鄒艷勝

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司, 湖南 長沙 410015)

0 引言

混凝土中加入鋼纖維主要作用是利用鋼纖維的高抗拉強(qiáng)度來抵消混凝土中因外界開裂引起的細(xì)裂縫端部應(yīng)力，從而達(dá)到抑制混凝土裂縫發(fā)展的目的[1-3]。鋼纖維運(yùn)用到混凝土中同時(shí)一定程度上增加了混凝土與鋼纖維間的界面粘結(jié)力，達(dá)到了在鋼纖維上轉(zhuǎn)移外力的功效，因而提高了混凝土的綜合性能。但不同鋼纖維的物理力學(xué)性能不同，鋼纖維分布層次也不盡相同，需進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)確定最佳鋼纖維摻量及鋼纖維混凝土的最佳分層結(jié)構(gòu)[4-8]。國內(nèi)關(guān)于鋼纖維混凝土的各項(xiàng)性能研究較多，郭光玲[4]進(jìn)行了鋼纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明鋼纖維混凝土的力學(xué)性能顯著強(qiáng)于普通混凝土試件。針對鋼纖維在混凝土中的分布方式，彭奧等[5]進(jìn)行了鋼纖維的復(fù)合式、層布式力學(xué)性能研究，結(jié)果表明復(fù)合式鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度增長顯著，復(fù)合式較層布式更能提高鋼纖維混凝土的力學(xué)性能。盡管國內(nèi)鋼纖維混凝土的研究成果顯著，但相對于歐美等國的研究進(jìn)度和發(fā)展程度還有較大差距，且國內(nèi)現(xiàn)行的鋼纖維混凝土技術(shù)規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)還存在少許與現(xiàn)實(shí)工程脫節(jié)的地方，受多種復(fù)雜因素影響還不能有效地滿足所有項(xiàng)目工程要求。所以，為獲得最佳使用性能的鋼纖維混凝土力學(xué)性能及其配比組成，需有針對性地進(jìn)行試驗(yàn)，通過控制單一變量變化來尋求最優(yōu)力學(xué)性能的鋼纖維摻量及分層結(jié)構(gòu)。本文基于鋼纖維、水泥等材料，制作多組試件，研究鋼纖維摻量及鋼纖維混凝土的分層結(jié)構(gòu)對鋼纖維混凝土的力學(xué)性能影響。

1 原材料

1.1 水泥

采用P·O32.5(普通硅酸鹽水泥)，安定性試驗(yàn)滿足《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2017)規(guī)定要求。

1.2 細(xì)骨料

采用中砂，細(xì)度模數(shù)為2.69，表觀密度及堆積密度分別為2.63、1.48 g /cm3，含泥量為1%。篩分試驗(yàn)結(jié)果滿足級配曲線分區(qū)要求。

1.3 粗骨料

采用碎石，表觀密度及堆積密度分別為2.82、1.43 g /cm3，含泥量為0.3%。級配為5～16 mm，壓碎指標(biāo)為6%，其性能滿足《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2015)。

1.4 鋼纖維

采用長30 mm、長度與直徑比為60的波浪形鋼纖維(重慶泰路科技公司生產(chǎn))，質(zhì)量滿足鋼纖維混凝土相關(guān)規(guī)范要求。鋼纖維截面形狀為矩形，抗拉強(qiáng)度大于380 N/mm2，彈性模量為20 000 N /mm2，其性能滿足《鋼纖維混凝土標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》(JGT472—2015)要求。

1.5 減水劑

采用萘系高效減水劑，減水率≥20%，其性能滿足《混凝土外加劑》(GB 8076—2008)要求。

2 鋼纖維混凝土力學(xué)性能研究

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1試件設(shè)計(jì)

試件按照《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS13∶89)要求制作，采用邊長為150 mm的立方體試件?？紤]到分層結(jié)構(gòu)形式和層高對試件各性能產(chǎn)生的影響，試件可以分為以下5種不同結(jié)構(gòu)形式： ①下層為素混凝土、上層為5 cm厚的鋼纖維混凝土，編號為1#；②下層為5 cm厚的鋼纖維混凝土、上層為素混凝土，編號為2#；③下層為10 cm厚的鋼纖維混凝土、上層為素混凝土，編號為3#；④下層與上層均為5 cm厚的鋼纖維混凝土、中層為素混凝土，編號為4#；⑤全摻鋼纖維混凝土，編號為5#?；旌狭现袖撯F維的摻加量分為0%、0.5%、0.8%、1.2%、1.5%等5種，每種試件9個(gè)，每組編號試件為45個(gè)，共計(jì)225個(gè)試件。

2.1.2配合比設(shè)計(jì)

與普通混凝土相比，鋼釬維混凝土配合比設(shè)計(jì)還需考慮其抗拉、抗剪、抗彎強(qiáng)度符合相關(guān)技術(shù)要求，同時(shí)要特別注意避免鋼釬維在混合料中出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。根據(jù)《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》(CECS38∶92)相關(guān)規(guī)定，鋼釬維混合料配合比設(shè)計(jì)具體情況如表1所示。

表1 不同鋼釬維摻量的鋼纖維混合料配合比表鋼纖維摻量/%水灰比水泥/kg水/kg砂/kg石/kg砂率/%混凝土基體00.4510.451.563.17360.50.4510.451.622.58420.80.4510.451.622.3744C401.20.4510.451.612.18461.50.4510.451.612.0248

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

鋼纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)加載方法參照《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》(CECS13∶89)。試件抗壓、抗折、抗彎強(qiáng)度的測定根據(jù)其發(fā)生開裂時(shí)對應(yīng)的最大破壞荷載來評價(jià)。試驗(yàn)結(jié)論數(shù)據(jù)見表2～6所示。

表2 1#混凝土試件試驗(yàn)結(jié)果鋼釬維摻量/%抗壓強(qiáng)度/MPa劈裂強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa039.13.144.450.540.33.904.610.840.93.994.601.241.34.185.091.539.94.264.87

表3 2#混凝土試件試驗(yàn)結(jié)果鋼釬維摻量/%抗壓強(qiáng)度/MPa劈裂強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa039.13.144.450.541.23.675.600.842.44.045.821.245.14.546.041.546.94.786.57

表4 3#混凝土試件試驗(yàn)結(jié)果鋼釬維摻量/%抗壓強(qiáng)度/MPa劈裂強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa039.13.144.450.542.74.195.660.843.44.276.121.248.04.326.351.547.14.506.51

表5 4#混凝土試件試驗(yàn)結(jié)果鋼釬維摻量/%抗壓強(qiáng)度/MPa劈裂強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa039.13.144.450.542.63.995.100.843.14.105.621.243.64.286.211.542.74.246.71

表6 5#混凝土試件試驗(yàn)結(jié)果鋼釬維摻量/%抗壓強(qiáng)度/MPa劈裂強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa039.13.144.450.544.34.165.96

續(xù)表6鋼釬維摻量/%抗壓強(qiáng)度/MPa劈裂強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa0.847.64.616.411.250.24.856.771.548.34.716.51

2.3 影響因素分析

2.3.1鋼釬維摻量對混凝土的力學(xué)性能影響分析

不同的纖維摻量時(shí)混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如圖1，由圖可知：鋼纖維摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，當(dāng)鋼纖維摻量超過1.2%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度反而減小。主要原因是鋼纖維大于1.2%時(shí)混凝土和易性較差，影響了混凝土的抗壓強(qiáng)度。鋼纖維摻量對混凝土的劈裂強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度影響較小。

圖1 不同鋼纖維摻量時(shí)混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合圖1,可知推導(dǎo)出鋼纖維摻量、混凝土抗壓強(qiáng)度、鋼纖維混凝土強(qiáng)度之間的關(guān)系如式(1)所示。

(1)

鋼纖維摻量、鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度、混凝土抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系如式(2)所示。

(2)

鋼纖維摻量為變量，可以得到不同混凝土強(qiáng)度下抗折強(qiáng)度與鋼纖維摻量之間的關(guān)系式：

fse，t=(1.05-0.086x+0.335x2)ft

(3)

式(1)～(3)中，x為鋼纖維摻量；fse，cu為鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度；fcu為混凝土抗壓強(qiáng)度；fs，t為鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度；ft為混凝土抗拉強(qiáng)度；fse，t為鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度。

存在一個(gè)最佳的鋼纖維摻量可使鋼纖維混凝土的抗壓、抗拉、抗折強(qiáng)度達(dá)到最大，由試驗(yàn)結(jié)果可知，本試驗(yàn)中的最佳鋼纖維摻量為1.2%。

2.3.2試件分層以及層高對試件各性能影響

2.3.2.1 分層以及層高對試件抗壓強(qiáng)度影響分析

不同分層結(jié)構(gòu)的鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同分層結(jié)構(gòu)的鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度

由圖2可知，分層結(jié)構(gòu)影響了整個(gè)試件的抗壓強(qiáng)度，試件全為鋼纖維混凝土?xí)r對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度值在不同鋼纖維摻量下均最大。除4#結(jié)構(gòu)外，同一分層結(jié)構(gòu)下的試件抗壓強(qiáng)度值均隨著鋼纖維摻量增大呈現(xiàn)出了先增大后減小趨勢。整體而言，分層結(jié)構(gòu)對試件抗壓強(qiáng)度值的影響比鋼纖維摻量對其影響大。在試件受壓時(shí)，鋼釬維混合料作為一種復(fù)合材料，混合料在凝結(jié)硬化過程中內(nèi)部應(yīng)力變化復(fù)雜，水泥漿凝結(jié)硬化過程中存在一定收縮，這種收縮會受到粗骨料和鋼釬維限制，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生裂縫；在外力作用下，裂縫受到進(jìn)一步破壞，在荷載反復(fù)作用下，最終結(jié)構(gòu)物完全破壞?；旌狭戏謱咏Y(jié)構(gòu)不同對外力分擔(dān)各層次的表現(xiàn)不同，從而表現(xiàn)出一定的抗壓強(qiáng)度差異。

2.3.2.2 分層以及層高對試件劈裂強(qiáng)度影響分析

不同分層結(jié)構(gòu)的鋼纖維混凝土試件的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同分層結(jié)構(gòu)的鋼纖維混凝土劈裂強(qiáng)度

由圖3可知，隨著鋼釬維摻量增加，不同分層結(jié)構(gòu)的鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度均有不同程度增加，相對來看，1#、3#結(jié)構(gòu)比其余3種結(jié)構(gòu)的增長幅度要小，且這2種結(jié)構(gòu)在鋼釬維體積率為1.5%時(shí)，劈裂強(qiáng)度均達(dá)到最大值。隨著摻加鋼釬維體積率不斷增加，某些點(diǎn)會出現(xiàn)劈裂強(qiáng)度下降趨勢，這可能是由于混合料拌合施工過程中存在沒有完全拌合均勻的部分，導(dǎo)致試件整體劈裂強(qiáng)度有所下降。綜合來看，相較于素混凝土，鋼釬維混凝土的劈裂強(qiáng)度有明顯提高。

2.3.2.3 分層以及層高對試件的抗折強(qiáng)度影響分析

不同分層結(jié)構(gòu)的鋼纖維混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同分層結(jié)構(gòu)的鋼纖維混凝土抗折強(qiáng)度

由圖4可知，不同分層結(jié)構(gòu)的鋼纖維混凝土抗折強(qiáng)度均有不同程度增加，相對來看，1#結(jié)構(gòu)比其余4種結(jié)構(gòu)的增長幅度要小，摻加鋼釬維體積率從0%增加至1.5%過程中，1#結(jié)構(gòu)抗折強(qiáng)度增長很小，而其余4種結(jié)構(gòu)的增長幅度都在45%以上，說明試件上層的鋼釬維對提高試件抗折強(qiáng)度作用較小。綜上可知：當(dāng)試件下層鋼釬維混凝土厚度一致時(shí)，鋼釬維摻量越大，試件抗折強(qiáng)度越大；當(dāng)鋼釬維摻加量一致時(shí)，試件下層鋼釬維混凝土厚度(≤40%試件高度)越大，則其抗折強(qiáng)度也越大。

3 結(jié)論

1) 混凝土中摻加適量的鋼釬維，一定程度上提高了混凝土的力學(xué)性能，但鋼釬維在混合料中分布不均勻則會降低鋼釬維提高混凝土強(qiáng)度的作用效果，因此需確?；旌狭习韬系木鶆蛐?。

2) 鋼纖維摻量影響了混凝土的抗拉、劈裂和抗折強(qiáng)度。通過比較不同鋼纖維摻量的力學(xué)性能指標(biāo)，確定鋼纖維混凝土的最佳鋼纖維摻量為1.2%。

3) 分層結(jié)構(gòu)影響試件的抗壓、劈裂抗折、強(qiáng)度。試件全為鋼纖維混凝土?xí)r,所對應(yīng)的抗壓、抗折、劈裂強(qiáng)度值均為最大。分層結(jié)構(gòu)對試件的抗壓強(qiáng)度值影響比鋼纖維摻量對其影響更顯著。試件上層鋼釬維對提高試件的抗折強(qiáng)度作用較小，試件下層鋼釬維混凝土厚度(≤40%試件高度)越大，其抗折強(qiáng)度越大。