纤维增强SCLC在装配式建筑结构中的应用研究

孙海军

（河南六建建筑集团有限公司，河南洛阳 471000）

普通混凝土自重大、韧性不足且抗裂性差，难以在大跨度、超高层以及复杂结构的建筑中应用，随着建筑技术要求不断提升，对新型建筑材料的需求日益增多，而装配式建筑结构具有施工效率高、施工质量易于控制等优势，正逐渐成为当今建筑产业化的发展趋势，如何提升装配式建筑材料和结构的性能成为当下的热点话题［1］。

为了改善普通混凝土自重大的问题，自密实轻质混凝土（SCLC）应运而生，SCLC的表观密度一般小于1950kg/m3，具有坍落度大、工作性能好等特点，但也存在着脆性大（韧性不足）、抗裂性大等缺点［2-4］，为了改善这一缺陷，向其加入纤维成为一项不错的选择，通过利用纤维自身具有的高抗拉强度和良好的延伸特性，可以显著提升SCLC的韧性和抗裂性，虽然目前已有一些关于纤维增强SCLC的研究［5-8］，但将其应用到装配式结构中的研究还比较鲜见。

本文设计了玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维增强SCLC，并将其应用到压型钢板- SCLC装配式组合楼板结构中，以期能为装配式建筑材料的研究与应用普及提供借鉴。

1 试验概况

1.1 试验原材料

水泥：选用PO42.5普通硅酸盐水泥，标准稠度为26.5%，比表面积为342m2/kg，表观密度为3g/cm3，初凝和终凝时间分别为188min和395min，28d抗压和抗折强度分别为45.6MPa和9MPa；粗骨料：粉煤灰陶粒，粒径为6~18 mm，表观密度为1675kg/m3，堆积密度为975kg/m3，含水率为0.8%，1h吸水率为9.6%，筒压强度为6.5MPa；细骨料：页岩陶粒，表观密度为1085kg/m3，堆积密度为950kg/m3，堆积孔隙率>26%，不均匀系数<1.25；粉煤灰：I级，平均细度为8.6%，需水比为93%，烧失量为0.68%，三氧化硫含量0.78%，含水率0.14%；矿渣粉：S95磨细矿渣粉；减水剂：聚羧酸减水剂，减水率为25%，含固量为20.35%，含气量为3.85%，泌水率比为28%；纤维：为保证混凝土具有足够的轻质性，选用玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维分别进行配比试验，三种纤维的性能参数见表1。

表1 三种纤维性能参数Table 1 Performance parameters of three fibers

1.2 试验方案

纤维增强SCLC的配制需要在自密实轻骨料的配合比上进行，本文以L30强度等级的轻骨料混凝土为计算配合比的依据，按照JGJ/T 12-2019《轻骨料混凝土应用技术标准》中的相关规定：新拌SCLC混凝土的坍落扩展度等级必须满足SF1（550~650 mm），扩展时间必须满足VS（2s≤T50≤5s），坍落扩展度与 J 环扩展度差值必须满足PA1（25mm≤PA1≤50mm），浮浆百分比必须满足SR2（≤15%）。调整胶凝材料用量、体积砂率以及用水量三个因素，首先设计了13组自密实轻骨料混凝土的配合比方案，见表2。通过13组配合比方案确定出SCLC的最优配比后，再掺入不同用量的纤维，确定最佳的纤维掺量。

表2 试验配合比方案Table 2 Test mix proportion scheme

1.3 试验过程

试验前先对粉煤灰陶粒进行预湿处理24h，接着称取对应质量的原材料，向强制式搅拌机内依次掺入陶粒砂、水泥、粉煤灰和矿渣粉，搅拌时间为60s，然后向搅拌筒中掺入预湿处理的粉煤灰陶粒，并掺入80%的用水量和减水剂，再次搅拌60s，紧接着再向搅拌机内掺入剩余的20%用水量（有纤维时还应在此刻加入纤维），继续搅拌60s，将拌制好的拌合物尽快进行工作性能测试，最后装入混凝土试件模具中，养护对应时间，进行相应的力学性能测试。

2 最佳配合比确定

2.1 工作性能

不同配合比下SCLC的坍落扩展度试验结果如图1所示。从图1可以看到：当胶凝材料（水泥+粉煤灰+矿渣粉）用量一定时，净水量越多，混凝土的坍落度越大；随着胶凝材料的增加，混凝土的坍落扩展度逐渐减小，砂率增加，可在一定程度上降低坍落扩展度，这主要是因为增加砂率可以消耗多余阻碍混凝土浆体流动的浆体，但是当净用水量较大或者减水剂用量过大时，可能会造成坍落度超出坍落扩展度规定的上限值（如试验9、11、12组）；对13组配合比下的坍落扩展度进行方差分析，结果发现三项因素对SCLC坍落扩展度的影响大小依次为：净用水量>胶凝材料用量>体积砂率，因此在考虑SCLC工作性能时，应优先考虑净用水量，其次为胶凝材料用量，再次为体积砂率。

图1 坍落扩展度试验结果Fig. 1 Slump expansion test results

2.2 力学性能

不同配合比下SCLC的28d抗压强度试验结果如图2所示。从图2可知：当净用水量一定时，随着胶凝材料用量的增加，混凝土的强度逐渐增大，胶凝材料用料太小时，混凝土强度达不到L30强度等级对于配制强度(38.225MPa)的要求，达到这一要求的试验组分别为3、4、7、8、10、12和13，胶凝材料掺量分别为527 、527、501、501、527、527、501 kg/m3。胶凝材料用量低于501kg/m3或者胶凝材料用量为501kg/m3，但减水剂用量同时也较低时，强度达不到设计要求；对13组配合比下的28d抗压强度进行方差分析，结果发现三项因素对SCLC强度的影响大小依次为：胶凝材料用量>净用水量>体积砂率，因此在考虑SCLC力学性能时，应优先考虑胶凝材料用量，其次为净用水量，再次为体积砂率。

图2 28d抗压强度试验结果Fig. 2 28d compressive strength test results

2.3 SCLC最优配比

综合考虑SCLC的工作性能和力学性能，对试验结果进行响应面交互作用分析，结果表明当SCLC胶凝材料用量为527kg/m3，净用水量为184kg/m3，体积砂率为46%时，SCLC的综合性能最佳，此时混凝土的坍落扩展度为640mm，28d抗压强度为39.3MPa。SCLC最优配合比情况见表3。

表3 SCLC最优配合比方案Table.3 SCLC optimal mix proportion scheme

2.4 纤维最佳掺量

在SCLC最优配比基础上，向混凝土中分别掺入不同种类的纤维，以提高SCLC的韧性和抗裂性，但是掺入纤维会降低混凝土的流动度，从而使混凝土的坍落扩展度达不到设计要求，为了改善纤维增强混凝土的工作性能，向混凝土中掺入纤维的同时，提高减水剂的用量，从而使纤维增强SCLC的工作性能依然满足设计要求。通过多组试验，最终确定了玄武岩纤维增强SCLC的最佳掺量为纤维0.2%+减水剂1.0%，聚乙烯醇纤维增强SCLC的最佳掺量为：纤维0.05%+减水剂1.2%，聚丙烯纤维增强SCLC的最佳掺量为：纤维0.06%+减水剂1.1%，不同SCLC的工作性能见表4。从表4中可知：掺入纤维后，混凝土的SF1有所减小，且扩展时间均有所增加，这是因为纤维掺入后会阻碍拌合物的流动，浆体的粘聚性增大导致坍落扩展度减小，但是都满足JGJ/T 12-2019中的相关规定。掺入纤维后，混凝土的PA1有所减小，表明纤维增强SCLC的钢筋间隙通过性、抗离析性以及自流平能力有所减弱，但仍满足设计要求；当掺入纤维后，SCLC的SR2有所减小，表明纤维可以减小混凝中的浮浆百分比，提升抗离析性能，这是因为纤维三向随机分布特性可以同裹挟着浆体，使得纤维与骨料之间的界面摩擦力增大，从而抑制骨料周围富裕浆体的离析性。

表4 纤维增强SCLC工作性能Table 4 Working performance of fiber reinforced SCLC

3 纤维增强SCLC基本力学性能

3.1 强度性能

不同纤维增强SCLC试验组的强度试验结果如图3所示。从图3中可知：当掺入纤维后，SCLC的抗压强度有所降低，玄武岩纤维增强SCLC、聚乙烯醇纤维增强SCLC和聚丙烯纤维增强SCLC的28d抗压强度分别较SCLC降低2%、1.5%和0.7%，但是掺入纤维后，会使SCLC的抗拉和抗折强度得到显著增强，其中抗拉强度分别较SCLC提高18.3%、13.5%和6.3%，抗折强度分别较SCLC提高16.7%、13%和10.5%，这是因为纤维在混凝土浆体中呈杂乱无规律的分布，避免不了有些区域由于搅拌不均匀形成薄弱界面，从而导致抗压强度降低，但是纤维掺入后，由于其增强了纤维与骨料界面的摩阻力，使得混凝土在裂缝扩展过程中能够表现出较强的拉结和阻裂效应，同时纤维掺入可以抑制混凝土早期裂缝的产生，使得抗弯性能增强。

图3 纤维增强SCLC强度特征Fig. 3 Strength characteristics of fiber reinforced SCLC

3.2 弹性模量

不同纤维增强SCLC试验组的弹性模量试验结果如图4所示。从图4中可知：A、B、C、D四组的弹性模量分别为21.5、23.1、22.2、21.3 GPa，在SCLC中掺入玄武岩纤维之后，弹性模量提升了7.5%，掺入聚乙烯醇纤维之后弹性模量提升了3.3%，掺入聚丙烯纤维之后，弹性模量则降低了0.94%，这说明高强高弹模的玄武岩和聚乙烯醇纤维对SCLC弹性模量有改善作用，而低强低弹模的聚丙烯纤维对SCLC弹性模量反而有一定的抑制作用，主要是因为聚丙烯纤维在搅拌过程中易结团成球，导致混凝土试件中形成较多的薄弱界面，从而影响混凝土的弹性模量。

图4 纤维增强SCLC弹性模量特征Fig.4 Elastic modulus characteristics of fiber reinforced SCLC

3.3 收缩性能

不同纤维增强SCLC试验组的收缩率随时间的变化特征如图5所示。从图5中可知：在养护初期（0~3d），不同试验组均出现了不同程度的膨胀现象，这是因为陶粒、陶粒砂等轻骨料具有吸水和储水功能，当温度升高后，这些水分会在试件内部形成蒸汽压力，从而导致微膨胀现象产生；随着水化反应继续进行，时间内部水分被消耗殆尽，各试验组逐渐开始出现混凝土收缩现象，60d过后，A、B、C、D四个试验组的收缩率分别为383.9×10-6、298.7×10-6、322×10-6、345.5×10-6，由此可见，掺入纤维可以抑制SCLC的自由收缩和干燥收缩，掺入玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维之后，收缩率分别较SCLC试验组降低了22.2%、16.1%和10%。

图5 纤维增强SCLC收缩率变化特征Fig. 5 Variation characteristics of fiber reinforced SCLC shrinkage

4 压型钢板- SCLC装配式结构力学特性

4.1 有限元模型构建

基于上述试验成果，将不同材料的自密实轻质混凝土应用到压型钢板- SCLC装配式结构力学特性中。首先采用ABAQUS有限元数值分析软件建立压型钢板-SCLC组合楼板模型［9-10］，在模型当中，压型钢板选用S350型，钢板截面形式包括闭口式和燕尾式两种，每种截面形式的厚度为1mm和1.2mm，钢板屈服强度取值为350MPa；钢筋选用HRB400，φ=6mm，@=200mm，钢筋极限伸长率为18.8%，弹性模量为200GPa，泊松比为0.3；根据上文试验结果，四种纤维增强SCLC材料的参数取值见表5。整个压型钢板- SCLC组合楼板模型的尺寸为长×宽×厚=3200mm×600mm×120mm(或150mm)，混凝土采用C3D8R单元，压型钢板采用S4R单元，钢筋采用T3D2单元，压型钢板与纤维增强组合楼板之间设置为“硬接触”，建立的压型钢板- SCLC组合楼板有限元模型如图6所示。

表5 维增强SCLC材料参数取值Table 5 Parameter values of 3D reinforced SCLC materials

图6 压型钢板- SCLC组合楼板有限元模型Fig.6 Finite element model of profiled steel sheet SCLC composite floor

4.2 纤维种类对抗弯性影响

对四种压型钢板（燕尾型厚1.0mm）-纤维增强SCLC（厚120mm）组合楼板进行荷载-挠度曲线的模拟分析，结果如图7所示。从图7中可以看到：压型钢板-纤维增强SCLC组合楼板的荷载-挠度曲线分为三个阶段：弹性变形阶段、弹塑性变形阶段以及峰后残余变形阶段，弹性变形阶段，四种组合楼板的荷载-挠度曲线基本一致，随着荷载继续增大，组合楼板进入弹塑性发展阶段，挠度增长速度变快，且挠度发展逐渐出现差异，当挠度达到18mm时，采用SCLC的组合楼板达到峰值荷载74kN，当挠度为24mm时，采用玄武岩纤维、聚乙烯醇纤维以及聚丙烯纤维增强SCLC的组合楼板分别达到峰值荷载，峰值荷载分别为71、69.5、74 kN，由此可见，当压型钢板参数和组合楼板厚度不变的情况下，掺入纤维对组合楼板的承受力影响不大，但能大大提升组合楼板的韧性和抗裂性，这是因为在纤维在混凝土中呈乱向分布，纤维具有很强的抗拉强度，同时纤维与骨料之间具有很大摩阻力，裂缝在发展过程中会受到更大的阻力，裂缝发展速度变换，从而延长了组合楼板的破坏时间，可以为地震等灾害情况下预留更多的逃生时间。

图7 四种压型钢板-纤维增强SCLC组合楼板荷载-挠度曲线Fig. 7 Load deflection curves of four profiled steel plate fiber reinforced SCLC composite floors

4.3 钢板厚度及楼板厚度对抗弯性影响

设计了六种不同钢板参数和楼板厚度的抗弯性模拟试验，分别为YL1：闭口式压型钢板（1.0mm）-聚乙烯醇纤维增强SCLC（120mm）组合楼板，YL2：闭口式压型钢板（1.2mm）-玄武岩纤维增强SCLC（120mm）组合楼板，YL3：闭口式压型钢板（1.2mm）-聚丙烯纤维增强SCLC（150mm）组合楼板，YL4：燕尾式压型钢板（1.0mm）-聚乙烯醇纤维增强SCLC（120mm）组合楼板，YL5：燕尾式压型钢板（1.2mm）-玄武岩纤维增强SCLC（120mm）组合楼板，YL6：燕尾式压型钢板（1.0mm）-聚丙烯纤维增强SCLC（150mm）组合楼板。

模拟试验得到的荷载-挠度曲线如图8所示。从图8中可知：当压型钢板参数不变时，将纤维增强SCLC组合楼板厚度由120mm增大至150mm后，YL3的峰值荷载较YL2增大约49.3%，YL6的峰值荷载较YL4增加约50%，但是增大组合楼板厚度后，峰值荷载所对应的挠度值均降低了约32%；当压型钢板截面形式以及组合楼板厚度一定时，增加压型钢板厚度，组合楼板的峰值荷载（YL2较YL1，YL5较YL4）均增大约10%，但峰值荷载所对应的挠度值均降低了约20%，由此可见，不管是增大钢板厚度还是增大组合楼板厚度，都可以提升楼板结构的受弯承载力，但是当厚度增大时，会在受压区导致部分混凝土结构过早发生压坏，即有点类似于“超筋破坏”。当压型钢板和组合楼板厚度一定时，采用闭口式压型钢板的组合楼板承载特性相较于燕尾式压型钢板组合楼板的承载力略大（YL4较YL1，YL5较YL2）。

图8 钢板参数、楼板厚度对组合楼板抗弯性影响Fig. 8 Influence of steel plate parameters and floor thickness on bending resistance of composite floor

5 结论

采用室内试验和数值模拟方法，对不同纤维增强自密实轻质混凝土的最佳配合比、工作性能、力学性能以及在压型钢板- SCLC装配式组合楼板结构中的应用进行了分析，得出如下结论：

（1）SCLC的最佳配比为：胶凝材料用量为527 kg/m3，净用水量为184 kg/m3，体积砂率为46%；玄武岩纤维增强SCLC的最佳纤维掺量为纤维0.2%+减水剂1.0%，聚乙烯醇纤维增强SCLC的最佳掺量为纤维0.05%+减水剂1.2%，聚丙烯纤维增强SCLC的最佳掺量为纤维0.06%+减水剂1.1%。

（2）纤维对SCLC抗压强度的影响不大，可以明显提升抗拉强度、抗折强度和收缩性能；高强高弹模的玄武岩和聚乙烯醇纤维对SCLC弹性模量有明显改善作用，但低强低弹模的聚丙烯纤维对SCLC弹性模量反而有一定的减弱作用。

（3）纤维对压型钢板- SCLC装配式组合楼板的抗弯承载力影响不大，但可以明显提升挠度变形，提升幅度可达1/3；增加组合楼板或者钢板厚度都可以提升楼板结构的受弯承载力，但可能会引发“超筋破坏”，同时变形性能也会降低，此时采用纤维来增强组合楼板的变形性能就显得尤为重要；当压型钢板和组合楼板厚度一定时，采用闭口式压型钢板的组合楼板承载特性相较于燕尾式压型钢板组合楼板的承载力略大。