王海龍，申向東，王蕭蕭

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

內(nèi)蒙古地區(qū)蘊(yùn)藏著大量的浮石資源，以浮石作為混凝土粗骨料，不但充分利用了地區(qū)資源優(yōu)勢(shì)、拓展了浮石的利用途徑及其利用率，而且能有效緩解機(jī)制碎石開(kāi)采帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境破壞.因天然浮石混凝土應(yīng)用時(shí)間較短，對(duì)其各方面性能，尤其是早期力學(xué)性能方面[1]認(rèn)識(shí)尚且不足.由于混凝土材料的抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低，混凝土構(gòu)件在熱應(yīng)力、自收縮、干燥收縮以及外荷載作用下極易產(chǎn)生裂縫，因而在混凝土完全硬化之前，整個(gè)結(jié)構(gòu)的耐久性和工作壽命會(huì)由于混凝土早期階段產(chǎn)生的各種裂縫而受到嚴(yán)重影響[3].因此，只有了解早期混凝土力學(xué)性能的發(fā)展情況并采取相應(yīng)的措施，才能保證混凝土工程的長(zhǎng)期質(zhì)量.為此，本文主要研究天然浮石混凝土力學(xué)性能的發(fā)育情況.

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

按照GB／T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求設(shè)計(jì)，抗壓強(qiáng)度試件尺寸為150mm×150mm×150mm；棱柱體強(qiáng)度與彈性模量試件尺寸為150mm×150mm×300mm；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3，7，14，28，90，180d后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)定.試驗(yàn)機(jī)為YZW－3000微機(jī)控制壓力機(jī).

試驗(yàn)用水泥為冀東P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其物理性能見(jiàn)表1.粗骨料為內(nèi)蒙古錫林浩特市浮石骨料，其堆積密度690kg／m3，表觀密度1 539kg／m3，吸水率16.44%1）1）本文涉及的吸水率、含量等除特別注明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).，筒壓強(qiáng)度2.98MPa，壓碎指標(biāo)39.6%.細(xì)骨料為河砂，中砂，細(xì)度模數(shù)2.5，含泥量1.2%，堆積密度1 565kg／m3，表觀密度2 650kg／m3，顆粒級(jí)配Ⅱ區(qū).減水劑為 RSD－8型高效減水劑，摻量3%，減水率20%.在未加引氣劑時(shí)，輕骨料混凝土拌和物自身含氣量為7%（體積分?jǐn)?shù)）左右.纖維為碳纖維，其性能見(jiàn)表2.

表1 P·O42.5普通硅酸鹽水泥性能指標(biāo)Table1 P·O42.5Portland cement performance

表2 碳纖維的性能指標(biāo)Table2 Performance index of carbon fiber

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用LC30強(qiáng)度等級(jí)，按照碳纖維摻量不同分為6組，其中減水劑摻量以膠凝材料用量的3%摻入.混凝土配合比為：m（水泥）∶m（水）∶m（輕骨料）∶m（砂）∶m（粉煤灰）＝400∶140∶634∶690∶100，以膠凝材料質(zhì)量為基準(zhǔn)，碳纖維摻量分別為0，1／100，1／300，1／500，1／800，1／1 000（質(zhì)量比），分別命名為：X0，XA，XB，XC，XD，XE組試件.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 碳纖維對(duì)輕骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度發(fā)育影響

圖1為不同齡期下各組試件的強(qiáng)度發(fā)育情況，可以看出，隨齡期的增加，X0組試件強(qiáng)度發(fā)育有一定幅度的波動(dòng)，主要由于浮石屬于火成巖中噴出巖系，即使同一地區(qū)的浮石資源，其成分組成差異也較大，致使混凝土強(qiáng)度穩(wěn)定性不足.碳纖維摻入后，各組試件的強(qiáng)度發(fā)育趨勢(shì)大致相同，有效緩解了由于浮石骨料間的差異而造成的強(qiáng)度不穩(wěn)定.

圖1 不同齡期下混凝土強(qiáng)度發(fā)育曲線Fig.1 Compressive strength in different ages

另外，XA組試件的纖維摻量最高，但強(qiáng)度表現(xiàn)一般.原因在于：纖維摻量過(guò)多，拌和過(guò)程中不能完全均勻分布，致使纖維成團(tuán)、成束的機(jī)率增加，纖維的“空間約束”特性難以充分體現(xiàn)；并且，在攪拌過(guò)程中引入空氣，使得混凝土內(nèi)部漿體的孔隙率增加，強(qiáng)度難以提高，同時(shí)，纖維－漿體界面所呈現(xiàn)的弱界面效應(yīng)，是荷載作用下的相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)，隨著纖維摻量的增加，弱界面數(shù)量逐漸增加，空間約束能力相應(yīng)減弱，抑制輕骨料混凝土強(qiáng)度穩(wěn)定性的效應(yīng)也逐漸減弱.相比較XE組試件的強(qiáng)度發(fā)育較好，原因在于：在目前的拌制條件下，1／1 000的纖維摻量極大降低了纖維成束、成團(tuán)的機(jī)率，能較均勻地分布在混凝土內(nèi)部，首尾相連形成“空間網(wǎng)絡(luò)”結(jié)構(gòu)，有效地起到了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)效應(yīng)，可以較充分地抑制混凝土早期干縮微裂的產(chǎn)生及離析裂紋的發(fā)展，特別是抑制連通裂縫的產(chǎn)生.另外，均勻分布的纖維起到“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面析水與骨料的離析，抑制了輕骨料混凝土強(qiáng)度波動(dòng).

2.2 碳纖維對(duì)輕骨料混凝土變形量及彈性模量的影響

圖2為峰值荷載時(shí)各組試件的變形量，可以看出，纖維的摻入總體降低了輕骨料混凝土的變形量，有效增強(qiáng)了輕骨料混凝土的脆性變形性能.原因在于：混凝土內(nèi)部亂向分布的纖維在有效抑制缺陷產(chǎn)生的同時(shí)，在混凝土中還形成環(huán)箍效應(yīng).其中XE組試件的纖維摻量呈現(xiàn)較小的變形量，同時(shí)強(qiáng)度發(fā)育較好，而XB組和XC組試件的纖維摻量對(duì)混凝土變形影響不明顯.原因在于：盡管纖維具有一定程度上抑制輕骨料混凝土強(qiáng)度發(fā)育不穩(wěn)定的特點(diǎn)，但若其摻量過(guò)多，不但會(huì)使?jié){體強(qiáng)度遠(yuǎn)大于骨料，而且還會(huì)使?jié){體與骨料的協(xié)調(diào)變形能力降低，對(duì)輕骨料混凝土強(qiáng)度及變形帶來(lái)負(fù)面影響.這是由于在加載過(guò)程中，漿體內(nèi)部首先形成微小裂縫，由于纖維的鏈接起到了正效應(yīng)作用，使得漿體內(nèi)部裂縫未擴(kuò)展成破壞面和貫通裂縫，此時(shí)骨料與漿體共同承擔(dān)變形，致使輕骨料混凝土大摻量的纖維相反而變形量較大.結(jié)合圖1，2可知，XE組試件具有強(qiáng)度發(fā)育較高、變形量較小的特點(diǎn)，較其他各組試件表現(xiàn)出了更明顯的優(yōu)越性.

圖2 各組試件在峰值荷載時(shí)變形量Fig.2 Different specimen deformation under the peak load condition

圖3為各組試件的彈性模量.由于浮石的高孔隙特征，天然浮石輕骨料混凝土彈性模量較普通混凝土小，主要集中在1520GPa，隨著纖維摻量的降低，試件的彈性模量總體上趨于增加；XE組試件的彈性模量發(fā)育最好，為22.2GPa；XB組和XC組試件的彈性模量相對(duì)較小.原因在于：纖維摻量過(guò)多致使混凝土內(nèi)部形成“束狀”和空間“氣泡”的機(jī)率增加，在外部荷載作用下，纖維束中的纖維容易形成滑移，減弱纖維的約束效應(yīng)，而過(guò)多的纖維在混凝土內(nèi)部所形成的氣泡結(jié)構(gòu)，會(huì)阻止拌和混凝土氣泡的溢出.大量氣泡將降低混凝土的脆性性能，減小混凝土的彈性模量和強(qiáng)度發(fā)育.所以從圖3來(lái)看，XE組試件能較好地發(fā)揮纖維的增韌效應(yīng).

圖3 彈性模量與纖維摻量的關(guān)系Fig.3 Relationship between fiber content and concrete elastic modulus

2.3 碳纖維對(duì)輕骨料混凝土凍融循環(huán)后力學(xué)性能的影響

圖4 抗壓強(qiáng)度與凍融次數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between the compressive strength and freeze－thaw cycle

圖4為各組試件經(jīng)歷0，25，50，75，100次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度.從圖4可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加，各組試件強(qiáng)度總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且摻加纖維組明顯優(yōu)于X0組，其原因在于：亂向分布的纖維首尾搭接，在一定程度上阻礙了混凝土拌和過(guò)程中內(nèi)部氣體的溢出，相當(dāng)于增加了混凝土的含氣量，緩解了低溫循環(huán)過(guò)程中的靜水壓力和滲透壓力，同時(shí)纖維的存在，還起到了緩解裂縫擴(kuò)展，改善水泥石結(jié)構(gòu)的目的，從而有利于其抗凍能力的提高.

圖5為各組試件經(jīng)歷0，25，50，75，100次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度損失率.從圖5可以看出，在經(jīng)歷25 50次凍融循環(huán)后，XA，XB組試件的強(qiáng)度有一定程度的提高，原因有三：一是，天然浮石屬多孔材料，長(zhǎng)期在水中凍融循環(huán)，使得骨料內(nèi)部飽水程度較高，加載過(guò)程中水分不能及時(shí)排出，故靜水壓力對(duì)混凝土強(qiáng)度有一定的貢獻(xiàn)；二是，混凝土內(nèi)部的纖維束因凍融過(guò)程中水分的進(jìn)入以及熱脹冷縮效應(yīng)，增加了纖維絲之間的摩擦力和緊密性，在一定程度上提高了纖維的“約束效應(yīng)”，有利于強(qiáng)度的發(fā)育；三是，由亂向分布的過(guò)量纖維形成的“氣泡”結(jié)構(gòu)，在凍融過(guò)程中因水分進(jìn)入而不斷膨脹和收縮，從而優(yōu)化了纖維的性能，同時(shí)“氣泡”內(nèi)水飽狀態(tài)的靜水壓力也對(duì)強(qiáng)度發(fā)育有利.

圖5 強(qiáng)度損失率與凍融次數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between strength loss rate and freeze－thaw cycle

從圖5還可以看出，相對(duì)于X0，XE組試件凍融后的強(qiáng)度損失較低，其中在2575次凍融循環(huán)過(guò)程中，其強(qiáng)度基本保持不變.原因在于：1／1 000的纖維摻量能最大程度地均勻分布于混凝土內(nèi)部，沒(méi)有過(guò)多的纖維形成“束狀”和“氣泡”結(jié)構(gòu)，有利于充分發(fā)揮纖維的增韌效應(yīng)，在25次凍融后，由于冷縮效應(yīng)增加了纖維的收縮能力，使纖維能正式發(fā)揮其收縮控裂能力，表現(xiàn)為2575次凍融范圍內(nèi)該組試件的強(qiáng)度基本不變；隨著凍融次數(shù)超過(guò)75次，混凝土性能逐漸下降，總體表現(xiàn)為其強(qiáng)度隨凍融次數(shù)增加而明顯下降.

總之，適量摻入纖維可以改善輕骨料混凝土的力學(xué)性能，使混凝土具有較好的沖擊韌性和良好的抗疲勞性能，凍融時(shí)可以緩解凍結(jié)而引起的應(yīng)力集

圖6 碳纖維輕骨料混凝土28dSEM照片F(xiàn)ig.6 SEM photos of carbon fiber light－weight aggregate concrete from 28d

圖7是碳纖維摻量分別1／300，1／1 000的混凝土經(jīng)歷100次凍融循環(huán)后的SEM照片.從圖7可以看出，纖維在凍結(jié)過(guò)程中發(fā)生了褶皺，這是由于在凍結(jié)過(guò)程中纖維正變形大于混凝土負(fù)變形而受到拉應(yīng)力，融化過(guò)程中因纖維的膨脹作用與混凝土收縮作用而形成了壓應(yīng)力，往返多次后，纖維整體形態(tài)即出現(xiàn)褶皺，這種拉、壓應(yīng)力將隨凍脹次數(shù)的增加逐漸變小，且向混凝土協(xié)調(diào)變形的方向發(fā)展.中.另外，凍融時(shí)纖維對(duì)抵抗膨脹壓力與滲透壓力有利，從而可提高輕骨料混凝土的抗凍融能力.

2.4 碳纖維輕骨料混凝土微觀結(jié)構(gòu)

圖7 碳纖維輕骨料混凝土經(jīng)歷100次凍融循環(huán)后的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM photos of carbon fiber light－weight aggregate concrete after 100times freeze－thaw cycles

圖6是碳纖維摻量分別為1／300，1／1 000的混凝土養(yǎng)護(hù)28d的SEM照片.從圖6可以看出，輕骨料混凝土界面處的水化程度較完善，水化硅酸鈣膠體較多，形成一層薄膜覆蓋在骨料周?chē)?骨料表面的棱角導(dǎo)致它與水泥砂漿能夠更充分地接觸，因而在過(guò)渡區(qū)內(nèi)水泥的水化更充分，結(jié)合更致密，使纖維在凍融循環(huán)作用下仍能正常工作.但若是纖維摻量過(guò)大，則在混凝土內(nèi)部會(huì)形成“束狀纖維”及“氣泡”結(jié)構(gòu).圖7（b）中纖維與骨料漿體黏結(jié)部位出現(xiàn)了孔隙，但孔隙較小且形成速度較慢，纖維與骨料漿體并未完全裂開(kāi)，纖維也沒(méi)有斷裂，故凍脹對(duì)纖維與骨料漿體黏結(jié)作用沒(méi)有構(gòu)成致命的破壞.從圖7可以看出，纖維表面存在的橫向微裂紋很少，纖維的阻裂作用仍能正常發(fā)揮，表面大部分存在的是縱向褶皺，但是褶皺之間沒(méi)有斷裂或斷裂的趨勢(shì)不明顯，對(duì)于纖維發(fā)揮阻裂作用幾乎沒(méi)有影響.說(shuō)明凍脹過(guò)程中纖維對(duì)輕骨料混凝土抗凍性的正效應(yīng)在一定程度上彌補(bǔ)了輕骨料自身孔隙含水較多的負(fù)效應(yīng).

凍融循環(huán)作用后，纖維表面水化產(chǎn)物為疏松多孔的顆粒，呈現(xiàn)絮狀（見(jiàn)圖7（b）），纖維與漿體界面區(qū)內(nèi)存在一些縫隙，但界面水化產(chǎn)物比較密實(shí)，呈板塊狀，沒(méi)有出現(xiàn)纖維與骨料或漿體完全剝離的情況，纖維與骨料漿體界面黏結(jié)緊密，黏結(jié)強(qiáng)度較高.可見(jiàn)，纖維輕骨料混凝土比普通天然集料混凝土結(jié)構(gòu)更復(fù)雜.普通混凝土中僅存在天然集料與砂漿、集料與砂漿界面二相，而纖維輕骨料混凝土中則存在天然浮石與纖維，砂漿與天然浮石，纖維與砂漿界面等三相.這三相都是纖維輕骨料混凝土的薄弱環(huán)節(jié).

3 結(jié)論

（1）1／100組、1／300組試件的纖維對(duì)強(qiáng)度貢獻(xiàn)不明顯，1／1 000組試件的纖維能夠均勻分布在混凝土中且彼此相黏連構(gòu)成網(wǎng)狀，大量纖維起了“承托”骨料的作用，對(duì)混凝土強(qiáng)度發(fā)育影響較大.

（2）纖維的摻入有效降低了輕骨料混凝土峰值應(yīng)力下的變形量，提高了混凝土的脆性性能；纖維摻量對(duì)混凝土彈性模量的影響呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，其中1／1 000組的纖維摻量表現(xiàn)出較好的彈性模量.

（3）纖維改善輕骨料混凝土強(qiáng)度穩(wěn)定性的能力較強(qiáng)，凍融循環(huán)后1／1 000組試件表現(xiàn)出強(qiáng)度損失較小的特點(diǎn).

（4）適量的纖維可以改善輕骨料混凝土的力學(xué)性能，受凍融時(shí)可以緩解因溫度變化而引起的混凝土內(nèi)部應(yīng)力，從而提高輕骨料混凝土的抗凍融能力.

（5）纖維表面水化產(chǎn)物比較密實(shí)，呈板塊狀，沒(méi)有出現(xiàn)纖維與骨料或漿體完全剝離的情況，纖維與骨料漿體界面黏結(jié)緊密，黏結(jié)強(qiáng)度較高.“束狀”和“氣泡”結(jié)構(gòu)主要由于纖維摻量較大引起，1／1 000的摻量較為適宜.

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