顧廣娟

(安徽新華學(xué)院 土木與環(huán)境工程系，安徽 合肥 230088)

自密實(shí)混凝土是一種具備良好穩(wěn)定性、流動(dòng)性、均勻性的混凝土，不施加外力作用就能均勻流動(dòng)達(dá)到密實(shí)的效果，在流動(dòng)過程中始終保持不離析的特性，是混凝土材料中性能最好的一種材料?；炷恋淖悦軐?shí)特性，是指在澆筑過程中沒有經(jīng)過振搗作用也能均勻填滿模板。鋼纖維混凝土是一種通過在混凝土中摻入鋼纖維材料而形成的復(fù)合型材質(zhì)，鋼纖維混凝土與普通混凝土相比，前者摻入了鋼纖維，能夠有效增加混凝土的韌性，增強(qiáng)混凝土的抗拉、抗裂性能，還能增強(qiáng)抗疲勞、抗沖擊性能。

由于鋼纖維的存在，從微觀機(jī)制上改良了混凝土的力學(xué)性能，并且可以實(shí)現(xiàn)按使用要求設(shè)計(jì)材料，其具備的優(yōu)良性能被工程行業(yè)廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究和應(yīng)用中，采用了較小的鋼纖維體積率，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)混凝土力學(xué)性能的提升作用不顯著。對(duì)自密實(shí)混凝土的研究情況來看，大量研究都是以普通混凝土為主，對(duì)鋼纖維自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能和抗壓強(qiáng)度的綜合研究較少。因此，本文采用J-環(huán)試驗(yàn)和坍落流動(dòng)度試驗(yàn)對(duì)鋼纖維混凝土的工作性能進(jìn)行研究，對(duì)自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)，探討鋼纖維摻量、混凝土成型方式、鋼纖維體積率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

(1)水泥：在鋼纖維混凝土性能試驗(yàn)中，應(yīng)選擇硅酸鹽水泥，水泥質(zhì)量達(dá)到了國(guó)家相關(guān)規(guī)定，滿足施工要求，本試驗(yàn)中選取普通硅酸鹽水泥作為試驗(yàn)原材料。

(2)粗骨料：在鋼纖維混凝土性能試驗(yàn)中，應(yīng)選擇采用粉碎型碎石進(jìn)行試驗(yàn)，粒徑最大為20mm，空隙率小于40%最佳，針片狀材料含量低于10%，粉碎型碎石的雜質(zhì)含量較少，材質(zhì)較為堅(jiān)硬，因此將粉碎型碎石作為試驗(yàn)原材料。

(3)細(xì)骨料：在鋼纖維混凝土性能試驗(yàn)中，應(yīng)選用含泥量不超過1%的粗砂或中砂，本試驗(yàn)選用了級(jí)配良好的河砂作為細(xì)骨料。

(4)水：用于鋼纖維混凝土試驗(yàn)的水，應(yīng)滿足《混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)，本試驗(yàn)將飲用水作用實(shí)驗(yàn)原材料。

(5)活性摻合料：在鋼纖維混凝土性能試驗(yàn)中，應(yīng)選用符合混凝土抗離析性的特征，例如磨細(xì)礦粉、粉煤灰或硅灰，也可以使用多種類型。本試驗(yàn)使用一級(jí)粉煤灰作為試驗(yàn)原材料。

(6)鋼纖維：本試驗(yàn)使用了切斷型鋼纖維作為試驗(yàn)原材料，鋼纖維直徑為0.7mm，長(zhǎng)度為32mm。

(7)高效減水劑：在進(jìn)行自密實(shí)混凝土性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，減水劑的使用十分重要，能夠保證混凝土具有加強(qiáng)的流動(dòng)性，還能減少用水量，本試驗(yàn)中選取聚羧酸減水劑作為試驗(yàn)材料。

1.2 鋼纖維自密實(shí)混凝土配合比方案設(shè)計(jì)

目前，主要有四種設(shè)計(jì)自密實(shí)混凝土配合比的方法，即固定沙石體積含量方法、正交試驗(yàn)方法、直接計(jì)算法、經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)方法。本文試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)采用固定沙石體積含量法來確定混凝土配合比，該方法的原理為：首先對(duì)石子松堆體積進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)砂的體積含量來計(jì)算砂漿、石子和砂子的含量，然后根據(jù)所使用的膠凝材料的數(shù)量以及水膠比例來計(jì)算出最終各材料的使用量。直接計(jì)算法主要是根據(jù)高性能混凝土的配合比計(jì)算法來確定原材料的含量。與普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法不同，鋼纖維混凝土配合比方案的確定更為復(fù)雜，需要進(jìn)行多次反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，并且要求最終的方案具備較高的工作性能，因此在設(shè)計(jì)方案時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定，使用正確的技術(shù)來設(shè)計(jì)鋼纖維混凝土配合比，從而確定滿足工作性能的情況下的最佳原材料比例。本試驗(yàn)通過對(duì)自密實(shí)混凝土原料進(jìn)行多次試配，設(shè)計(jì)了以下幾種混凝土的配合比，如表1所示。

表1 部分鋼纖維自密實(shí)混凝土配合比

1.3 鋼纖維自密實(shí)混凝土拌合方法

鋼纖維自密實(shí)混凝土因?yàn)榧尤肓虽摾w維，尤其是加入的鋼纖維較多時(shí)，混凝土的攪拌過程就顯得非常重要了，若是攪拌方式不當(dāng)，會(huì)大大降低鋼纖維的分散度，影響混凝土的性能。本文選取30 L強(qiáng)制式攪拌機(jī)，攪拌方法如下：首先把水泥、細(xì)骨料和煤炭灰投入攪拌機(jī)，攪拌時(shí)間設(shè)定為30 s；然后再加入粗骨料和水，繼續(xù)攪拌1min以上；再緩緩倒入減水劑，攪拌1min；最后一邊攪拌一邊加入鋼纖維，繼續(xù)攪拌約3min后出料。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 工作性能測(cè)試方法

自密實(shí)混凝土的流變性是會(huì)改變的，隨放置時(shí)間長(zhǎng)短而發(fā)生變化，其流變性能和動(dòng)態(tài)特性無法通過傳統(tǒng)的靜態(tài)實(shí)驗(yàn)描述出來，本文是采用J-環(huán)試驗(yàn)和坍落流動(dòng)度試驗(yàn)對(duì)鋼纖維自密實(shí)混凝土拌合物的工作性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

進(jìn)行J-環(huán)試驗(yàn)，選用的儀器主要有：J環(huán)儀、硬質(zhì)不吸水平板、坍落度筒。試驗(yàn)方法如下：先將硬質(zhì)平板放在堅(jiān)硬的水平地面上，將坍落度筒及底板用水潤(rùn)濕，但坍落度筒內(nèi)壁及底板上不能有明顯水滴，將坍落度筒放在J-環(huán)中央并一起置于平板的正中，具體操作步驟和坍落流動(dòng)度試驗(yàn)類似。最后在擴(kuò)展后的混凝土相互垂直的方向上選取兩個(gè)最大直徑，用鋼尺測(cè)量其值，再算出平均值，再從不同的方向測(cè)量J-環(huán)內(nèi)混凝土的高度，并進(jìn)行做差。以此來評(píng)判鋼纖維自密實(shí)混凝土通過鋼筋間隙的可能性。

進(jìn)行坍落流動(dòng)度試驗(yàn)，選用儀器主要有坍落度筒、質(zhì)地堅(jiān)硬且不吸水的光滑正方形平板(邊長(zhǎng)為1m，最大撓度<4mm，在平板表面標(biāo)出中心位置的坍落度筒和再以中心為圓心劃出直徑分別為50，60，70，80，90cm的同心圓)、秒表、鋼尺、鏟子等。實(shí)驗(yàn)方法如下：用水潤(rùn)濕底板和坍落度筒，然后將底板置于堅(jiān)實(shí)的水平地面上，把坍落度筒放在的底板中心位置，然后進(jìn)行裝料。在裝料操作時(shí)，用鏟子加料，每次約加入筒體的1/3，中間間隔30s，期間不用振搗。完成裝料后，用鏟刀抹平，清除灑落底板的混凝土。然后垂直向上，雙手平穩(wěn)的提起坍落度筒(提起過程應(yīng)在6s內(nèi)完成)，使混凝土從筒內(nèi)自由流出。在提起坍落度筒時(shí)用秒表開始計(jì)時(shí)，在混凝土散流到50cm圓圈時(shí)停止計(jì)時(shí)，這個(gè)時(shí)間記為T500流動(dòng)時(shí)間，用這個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)來評(píng)價(jià)混凝土的粘度。在混凝土停止流動(dòng)后，用鋼尺測(cè)出混凝土的最大擴(kuò)展直徑記為D1，測(cè)出與最大直徑D1垂直方向的擴(kuò)散直徑，記為D2，計(jì)算兩組直徑的平均值，就是該混凝土的坍落擴(kuò)展度。用這個(gè)試驗(yàn)方法可大致測(cè)出鋼纖維自密實(shí)混凝土的自流平性能和填充性能。

1.4.2 自密實(shí)混凝土抗壓試驗(yàn)

在抗壓試驗(yàn)中，分別使用了0.6%、0.9%、1.2%的鋼纖維體積率，選用機(jī)械振搗和自密實(shí)成型兩種方式對(duì)鋼纖維混凝土進(jìn)行澆筑，選取了立方體試塊對(duì)鋼纖維混凝土進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，立體方塊的邊長(zhǎng)為100mm，根據(jù)力學(xué)性能試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及要求來制作試塊，通過使用該試塊來測(cè)量鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 鋼纖維自密實(shí)混凝土的工作性能

2.1.1 J-環(huán)試驗(yàn)

通過采用J-環(huán)試驗(yàn)分析鋼纖維摻量對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土產(chǎn)生的影響，結(jié)果如圖1。

圖1 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的J環(huán)試驗(yàn)值

由圖1可知，混凝土強(qiáng)度等級(jí)一樣時(shí)，鋼纖維摻量越大，試驗(yàn)值就越大，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越大，鋼纖維摻量增加的幅度越小，C30、C40、C50增加的幅度依次為20%、13%、8%，表明強(qiáng)度等級(jí)越低，鋼纖維摻量對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生的影響就越大，隨著鋼纖維的摻入，拌合物間隙流通效果就越差。其主要原因在于在自密實(shí)混凝土摻入鋼纖維會(huì)降低其流動(dòng)性，使混凝土內(nèi)部的應(yīng)力變大，如果混凝土經(jīng)過攔截平面時(shí)就會(huì)出現(xiàn)堵塞。當(dāng)鋼纖維摻量相同時(shí)，試驗(yàn)值會(huì)隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增加而減小，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因在于當(dāng)強(qiáng)度等級(jí)越高時(shí)，混凝土中水、灰所占比例較小，使得拌合物中間隙流通的效果就越差。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，自密實(shí)混凝土的性能隨著鋼纖維摻量的增多而降低，鋼纖維的摻入對(duì)混凝土工作性能有著較為明顯的影響，在坍落流動(dòng)度試驗(yàn)中工作性能最低的是鋼纖維摻量為0.6%時(shí)、強(qiáng)度等級(jí)為C50的自密實(shí)混凝土，但其流動(dòng)時(shí)間指標(biāo)和坍落擴(kuò)展度都達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)中內(nèi)外差最大不超過7mm，在自密實(shí)混凝土的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，因此，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的自密實(shí)混凝土配合比滿足施工標(biāo)準(zhǔn)和要求，并且工作性能較好。

2.1.2 坍落流動(dòng)度試驗(yàn)

由表2可知，自密實(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)一樣時(shí)，T500流出時(shí)間會(huì)隨著鋼纖維摻入量的增加而增加，該結(jié)果表明鋼纖維降低了混凝土的流動(dòng)性能，對(duì)混凝土黏度產(chǎn)生了影響。試驗(yàn)結(jié)果還表明，與基準(zhǔn)組相比，C40強(qiáng)度等級(jí)的混凝土T500流出時(shí)間增加了2s，而C30、C50強(qiáng)度的混凝土在鋼纖維摻量為0.6%的情況下，兩種強(qiáng)度的混凝土T500流出時(shí)間增加了1s，表明在較高或較低的混凝土中，自密實(shí)混凝土中的水灰比例對(duì)黏度影響較大，鋼纖維對(duì)其影響較小。

表2 T500試驗(yàn)值

圖2為不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土坍落擴(kuò)展度與鋼纖維摻量的變化圖。由圖可知，鋼纖維摻入量越多，C30、C40、C50強(qiáng)度的自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度迅速降低，變化的幅度依次為8.2%、7.4%、6.9%，該結(jié)果表明在混凝土中摻入鋼纖維會(huì)導(dǎo)致填充性能降低，鋼纖維摻入量保持不變時(shí)，坍落擴(kuò)展度會(huì)隨著流動(dòng)時(shí)間的增加和基體強(qiáng)度的上升呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì)，而基體強(qiáng)度越小時(shí)，混凝土工作性能受到的鋼纖維摻入影響就越大。主要是因?yàn)榛炷恋牧鲃?dòng)性會(huì)隨著強(qiáng)度等級(jí)的增加而降低。

圖2 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土坍落擴(kuò)展度與鋼纖維摻量的變化

2.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 鋼纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

鋼纖維摻量對(duì)試件的最終破壞形態(tài)有較大的影響，普通自密實(shí)混凝土在遭受過大應(yīng)力時(shí)，破壞過程表現(xiàn)為先開裂再沿裂縫坍落、破碎。但鋼纖維自密實(shí)混凝土中由于有鋼纖維的均勻分布，起到了橋接作用，大大提高了強(qiáng)度，即使被較大應(yīng)力破壞，最后也是裂而不散，各類混凝土的具體受壓破壞特征如下：①?zèng)]有摻雜鋼纖維的混凝土?xí)a(chǎn)生不規(guī)則的裂紋，并蔓延整個(gè)試件，且受壓面被壓碎；②鋼纖維摻量0.2%的混凝土側(cè)面有出現(xiàn)斜裂縫，混凝土沿裂縫脫落；③鋼纖維摻量0.4%的混凝土側(cè)面出現(xiàn)輕微45°斜裂縫，混凝土并無明顯剝落；④鋼纖維摻量0.6%的混凝土沒有出現(xiàn)明顯的45°斜裂縫，無混凝土脫落，受破壞后試件仍保持較好的完整性。

表3為鋼纖維自密實(shí)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度變化，由表可知，在同樣的混凝土中摻入鋼纖維的量慢慢增加，試件的抗壓強(qiáng)度也會(huì)慢慢變大，因?yàn)殇摾w維的摻量越大，鋼纖維所起到的橋接作用就越強(qiáng)，混凝土的完整性也越好，在受壓時(shí)橫向分力承載變強(qiáng)，其抗壓強(qiáng)度得到提高，宏觀表現(xiàn)為混凝土受壓不易破碎。在鋼纖維摻量固定為0.2%時(shí)，增大混凝土強(qiáng)度等級(jí)，試件抗壓強(qiáng)度與同等級(jí)混凝土相比，增量分別為0.57%，1.30%，1.59%。試驗(yàn)表明，摻雜鋼纖維對(duì)高強(qiáng)度的混凝土抗壓強(qiáng)度得改善更加可觀，原理在于鋼纖維對(duì)混凝土的橋接作用力的大小主要取決于鋼纖維與混凝土的結(jié)合程度，結(jié)合越緊密，強(qiáng)度便會(huì)更高。摻入鋼纖維一方面可以約束混凝土在受壓時(shí)的橫向膨脹，阻止破壞過程，增大抗壓強(qiáng)度，但是當(dāng)混凝土的自身強(qiáng)度較低時(shí)，摻入鋼纖維只會(huì)使混凝土界面薄弱層變多，這時(shí)的鋼纖維與基體混凝土的結(jié)合程度較低，不能有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，如果基體混凝土強(qiáng)度較高，鋼纖維與混凝土的結(jié)合更加緊密，混凝土的抗壓強(qiáng)度就會(huì)大幅提高，這時(shí)摻量越大，強(qiáng)度也會(huì)更高，整體性也會(huì)更強(qiáng)。C30自密實(shí)混凝土相較于C50自密實(shí)混凝土，它的基體強(qiáng)度較低，所以試驗(yàn)得出摻雜鋼纖維對(duì)C50自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的增幅要比C30大得多。

表3 鋼纖維自密實(shí)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度

2.2.2 成型方式對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

表4 成型方式對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

為分析不同成型方式對(duì)自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，本文以C30為例，采用機(jī)械振搗和自密實(shí)成型兩種方法并分析兩種成型方式的抗壓強(qiáng)度，見表4。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)采用機(jī)械振搗的方式比采用自密實(shí)成型對(duì)自密實(shí)混凝土的影響更大。對(duì)于自密實(shí)混凝土，兩種方式形成的混凝土抗壓強(qiáng)度比為0.93，說明不同成型方式對(duì)于自密實(shí)混凝土的影響不大。對(duì)于鋼纖維自密實(shí)混凝土，當(dāng)鋼纖維體積率為0.6%時(shí)，采用振搗成型和采用自密實(shí)成型的混凝土抗壓強(qiáng)度比為1.18，當(dāng)鋼纖維體積率為0.9%時(shí)，采用振搗成型和采用自密實(shí)成型的混凝土抗壓強(qiáng)度比為1.09，結(jié)果表明采用振搗方式成型更有利于自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的提升。

值得注意的是，在較大的纖維體積率的情況下，使用振搗成型的方法不一定讓鋼纖維分布均勻，對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度沒有太大影響，必須增加砂漿來提升混凝土的密實(shí)性。

2.2.3 鋼纖維體積率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 鋼纖維體積率對(duì)抗壓強(qiáng)度比的影響

試驗(yàn)通過分析鋼纖維體積率對(duì)自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)鋼纖維體積率越大，自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度在整體呈現(xiàn)出一定的上升趨勢(shì)，如圖3所示。

從圖3可以看出，自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度在1～1.21范圍內(nèi)變化，自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的變化不明顯，此時(shí)鋼纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響較小，該結(jié)果與普通鋼纖維混凝土的抗壓試驗(yàn)結(jié)果相似。

3結(jié)語

試驗(yàn)通過在自密實(shí)混凝土中摻入鋼纖維，分析了鋼纖維對(duì)混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土工作性能會(huì)隨著鋼纖維摻入量的增加而降低，但是如果設(shè)計(jì)合理正確的原材料配合比和攪拌方式，也能設(shè)計(jì)出符合施工標(biāo)準(zhǔn)的自密實(shí)混凝土。在試驗(yàn)中，自密實(shí)混凝土中水灰的比例對(duì)黏度的影響較大，不同等級(jí)強(qiáng)度的鋼纖維對(duì)其幾乎沒有影響，但是強(qiáng)度越低，鋼纖維對(duì)密實(shí)性混凝土的工作性能影響越顯著，鋼纖維摻入量越大，間隙通過性能逐漸降低，強(qiáng)度等級(jí)越低，采用振搗方式成型更有利于自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的提升，鋼纖維摻量對(duì)其影響作用越顯著，鋼纖維體積率越大，自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度在整體上呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。