劉勝兵，靳哲鑫，姚鵬飛

武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430074

輕骨料混凝土是指采用輕粗骨料、輕砂（或普通砂）、水泥和水配制而成的干表觀密度不大于1950 kg/m3的混凝土［1］。在混凝土中摻入纖維是改善混凝土性能的有效手段［2］，研究結(jié)果表明［3-5］：在普通混凝土中摻加適量的高彈性模量的纖維可明顯提高混凝土的強(qiáng)度，而摻加適量的低彈性模量或高延伸率的纖維可明顯提高混凝土的韌性。

混凝土的耐久性和力學(xué)性能同樣重要，混凝土耐久性是結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)抵抗外界環(huán)境和內(nèi)部本身侵蝕破壞作用、正常使用及外觀使人可接受的能力［6-7］。相關(guān)研究表明［8-9］在混凝土中摻入單一纖維對混凝土性能的改善有限，若要改善混凝土的綜合性能可以將兩種或兩種以上的纖維按不同尺寸和不同性能混雜后摻入混凝土基體，通過取長補(bǔ)短，在不同層面相互協(xié)調(diào)工作，從而提高混凝土的綜合性能。

美國是最早將輕骨料混凝土應(yīng)用于建筑工程的國家。美國在1970年至1990年修建的400多座大跨度橋梁中便廣泛使用了輕骨料混凝土［10］。其次日本、德國、挪威等國家在對輕骨料混凝土的研究較為深入。我國直到20世紀(jì)50年代才開始著手這方面的研究［11］。在輕骨料混凝土研究的初期，由于混凝土強(qiáng)度過低、生產(chǎn)工藝落后等原因，輕骨料混凝土只能應(yīng)用于非承重構(gòu)件或者圍護(hù)結(jié)構(gòu)，隨著我國近年來的高速發(fā)展，輕骨料混凝土的研究與國外先進(jìn)水平的差距也逐漸縮小，輕骨料混凝土的研究和應(yīng)用技術(shù)也直逼世界先進(jìn)水平［12］。

目前，對混雜纖維輕骨料混凝土的研究還比較少，尤其是耐久性方面的研究更少。本文通過試驗(yàn)研究混雜纖維及單摻纖維對輕骨料混凝土的立方體抗壓、劈裂抗拉及抗凍性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料和技術(shù)性能

1）水泥：選用武漢華新水泥廠的42.5級普通硅酸鹽水泥。

2）輕粗骨料：湖北宜昌寶珠陶粒開發(fā)有限公司生產(chǎn)的高強(qiáng)頁巖陶粒，碎石型。表觀密度為1330 kg/m3，堆積密度800 kg/m3，粒徑不大于20 mm。

3）細(xì)骨料：天然河砂，中砂。

4）減水劑：為提高混凝土和易性，減水劑采用FDN高效減水劑，減水率達(dá)15%～25%。

5）纖維：鋼纖維和聚丙烯纖維，性能指標(biāo)見表1。

表1 兩種纖維的物理和力學(xué)性能Tab.1 Physical and mechanical properties of two fibers

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中選定鋼纖維體積率和聚丙烯纖維體積率兩個影響因素［13］，進(jìn)行單摻纖維輕骨料混凝土和混雜纖維輕骨料混凝土的基本力學(xué)性能和抗凍性能的試驗(yàn)研究。基本力學(xué)性能試驗(yàn)包括立方體抗壓試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn)，其中立方體抗壓和抗凍試驗(yàn)每組3個試件，試件尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm；劈裂抗拉試驗(yàn)每組3個試件，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。

本次試驗(yàn)中輕骨料混凝土的強(qiáng)度等級為LC30，是根據(jù)《纖維混凝土技術(shù)及應(yīng)用》［14］的要求及《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［15］中有關(guān)配合比設(shè)計(jì)的規(guī)定采用松散體積法確定的，見表2。

表2 混凝土配合比設(shè)計(jì)Tab.2 Mixing proportion design of concrete

為了分別比較單摻纖維及混雜纖維對輕骨料混凝土立方體抗壓、劈裂抗拉以及抗凍性能影響，本次試驗(yàn)按不同的纖維體積率設(shè)計(jì)了9組混雜纖維輕骨料混凝土，3組單摻鋼纖維輕骨料混凝土，3組單摻聚丙烯纖維輕骨料混凝土和1組普通輕骨料混凝土對比試件，試驗(yàn)分組見表3。分別將聚丙烯纖維以0.05%、0.10%、0.15%的體積摻加率單摻，鋼纖維以1.0%、1.5%、2.0%的體積摻加率單摻及聚丙烯纖維與鋼纖維混雜后摻入輕骨料混凝土基體中對其進(jìn)行立方體抗壓、劈裂抗拉與抗凍性能試驗(yàn)研究。

1.3 試件的制作與所用設(shè)備

試驗(yàn)中攪拌混凝土的機(jī)器為強(qiáng)制式攪拌機(jī)，以保證拌合物的均勻性，首先將陶粒和細(xì)骨料加入攪拌機(jī)中干拌30 s，待二者拌合均勻后加入水泥并觀察攪拌情況，待三者攪拌均勻后向攪拌機(jī)中加入纖維，最后向攪拌機(jī)中加入水進(jìn)行濕拌制成纖維輕骨料混凝土。將濕拌的纖維輕骨料混凝土立即裝入相應(yīng)的試模后，使用振動臺振搗成型。1 d后拆模，拆模后立即放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)室相對濕度為95%以上，溫度為（20±2）℃，室內(nèi)濕度均勻。制作試件的過程中用到的設(shè)備有強(qiáng)制式攪拌機(jī)、振動臺以及混凝土試模。力學(xué)性能試驗(yàn)中所用設(shè)備為液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)；抗凍融循環(huán)試驗(yàn)中凍融循環(huán)次數(shù)為50次，采用慢凍法，試驗(yàn)設(shè)備為武漢工程大學(xué)自主研制的凍融機(jī)。

表3 試驗(yàn)分組Tab.3 Test grouping

2 結(jié)果與討論

2.1 立方體抗壓試驗(yàn)與劈裂抗拉試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)中基本力學(xué)性能試驗(yàn)包括立方體抗壓與劈裂抗拉試驗(yàn)，每組試件的抗壓和抗拉強(qiáng)度值為其3個試件的算術(shù)平均值，立方體抗壓與劈裂抗拉試驗(yàn)的結(jié)果見表4。

表4 抗壓與抗拉試驗(yàn)結(jié)果平均值Tab.4 Average value of compression and tensile test results

由表4可以看出：1）在輕骨料混凝土中摻入適量纖維可以提高混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度。2）鋼纖維或聚丙烯纖維及二者混雜均不同程度提高了基體的立方體抗壓強(qiáng)度，當(dāng)鋼纖維體積率為1.0%，聚丙烯纖維體積率為0.05%時，立方體抗壓強(qiáng)度最大為39.16 MPa，相較于對照組提高了17.92%。3）鋼纖維對基體劈裂抗拉強(qiáng)度的提高尤其明顯，并且提高幅度大于聚丙烯纖維，其中單摻鋼纖維體積率為1.5%時，劈拉強(qiáng)度最大為4.77 MPa，相較于對照組提高了63.36%。輕骨料混凝土中摻入纖維后，輕骨料混凝土的破壞過程及破壞形態(tài)有明顯改善，圖1為劈拉試驗(yàn)中摻入不同纖維時輕骨料混凝土的破壞形態(tài)。

圖1 不同纖維體積率的情況下試塊的破壞形態(tài)：（a）和（b）素輕骨料混凝土，（c）混雜纖維輕骨料混凝土，（d）鋼纖維輕骨料混凝土Fig.1 Destruction form of cube in different fiber volume fractions：（a）and（b）plain lightweight aggregate concrete，（c）hybrid fiber reinforced lightweight aggregate concrete，（d）steel fiber lightweight aggregate concrete

試驗(yàn)過程中，當(dāng)荷載達(dá)到一定數(shù)值后，素輕骨料混凝土表面首先出現(xiàn)1～2條微小的裂縫，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，在原微裂縫的遠(yuǎn)處相繼出現(xiàn)其他裂縫，隨著荷載進(jìn)一步增加，裂紋的寬度迅速增大，長度也迅速增長，直到裂縫由上至下貫通整個試塊，隨即混凝土試件碎裂成塊而破壞，這種破壞是突發(fā)的，表現(xiàn)出明顯的脆性。鋼纖維和混雜纖維輕骨料混凝土試塊達(dá)到極限承載力后，試塊表面裂縫的發(fā)展有一定過程，極限承載力雖不能增長，但是下降速度明顯放緩，試塊破壞時，纖維還在試塊表面將試塊連成一個整體，試塊表現(xiàn)出良好的延性。摻入鋼纖維的輕骨料混凝土尤其明顯，混凝土試塊達(dá)到極限承載力時，試塊表面出現(xiàn)多條裂紋，此時繼續(xù)加載，可以聽到纖維因拔斷而發(fā)出的明顯噼啪聲，此時試件仍沒有破壞，并且在較長的一段時間里試件仍具有較大的承載力，試件表現(xiàn)出較強(qiáng)的韌性。因此，不難看出素輕骨料混凝土中摻入纖維可以有效改善混凝土的脆性。

2.2 抗凍融循環(huán)試驗(yàn)

混凝土抗50次凍融循環(huán)試驗(yàn)采用慢凍法，測定混凝土50次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度損失率，每組試件的強(qiáng)度損失率為其3個試件的算術(shù)平均值，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 混凝土強(qiáng)度損失率Fig.2 Strength loss rate of concretes

混凝土抗凍融循環(huán)試驗(yàn)后強(qiáng)度損失率越小表示混凝土抗凍性能越好。由圖2可以看出在素輕骨料混凝土基體中摻入纖維均不同程度地降低了混凝土基體的強(qiáng)度損失率。混雜纖維系列尤其明顯，其中混雜纖維系列中，當(dāng)鋼纖維體積率為1.0%，聚丙烯纖維體積率分別為0.05%、0.10%、0.15%時，混凝土強(qiáng)度損失率較素輕骨料混凝土分別降低了65.80%、57.80%、68.92%；當(dāng)鋼纖維體積率為1.5%，聚丙烯纖維體積率分別為0.5%、0.10%、0.15%時，混凝土強(qiáng)度損失率較素輕骨料混凝土分別降低了52.08%、56.08%、55.56%；而當(dāng)鋼纖維體積率提高到2%時，聚丙烯纖維體積率分別為0.05%、0.10%、0.15%時，強(qiáng)度損失率較素輕骨料混凝土分別降低了39.41%、27.78%、17.71%。

2.3 混雜效應(yīng)分析

為研究上述抗凍融循環(huán)試驗(yàn)中闡述的現(xiàn)象，引入纖維混雜系數(shù)與增強(qiáng)系數(shù)［15］，定義強(qiáng)度損失隨纖維摻量情況變化的衰減系數(shù)為：

式（1）中：β3為摻入纖維后混凝土的強(qiáng)度損失衰減系數(shù)；F1為摻入纖維后混凝土的強(qiáng)度損失率；F2為素輕骨料混凝土的強(qiáng)度損失率。

混雜效應(yīng)應(yīng)考慮2種纖維在單一狀態(tài)下對水泥基材料作用的乘積，定義強(qiáng)度損失隨纖維摻量情況變化的混雜系數(shù)為：

式（2）中：α3為混雜纖維輕骨料混凝土強(qiáng)度損失隨纖維摻量情況變化的混雜系數(shù)；βef為混雜纖維輕骨料混凝土的強(qiáng)度衰減系數(shù)；βe為單摻鋼纖維輕骨料混凝土強(qiáng)度衰減系數(shù)；βf為單摻聚丙烯纖維輕骨料混凝土強(qiáng)度衰減系數(shù)。由混雜系數(shù)公式不難看出，當(dāng)α3≤1時為正混雜效應(yīng)，當(dāng)α3≥1時為負(fù)混雜效應(yīng)。表5列出了以LC30輕骨料混凝土為基準(zhǔn)，各組混雜纖維輕骨料混凝土的纖維體積率對應(yīng)的衰減系數(shù)和混雜系數(shù)。

表5 強(qiáng)度損失率和混雜系數(shù)Tab.5 Strength loss rate and hybrid coefficient

觀察表5中的強(qiáng)度損失率衰減系數(shù)和混雜系數(shù)，部分混雜系列組雖然衰減系數(shù)小于1，但是混雜系數(shù)卻大于1。說明混雜纖維雖然降低了素輕骨料混凝土的強(qiáng)度衰減系數(shù)，但是兩種纖維的混雜卻產(chǎn)生了負(fù)混雜效應(yīng)。這也體現(xiàn)了探討混雜系數(shù)所帶來的意義，不單看某一種纖維的作用，而是從整體來考慮他們的混雜效應(yīng)。當(dāng)兩種纖維混雜在一起時，混雜纖維所產(chǎn)生的作用大于兩種纖維單摻時作用的代數(shù)和時即為正混雜效應(yīng)，反之則為負(fù)混雜效應(yīng)。產(chǎn)生正負(fù)混雜效應(yīng)的原因有很多，如兩種不同尺寸的纖維在不同層面上相互協(xié)調(diào)、相互補(bǔ)充即可產(chǎn)生正混雜效應(yīng)；而負(fù)混雜效應(yīng)并不表示兩種纖維混雜對混凝土沒有改善作用。例如本次凍融循環(huán)試驗(yàn)中的Ssp8組、Ssp9組，雖然改善了混凝土的抗凍性能，但是卻產(chǎn)生了負(fù)混雜效應(yīng)，主要是因?yàn)槔w維較小的單絲直徑及纖維摻量過多之后導(dǎo)致的纖維間距較小，纖維間發(fā)生重疊，相互干擾。

3 結(jié) 語

1）在輕骨料混凝土中摻入適量的混雜纖維可提高混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，當(dāng)鋼纖維體積率為1.0%，聚丙烯纖維體積率為0.05%時，立方體抗壓強(qiáng)度最大為39.16 MPa，相較于對照組提高了17.92%。

2）鋼纖維對混凝土基體劈裂抗拉強(qiáng)度的提高尤其明顯。當(dāng)單摻鋼纖維體積率為1.5%，劈拉強(qiáng)度最大為4.77 MPa，相較于對照組提高了63.36%。向輕骨料混凝土中摻入混雜纖維可以有效改善混凝土基體的脆性，使基體由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐摹?/p>

3）當(dāng)鋼纖維體積率為1.0%、聚丙烯纖維體積率為0.15%時，50次凍融循環(huán)試驗(yàn)后混雜纖維輕骨料混凝土的強(qiáng)度損失率最低為1.79%，相較于對照組降低了68.92%。