钢纤维活性粉末混凝土基本力学特性研究

2021-11-08蒋春钢万华柱原国智

西部交通科技 2021年8期

蒋春钢，万华柱，原国智，覃权

(广西西江集团红花二线船闸有限公司，广西南宁 545000)

0 引言

活性粉末混凝土作为近年来新兴的建筑材料，因其高强度和高耐久性，在工程领域得到了高度重视，其应用也越来越普遍[1-3]。相比传统混凝土，活性粉末混凝土通过采用细砂代替原有的粗骨料、硅灰替代部分水泥作为胶凝材料制备而成的特殊混凝土，因其细观结构十分密实，从而使得其力学性能和耐久性得到了显著提升[4-6]。近年来，纤维作为掺合料越来越多地被应用于混凝土工程，如玄武岩纤维、钢纤维等，这些纤维的加入可以有效改善混凝土某方面的性能，如弹性模量、强度、抗冻性、抗变形能力等[7-9]。由于纤维改性混凝土具有诸多优点，其在活性粉末混凝土中的应用也越来越受到重视。已有学者开展了玄武岩纤维、钢纤维在活性粉末混凝土中的应用研究，但是此方面的研究尚未成熟，还有许多问题亟待解决，由于各种因素的影响，很多研究结果不一致，甚至出现相互矛盾的研究[10-12]。因此，有必要对纤维改性活性粉末混凝土开展进一步的研究，基于此，本文对钢纤维活性粉末混凝土的力学性能开展了试验研究，以期得到钢纤维掺量对活性粉末混凝土性能的影响。

1 原材料及测试方法

1.1 试验材料

(1)水泥：P.Ⅱ42.5硅酸盐水泥，性能指标如下页表1所示。

表1 水泥性能表

(2)硅灰：选择当地产硅灰，性能指标见表2。

表2 硅灰性能表

(3)石英砂：性能指标见表3。

表3 石英砂性能表

(4)钢纤维：采用细圆镀铜钢纤维，性能指标见表4。

表4 钢纤维性能表

(5)减水剂：采用聚羧酸高效减水剂，相关性能指标见表5。

表5 聚羧酸减水剂性能表

(6)拌和水：普通饮用水，质量符合规范要求。

1.2 试验配合比

参考国家规范《活性粉末混凝土》(GB/T 31387-2015)，以钢纤维掺量为变量，钢纤维掺量为0.5%～2.5%，具体配合比见表6。

表6 试验配合比表

1.3 试件制备及测试方法

混凝土拌和时首先将钢纤维和石英砂加入到搅拌锅中充分拌和约3 min，再加入其他胶凝材料充分拌和约3 min，然后分批次加入拌和水和减水剂搅拌约5 min。采用插捣成型的方式将拌和物装入模具中，无须使用振动台。试件置于恒温恒湿养护室24 h后拆模，然后采用蒸汽养护48 h，养护温度为95 ℃。

试验制作40 mm×40 mm×160 mm的试件进行抗压强度和抗折强度测试，制作70 mm×70 mm×210 mm试件用于弹性模量和比例极限测试。

2 试验结果分析

2.1 抗压强度

各组试件的抗压强度试验结果如表7所示，抗压强度随钢纤维掺量的变化如图1所示。从试验结果可以看出，抗压强度随着钢纤维掺量的增加而不断增加，当钢纤维掺量从0.5%增加到2.5%时，抗压强度分别提高9%、27%、42%、63%和87%，说明钢纤维的加入显著提高了抗压强度。钢纤维对活性粉末混凝土抗压强度的改善主要是因为钢纤维在混凝土内部起到环箍作用，增强了混凝土内部材料之间的粘结，从而使得活性粉末混凝土的抗压强度得以提升。同时也应注意，高钢纤维掺量会使得成本提高，应当根据实际工程要求选择合理的钢纤维掺量。

表7 抗压强度试验结果表(MPa)

图1 抗压强度随钢纤维掺量的变化柱状图

2.2 抗折强度

各组试件的抗折强度试验结果如表8所示，抗折强度随钢纤维掺量的变化如图2所示。从试验结果可以看出，抗折强度随着钢纤维掺量的增加而不断增加，当钢纤维掺量从0.5%增加到2.5%时，抗折强度分别提高28%、64%、96%、139%和154%，钢纤维的加入显著提高了抗折强度，其对抗折强度的改善效果远远大于对抗压强度的改善。2.0%和2.5%掺量时抗折强度提高1倍多，这主要是因为钢纤维抗拉强度极高，在混凝土抗折中起到了桥接作用，大大改善了混凝土的抗折强度。

表8 抗折强度试验结果表(MPa)

图2 抗折强度随钢纤维掺量的变化柱状图

2.3 比例极限

比例极限是混凝土比例极限应力与最大应力的比值，用于表征混凝土弹性工作阶段和弹塑性工作阶段的过渡，比例极限越高，表明混凝土弹性性能越好。钢纤维活性粉末混凝土比例极限试验结果如表9所示，比例极限随钢纤维掺量的变化如图3所示。从试验结果可以看出，比例极限随着钢纤维掺量的增加而不断增加，当钢纤维掺量从0.5%增加到2.5%时，比例极限分别提高4%、10%、13%、15%和16%，可以看出，钢纤维的加入提高了混凝土的比例极限，表明钢纤维的加入使混凝土的弹性工作阶段增加，提升了其弹性性能。

表9 比例极限试验结果表

图3 比例极限随钢纤维掺量的变化柱状图

2.4 弹性模量

弹性模量是混凝土在不同应力条件下抵抗变形的能力，弹性模量越大表明混凝土在相同应力水平下变形越小。本文以50%极限应力对应的割线模量作为钢纤维活性粉末混凝土的弹性模量。钢纤维活性粉末混凝土弹性模量试验结果如表10所示，弹性模量随钢纤维掺量的变化如后页图4所示。从试验结果可以看出，弹性模量随着钢纤维掺量的增加而不断增加，但是增加趋势逐渐变缓，当钢纤维掺量从0.5%增加到2.5%时，比例极限分别提高34%、49%、69%、83%和89%，表明钢纤维的加入提高了混凝土的弹性模量，这主要是因为钢纤维的加入使混凝土的抗压强度得到了提高，进而提高了其弹性模量。