塑钢纤维磷渣混凝土弯曲性能研究

2022-02-22邓建华昝彩平代旭东

硅酸盐通报 2022年1期

杨壮，邓建华，昝彩平，杜凯，代旭东

(贵州大学土木工程学院，贵阳 550025)

0 引言

混凝土是土木工程领域中主要的建筑材料，但因脆性大、抗拉强度低等缺点，其应用范围受到限制[1]。国内外学者发现在混凝土掺入纤维形成的纤维混凝土(fiber reinforced concrete, FRC)可以有效解决这个问题，并且可以改善混凝土的力学性能和变形性能[2-6]。当前，FRC已被广泛应用于建筑、桥梁、隧道、道路、水利等工程领域中。

近年来，诸多学者对FRC的力学性能述及甚广，并取得一定成果。刘乃东等[7]发现玻璃纤维可以增强FRC的韧性，且FRC的抗弯强度与玻璃纤维的掺量呈正相关；苏捷等[8]发现随着钢纤维掺量的增加，钢纤维再生混凝土的抗弯强度先增加后减小，当纤维体积掺量为0.5%时，钢纤维再生混凝土的抗弯强度可提高18.5%；金轶凡等[9]通过试验证明玄武岩纤维不仅可以提升FRC的起裂韧度，还可以提高FRC的断裂韧度；白建文等[10]发现玄武岩纤维可以提高FRC的弯曲疲劳寿命和抗弯疲劳性能；傅强等[11]从应变能的角度研究了玄武岩纤维、聚丙烯纤维以及二者混杂对FRC耗散能的影响，发现玄武岩纤维和聚丙烯纤维可以增大FRC的耗散能，提高FRC的延性和韧性，二者混杂时，增韧效果更为显著。

与上述掺入的纤维材料相比，塑钢纤维不仅有钢纤维的性能，还具备合成软纤维的优点，且价格低廉，具有广阔的应用前景[12]。薛刚等[13]发现塑钢纤维使橡胶混凝土的抗裂性更加优越；李云云等[14]发现塑钢纤维可提高轻骨料混凝土的残余应力，且残余应力与塑钢纤维掺量成正比；牛建刚等[15]发现塑钢纤维不仅可以显著提高轻骨料混凝土梁的开裂弯矩，还可以提高其挠度延性系数，且随着纤维掺量的增加而增大，挠度延性系数最大提高92.23%。

综上所述，学者研究的FRC种类丰富多样，但不同FRC的力学性能随纤维变化有所差异，且以磷渣混凝土为基材的FRC的研究甚少，而在磷渣混凝土中掺入纤维可以改善其力学性能并加大其使用范围，提高磷渣的资源化利用，故开展塑钢纤维磷渣混凝土弯曲性能的研究仍有必要。本文将不同长度和掺量的塑钢纤维掺入磷渣混凝土中，通过四点弯曲试验，研究不同塑钢纤维长度和掺量对磷渣混凝土弯曲性能的影响规律，为塑钢纤维磷渣混凝土的应用提供工程依据。

1 实验

1.1 原材料

水泥：P·C 42.5复合硅酸盐水泥，其相关性能指标如表1所示；磷渣：施秉县某磷化有限公司生产黄磷时产生的废料，主要成分为硅酸钙，含有微量磷酸盐和水分，细度模数为4.8；集料：粗集料采用5～25 mm连续集配碎石，细集料采用0～5 mm机制砂，Ⅱ区中砂，细度模数为2.7；减水剂：聚羧酸系高性能减水剂，减水率30%(质量分数)；塑钢纤维：山东鲁纤建材科技有限公司生产的聚丙烯塑钢纤维，其相关性能指标如表2所示；水：实验室洁净自来水。

表1 水泥性能指标Table 1 Property indexes of cement

表2 塑钢纤维性能指标Table 2 Property indexes of plastic steel fiber

1.2 试件制备与测试方法

以不掺塑钢纤维的磷渣混凝土(SG-0)为基准，在基准配合比下，分别掺入直径为0.8 mm，长度为30 mm、40 mm、55 mm的塑钢纤维，各个长度的塑钢纤维掺量分别为3 kg/m3、6 kg/m3、9 kg/m3，各组配合比如表3所示。

表3 试验配合比Table 3 Mix proportion of experiment

续表

抗弯强度：参照《普通混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)，将新拌的塑钢纤维磷渣混凝土倒入模具中，按照要求静置1～2 d后，编号标记，拆模。28 d标准养护后取出试件，在岩石与混凝土力学试验系统(RMT-301)上进行四点弯曲试验，测试28 d抗弯强度。

弯曲韧性：根据试验采集的数据，参照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS13—2009)对塑钢纤维磷渣混凝土的弯曲韧性进行评价。

2 结果与讨论

图1 纤维掺量对磷渣混凝土坍落度的影响Fig.1 Effect of fiber content on slump of phosphorus slag concrete

2.1 塑钢纤维对磷渣混凝土坍落度的影响

根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)测得塑钢纤维磷渣混凝土的坍落度，结果如图1所示。

由图1可知，磷渣混凝土中掺入塑钢纤维可降低其坍落度，使得混凝土流动性降低，影响其工作性。纤维长度相同的情况下，随着纤维掺量的增加，磷渣混凝土的坍落度大致呈线性降低。主要是因为夹杂在磷渣混凝土中的纤维起到支撑作用，集料流动受阻，且塑钢纤维表面粗糙，比表面积随着纤维掺量增加而增大，部分水分附着在纤维表面，致使混凝土水胶比降低[16]，流动性下降，工作性降低。

2.2 塑钢纤维磷渣混凝土四点弯曲试验

图2和图3分别为磷渣混凝土和塑钢纤维磷渣混凝土的四点弯曲破坏过程。由图2可知，磷渣混凝土试件在未掺入塑钢纤维时，当荷载达到抗弯峰值荷载，试件底部出现裂缝并迅速向上扩展破坏，裂缝宽度小，裂缝在高度上未贯穿，试件整体出现微小的变形，试验前后的变形差异小。由图3可知，磷渣混凝土中掺入塑钢纤维后，随着荷载增加至抗弯峰值荷载时，试件底部先开裂并出现裂缝，随后裂缝向试件顶部扩展。磷渣混凝土开裂后，塑钢纤维起到主要承载作用，此时底部裂缝开口逐渐增大并产生次裂缝，主裂缝进一步延伸至顶部，试件挠度逐渐增大，最终试件被破坏。掺入塑钢纤维的试件裂缝宽度大，裂缝在高度上贯穿试件，整体出现明显下挠，破坏时间较长。

在四点弯曲试验中，将岩石与混凝土力学试验系统(RMT-301)测得的试验数据处理后，得到不同塑钢纤维掺量和长度下的磷渣混凝土荷载-挠度曲线，如图4所示。

由图4可知，不掺塑钢纤维磷渣混凝土试件在达到峰值荷载后迅速破坏，峰值荷载后的曲线段直线下降，变形能力差。而在掺入纤维后，曲线下降段的下降速率变缓，变形能力增强。且随纤维掺量和长度增加，试件的峰值荷载不断增加，曲线下的面积也不断增加，峰值荷载后的曲线下降段变平缓，逐渐出现极值点，在极值点后曲线又平缓下降，且走势基本相同。说明在掺入纤维后，磷渣混凝土试件由脆性破坏转换为塑性破坏，且随纤维掺量和长度增加，塑性和变形能力不断增加。

图2 磷渣混凝土的四点弯曲破坏过程Fig.2 Four-point bending failure process of phosphorus slag concrete

图3 塑钢纤维磷渣混凝土的四点弯曲破坏过程Fig.3 Four-point bending failure process of plastic steel fiber phosphorus slag concrete

图4 荷载-挠度曲线Fig.4 Load-span deflection curves

2.3 塑钢纤维对磷渣混凝土抗弯强度的影响

抗弯强度可以用来间接衡量纤维混凝土的抗拉强度[13]。结合四点弯曲试验数据，采用公式(1)计算得到塑钢纤维磷渣混凝土的抗弯强度，结果如表4所示。

(1)

式中：fcr为试件的抗弯强度，MPa；Fmax为试件的破坏荷载，N；L为支座间的跨度，mm；h、b分别为试件的截面高度和截面宽度，mm。

2.3.1 塑钢纤维长度对磷渣混凝土抗弯强度的影响

通过表4，可绘制出纤维长度对磷渣混凝土抗弯强度的影响规律图，如图5所示。

表4 各组抗弯强度Table 4 Bending strength of each group

图5 纤维长度对磷渣混凝土抗弯强度的影响Fig.5 Effect of fiber length on bending strength of phosphorus slag concrete

由图5可知，不同长度塑钢纤维可以显著提高磷渣混凝土的抗弯强度，主要是因为在四点弯曲过程中，磷渣混凝土底面为受拉区，受拉区的磷渣混凝土达到受拉极限后出现裂缝，裂缝逐渐向受压区扩展延伸，塑钢纤维在磷渣混凝土中充当微筋[17]，能有效抑制和延缓磷渣混凝土裂缝的扩展，从而提高了磷渣混凝土的延性。当纤维长度为55 mm时，磷渣混凝土的抗弯强度最佳，比基准组提高约56%。

磷渣混凝土达到抗拉极限后，裂缝处荷载由纤维与混凝土之间的黏结力和纤维的抗拉力共同承担。塑钢纤维掺量为9 kg/m3时不同纤维长度的试件断面如图6所示。随着纤维长度的增加，纤维与混凝土之间的黏结长度增加，黏结力增强，纤维破坏为拔出破坏和受拉破坏。短纤维的黏结长度短，黏结力小，纤维破坏主要为拔出破坏，如图6(a)所示；较长纤维的黏结长度相对于短纤维黏结长度长，纤维拔出破坏和受拉破坏的数量相当，随着荷载增加，部分纤维被拔出，剩余部分纤维通过自身变形抵抗外力，直到纤维被拉断，如图6(b)所示；长纤维黏结长度长，黏结力大，纤维不易被拔出，纤维破坏主要为受拉破坏，如图6(c)所示。

图6 塑钢纤维掺量为9 kg/m3时不同纤维长度的试件断面Fig.6 Section views of specimens with different fiber lengths when the content of plastic steel fiber is 9 kg/m3

2.3.2 塑钢纤维掺量对磷渣混凝土抗弯强度的影响

通过表4，可绘制出纤维掺量对磷渣混凝土抗弯强度的影响规律图，如图7所示。

图7 纤维掺量对磷渣混凝土抗弯强度的影响Fig.7 Effect of fiber content on bending strength of phosphorus slag concrete

由图7可知，随着塑钢纤维掺量增加，磷渣混凝土的抗弯强度有所提高，但在不同纤维长度下，磷渣混凝土抗弯强度随纤维掺量增加的规律有所不同。纤维长度为30 mm和40 mm时，磷渣混凝土抗弯强度随掺量的增加大致呈线性增加，此时纤维长度较短，随着纤维掺量的增加，水泥浆液可以充分包裹纤维，纤维可以有效地发挥其增强作用；纤维长度为55 mm时，随着纤维掺量的增加，磷渣混凝土抗弯强度先急剧增加后保持不变，纤维掺量为3 kg/m3和9 kg/m3时，抗弯强度比基准组提高了56%，纤维掺量为6 kg/m3时比基准组提高了57%，此时部分纤维交错成团，水泥浆液无法充分包裹纤维，内部形成缺陷，受到荷载时提供的抗力不大，对磷渣混凝土抗弯强度增强作用不大。综合考虑经济性和拌和工艺要求，当塑钢纤维长度为55 mm，掺量为3 kg/m3时，对磷渣混凝土抗弯强度的增强作用最佳，比基准组提高了56%。

2.4 塑钢纤维对磷渣混凝土弯曲韧性指数的影响

弯曲韧性是混凝土材料强度与变形的综合概括[18]。在图4荷载-挠度曲线基础上，采用公式(2)～(4)计算得到弯曲韧性指数(I5、I10、I20)，所得结果如表5所示。

(2)

(3)

(4)

式中：Ωδ、Ω3δ、Ω5.5δ、Ω10.5δ分别是在荷载-挠度曲线上从0到1.0、3.0、5.5、10.5倍初裂挠度区间上曲线所围成的面积，N·mm；I5、I10、I20为弯曲韧性指数。

表5 塑钢纤维磷渣混凝土抗弯韧性试验结果Table 5 Bending toughness test results of plastic steel fiber phosphorous slag concrete

2.4.1 塑钢纤维长度对磷渣混凝土弯曲韧性指数的影响

根据表5中数据，绘制出塑钢纤维长度对磷渣混凝土弯曲韧性指数的影响曲线，如图8所示。

由图8可知，随着纤维长度的增加，纤维掺量为3 kg/m3时的弯曲韧性指数呈线性增加，纤维掺量为6 kg/m3、9 kg/m3时的弯曲韧性指数呈二次抛物线增加，增长的速率逐渐增大。在纤维掺量为9 kg/m3，长度为55 mm时，与基准组相比，I5提高了2.0倍，I10提高了5.2倍，I20提高了9.8倍。随着纤维长度的增加，试件在受到外界荷载出现裂缝后，所需克服的能量越大。这说明塑钢纤维长度的增加可以有效提高磷渣混凝土的弯曲韧性指数，提高其弯曲韧性。