混凝土配合比设计及力学性能试验分析*

2020-10-27董春盈

合成材料老化与应用 2020年5期

董春盈

(连云港职业技术学院，江苏连云港 222000)

混凝土材料是当今使用最为广泛的材料之一，其力学性能直接决定了建筑结构的安全。李霞等通过试验得出掺入一定量的牡蛎壳、粉煤灰和矿粉能提高混凝土的抗压强度等性能[1]。阚义文等将废玻璃和废橡胶掺入混凝土中制备构件[2]。覃峰等将锰渣废弃物掺入水泥和混凝土中[3]。王泳丹等将废旧玻璃掺入混凝土中，考察了其对混凝土性能的影响[4]。杨树桐等采用等体积替代河砂的方式将废弃塑料颗粒掺入到混凝土中[5]。谢国帅等指出废弃玻璃应用于混凝土中在工程方面都能取得较好的效益[6]。李悦等研究了掺加废橡胶微粒的再生混凝土的力学性能[7]。王海龙等指出废旧轮胎橡胶粉的适量掺入可以优化混凝土的性能[8]。朱江等研究了纤维-橡胶混凝土的力学性能[9]。王磊等指出掺入牧草纤维能有效提升橡胶粉水泥胶砂的抗压性能[10]。

陈兵等得出微硅粉和氯丁胶乳能显著改善聚苯乙烯泡沫颗粒与水泥浆体的粘结性能[11]。施士升研究了高强混凝土力学性能的损伤和微观性能之间的关系[12]。覃丽坤等探讨了高温后混凝土的力学性能[13]。吕天启等提出了混凝土结构火灾后实施补强加固的合理时间[14]。潘慧敏得出了玄武岩纤维的最佳掺量范围[15]。郭育霞等确定了石粉的最佳掺量及掺入方式[16]。廉杰等得出在掺入玄武岩纤维后，混凝土的强度会明显提高[17]。吴钊贤等得出随着玄武岩纤维掺量的增加，BFRC的抗压强度逐渐增加[18]。祝金鹏等建立了混凝土冻融循环次数与强度折减变化模型[19]。刘日鑫等得出掺入废橡胶颗粒会提高混凝土的力学性能[20]。周可可等提出了EPS混凝土抗压强度关系表达式[21]。李懿卿等研究了掺合料品种和掺量对混凝土力学性能的影响[22]。孙家瑛等分析了透水性混凝土的背景与意义[23]。王栋民等研究了高流态膨胀混凝土的强度性能[24]。尚岩等介绍了细观损伤力学在混凝土性能分析中的应用[25]。刘宝举等研究了掺粉煤灰-矿渣复合超细粉混凝土的力学性能[26]。洪锦祥等测量混凝土损伤后的力学性能变化[27]。

上述研究学者通过在混凝土中掺入不同的掺合料，分析混凝土力学性能和耐久性等变化。但与此同时，混凝土中的水胶比也是影响混凝土性能的重要因素之一。因此本文分别从水胶比和掺合料角度出发，控制单一变量循环来得到混凝土力学性能的演变规律。

1 材料与测试方法

1.1 材料

棉纤维由河北贝卡纤维制造有限公司生产，混凝土的基本组成成分见表1。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportion

选用两组胶凝材料体系，A组为石粉、B组为石粉和棉纤维混合掺入，具体的配合比见表2。

表2 混凝土试配配合比Table 2 Trial mix proportion of concrete

1.2 测试方法

根据标准GB/T 50081-2002、JIS A 1106-1999和JGJ/T 294-2013测试纤维--混凝土抗压强度、弯曲强度和劈拉强度。弯曲试验仪器由东莞弘为试验设备有限公司生产。抗压强度仪器由上海乐傲试验仪器有限公司生产。

2 实验结果

2.1 抗压强度试验

混凝土受压时，其破坏情况呈锥体状，外壁脱落，如图1（a）所示。掺入纤维的混凝土受压时，试块的破坏率明显低于普通混凝土，且具有良好的完整性，如图2（b）所示。这是因为纤维在混凝土压缩试验中没有失去完整性，从而使得混凝土受压破坏率较低。

在试验过程中，普通混凝土的极限抗压强度为47.3MPa；而掺入纤维的混凝土的极限抗压强度为56.8MPa，其抗压强度增长了20.08%。因而，纤维的掺入能够大幅度提高混凝土的抗压强度。

图 1 抗压试验Fig.1 Compression test

2.2 劈拉强度试验

在劈拉强度试验的情况下，混凝土试件会发生突然的脆性破坏。裂纹将在整个横截面上形成并贯穿，试样将分裂成两半，如图2（a）所示。纤维-混凝土试件的裂纹会贯穿整个横截面，但纤维阻止了立方体完全裂开，如图2（b）所示。

在试验过程中，普通混凝土的极限抗拉强度为2.31MPa；而掺入纤维的混凝土的极限抗拉强度为2.67MPa，其抗拉强度增长了15.58%。因而，纤维的掺入也能够大幅度提高混凝土的抗拉强度

图2 劈拉试验Fig.2 Splitting tensile test

2.3 弯曲应变试验

在纤维-混凝土梁一侧布置六个应变计，当底部应变计出现裂缝时便停止计数。图3为不同荷载作用下横截面应变曲线，当受力荷载为25%的最大受力时，普通混凝土的应变为0.05‰，纤维混凝土的应变为0.03‰，应变值降低了40.00%；当受力荷载为50%的最大受力时，普通混凝土的应变为0.13‰，纤维混凝土的应变为0.08‰，应变值降低了38.46%；当受力荷载为100%的最大受力时，普通混凝土的应变为0.47‰，纤维混凝土的应变为0.36‰，应变值降低了23.40%。

图3 纤维-混凝土的应变试验曲线Fig.3 Strain test curve of fiber concrete

在弯曲应变试验的初始阶段，应变的增加与载荷成正比。随着荷载增大，截面受拉区的应变增长加快，横截面的中性轴升高，中性轴上升的速度在试件破裂前的瞬间达到最大，这表明纤维对减少基体微裂纹的有益作用。

2.4 水胶比对混凝土力学性能的影响

不同水胶比下混凝土的力学性能见表3。

表3 不同水胶比混凝土的力学性能Table 3 Mechanical Properties of concrete with different water binder ratio

由表3可以看出，掺合料在20%石粉的掺量条件下，C50混凝土若要7d达到50MPa的强度评定标准，则混凝土的水胶比为0.25，即A1组。随着水胶比的提高，混凝土的抗拉、抗折强度下降；随着时间的增长，混凝土的抗拉、抗折强度逐渐提高。这一实验结果符合混凝土强度发展规律。

2.5 掺和料对力学性能的影响

掺合料的掺入对混凝土的力学性能的影响见表4。

表4 不同掺合料掺量的混凝土力学性能Table 4 Mechanical properties of concrete with different admixtures

由表4可以看出，掺合料在20%石粉加10%棉纤维的掺量条件下，C50混凝土若要28d达到50MPa的强度评定标准，则混凝土的水胶比为0.25或0.33，即B1和B2组。当水胶比不变时，随着石粉掺量的提高，混凝土的抗压强度逐渐下降。随着龄期的增长，掺入掺合料的混凝土后期强度将有较大的增幅。在7d的龄期时，当水胶比为0.25或0.33时的双掺（20%石粉+10%棉纤维）的混凝土能达到C50混凝土的要求；在56d的龄期后，三组混凝土试块都可以达到C60的强度要求。