海 然，劉 盼，楊艷蒙，劉俊霞

(中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450007)

自密實(shí)混凝土(SCC)具有較高的流動(dòng)性、均勻性和穩(wěn)定性，澆筑時(shí)無(wú)需外力振搗就能夠在自重作用下流動(dòng)并充滿模板空間，因其良好的工作性能而被廣泛應(yīng)用于形狀復(fù)雜、配筋密集的結(jié)構(gòu)之中.為滿足SCC高流動(dòng)性且不離析、不泌水的要求，相同強(qiáng)度等級(jí)的SCC與普通混凝土相比，水膠比低，砂率、水泥和外加劑用量大，致使SCC水化熱高、自收縮大、成本高[1-2].因此，用粉煤灰取代部分水泥來(lái)配制SCC不僅能夠有效地解決上述問(wèn)題，還能改善其工作性.

摻加鋼纖維是改善混凝土力學(xué)性能和變形性能的主要途徑，在利用鋼纖維的橋接和阻裂作用抑制微裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的同時(shí)，還可以減少混凝土的自收縮變形.Majain等[3]對(duì)比研究了摻入不同體積分?jǐn)?shù)(0%，0.5%，1.0%)鋼纖維的自密實(shí)混凝土(SCCSF)抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)鋼纖維摻量為0.5%和1.0%的SCCSF抗壓強(qiáng)度較SCC分別提高了6.6%和8.0%.Sulthan等[4]和Siddique等[5]的研究結(jié)果表明，摻加鋼纖維能夠改善SCC的力學(xué)性能，鋼纖維對(duì)SCC劈拉、抗折強(qiáng)度的改善程度優(yōu)于抗壓強(qiáng)度.通過(guò)研究CF40鋼纖維混凝土軸壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，張曉燕等[6]發(fā)現(xiàn)鋼纖維混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度和韌性比隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而提高.趙順波等[7]研究表明，鋼纖維全輕混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力及其對(duì)應(yīng)應(yīng)變隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的提高呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加使試件的破壞形態(tài)由脆性向塑性轉(zhuǎn)變，與權(quán)長(zhǎng)青等[8]的研究結(jié)果相一致.楊久俊等[9]研究表明，鋼纖維對(duì)大流動(dòng)度超高強(qiáng)混凝土的拉壓比、折壓比起著顯著增強(qiáng)作用，軸壓條件下的相對(duì)韌性達(dá)到基體的2倍.

上述研究表明，摻加鋼纖維能夠改善普通混凝土、高強(qiáng)混凝土、輕質(zhì)混凝土和SCC的力學(xué)性能和韌性，對(duì)SCC工作性的影響尤為顯著[10-11].鑒于此，本文以粉煤灰取代40%水泥配制的粉煤灰SCC為基準(zhǔn)混凝土，通過(guò)工作性、力學(xué)性能和軸壓條件下的應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)，研究鋼纖維體積分?jǐn)?shù)變化對(duì)粉煤灰SCC工作性、力學(xué)性能的影響，重點(diǎn)研究粉煤灰SCC應(yīng)力-應(yīng)變曲線的極限應(yīng)力、峰值應(yīng)變、應(yīng)變能和相對(duì)韌性及其應(yīng)變軟化階段的承載能力和變形特征隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律，為鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰SCC的研究和應(yīng)用提供參考.

1 試驗(yàn)原料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

普通硅酸鹽水泥由天瑞集團(tuán)鄭州水泥公司生產(chǎn)，45μm篩余量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的篩余量、含水率等除特別說(shuō)明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))為2.55%，比表面積為358m2/kg，密度為3.03g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27.30%，膠砂流動(dòng)度為192mm，其技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表1；石灰石粉由廣東省鶴山市沙坪鎮(zhèn)連南橋建材店生產(chǎn)；粉煤灰的比表面積為463m2/kg，含水率為0.18%，需水量比為104.32%，28d活性指數(shù)為79.34%，其主要組成見(jiàn)表2；粗骨料為5～19mm連續(xù)集配碎石，堆積密度為1.56g/cm3，表觀密度為2.61g/cm3；細(xì)骨料為混合砂，細(xì)度模數(shù)為2.75，堆積密度為1.52g/cm3，表觀密度為2.65g/cm3；水為自來(lái)水；減水劑(WRA)為南京斯泰寶貿(mào)易有限公司生產(chǎn)的530P型聚羧酸鹽高效減水劑，減水率為30%；鋼纖維為河北衡水瑞海橡膠制品有限公司生產(chǎn)的波紋型鋼纖維，其基本性能參數(shù)見(jiàn)表3.

表1 普通硅酸鹽水泥性能指標(biāo)

表2 粉煤灰化學(xué)組成

表3 鋼纖維基本性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰SCC工作性測(cè)試

鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰SCC的工作性由填充性、間隙通過(guò)性和抗離析性表征，工作性試驗(yàn)參照J(rèn)GJ/T 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行.

1.2.2鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰SCC力學(xué)性能試驗(yàn)

粉煤灰SCC的配合比見(jiàn)表4.鋼纖維為外摻，其體積分?jǐn)?shù)分別為0%、0.25%、0.50%、0.75%和1.00%.鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰SCC的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試塊尺寸均為100mm×100mm×100mm，抗折強(qiáng)度試塊尺寸為100mm×100mm×400mm.參照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行基本力學(xué)性能測(cè)試，每組試塊數(shù)量均為3個(gè)，結(jié)果取平均值.

表4 粉煤灰SCC配合比

1.2.3鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰SCC軸壓條件下應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)

鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰SCC軸壓條件下應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)選用YAW6206型壓力試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)過(guò)程采用位移控制獲得荷載-位移曲線，加載速度為0.05mm/min，試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖1.試塊尺寸為100mm×100mm×300mm，測(cè)試齡期為28d，每組3塊，結(jié)果取平均值.

圖1 鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰SCC軸壓試驗(yàn)過(guò)程Fig.1 Axial compression test process of SCC

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)粉煤灰SCC工作性的影響

粉煤灰SCC工作性測(cè)試指標(biāo)有坍落擴(kuò)展度、T500、J環(huán)擴(kuò)展度和離析率篩析試驗(yàn).表5為鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰SCC拌和物的工作性測(cè)試結(jié)果.由表5可知：隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，粉煤灰SCC的坍落擴(kuò)展度和J環(huán)擴(kuò)展度逐漸降低，T500流動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，坍落擴(kuò)展度和J環(huán)擴(kuò)展度的差值均在0～25mm 之間，離析率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，但均能滿足SCC填充性、流動(dòng)性、間隙通過(guò)性和離析率的要求；當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)大于0.75%時(shí)，粉煤灰SCC拌和物工作性各指標(biāo)均顯著降低.

表5 鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰SCC拌和物的工作性

鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)粉煤灰SCC工作性產(chǎn)生的影響主要?dú)w因于以下3個(gè)方面：一是摻入鋼纖維后，新拌粉煤灰SCC體系用于包裹骨料和纖維的漿體增多，導(dǎo)致其體系內(nèi)部自由砂漿含量減少，增大了流動(dòng)時(shí)的內(nèi)應(yīng)力和黏度；二是隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，粉煤灰SCC體系內(nèi)的鋼纖維根數(shù)也在增加，鋼纖維的三維亂向分布和相互搭接更加明顯，鋼纖維的亂向分布形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將粉煤灰SCC體系中的漿體團(tuán)聚在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，阻礙了體系漿體的自由流動(dòng)而影響新拌料的流動(dòng)性和間隙通過(guò)性；三是由于鋼纖維的表面較光滑，降低了鋼纖維表面水泥漿體的吸附能力，因而使拌和物的離析率隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)大于0.50%時(shí)，在拌和物體系自由漿體含量減少和鋼纖維周?chē)鷿{體吸附能力降低的共同作用下，新拌混凝土的離析率又逐漸減小.

2.2 鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)粉煤灰SCC力學(xué)性能的影響

2.2.1鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)粉煤灰SCC抗壓強(qiáng)度的影響

圖2為鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)粉煤灰SCC各齡期抗壓強(qiáng)度的影響.由圖2可知：鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)各齡期粉煤灰SCC抗壓強(qiáng)度的影響不明顯，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.25%～0.75%的各試塊28d抗壓強(qiáng)度提高幅度較高；鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1.00%的試塊SCC 28d抗壓強(qiáng)度略有降低，但仍略高于試塊SCC-0.這是由于鋼纖維在粉煤灰SCC中相互搭接，在受力過(guò)程中，基體受到的荷載能夠傳遞到分散的鋼纖維上，當(dāng)粉煤灰SCC中微小裂紋受荷擴(kuò)展時(shí)必將遇到鋼纖維，裂紋繞過(guò)鋼纖維繼續(xù)擴(kuò)展時(shí)，跨越裂紋的鋼纖維將力傳遞給未開(kāi)裂的混凝土，裂紋尖端的應(yīng)力集中程度得到緩解，從而在一定程度上提高了粉煤灰SCC的抗壓強(qiáng)度；當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，粉煤灰SCC體系中形成的大量新的黏結(jié)強(qiáng)度較低的鋼纖維-水泥基界面，降低了粉煤灰SCC的密實(shí)性，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度降低.因此，在粉煤灰SCC受壓過(guò)程中，當(dāng)鋼纖維的抗裂、增強(qiáng)作用為主導(dǎo)時(shí)，粉煤灰SCC抗壓強(qiáng)度會(huì)有小幅度提高；當(dāng)鋼纖維-水泥基界面為主導(dǎo)時(shí)，其抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)小幅度的下降趨勢(shì).

圖2 鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)粉煤灰SCC各齡期抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of steel fiber volume fraction on compressive strength of fly ash SCC at different ages

2.2.2鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)粉煤灰SCC彎拉性能的影響

圖3為鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰SCC 28d劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度.由圖3可知：當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)大于0.25%時(shí)，試塊劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸增大，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)介于0.25%～0.50%時(shí)，增加幅度最為明顯；鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.25%的試塊SCC-1劈裂抗拉強(qiáng)度較試塊SCC-0出現(xiàn)小幅度的降低.各試塊抗折強(qiáng)度隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加呈先降后增的趨勢(shì)，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)介于0.25%～0.50%的各試塊抗折強(qiáng)度較試塊SCC-0略有降低，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)超過(guò)0.50%后，試塊抗折強(qiáng)度逐漸提高.鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1.00%的試塊SCC-4劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的增加幅度均達(dá)到最大，較SCC-0分別提高了14%和12%.這是因?yàn)榧尤脘摾w維后，粉煤灰SCC內(nèi)引入了大量新的黏結(jié)強(qiáng)度較低的鋼纖維-水泥基界面，當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)，鋼纖維-水泥基界面為主導(dǎo)作用，粉煤灰SCC的劈裂抗拉、抗折強(qiáng)度會(huì)有小幅度下降，隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，纖維阻裂作用開(kāi)始占優(yōu)勢(shì)，在受拉或受彎過(guò)程中，基體開(kāi)裂后，具有較大變形能力的鋼纖維將起到承擔(dān)拉力并保持基體裂縫緩慢擴(kuò)展的作用，直到鋼纖維被拉斷或者從基體中拔出，從而提高了粉煤灰SCC的劈裂抗拉、抗折強(qiáng)度.在劈裂抗拉試驗(yàn)和抗折試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，不加鋼纖維的粉煤灰SCC破壞表現(xiàn)為脆性斷裂；摻入鋼纖維后的破壞表現(xiàn)出一定的延性，試塊斷裂面有鋼纖維連接而沒(méi)有完全斷開(kāi).上述結(jié)果表明，鋼纖維的加入能夠改善粉煤灰SCC的彎拉性能，緩解其脆性破壞強(qiáng)度.

圖3 鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰SCC 28d劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度Fig.3 Splitting tensile strength and flexural strength of steel fiber reinforced fly ash SCC at 28d

2.3 鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)粉煤灰SCC軸壓變形性能的影響

鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰SCC軸壓試驗(yàn)采集的荷載-位移數(shù)據(jù)，通過(guò)式(1)、(2)計(jì)算轉(zhuǎn)化成應(yīng)力和應(yīng)變值并繪制成應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線(見(jiàn)圖4).

σ=F/A

(1)

ε=ΔL/L

(2)

式中：F為軸向荷載，kN；A為試塊截面面積，mm2；ΔL為試塊軸壓位移，mm；L為試塊高度，mm.

圖4 軸壓條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves under axial compression

混凝土的應(yīng)變能通常用應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積表示，表征混凝土喪失承載力時(shí)單位體積吸收的能量.本文以1.25倍峰值位移下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線面積為參考依據(jù)，分析鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)粉煤灰SCC軸壓條件下的應(yīng)變能Vε(N·m)：

(3)

式中：V為試件體積，mm3；ε1為1.25倍峰值應(yīng)變，μm/m；σ為軸壓應(yīng)力，MPa；ε為應(yīng)變，μm/m.

為對(duì)比不同鋼纖維體積分?jǐn)?shù)粉煤灰SCC軸壓條件下的變形特征，以單位體積混凝土極限應(yīng)力時(shí)單位強(qiáng)度所消耗的應(yīng)變能作為比較參數(shù)，即：

(4)

式中：Γ為相對(duì)韌性；σ0為極限應(yīng)力，MPa.

按照式(1)～(4)，依據(jù)圖4，計(jì)算得出各試塊的極限應(yīng)力σ0、峰值應(yīng)變?chǔ)?、應(yīng)變能Vε和相對(duì)韌性Γ，見(jiàn)表6.

表6 鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰SCC的σ0、ε0、Vε和Γ

由圖4可知，所有試塊在軸壓條件下均出現(xiàn)了明顯的彈性變形階段、非線性強(qiáng)化階段、應(yīng)力突然跌落階段和應(yīng)變軟化階段[12].鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.50%的試塊SCC-2，應(yīng)力突然跌落階段不明顯，應(yīng)變軟化階段的曲線更加飽滿.結(jié)合表6數(shù)據(jù)可知，隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，各試塊的極限應(yīng)力逐漸增大，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.25%的試塊SCC-1因引入少量的鋼纖維在混凝土內(nèi)部形成了許多鋼纖維-水泥基界面薄弱區(qū)，使其極限應(yīng)力較試塊SCC-0明顯降低，其降低幅度為17%.各試塊的峰值應(yīng)變隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而逐漸減小，但與試塊SCC-0相比明顯提高，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.25%～0.50%的各試塊峰值應(yīng)變?cè)龇畲?，較試塊SCC-0提高了35%；當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段達(dá)到0.8σ0時(shí)，對(duì)應(yīng)應(yīng)變值隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加呈先增后減的變化趨勢(shì)，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.50%的試塊SCC-2下降至0.8σ0時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值較相同條件下的試塊SCC-0提高了28%.這表明加入一定數(shù)量的鋼纖維后，鋼纖維的開(kāi)裂應(yīng)變高于混凝土基體的開(kāi)裂應(yīng)變，當(dāng)試塊達(dá)到極限應(yīng)力后，其橫向膨脹變形增大并開(kāi)始產(chǎn)生豎向裂紋，此時(shí)鋼纖維起到約束變形的作用，將混凝土所承受的壓縮變形能轉(zhuǎn)化為鋼纖維的拉伸變形能，從而提高了粉煤灰SCC的軸壓變形能力；然而，隨著鋼纖維數(shù)量的增多，鋼纖維之間相互搭接結(jié)團(tuán)，使其結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷增加，從而在一定程度上降低了粉煤灰SCC的軸壓變形能力.

由表6可知，加入鋼纖維后，各試塊的應(yīng)變能和相對(duì)韌性較試塊SCC-0明顯提高，隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，各試塊的應(yīng)變能和相對(duì)韌性呈先增后減的趨勢(shì)，但所有鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰SCC的應(yīng)變能和相對(duì)韌性均大于試塊SCC-0.鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.50%的試塊SCC-2應(yīng)變能和相對(duì)韌性最高，分別達(dá)到101.01N·m和1.03×10-3，相對(duì)試塊SCC-0分別提高了53%和49%；鋼纖維體積分?jǐn)?shù)大于0.50%時(shí)，由于粉煤灰SCC的內(nèi)部缺陷增多，造成試塊應(yīng)變能和相對(duì)韌性在一定程度上有所降低.這說(shuō)明在粉煤灰SCC受力過(guò)程中，鋼纖維的加入能夠改變?cè)噳K的受力形式，由集中受力變成分散受力，鋼纖維的約束作用能夠有效地抑制微裂紋產(chǎn)生，增大微裂紋擴(kuò)展的行程，延長(zhǎng)試塊的開(kāi)裂時(shí)間，從而提高粉煤灰SCC破壞時(shí)所吸收的能量，增大其應(yīng)變能和相對(duì)韌性.然而，當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)超過(guò)某一臨界值時(shí)，鋼纖維之間的“棚架”作用會(huì)使其流動(dòng)性降低，鋼纖維之間、鋼纖維與水泥石之間界面過(guò)渡區(qū)的缺陷增多，導(dǎo)致其應(yīng)變能和韌性會(huì)在一定程度上有所降低.

3 結(jié)論

(1)鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰SCC的工作性隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而降低，當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)大于0.75%時(shí)，其T500值明顯增大，流動(dòng)性急劇下降.

(2)鋼纖維對(duì)粉煤灰SCC抗壓強(qiáng)度的影響不明顯，但能夠顯著改善其彎拉性能，鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1.00%的鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰SCC的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度較純粉煤灰分別提高了14%和12%.

(3)鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰SCC的極限應(yīng)力σ0隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而線性增加，峰值應(yīng)變?chǔ)?隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加逐漸減小，應(yīng)變能Vε和相對(duì)韌性Γ隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加呈先增后減的趨勢(shì).總體上鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰SCC的σ0、ε0、Vε和Γ均高于純粉煤灰SCC；鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.50%時(shí)，鋼纖維增強(qiáng)粉煤灰SCC的σ0、ε0、Vε和Γ與純粉煤灰SCC相比分別提高了3%、35%、53%和49%.