張曉東，王中攀，王紅梅,*，叢宇婷，金明山

(1.黑龍江省隆業(yè)水利水電工程建設(shè)有限公司，哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué) a.建筑工程學(xué)院，b.黑龍江省村鎮(zhèn)飲水安全工程技術(shù)研究中心，哈爾濱 150080；3.黑龍江農(nóng)墾現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程設(shè)計有限公司,哈爾濱 150090)

0 引 言

輕質(zhì)混凝土密度小、具有較高的抗壓強度、良好的保溫隔音效果和抗凍性能等。鋼纖維混凝土(簡稱SFRC)是在混凝土中均勻地摻入適量鋼纖維而得到的一種性能優(yōu)良且應(yīng)用廣泛的新型復(fù)合材料[1]，彌補了普通混凝土在抗拉強度、抗彎強度和抗剪強度等的不足，同時也提高了普通混凝土的沖擊韌性和抗疲勞性能。鋼纖維混凝土由于具有良好的性能，其在世界有廣泛的應(yīng)用，特別是土木和水利水電領(lǐng)域，像隧洞襯砌和護坡，路面、橋面和機場跑道，橋梁結(jié)構(gòu)和鐵路軌枕，水工建筑物，港口與海洋工程，建筑結(jié)構(gòu)和制品以及耐火工程等[2]。但是，鋼纖維的摻入會降低混凝土的泵送性能。選擇鋼纖維增強混凝土?xí)r，應(yīng)降低鋼纖維對混凝土工作性能的影響[3]。

2005年Duzgun O A等[4]發(fā)現(xiàn)在輕骨料混凝土中摻入鋼纖維的比例不斷增加會顯著改變混凝土的抗彎性強度，與不摻入鋼纖維的輕骨料混凝土相比抗彎強度提高120%。2009年Mohammadi Y等[5]的研究結(jié)果表明，在2.0%體積分數(shù)下，含100%長纖維的混凝土在沖擊荷載作用下表現(xiàn)最佳。2011年Ayan E等[6]發(fā)現(xiàn)除鋼纖維外，研究主要因素均對鋼纖維增強高強度混凝土的抗壓強度有顯著影響，而年齡和黏結(jié)劑類型則是最重要的因素。2012年Cao D G等[7]研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維可以顯著提高輕質(zhì)混凝土的抗沖擊性和輕質(zhì)混凝土的彎曲強度與沖擊能之間呈對數(shù)關(guān)系。2015年Shahid I等[8]研究發(fā)現(xiàn)，隨著鋼纖維含量從0%增加到1.25%，抗壓強度降低約12%，抗拉強度和抗折強度分別提高37%和110%，而彈性模量保持不變。Erhan通過對冷黏結(jié)粉煤灰輕骨料混凝土的斷裂拉伸強度和彎曲強度不僅受鋼纖維影響，同時還受到粉煤灰含量的影響。2017年Li J J等[9]提出了提高輕質(zhì)混凝土彎曲韌性的最佳鋼纖維含量。2018年Zhao M L等[10]提出了預(yù)測鋼纖維頁巖輕質(zhì)混凝土彎曲強度的數(shù)學(xué)模型。2019年Li J J等[11]發(fā)現(xiàn)對鋼纖維輕質(zhì)混凝土單軸壓縮的微觀破壞機理。Zheng X Y等[12]研究發(fā)現(xiàn)，添加鋼纖維可顯著降低輕質(zhì)混凝土的拉伸基本蠕變和自發(fā)收縮率，并且它們隨鋼纖維含量的增加而降低。

盡管很多學(xué)者在研究輕質(zhì)混凝土，但是對于以浮石為粗骨料的混凝土研究還很少，本試驗主要研究鋼纖維摻量對鋼纖維輕質(zhì)混凝土(粗骨料為浮石)抗折強度的影響。

1 試驗材料和方案

1.1 試驗材料及性能

1)粗骨料：浮石，浮石的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成見表1。 2)細集料：采用天然中粗河砂，飽和面干吸水率為3.8%，其細度模數(shù)為2.79，含泥量2.5%。 3)水泥：采用天鵝牌P.O 42.5復(fù)合硅酸鹽水泥，其物理性能試驗成果見表2。4)摻合料：粉煤灰和硅粉。粉煤灰選用黑龍江雙達電力設(shè)備有限公司的Ⅰ級灰，其化學(xué)成分見文獻[13]。硅粉：選用意通微硅粉有限公司生產(chǎn)的硅粉，表面積為18 m2/kg，其化學(xué)成分見文獻[14]。 5)外加劑：選用黑龍江低溫科學(xué)研究所生產(chǎn)的高效減水劑，其減水率為25%左右。 6)鋼纖維: 建筑用波浪形剪切鋼纖維，長度為 30 mm，當量直徑0.5 mm，長徑比為 60，抗拉強度為2 850 MPa，截面形狀為矩形。 7)水：選用哈爾濱民用自來水。

表1 浮石化學(xué)組成

表2 水泥物理力學(xué)性能試驗成果

1.2 試驗方案

本次試驗研究3種鋼纖維摻量(0.5%、1.0%、1.5%)對由不同水灰比(0.40、0.45、0.50)和不同砂率(0.45、0.50、0.55)制成的輕質(zhì)混凝土試塊抗折強度的影響。采用正交試驗，共做10組試驗，其中1組為對照組，每組制作3個平行試件，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，在標準養(yǎng)護條件下(溫度為20±2 ℃，相對濕度95%以上)養(yǎng)護28 d后利用MTS萬能試驗機測定其抗折強度。

2 數(shù)據(jù)分析

參照《GBT 50081-2019混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》，彎曲抗折強度計算公式為

(1)

式中:fft,m為鋼纖維輕骨料混凝土的抗折強度,MPa；Pmax為最大荷載，N；l為支座間距，mm；b為試件截面寬度，mm；h為試件截面高度，mm。

鋼纖維輕骨料混凝土抗折強度的試驗結(jié)果見表3。通過極差分析表(表4)可得出，鋼纖維對增強試件的抗折強度貢獻最大，水灰比次之，砂率最小。究其原因，砂率主要影響骨料的比表面積和混凝土材料的和易性，提供不了較強的膠結(jié)能力，并且在試件破壞時細集料由于顆粒很小，應(yīng)力集中現(xiàn)象主要發(fā)生在細集料的顆粒與顆粒之間，細集料對混凝土抗折強度的影響很小。鋼纖維與粗骨料和細集料相比，具有更高的屈服強度。鋼纖維混凝土在受荷的初期，混凝土和鋼纖維共同作用，共同承擔(dān)荷載[15],當鋼纖維混凝土開裂以后，鋼纖維跨越裂縫避免了裂縫快速擴展，這充分保障了混凝土的抗拉性能[16]，從微觀層面分析，當混凝土受到外力作用時，粗細骨料產(chǎn)生移動趨勢或位移，鋼纖維的存在有效阻止了位移，并將應(yīng)力傳遞到相鄰骨料顆粒，降低了裂縫產(chǎn)生[17-18]。因此鋼纖維對于試件抗折強度的提高具有更好的增強作用。

表3 28 d齡期的鋼纖維輕質(zhì)混凝土的抗折強度試驗結(jié)果

表4 極差分析

相對于不摻加鋼纖維的試件，鋼纖維摻量為0.5%的試件抗折強度提高了0.12 MPa，鋼纖維摻量為1.0%的試件提高了0.62 MPa，鋼纖維摻量為1.5%的試件提高了1.29 MPa?？拐蹚姸蠕摾w維摻量為1.5%是摻量為0.5%的10倍，摻量為1.0%的2倍?？梢?，在鋼纖維摻量為0.5%～1.5%時，鋼纖維體積摻量越高，輕質(zhì)混凝土的抗折強度越高，在鋼纖維摻量為1.5%時，試件的平均抗折強度為3.82 MPa，是對照組的1.5倍，最高為4.07 MPa，是對照組的1.6倍。

通過1、4和7組試驗的對比發(fā)現(xiàn)，在鋼纖維體積摻量不變情況下，抗折強度隨水灰比和砂率的增加先增大后減小。9組實驗中，抗折強度最大值出現(xiàn)在第3組試驗中，此時鋼纖維摻量為1.5%，水灰比為0.40(為最小水灰比)，砂率為0.55(為最大砂率)，可見增加水灰比并不一定增加輕質(zhì)混凝土的抗折強度，為使輕質(zhì)混凝土有最高的抗折強度要適當提高鋼纖維體積摻量，控制水灰比和砂率。

3 結(jié) 論

1)水灰比為0.40、0.45和0.50，砂率為0.45、0.50和0.55，抗折強度隨水灰比和砂率的增加先增大6%后減小2%。當水灰比為0.40時，隨砂率及鋼纖維摻量的增加，抗折強度分別增加了22%和53%；當水灰比為0.50，砂率為0.50，鋼纖維摻量從0.5%增加到1.5%時，其試件抗折強度提高了31%。鋼纖維摻量為0.5%～1.5%時，試件的平均抗折強度為3.82 MPa，提高抗折強度1.5倍。

2)試驗對比發(fā)現(xiàn)，鋼纖維摻量最大1.5%，水膠比最小為0.40，砂率最大為0.55，輕質(zhì)混凝土的抗折強度提高58%，增強輕質(zhì)混凝土的抗折強度可通過提高鋼纖維體積摻量，較小水灰比和較大砂率實現(xiàn)。相對于水灰比和砂率，鋼纖維摻量對輕質(zhì)混凝土的抗折強度影響更大。

3)鋼纖維摻入混凝土可明顯增強輕質(zhì)混凝土的延性性能，對阻止混凝土的脆性破壞起到了積極作用；鋼纖維混凝土不同程度加大了的強度硬化；鋼纖維對輕質(zhì)混凝土的殘余荷載及殘余強度提高發(fā)揮了重要作用；輕質(zhì)混凝土的抗折強度硬化明顯，鋼纖維抗拉性能得以發(fā)揮；鋼纖維混凝土受彎作用下，鋼纖維輕質(zhì)混凝土具有良好的韌性和延性。