賴(lài)俊　張國(guó)強(qiáng)（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院）

鋼纖維輕骨料混凝土準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能研究

賴(lài)俊張國(guó)強(qiáng)
（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院）

采用NYL-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)和SHT4106型電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，分別對(duì)基體強(qiáng)度等級(jí)為L(zhǎng)C60，鋼纖維體積率（Vf）為0～3%的鋼纖維輕骨料混凝土（SFRLAC）進(jìn)行立方體抗壓、劈拉、軸壓試驗(yàn)，測(cè)得SFRLAC立方抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、軸壓強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨Vf的增加，SFRLAC抗壓強(qiáng)度逐漸增大，但增幅有限，劈拉強(qiáng)度增幅明顯，最大可達(dá)122%；鋼纖維的摻入可顯著提高基體輕骨料混凝土（LC）的韌性，彈性模量也隨Vf的增大緩慢增長(zhǎng)，但增幅逐漸減小。觀察其破壞形態(tài)可發(fā)現(xiàn)：鋼纖維的摻入改善了LC的脆性破壞形態(tài)，使其具有一定的塑形破壞形態(tài)，且Vf越大，其塑形破壞體現(xiàn)越明顯，破壞程度越小。

SFRLAC；力學(xué)性能；應(yīng)力應(yīng)變曲線；破壞形態(tài)

1　引言

鋼纖維混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，SFRC）是在普通混凝土中摻入亂向分布的鋼纖維后形成的一種多相復(fù)合材料［1］。其具有優(yōu)良的物理力學(xué)性能，可以滿(mǎn)足工程中的高拉應(yīng)力、復(fù)雜受力、高耐久性、抗裂、阻裂和增韌等性能要求［2］。輕骨料混凝土（Lightweight Aggregate Concrete，LAC）是一種利用人造或者天然輕質(zhì)骨料替代普通密度骨料的混凝土，具有輕質(zhì)、隔熱保溫、耐火、抗震等優(yōu)點(diǎn)［3］。將鋼纖維和輕骨料混凝土結(jié)合起來(lái)成為鋼纖維輕骨料混凝土 （Steel FiberReinforcedLightweightAggregateConcrete，SFRLAC）。鋼纖維輕骨料混凝土不僅具有輕骨料混凝土的優(yōu)良特性，而且明顯提高了輕骨料混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗裂性能和抗疲勞性能［4］，在各類(lèi)混凝土工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。

當(dāng)前，鋼纖維混凝土和輕骨料混凝土研究已經(jīng)相對(duì)成熟，并已投入實(shí)際工程應(yīng)用，而SFRLAC發(fā)展較晚且力學(xué)性能較前者復(fù)雜，主要處于在力學(xué)性能試驗(yàn)研究階段。本文針對(duì)基體強(qiáng)度等級(jí)為L(zhǎng)C60，鋼纖維體積率（Vf）為0～3%的SFRLAC進(jìn)行立方體抗壓、劈拉、軸壓試驗(yàn)研究。

2　SFRLAC試驗(yàn)概況

2.1原材料

水泥：廣州市越堡水泥有限公司生產(chǎn)的金羊牌P.042.5R硅酸鹽水泥。

粉煤灰：廣州市天達(dá)混凝土攪拌站提供的Ⅱ級(jí)粉煤灰，表觀密度為2.3g/cm3，提純后得到純度為98%更細(xì)顆粒的粉煤灰微珠。

硅粉：挪威Elkem公司生產(chǎn)的Elkem Microsilica牌硅粉。

鋼纖維：武漢新途工程纖維制造有限公司生產(chǎn)的微細(xì)鋼纖維，長(zhǎng)度10～20mm，抗拉強(qiáng)度800MPa。

粗骨料：湖北宜昌產(chǎn)頁(yè)巖圓陶粒，堆積密度為770 Kg/m3，表觀密度為1362Kg/m3，陶粒級(jí)數(shù)為800，筒壓強(qiáng)度7.0MPa，顆粒級(jí)配為5～10mm連續(xù)級(jí)配。

細(xì)骨料：河砂，表觀密度為1570Kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.5。

減水劑和水：聚羧酸型高效減水劑，含固量為20%，減水效率35%；自來(lái)水。

2.2配合比

普通混凝土通常采用絕對(duì)體積法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，輕骨料混凝土可采用全計(jì)算法［5］。此處將混凝土全計(jì)算法與絕對(duì)體積法相結(jié)合，計(jì)算出SFRLAC高強(qiáng)度等級(jí)LC60下的配合比如表1所示。

表1　SFRLAC配合比　單位：公斤/立方米

2.3試驗(yàn)裝置、加載方法及試塊

本試驗(yàn)立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試采用：江蘇無(wú)錫建儀儀器機(jī)械有限公司 NYL-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)，增加夾具和墊塊后可用于劈拉試驗(yàn)的測(cè)定。軸壓試驗(yàn)采用深圳市新三思計(jì)量技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SHT4106型電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)加載全過(guò)程采用位移控制，可測(cè)得SFRLAC試塊單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。

試驗(yàn)加載方法參考《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）和《纖維混凝土試驗(yàn)方法》（CECS 13：2009）。

本試驗(yàn)SFRLAC按鋼纖維體積率分別為0、1%、2%、3%分為四組，每組配合比均要做100mm×100mm×100mm立方體試塊6塊、100mm×100mm×300mm棱柱體3塊，前者用于測(cè)試SFRLAC立方體抗壓、劈拉試驗(yàn)，后者用于軸壓試驗(yàn)。

3　SFRLAC試驗(yàn)結(jié)果

按照CECS 13：2009中所述試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)同試驗(yàn)同配合比下的三個(gè)離散數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出SFRLAC立方體抗壓強(qiáng)度值、劈拉強(qiáng)度值、軸壓強(qiáng)度值、彈性模量大小如表2所示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。

表2　SFRLAC試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖1　SFRLAC應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4　SFRLAC試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1鋼纖維體積率對(duì)SFRLAC抗壓強(qiáng)度的影響

從表2可以看出，隨著Vf的提高，各系列材料的抗壓強(qiáng)度都有所增加。這是因?yàn)榛炷林袖摾w維的摻入，在混凝土基體內(nèi)形成了縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)了混凝土基體間的粘結(jié)性，對(duì)SFRLAC抗壓強(qiáng)度具有一定的提升作用，具體增長(zhǎng)趨勢(shì)見(jiàn)圖2。當(dāng)鋼纖維體積率在1%、2%、3%時(shí)LC60等級(jí)立方體的抗壓強(qiáng)度增幅分別為7.1%、15.4%、18.7%；對(duì)應(yīng)軸壓強(qiáng)度分別提高2.6%、8.0%、11.9%。顯然棱柱體軸壓強(qiáng)度的增幅小于立方體抗壓強(qiáng)度，但二者最大增幅均小于20%。其原因是：盡管鋼纖維起到阻裂增強(qiáng)作用，但由于基體LC的陶粒筒壓強(qiáng)度低，鋼纖維摻入后，隨著Vf增大界面薄弱層越多。因此，SFRLAC受壓后首先在陶粒邊界處破壞，導(dǎo)致SFRLAC的抗壓強(qiáng)度增幅有限。

圖2　鋼纖維體積率對(duì)SFRLAC抗壓強(qiáng)度的影響

4.2鋼纖維體積率對(duì)SFRLAC劈拉強(qiáng)度的影響

圖3為鋼纖維體積率對(duì)SFRLAC劈裂抗拉強(qiáng)度的影響變化圖，由圖可知，鋼纖維使得混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度顯著提高。當(dāng)鋼纖維體積率為1.0%、2.0%、3.0%時(shí)，LC60等級(jí)SFRLAC劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了32.7%、71.4%、122%，增長(zhǎng)幅度明顯大于材料抗壓強(qiáng)度。這主要是因?yàn)榕囼?yàn)過(guò)程中更能充分利用鋼纖維的拉結(jié)作用，且鋼纖維體積率越大，參與“邊壁效應(yīng)”的鋼纖維越多，抗拉強(qiáng)度增幅越大。

圖3　鋼纖維體積率對(duì)SFRLAC劈拉強(qiáng)度的影響

4.3SFRLAC應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

從圖1中的SFRLAC單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖可知：SFRLAC在軸心壓力作用下，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的外形與SFRC的曲線非常相似，也可以分為4個(gè)階段：彈性階段、裂縫穩(wěn)定發(fā)展階段、裂縫失穩(wěn)階段和破壞階段［6］。在曲線上升段，鋼纖維的摻入對(duì)于LC的性質(zhì)幾乎沒(méi)有影響。只有當(dāng)曲線進(jìn)入下降段，試塊出現(xiàn)裂縫后，與裂縫相交的鋼纖維才明顯地發(fā)揮作用，阻滯裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，導(dǎo)致曲線下降段較平緩，直到鋼纖維從LC中拔出，從而使得輕骨料混凝土的韌性大大增強(qiáng)［7］。同時(shí)鋼纖維的阻裂和約束側(cè)向裂縫發(fā)展的作用也使SFRLAC彈性模量逐漸增大，這在表2數(shù)據(jù)和圖1中清楚顯現(xiàn)。且彈性模量增幅的逐漸減小，與混凝土彈性模量與立方體抗壓強(qiáng)度的平方根呈線性相關(guān)關(guān)系的結(jié)論一致［8］。至于表2中彈性模量低于普通混凝土現(xiàn)行規(guī)范值，分析認(rèn)為和SFRLAC所采用粗集料陶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松多孔有關(guān)，且陶粒本身表觀密度遠(yuǎn)低于普通石子，多項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)偏低造成輕骨料混凝土彈性模量普遍較小。

4.4SFRLAC破壞形態(tài)

4.4.1受壓破壞形態(tài)

如圖4所示，通過(guò)觀察LC60等級(jí)下不同鋼纖維體積率的SFRLAC試塊受壓破壞形態(tài)，發(fā)現(xiàn)不摻鋼纖維時(shí)，其裂縫很寬，外圍脫落嚴(yán)重。而摻有鋼纖維的SFRLAC，在受壓時(shí)，由于裂縫之間鋼纖維的橋接作用，形成纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因而與未摻鋼纖維的混凝土相比：SFRLAC試塊破壞后基本保持完整性，裂而不散，表面有碎片崩落。顯然，鋼纖維摻入LC中可以改善LC的脆性破壞形態(tài)，使其具有一定的塑形破壞形態(tài)，且鋼纖維體積率越大，其塑形破壞體現(xiàn)的越明顯，破壞程度越小。同時(shí)注意SFRLAC試塊斷裂面處，所有陶粒都是內(nèi)部斷開(kāi)，而不是與水泥凝膠體脫粘。說(shuō)明水泥膠凝體包圍粘結(jié)著強(qiáng)度較低的陶粒，陶粒本身為薄弱環(huán)節(jié)，這與立方體抗壓強(qiáng)度增幅有限的理論分析保持一致。

4.4.2劈拉破壞形態(tài)

圖5所示為不同鋼纖維體積率下SFRLAC劈拉破壞形態(tài)。不摻鋼纖維的LC試塊劈裂破壞面斷口整齊，有劈裂的碎片，許多陶粒骨料被劈成兩半，屬于典型的脆性剪切破壞。摻有鋼纖維的LC立方體試塊，由于有鋼纖維的拉結(jié)作用，試塊破壞過(guò)程中不會(huì)完全斷開(kāi)成兩半。且鋼纖維被拔出非拔斷，在試塊中部出現(xiàn)一條裂縫，裂縫寬度由上到下慢慢變細(xì)，而且是隨著Vf的增大，裂縫寬度逐漸變小。SFRLAC試塊有征兆的裂縫逐漸變寬的破壞過(guò)程，說(shuō)明鋼纖維的加入提高了試塊破壞時(shí)的極限拉應(yīng)變和延性［9］。

圖4　不同鋼纖維體積率下SFRLAC立方體受壓破壞形態(tài)

圖5　不同鋼纖維體積率下SFRLAC立方體劈拉破壞形態(tài)

5　結(jié)論

⑴鋼纖維對(duì)LC的立方體抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)幅度有限，幅度為7.1%～18.7%，軸壓強(qiáng)度的增幅范圍更小，為2.6%～11.9%；同時(shí)觀察試塊斷裂面，發(fā)現(xiàn)陶粒均為斷裂而非脫粘，說(shuō)明陶粒本身的筒壓強(qiáng)度是制約SFRLAC抗壓強(qiáng)度的重要因素。

⑵LC劈裂抗拉的斷面整齊，鋼纖維是拔出非拔斷。由于鋼纖維在LC基體中的“邊壁效應(yīng)”，使LC的劈裂抗拉強(qiáng)度大幅提高，對(duì)應(yīng)鋼纖維體積率為1%～3%時(shí)LC60增長(zhǎng)幅度可達(dá)32.7%～122%，遠(yuǎn)大于SFRLAC抗壓強(qiáng)度增幅。

⑶SFRLAC的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，與SFRC一樣有相似的曲線走勢(shì)，但LC脆性更大，曲線下降段比較陡峭；同時(shí)鋼纖維的摻入顯著提高了LC的韌性，彈性模量也隨Vf的增大緩慢增長(zhǎng)，但增幅逐漸減小。

⑷LC基體試塊受壓破壞后，裂縫很寬，外圍脫落嚴(yán)重；而SFRLAC試塊破壞時(shí)，試塊基本保持完整性，裂而不散。LC基體試塊劈裂破壞面斷口整齊，屬于典型的脆性剪切破壞；而SFRLAC破壞時(shí)，由于有鋼纖維的拉結(jié)作用，試塊破壞過(guò)程中僅中部出現(xiàn)一條裂縫，且隨Vf增大，縫寬逐漸變小。說(shuō)明鋼纖維摻入LC中可以改善LC的脆性破壞形態(tài)，使其具有一定的塑形破壞形態(tài)，且Vf越大，其塑形破壞體現(xiàn)的越明顯，破壞程度越小?！?/p>

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