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        鋼纖維摻量對(duì)超高性能混凝土性能影響的試驗(yàn)研究

        2020-05-30 05:29:22沈偉
        江蘇建材 2020年2期
        關(guān)鍵詞:漿體擴(kuò)散系數(shù)鋼纖維

        沈偉

        (南京市公共工程建設(shè)中心,江蘇 南京210019)

        0 引言

        超高性能混凝土 (Ultra-High Performance Concrete,簡(jiǎn)稱UHPC),通常指水膠比小于0.25 并具有超高力學(xué)性能、超高韌性、超長(zhǎng)耐久性、明顯應(yīng)變硬化行為的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料[1-3]。 依據(jù)最大密實(shí)度理論,通過(guò)優(yōu)化原材料顆粒級(jí)配,使得材料內(nèi)部缺陷降至最低。 由于其具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高韌、高抗?jié)B、高耐腐蝕、高抗爆和高抗電磁干擾等優(yōu)異性能,被廣泛應(yīng)用于橋梁、國(guó)防、核電以及海洋平臺(tái)等工程領(lǐng)域[4-5]。

        通過(guò)調(diào)整纖維種類及摻量以及規(guī)范的制備流程,探索系列化超高性能混凝土的制備技術(shù);研究纖維摻量對(duì)超高性能混凝土的新拌漿體性能、力學(xué)性能以及耐久性能的影響規(guī)律,探究不同強(qiáng)度等級(jí)UHPC 的力學(xué)行為與性能評(píng)價(jià)方法的差異性,以期對(duì)UHPC 工程推廣應(yīng)用提供參考指導(dǎo)。

        1 試驗(yàn)

        1.1 原材料

        預(yù)混料為江蘇蘇博特新材料股份有限公司提供,包括水泥、礦物摻合料、細(xì)骨料等組成的水泥基復(fù)合材料。 鋼纖維為平直型鋼纖維,物理力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。 減水劑為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑,其性能指標(biāo)如表2 所示。

        表1 鋼纖維物理力學(xué)性能指標(biāo)

        表2 聚羧酸減水劑性能指標(biāo)

        1.2 制備

        (1)試驗(yàn)配合比

        超高性能混凝土試驗(yàn)配合比如表3 所示,其中纖維摻量按體積分?jǐn)?shù)計(jì)算,鋼纖維摻量分別為基準(zhǔn)組0%、1.5%、2.0% 、2.5%和5.0%, 保持預(yù)混料、減水劑及水膠比不變。

        表3 超高性能混凝土試驗(yàn)配合比 kg/m3

        (2)成型工藝

        按設(shè)計(jì)攪拌容量稱取相應(yīng)的干混料、 減水劑、水、纖維,用擰干的濕布擦拭攪拌機(jī)內(nèi)表面及葉片,開(kāi)啟攪拌機(jī);向攪拌機(jī)加入預(yù)混料,攪拌1 min 左右,緩慢加入減水劑和水,攪拌至混凝土基體呈很好的流動(dòng)狀態(tài),均勻、緩慢加入鋼纖維繼續(xù)慢速攪拌1~3 min,出料。 將拌和好的超高性能混凝土平穩(wěn)地倒入試模中,分兩層盛滿試模,每層裝1/2,每層裝完后,插搗10 次,左右各震動(dòng)5 次,并用橡膠錘輕敲側(cè)模排除氣泡,最后刮平,再覆上塑料薄膜養(yǎng)護(hù)。成型后的試塊表面覆蓋薄膜,避免水分散失,帶模于(20±2) ℃、濕度≥70%的恒溫恒濕環(huán)境中靜停24 h,之后脫模,全部試塊投入蒸汽快速養(yǎng)護(hù)箱內(nèi),以15 ℃/h 的速率升溫至90 ℃,恒溫48 h,然后以15 ℃/h 的速率降至室溫,進(jìn)行后續(xù)各項(xiàng)測(cè)試。

        (3)測(cè)試方法

        混凝土擴(kuò)展度和含氣量容重測(cè)試均參照GB/T 50080—2016 《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行,抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量測(cè)試依據(jù)GB/T 50081—2019 《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)采用RCM 快速試驗(yàn)法,相關(guān)試驗(yàn)操作與測(cè)試符合GB/T 50082—2009 《普通混凝土長(zhǎng)期性能與耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定。

        單軸抗拉強(qiáng)度采用Instron-8803 電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試,測(cè)試試件尺寸及試驗(yàn)場(chǎng)景如圖1 所示。 加載方式采用外傳LVDT 位移傳感器控制,加載速率為0.5 mm/min,試驗(yàn)結(jié)束條件為荷載下降至峰值力值的95%。

        圖1 單軸抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 混凝土新拌性能

        圖2 為纖維摻量對(duì)超高性能混凝土新拌漿體擴(kuò)展度、含氣量以及容重等性能的影響規(guī)律。 從圖2(a)可以看出:少量的鋼纖維加入有利于混凝土漿體流動(dòng)性提升,但隨著鋼纖維摻量的增加,混凝土新拌漿體的擴(kuò)展度逐漸劣化,鋼纖維摻量5%時(shí)擴(kuò)展度最小。 相較1.5%摻量的UHPC,鋼纖維摻量體積分?jǐn)?shù)分別為2.0%、2.5%和5.0%時(shí),UHPC 的擴(kuò)展度分別降低了27.6%、29.3%和44.8%。 適量鋼纖維的加入增加了漿體內(nèi)摩擦力,有助于團(tuán)聚的膠凝材料分散,進(jìn)而提升漿體擴(kuò)展度。 高摻量纖維下新拌混凝土擴(kuò)展度大幅減低主要源自鋼纖維的相互團(tuán)聚、不易分散,在UHPC 的實(shí)際配制過(guò)程中,應(yīng)該合理選擇鋼纖維的摻量,以保證纖維的充分分散而提高其使用效率。從圖2(b)可以看出:鋼纖維的加入對(duì)UHPC 含氣量影響較小, 其含氣量大小主要受膠凝材料控制,與鋼纖維的關(guān)系不大;UHPC 漿體容重與鋼纖維摻量呈正相關(guān), 鋼纖維摻量越高容重越大,5%體積摻量下漿液容重達(dá)到2 550 kg/m3以上。

        圖2 超高性能混凝土新拌漿體性能測(cè)試

        2.2 力學(xué)性能

        2.2.1 抗壓強(qiáng)度

        圖3 為纖維摻量對(duì)UHPC 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果走勢(shì)圖, 圖4 為UHPC 立方體抗壓強(qiáng)度與軸心抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖。 從圖3 可以看出,在合理的纖維摻量范圍內(nèi), 纖維對(duì)UHPC 抗壓強(qiáng)度提升效果較為明顯, 混凝土抗壓強(qiáng)度Y1與鋼纖維體積摻量X 呈正比,采用線性函數(shù)進(jìn)行曲線擬合,擬合結(jié)果如下:

        圖3 所示實(shí)線為擬合曲線,由圖3 可知試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)與擬合曲線走勢(shì)比較接近, 擬合較好,說(shuō)明通過(guò)調(diào)控纖維體積摻量即可實(shí)現(xiàn)系列化超高性能混凝土的制備,摻入的鋼纖維在混凝土漿體中異向分布,能夠有效地阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展及宏觀裂縫的形成, 顯著改善混凝土的力學(xué)性能。但高摻量的纖維在漿體中易團(tuán)聚而無(wú)法發(fā)揮增強(qiáng)增韌作用。保證纖維的充分分散是提高混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵。 由圖4 可知,UHPC 抗壓強(qiáng)度因試塊尺寸的差異而存在顯著的尺寸效應(yīng),其軸心抗壓強(qiáng)度Y2隨立方體抗壓強(qiáng)度Y1單調(diào)增長(zhǎng),通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)曲線擬合,擬合結(jié)果如下:

        圖3 纖維摻量對(duì)立方體抗壓強(qiáng)度影響

        圖4 立方體強(qiáng)度與軸心抗壓強(qiáng)度關(guān)系

        2.2.2 抗彎強(qiáng)度及彈性模量

        圖5 為UHPC 抗彎強(qiáng)度隨纖維摻量變化曲線,由圖5 可知,混凝土抗彎強(qiáng)度Y3隨纖維摻量X線性增長(zhǎng),擬合結(jié)果為:

        纖維對(duì)UHPC 抗彎強(qiáng)度的顯著增強(qiáng)效果來(lái)源于纖維與基體的橋接作用,在混凝土加載作用下,當(dāng)超過(guò)基體的極限承載能力時(shí), 混凝土構(gòu)件開(kāi)始出現(xiàn)裂紋, 此時(shí)纖維與漿體之間有較強(qiáng)的粘結(jié)作用而阻止裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展,從而提高其極限抗彎強(qiáng)度。但混凝土抗彎強(qiáng)度的提高主要是受利于垂直于荷載方向纖維的連接作用, 而與平行于荷載方向的纖維關(guān)系不大。因此,在混凝土澆筑過(guò)程中應(yīng)該從模具中間向兩端橫向澆筑,保證纖維的橫向分布。圖6 為纖維摻量對(duì)UHPC 靜彈性模量的影響,由圖6 可知,纖維摻量對(duì)UHPC 彈性模量提升效果并不明顯, 彈性模量的變化在2~3 GPa 范圍內(nèi)波動(dòng), 說(shuō)明無(wú)法通過(guò)提高纖維摻量來(lái)提升混凝土的彈性模量值。

        圖5 纖維摻量對(duì)UHPC 抗彎強(qiáng)度影響

        圖6 纖維摻量對(duì)UHPC 彈性模量影響

        2.2.3 抗拉強(qiáng)度

        混凝土抗拉強(qiáng)度主要通過(guò)劈裂抗拉強(qiáng)度和單軸抗拉強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)。 圖7(a)、7(b)為纖維摻量對(duì)UHPC 抗拉強(qiáng)度影響規(guī)律, 其中劈拉強(qiáng)度Y4與纖維體積摻量X 的擬合結(jié)果為:

        由圖7 可知, 混凝土劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較小,纖維摻量與劈拉強(qiáng)度有較好的匹配關(guān)系;而單軸抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較大, 在相同的纖維摻量下, 不同試塊之間單軸抗拉強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)差異較大, 力學(xué)性能與纖維摻量的擬合方程式相關(guān)系數(shù)較低。 因此,在評(píng)價(jià)UHPC 抗拉強(qiáng)度時(shí),采用劈拉強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法較為可靠方便, 而采用單軸抗拉強(qiáng)度評(píng)價(jià)受試塊澆筑及受力加載操作影響較大。 不規(guī)范漿體澆筑常常導(dǎo)致纖維取向發(fā)生改變,從而降低纖維的有效利用率。 此外,單軸抗拉強(qiáng)度采用的“狗骨頭”試件,在試塊受力加持過(guò)程中,試件端部容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,試塊邊緣斷裂面位于變截面而非處直拉區(qū)域內(nèi), 影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

        圖7 纖維摻量對(duì)UHPC 抗拉強(qiáng)度影響

        2.3 耐久性能

        采用RCM 快速試驗(yàn)法測(cè)試超高性能混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)評(píng)價(jià)其耐久性能。 表4 為剔除鋼纖維后UHPC 氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),UHPC 基于DSP (Densified System with ultra-fine Particles)理論制備而成,各組分的緊密堆積實(shí)現(xiàn)了基體的高強(qiáng)化、致密化,并因此具有優(yōu)異的耐久性能,由表4可知,UHPC 氯離子擴(kuò)散系數(shù)僅為2.6×10-14m2/s,與普通混凝土相比低2 個(gè)數(shù)量級(jí)。 圖8 為UHPC氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)后試塊內(nèi)部剖面圖,由圖8 可知, 噴射硝酸銀顯色試劑后UHPC 基體顯色深度較淺,在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下只有表面薄薄的一層受到鹽溶液滲透;由于基體抗壓強(qiáng)度大、結(jié)構(gòu)密實(shí),內(nèi)部缺陷少、孔隙率小,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的通電測(cè)試,其顯色深度仍未超過(guò)10 mm。

        表4 UHPC 氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        圖8 UHPC 氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試試塊剖面

        3 結(jié)語(yǔ)

        (1)控制纖維體積摻量在1.5%~5.0%時(shí),可實(shí)現(xiàn)系列化UHPC 制備; 隨著鋼纖維摻量的增加,UHPC 新拌漿體擴(kuò)展度及容重顯著增加,5%摻量鋼纖維下,擴(kuò)展度降低44.8%、容重達(dá)到2 550 kg/m3,但鋼纖維摻量對(duì)漿體含氣量影響較小。

        (2)UHPC 的各項(xiàng)力學(xué)性能均隨著鋼纖維摻量的增加而有不同程度的提高,其中抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度與鋼纖維摻量呈正相關(guān),靜彈性模量與鋼纖維摻量無(wú)明顯作用關(guān)系,即鋼纖維通過(guò)與基體之間超強(qiáng)的橋接作用達(dá)到基體增強(qiáng)增韌效果,但輕微影響混凝土剛度。

        (3)系列化UHPC 抗壓強(qiáng)度均有明顯的尺寸效應(yīng); 混凝土拉伸性能與試件的尺寸及加載方式有關(guān),劈拉抗拉評(píng)價(jià)方法數(shù)據(jù)離散性小,而單軸抗拉評(píng)價(jià)方法試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性高, 結(jié)果準(zhǔn)確獲取難度大。 本實(shí)驗(yàn)制備的UHPC 氯離子擴(kuò)散系數(shù)低于普通混凝土2 個(gè)數(shù)量級(jí),具有較好的耐久性能,可滿足超高強(qiáng)、高耐久的性能要求。

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