潘麗云，徐文曉，陳彥磊，李長(zhǎng)永

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

目前，對(duì)鋼纖維輕骨料混凝土的研究大都集中在其力學(xué)性能和耐久性能方面，對(duì)鋼纖維輕骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)的研究較少［1－5］． 砂輕和全輕混凝土通常采用以試驗(yàn)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的松散體積法進(jìn)行配合比計(jì)算［6］，但設(shè)計(jì)規(guī)范中允許1 m3混凝土中骨料的總體積取值波動(dòng)在±0．3 m3范圍，造成配合比設(shè)計(jì)結(jié)果因人而異;如果用于鋼纖維全輕混凝土配合比設(shè)計(jì)，則很難保證混凝土中鋼纖維體積率達(dá)到設(shè)定數(shù)值．與其比較，絕對(duì)體積法是按每立方米混凝土絕對(duì)體積為各組成材料的絕對(duì)體積之和進(jìn)行計(jì)算，概念明確，且相比松散體積法未顯著增加原材料的測(cè)試工序．如利用松散體積法時(shí)，同樣需要測(cè)試輕骨料1 h 的吸水率，在此基礎(chǔ)上稍微增加一些時(shí)間就可測(cè)得絕對(duì)體積法所需的骨料表觀密度．因此，本文采用了考慮裹漿厚度的配合比體積法進(jìn)行鋼纖維全輕混凝土的配合比計(jì)算，并進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究．

1 試驗(yàn)概況

原材料采用焦作P·O 52．5 普通硅酸鹽水泥、淄博高強(qiáng)頁(yè)巖陶粒粗骨料、陶砂細(xì)骨料．5 ～20 mm連續(xù)級(jí)配粗骨料采用5 ～10 mm，10 ～16 mm，16 ～20 mm 3 種級(jí)配的粗骨料按最大緊密堆積密度確定比例后混合而成．各原材料的物理力學(xué)性能及化學(xué)組成見(jiàn)表1—3． 鋼纖維采用鋼板剪切端鉤型鋼纖維，長(zhǎng)度lf=40．15 mm，長(zhǎng)徑比lf/df=46．36，減水劑采用聚羧酸系高性能減水劑，實(shí)際減水率為25%．拌合水采用自來(lái)水．

表1 水泥主要物理力學(xué)性能

表2 陶粒的物理力學(xué)性能

表3 輕砂的物理力學(xué)性能

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)21 組配合比，基準(zhǔn)全輕混凝土(水灰比W/C=0．3)按強(qiáng)度等級(jí)LC40、輕骨料等級(jí)900選擇配合比參數(shù)范圍［6］，摻入鋼纖維后的全輕混凝土采用式(1)—(2)計(jì)算，參數(shù)組合見(jiàn)表4，減水劑用量為水泥用量的0．8%． 鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)采用絕對(duì)體積直接計(jì)算法［7］，并考慮額外增加一定量的水泥漿包裹鋼纖維，以充分利用鋼纖維的增強(qiáng)作用．為此，把鋼纖維全輕混凝土看作由水泥漿包裹的鋼纖維與基體混凝土組成，且包裹鋼纖維的漿體體積由鋼纖維總表面積乘以裹漿厚度(tp)來(lái)計(jì)算，可建立鋼纖維全輕混凝土配合比計(jì)算公式:

式中:mc，mwn，ma，ms，ρf，vfc，va，vs分別為1 m3鋼纖維全輕混凝土中水泥、凈用水、陶粒、陶砂的質(zhì)量，鋼纖維體積率，包裹鋼纖維的水泥漿體積，陶粒、陶砂的絕對(duì)體積;ρc，ρw，ρa(bǔ)p，ρs，Sp分別為水泥的相對(duì)密度，水的密度，陶粒、陶砂的表觀密度，絕對(duì)體積砂率．實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，mc按不考慮裹漿厚度的同強(qiáng)度等級(jí)全輕混凝土水泥用量選取，mwn由與之相對(duì)應(yīng)的凈水灰比進(jìn)行計(jì)算［8］．

表4 試驗(yàn)參數(shù)的組合

本試驗(yàn)主要進(jìn)行混凝土拌合物的工作性能、濕表觀密度、干表觀密度、立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的測(cè)試．試驗(yàn)均采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的試塊，試驗(yàn)方法按相關(guān)規(guī)范執(zhí)行．通過(guò)測(cè)試粗、細(xì)骨料1 h 的吸水率隨時(shí)間的變化(表5)規(guī)律，確定了合理的骨料預(yù)濕時(shí)間，對(duì)骨料進(jìn)行預(yù)濕處理．為使鋼纖維在基體混凝土中均勻分散，攪拌采用臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)．?dāng)嚢柰瓿珊?，將拌合物裝入試模，當(dāng)ρf≤1．0%，采用一次成型;當(dāng)ρf＞1．0%時(shí)，分兩次裝模，并適當(dāng)延長(zhǎng)振搗時(shí)間，振搗時(shí)用抹刀沿試模內(nèi)壁插搗，至混凝土表面出漿后刮去多余的拌合物并用抹刀抹平．成型24 h 后脫模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d．

表5 骨料吸水率隨時(shí)間的變化

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 鋼纖維全輕混凝土拌合物的工作性能

本試驗(yàn)混凝土拌合物的黏聚性和保水性良好．混凝土拌合物坍落度隨鋼纖維體積率和砂率的變化規(guī)律如圖1 所示．

圖1 混凝土坍落度的變化規(guī)律

在ρf≤1．0%時(shí)，坍落度隨鋼纖維體積率的增大而增大;在ρf＞1．0%時(shí)，則坍落度隨著鋼纖維體積率的增大而減?。f(shuō)明鋼纖維需要水泥漿包裹，引入鋼纖維裹漿厚度在一定程度上能改善鋼纖維混凝土的和易性，使其坍落度有所增加．但當(dāng)鋼纖維體積率繼續(xù)增加時(shí)，由于鋼纖維的“棚架”拉結(jié)作用大于裹漿作用，坍落度將會(huì)降低． 同時(shí)，砂率對(duì)混凝土的坍落度有一定的影響．在水灰比為0．25 和0．30 時(shí)，存在最佳砂率，使混凝土的和易性達(dá)到最佳．

2．2 鋼纖維全輕混凝土的表觀密度

混凝土拌合物的表觀密度的變化規(guī)律如圖2 所示．不同配合比情況下，鋼纖維全輕混凝土在振實(shí)后的濕表觀密度校正系數(shù)為0．963 ～0．998，說(shuō)明本試驗(yàn)的各項(xiàng)材料用量基本為最終的配合比設(shè)計(jì)值，不用進(jìn)行調(diào)整．不同配合比情況下，混凝土的干表觀密度為1 668． 2 ～1 891． 2 kg/m3，屬于密度等級(jí)為1 700 ～1 900 的輕骨料混凝土［6］．

圖2 混凝土表觀密度的變化規(guī)律

砂率及鋼纖維裹漿厚度的變化對(duì)混凝土的濕、干表觀密度影響甚?。S著水灰比的減小，混凝土的表觀密度略有提高，水灰比從0．35 降到0．25 時(shí)，濕表觀密度的增幅為2．5%左右，干表觀密度的增幅為3．0%左右．隨著鋼纖維體積率的增加，不同裹漿厚度混凝土的濕、干表觀密度均呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，相對(duì)于基體混凝土而言，鋼纖維體積率每增加0． 5%，干、濕表觀密度相應(yīng)增加1% ～3%．

2．3 鋼纖維全輕混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律如圖3 所示．與全輕混凝土相同，隨著水灰比減小，混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度有所提高，但水灰比從0．35 降到0．25時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度僅提高了10%左右;砂率對(duì)鋼纖維全輕混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響較小［1］．

圖3 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律

鋼纖維全輕混凝土立方體抗壓試塊呈裂而不散的破壞狀態(tài)，鋼纖維起到了阻止內(nèi)部微裂縫擴(kuò)展和宏觀裂縫發(fā)生、發(fā)展的作用，從根本上改變了全輕混凝土立方體抗壓試塊呈散體狀脆性破壞的形態(tài)． 隨著鋼纖維體積率的增大，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度不斷增大．鋼纖維裹漿厚度對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度的影響較小，但以裹漿厚度1．0 mm 的效果最佳．相對(duì)于基體混凝土，該裹漿厚度時(shí)，鋼纖維體積率為0．5%，1．0%，1．5%，2．0%的立方體抗壓強(qiáng)度分別提高了9．7%，13．9%，18．0%，20．6%． 按通常方法配制的鋼纖維輕骨料混凝土，當(dāng)鋼纖維體積率為0．5% ～1．5%時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度僅提高了4% ～6%;當(dāng)鋼纖維體積率為2．0%時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度會(huì)降低．

2．4 鋼纖維全輕混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度

水灰比和砂率對(duì)鋼纖維全輕混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度的影響較小，如圖4 所示．鋼纖維全輕混凝土劈裂試塊呈裂而不斷的破壞形態(tài)，與全輕混凝土發(fā)生陶粒直接劈裂、劈裂面平齊的脆性破壞明顯不同，鋼纖維跨越劈裂面起到了搭接承載作用，隨著鋼纖維體積率的增大，其劈裂抗拉強(qiáng)度顯著提高．相對(duì)于全輕混凝土，鋼纖維體積率為0． 5%，1． 0%，1． 5%，2．0% 時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了38． 7%，60．8%，142． 5%，177． 3%． 鋼纖維體積率每增加0．5%，則劈裂抗拉強(qiáng)度增加30% ～40%．

圖4 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律

3 結(jié) 語(yǔ)

水灰比和砂率對(duì)鋼纖維全輕混凝土的力學(xué)性能影響較?。侠淼睦w維裹漿厚度對(duì)保證鋼纖維與基體混凝土的黏結(jié)性能具有重要作用，并能改善鋼纖維全輕混凝土的工作性能．經(jīng)綜合分析，鋼纖維全輕混凝土的最佳鋼纖維裹漿厚度為1．0 mm．

按本文考慮鋼纖維裹漿厚度的絕對(duì)體積法配制的鋼纖維全輕混凝土，不僅滿足混凝土的工作性能和干表觀密度的要求，而且使全輕混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度明顯提高． 特別是對(duì)于鋼纖維全輕混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度的提高效果更加顯著，鋼纖維體積率每增加0．5%，劈裂抗拉強(qiáng)度增加30% ～40%．

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［2］潘麗云，尚亞瓊，康星星，等．鋼筋鋼纖維全輕混凝土疊澆梁抗彎剛度試驗(yàn)研究［J］． 華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，36(1):43 －46．

［3］李長(zhǎng)永，錢曉軍，趙順波． 全輕混凝土基本力學(xué)性能研究［J］．混凝土，2010(5):79 －82．

［4］李長(zhǎng)永，陳淮，趙順波． 鋼纖維全輕混凝土抗凍性能研究［J］．混凝土，2011(11):98 －99．

［5］張曉燕，李長(zhǎng)永，袁浩，等．混合纖維增強(qiáng)全輕混凝土彎曲韌性試驗(yàn)研究［J］．水利發(fā)電，2013(5):87 －90．

［6］中國(guó)建筑科學(xué)研究院．JGJ 51—2002 輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002．

［7］宋麗莎，孫麗，曹晨杰，等．鋼纖維混凝土拌合物工作性能試驗(yàn)研究［J］．華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，34(1):24 －26．

［8］陳彥磊．鋼纖維全輕混凝土配合比直接設(shè)計(jì)方法及基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究［D］．鄭州:華北水利水電大學(xué)，2013．