于改善微硅粉高强混凝土的脆性[9].石飞等[9]研究表明,在大体积分数情况下,微细钢纤维对混凝土的抗压强度和抗折强度增强效果较普通钢纤维更加显著.Ma等[10]研究表明,体积分数为2.0%的13mm微细钢纤维可使3种混凝土的抗压强度提高19%～42%,抗弯强度提高 78%～108%,骨料类型对微细钢纤维的增强效应影响较大.Iqbal等[11]研究表明,体积分数为1.25%的微细钢纤维使全轻质浮石混凝土的抗压强度降低12%,但其劈裂抗拉强度和抗折强度分别提高37%和110%,基体性质对微细钢纤维的作用存在一定影响.

本文采用高强页岩陶粒、微细钢纤维和矿物掺和料制备高强高韧性微细钢纤维高强轻骨料混凝土(micro steel fiber high-strength lightweight aggregate concrete,MSFHLAC)试件,分析微细钢纤维体积分数(φf)、砂率(质量分数,文中涉及的砂率、水灰比等除特别注明外均为质量分数或质量比)和水灰比对MSFHLAC试件抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、抗剪强度和韧性指标的影响规律,以期为MSFHLAC在工程中的应用和试验研究提供参考.

1 试验

1.1 原材料

水泥选用秦岭牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥,表观密度为3100kg/m3,其3、28d抗压强度分别为20.6、48.4MPa,安定性合格;粗骨料采用湖北宜昌光大陶粒制品有限责任公司产800级碎石型页岩陶粒,粒径5～16mm,筒压强度为6.2MPa,堆积密度为750kg/m3,表观密度为1360kg/m3;细骨料采用普通河砂,细度模数为2.6,表观密度为2650kg/m3,级配良好;粉煤灰和硅粉采用实验室专用Ⅰ级粉煤灰和微硅灰,其表观密度分别为2600、2200kg/m3;微细钢纤维采用江西赣州大业金属纤维有限公司产φ0.2×13mm镀铜微细钢纤维;减水剂采用陕西精诚减水剂工程公司产聚羧酸高效减水剂,减水率25%～27%.

1.2 试验设计

参照JCJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》,采用绝对体积法进行混凝土配合比设计,其中水泥量为440kg/m3,粉煤灰和硅粉掺量为胶凝材料质量的15%和5%,砂率为0.36、0.39和0.42,水灰比为0.24、0.27和0.30,微细钢纤维体积分数为0.5%、1.0%、1.5%和2.0%.为保证MSFHLAC的工作性,减水剂掺量基本为胶凝材料的0.8%,部分做了调整.试件配合比如表1所示.其中编号P为未掺加微细钢纤维的HLAC试件;其余编号均为MSFHLAC试件,其中的数字依次代表微细钢纤维体积分数、砂率和水灰比.

表1 试件配合比

拌和物参照JGJ 51—2002和CECS 13:2009《纤维混凝土试验方法标准》,采用60L强制搅拌机,先将晾干的河砂和胶凝材料干拌2min;然后加入掺有减水剂的水搅拌2min,制成砂浆;接着加入润湿24h的陶粒继续搅拌1min;最后在搅拌机转动状态下均匀加入微细钢纤维搅拌4min后出料.拌和物一次入模,用铁棒敲击模具侧壁约30次并在地上轻轻振动,用抹刀将拌和物上表面抹平;成型24h后拆模并洒水养护28d(西安室外6月份气候),之后进行静力学试验.

1.3 试验方法

参照CECS 13:2009进行力学试验.其中抗压和劈裂抗拉试件尺寸为100mm×100mm×100mm;抗折和抗剪试件尺寸为100mm×100mm×400mm,每组3个试件.抗压、劈裂抗拉和抗折试验的尺寸换算系数分别取为0.90、0.80和0.82.试验在长春机械院产1000kN万能试验机上进行,荷载数据通过计算机软件TestExpert.NET进行采集,小梁跨度中间位置的纵向位移采用DH3820准静态应变采集系统及其配套的位移传感器进行采集,位移控制加载,加载速率为0.1mm/min.

2 试验结果与分析

表2为HLAC和MSFHLAC试件的试验结果.表中ρd代表试件的干表观密度,fcu(ffcu)、ft,s(fft,s)、fcr(ffcr)、ftm(fftm)和fv(ffv)分别代表HLAC(MSFHLAC)试件的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、初裂抗折强度、抗折强度和抗剪强度.

表2 HLAC和MSFHLAC试件的试验结果

2.1 工作性能

由表2可知：(1)由于掺入了一定的矿物掺和料,各试件的流动性较好,其坍落度和扩展度随微细钢纤维体积分数(φf)的增加而降低,微钢纤维所形成的交叉网络增大了拌和物的摩阻力,拌和物的流动性呈指数下降.(2)当φf=0.5%时,微细钢纤维对拌和物的流动性影响较小;当φf=1.0%时,浆体的润滑作用随着砂率和水灰比的减小而减弱,钢纤维与粗骨料间的缠绕堆积作用加强,拌和物的流动性也有所降低,但降幅不大;当φf≥1.5%时,拌和物流动性迅速变差，尤其当φf=2.0%时,其扩展度只有190mm,基本丧失了流动性,试件成型困难.

2.2 立方体抗压强度

图1为试件的立方体抗压破坏模式.由图1可见：受“环箍效应”影响,HLAC试件呈现倒锥体破坏;MSFHLAC试件呈现外鼓状,混凝土表皮翘起,但基本未剥落.由此可知,微细钢纤维对MSFHLAC形成了较强的环形约束力,使其抗压强度提高显著,抗压韧性明显增强.

表2表明,随着微细钢纤维体积分数(φf)的增加,试件的立方体抗压强度逐渐增大,在试件砂率为0.42,水灰比为0.30的情况下,当φf由0.5%、1.0%、1.5%增至2.0%时,试件的立方体抗压强度与HLAC对照组(试件P)相比，分别提高11.3%、27.3%、32.8%和40.8%.这与文献[10]中掺加2.0%的微细钢纤维使HLAC抗压强度提高42%的结论基本一致.

借鉴“比强度”概念,定义轻骨料混凝土立方体抗压强度与干表观密度的比值为材料“抗压比强度”,用于考察微细钢纤维对HLAC的增强效果.由表2可知：MSFHLAC试件的抗压强度和抗压比强度均随φf的增加而增大,且当φf<1.0%时抗压增强效应较为理想;MSFHLAC试件(MF1.0-0.42-0.27)的抗压比强度达0.036N·m/g,大于HLAC试件的抗压比强度(0.028N·m/g).相关研究[4-5]表明,掺入体积分数2.0%的大尺寸钢纤维可使HLAC抗压强度提高20%左右.相比普通钢纤维,微细钢纤维可以更加均匀、密集地分布于HLAC基体中,钢纤维与基体形成较强黏结力,对HLAC抗压强度的增强效应更显著.

图1 立方体抗压破坏模式Fig.1 Cube compressive failure mechanisms

由表2还可知：当砂率从0.42降为0.36时,MSFHLAC试件立方体抗压强度降低4.65%,而抗压比强度降低2.62%,降幅不大;水灰比对MSFHLAC 立方体抗压强度影响稍大,水灰比为0.27试件的立方体抗压强度比水灰比为0.30的试件提高5.39%,其抗压强度可达70.5MPa,而当试件水灰比为0.24时,其抗压强度反而降低,这主要因为水灰比过小,胶凝材料水化反应不充分所致.

经回归分析,得到MSFHLAC试件立方体抗压强度(ffcu)与HLAC立方体抗压强度(fcu)、微细钢纤维体积分数(φf)之间的关系表达式：

ffcu=fcu(1+0.218φf)

(1)

式(1)相关系数R=0.9869.

2.3 劈裂抗拉强度

表2表明：随着微细钢纤维体积分数(φf)的增加,试件的劈裂抗拉强度增强非常明显,在试件砂率为0.42,水灰比为0.30的情况下,当φf由0.5%、1.0%、1.5%增加到2.0%时,试件的劈裂抗拉强度与HLAC对照组(试件P)相比分别提高55.9%、102.5%、123.4%和155.0%;微细钢纤维体积分数较低(φf=0.5%、1.0%)时,抗拉增强效果更优.与体积分数2.0%的普通钢纤维使HLAC劈裂抗拉强度提高92.5%[4]相比,本文采用微钢纤维对HLAC劈裂抗拉强度的增强效果更优,说明MSFHLAC试件劈裂面的钢纤维分布更多,可建立更均匀的应力场,抗拉增强效果更加明显.

试件在破坏过程中,会听到纤维被拔出的“滋滋”声.当φf由0%增到2.0%时,试件的拉压比由1/16.4增长到1/9.0,纤维对HLAC的抗拉韧性改善明显.试件的劈裂抗拉强度主要受纤维体积分数的影响,改变砂率(0.36～0.42)和水灰比(0.24～0.30),试件劈裂抗拉强度虽均有不同程度的降低,但最多降低9.7%,相比纤维体积分数,水灰比对MSFHLAC试件的劈裂抗拉强度影响较小.

经回归分析,得到MSFHLAC劈裂抗拉强度(fft,s)与HLAC劈裂抗拉强度(ft,s)、微细钢纤维体积分数(φf)之间的关系表达式：

fft,s=ft,s(1+0.834φf)

(2)

式(2)相关系数R=0.9832.

JGJ 51—2002中陶粒混凝土抗拉强度ft与抗压强度fcu满足ft=0.26fcu2/3.根据ft=1.18ft,s可知,HLAC试件的ft/fcu2/3=0.267,与规程较为接近.采用同样方式建立MSFHLAC试件的抗拉强度fft与立方体抗压强度ffcu间的关系,如图2所示.

图2 MSFHLAC试件的fft与ffcu关系Fig.2 Relationship between fft and ffcu of MSFHLAC specimens

由图2拟合得到MSFHLAC试件的fft与ffcu关系表达式：

(3)

由图2可见,MSFHLAC试件的拉压强度关系理论值与试验值吻合度较高,式(3)可以较好地反映微细钢纤维高强轻骨料混凝土拉压强度变化规律.

2.4 初裂抗折强度和抗折强度

初裂抗折强度可反映材料抵御初期裂缝荷载的能力.阻裂系数(ftm/fcr或fftm/ffcr)表示试件初裂后阻止裂纹开展的能力[12].各试件的阻裂系数见表2.

由表2可知,随着微细钢纤维体积分数(φf)的提高,MSFHLAC的初裂抗折强度和极限抗折强度均随纤维体积分数呈线性增长,说明微细钢纤维对HLAC具有较好的阻裂效应,阻裂系数变化范围为1.12～1.19.调整砂率(0.36～0.42)和水灰比(0.24～0.30),试件抗折强度可降低10.0%左右,而阻裂系数仅下降4%左右.砂率和水灰比对纤维抵御初始开裂的能力影响较大,对开裂后的阻裂效应影响较小.对比文献[4]中采用普通钢纤维的SFHLAC阻裂系数变化范围1.18～1.41,可知微钢纤维对HLAC开裂后的阻裂效应低于大尺寸异型钢纤维.微细钢纤维对裂缝源的控制较强,试件抵御开裂的能力较好,而试件一旦开裂,微细钢纤维较光滑短,纤维被拔出,试件的抗折强度在开裂后提高有限.

经回归分析,得到MSFHLAC试件初裂抗折强度(ffcr)、抗折强度(fftm)与HLAC试件劈裂抗拉强度(ft,s)和微细钢纤维体积分数(φf)之间的关系表达式：

ffcr=ft,s(1+0.167φf)

(4)

fftm=ft,s(1+0.310φf)

(5)

式(4)、(5)的相关系数R分别为0.9772和0.9995.

MSFHLAC试件的抗折强度fftm与劈裂抗拉强度fft,s、抗压强度ffcu的关系式为：

fftm=1.94fft,s2/3

(6)

fftm=0.10ffcu

(7)

式(6)、(7)的相关系数R分别为0.9983和0.9960.

由式(7)可见,MSFHLAC试件的折压比(抗折强度与抗压强度之比)为0.10,与文献[13]中陶粒混凝土的折压比0.12非常接近.由此可知,微细钢纤维对HLAC立方体抗压强度的影响略微低于对抗折强度的影响.

图3为MSFHLAC试件的fftm与ffcu、fft,s的关系.由图3可见,拟合得到的理论值与试验值较为吻合.

图3 fftm、ffcu和fft,s的关系Fig.3 Relationship between fftm,ffcuand fft,s

2.5 抗剪强度

表2表明,HLAC试件的剪压比(fv/fcu)为1/11.3,而低强度轻骨料混凝土的剪压比为1/7.03[14],说明HLAC具有明显的剪脆性,因此改善HLAC的剪脆性尤为重要;当φf=0.5%～2.0%时,MSFHLAC试件的抗剪强度提高幅度为54.7%～256.7%,其剪压比可达1/8.12～1/4.87.由此可见,微细钢纤维对HLAC的抗剪强度和剪切韧性的提高非常明显;相比之下,一定范围内的砂率(0.36～0.42)和水灰比(0.24～0.30)变化,对MSFHLAC试件剪切强度的影响并不大,最多减少10.3%.

经过拟合分析,得到MSFHLAC试件抗剪强度(ffv)与HLAC试件劈裂抗拉强度(fv)、微细钢纤维体积分数(φf)之间的关系表达式：

ffv=fv(1+1.109φf)

(8)

式(8)的相关系数R=0.9983.

工程中抗剪切与抗拉是密切相关的性能[15].通过回归分析,得到MSFHLAC的抗剪强度(ffv)与劈裂抗拉强度(fft,s)、抗压强度(ffcu)关系表达式：

ffv=0.632fft,s1.5

(9)

(10)

文献[16]中钢纤维高强混凝土满足ffv=0.96fft,s1.42,说明钢纤维对普通高强混凝土和轻骨料高强混凝土抗剪强度贡献率基本相同.

图4为MSFHLAC试件ffv与ffcu、fft,s的关系.由图4可见,试验值与理论值吻合度较高.

图4 ffv、ffcu和fft,s的关系Fig.4 Relationship between ffv,ffcu and fft,s

2.6 弯曲韧性

图5为不同砂率、水灰比和微细钢纤维体积分数下MSFHLAC试件的弯曲试验荷载-位移曲线.由图5可知：不同砂率、水灰比和微细钢纤维体积分数下MSFHLAC试件的荷载-位移曲线形状基本相

同;MSFHLAC试件的韧性和延性均随微细钢纤维体积分数增加而增长,砂率和水灰比对试件的韧性影响不大;微细钢纤维体积分数从0.5%增到2.0%时,试件峰值位移从0.119mm增到0.274mm,MSFHLAC试件的延性和耗能能力变好;MSFHLAC试件的荷载-位移曲线具有明显的屈服段,峰后荷载基本按照线性进行退化,在整个变形阶段连续光滑,试件具有稳定的耗能能力.

为了定量分析MSFHLAC抵抗断裂的能力,参照ASTM C1018—97《Standard test method for flexural toughness and first crack strength of fiber reinforced concrete》和JSCE-SF4《Method of test for flexural strength and flexural toughness of fiber reinforced concrete》进行韧性指标计算.ASTM C1018—97的韧性指数I5、I10、I30、I50和I100分别表示3.0δ、5.5δ、15.5δ、25.5δ和50.5δ时荷载-挠度曲线下的面积与初裂挠度δ对应的荷载-挠度关系曲线下的面积之比.JSCE-SF4标准的韧性指标T150为挠度l/150所对应的荷载-位移曲线下的面积.

图5 MSFHLAC试件弯曲试验荷载-位移曲线Fig.5 Load-displacement curves of bending test of MSFHLAC specimens

表3为按照以上方法计算的MSFHLAC的弯曲韧性指标.

由表3可知：韧性指数随着微细钢纤维体积分数的增长而呈线性增长,当φf由0.5%增长到2.0%时,T150增长76.4%,I100增长20.4%,证明MSFHLAC试件的韧性变好;随着砂率和水灰比的减小,MSFHLAC试件的T150在水灰比0.27时增长6.5%,在砂率0.36时降低14.3%,材料偏离理想弹塑性材料的程度加大,尤其在砂率为0.36时,韧性指数降低较多.文献[4]中大尺寸压痕型钢纤维高强轻骨料混凝土的韧性指数I5和I10与MSFHLAC的I5和I10较为接近,然而I30、I50和I100与MSFHLAC的对应韧性值偏离程度增大,文献[4]中的I100只能达到理想弹塑性材料的22%～38%,而MSFHLAC的I100可以达到理想弹塑性材料的54%～66%,由此可见,MSFHLAC试件在大变形下表现出较好的韧性.

表3 弯曲韧性指标

3 结论

(1)微细钢纤维对HLAC各项力学性能都具有较好的改善作用.当微细钢纤维体积分数为2.0%时,MSFHLAC的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度和抗剪强度分别提高40.8%、137.2%、62.1%和226.7%.这说明微细钢纤维的掺入对HLAC的抗拉强度和抗剪强度具有显著的增强效果,对抗折强度的增强效果为抗压强度增强效果的1.5倍.

(2)微细钢纤维可以显著改善HLAC的韧性.当微细钢纤维体积分数由0.5%增长到2.0%时,韧性指标T150增长76.4%,微细钢纤维高强轻骨料混凝土在大变形阶段的韧性指数明显大于普通钢纤维高强轻骨料混凝土,在整个变形阶段的弹塑性较好.

(3)在一定范围内减小砂率(0.36～0.42)和水灰比(0.24～0.30),微细钢纤维高强轻骨料混凝土的各项力学和韧性指标的增减幅度基本在10%以内.这说明,相比钢纤维体积分数,在一定范围内的砂率和水灰比对微细钢纤维高强轻骨料混凝土的影响较小.

(4)建立了微细钢纤维高强轻骨料混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度和抗剪强度的强度拟合公式以及强度之间的相互关系.这些公式可以较好地反映微细钢纤维高强轻骨料混凝土的强度变化规律,为相关研究提供借鉴.