楊 壯，鄧建華，昝彩平，杜 凱，代旭東

(貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

0 引 言

混凝土是土木工程領(lǐng)域中主要的建筑材料，但因脆性大、抗拉強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，其應(yīng)用范圍受到限制[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)在混凝土摻入纖維形成的纖維混凝土(fiber reinforced concrete, FRC)可以有效解決這個(gè)問(wèn)題，并且可以改善混凝土的力學(xué)性能和變形性能[2-6]。當(dāng)前，F(xiàn)RC已被廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、隧道、道路、水利等工程領(lǐng)域中。

近年來(lái)，諸多學(xué)者對(duì)FRC的力學(xué)性能述及甚廣，并取得一定成果。劉乃東等[7]發(fā)現(xiàn)玻璃纖維可以增強(qiáng)FRC的韌性，且FRC的抗彎強(qiáng)度與玻璃纖維的摻量呈正相關(guān)；蘇捷等[8]發(fā)現(xiàn)隨著鋼纖維摻量的增加，鋼纖維再生混凝土的抗彎強(qiáng)度先增加后減小，當(dāng)纖維體積摻量為0.5%時(shí)，鋼纖維再生混凝土的抗彎強(qiáng)度可提高18.5%；金軼凡等[9]通過(guò)試驗(yàn)證明玄武巖纖維不僅可以提升FRC的起裂韌度，還可以提高FRC的斷裂韌度；白建文等[10]發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維可以提高FRC的彎曲疲勞壽命和抗彎疲勞性能；傅強(qiáng)等[11]從應(yīng)變能的角度研究了玄武巖纖維、聚丙烯纖維以及二者混雜對(duì)FRC耗散能的影響，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維和聚丙烯纖維可以增大FRC的耗散能，提高FRC的延性和韌性，二者混雜時(shí)，增韌效果更為顯著。

與上述摻入的纖維材料相比，塑鋼纖維不僅有鋼纖維的性能，還具備合成軟纖維的優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格低廉，具有廣闊的應(yīng)用前景[12]。薛剛等[13]發(fā)現(xiàn)塑鋼纖維使橡膠混凝土的抗裂性更加優(yōu)越；李云云等[14]發(fā)現(xiàn)塑鋼纖維可提高輕骨料混凝土的殘余應(yīng)力，且殘余應(yīng)力與塑鋼纖維摻量成正比；牛建剛等[15]發(fā)現(xiàn)塑鋼纖維不僅可以顯著提高輕骨料混凝土梁的開(kāi)裂彎矩，還可以提高其撓度延性系數(shù)，且隨著纖維摻量的增加而增大，撓度延性系數(shù)最大提高92.23%。

綜上所述，學(xué)者研究的FRC種類豐富多樣，但不同F(xiàn)RC的力學(xué)性能隨纖維變化有所差異，且以磷渣混凝土為基材的FRC的研究甚少，而在磷渣混凝土中摻入纖維可以改善其力學(xué)性能并加大其使用范圍，提高磷渣的資源化利用，故開(kāi)展塑鋼纖維磷渣混凝土彎曲性能的研究仍有必要。本文將不同長(zhǎng)度和摻量的塑鋼纖維摻入磷渣混凝土中，通過(guò)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究不同塑鋼纖維長(zhǎng)度和摻量對(duì)磷渣混凝土彎曲性能的影響規(guī)律，為塑鋼纖維磷渣混凝土的應(yīng)用提供工程依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·C 42.5復(fù)合硅酸鹽水泥，其相關(guān)性能指標(biāo)如表1所示；磷渣：施秉縣某磷化有限公司生產(chǎn)黃磷時(shí)產(chǎn)生的廢料，主要成分為硅酸鈣，含有微量磷酸鹽和水分，細(xì)度模數(shù)為4.8；集料：粗集料采用5～25 mm連續(xù)集配碎石，細(xì)集料采用0～5 mm機(jī)制砂，Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.7；減水劑：聚羧酸系高性能減水劑，減水率30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；塑鋼纖維：山東魯纖建材科技有限公司生產(chǎn)的聚丙烯塑鋼纖維，其相關(guān)性能指標(biāo)如表2所示；水：實(shí)驗(yàn)室潔凈自來(lái)水。

表1 水泥性能指標(biāo)Table 1 Property indexes of cement

表2 塑鋼纖維性能指標(biāo)Table 2 Property indexes of plastic steel fiber

1.2 試件制備與測(cè)試方法

以不摻塑鋼纖維的磷渣混凝土(SG-0)為基準(zhǔn)，在基準(zhǔn)配合比下，分別摻入直徑為0.8 mm，長(zhǎng)度為30 mm、40 mm、55 mm的塑鋼纖維，各個(gè)長(zhǎng)度的塑鋼纖維摻量分別為3 kg/m3、6 kg/m3、9 kg/m3，各組配合比如表3所示。

表3 試驗(yàn)配合比Table 3 Mix proportion of experiment

續(xù)表

抗彎強(qiáng)度：參照《普通混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)，將新拌的塑鋼纖維磷渣混凝土倒入模具中，按照要求靜置1～2 d后，編號(hào)標(biāo)記，拆模。28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后取出試件，在巖石與混凝土力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)(RMT-301)上進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，測(cè)試28 d抗彎強(qiáng)度。

彎曲韌性：根據(jù)試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)，參照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS13—2009)對(duì)塑鋼纖維磷渣混凝土的彎曲韌性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

圖1 纖維摻量對(duì)磷渣混凝土坍落度的影響Fig.1 Effect of fiber content on slump of phosphorus slag concrete

2.1 塑鋼纖維對(duì)磷渣混凝土坍落度的影響

根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)測(cè)得塑鋼纖維磷渣混凝土的坍落度，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，磷渣混凝土中摻入塑鋼纖維可降低其坍落度，使得混凝土流動(dòng)性降低，影響其工作性。纖維長(zhǎng)度相同的情況下，隨著纖維摻量的增加，磷渣混凝土的坍落度大致呈線性降低。主要是因?yàn)閵A雜在磷渣混凝土中的纖維起到支撐作用，集料流動(dòng)受阻，且塑鋼纖維表面粗糙，比表面積隨著纖維摻量增加而增大，部分水分附著在纖維表面，致使混凝土水膠比降低[16]，流動(dòng)性下降，工作性降低。

2.2 塑鋼纖維磷渣混凝土四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

圖2和圖3分別為磷渣混凝土和塑鋼纖維磷渣混凝土的四點(diǎn)彎曲破壞過(guò)程。由圖2可知，磷渣混凝土試件在未摻入塑鋼纖維時(shí)，當(dāng)荷載達(dá)到抗彎峰值荷載，試件底部出現(xiàn)裂縫并迅速向上擴(kuò)展破壞，裂縫寬度小，裂縫在高度上未貫穿，試件整體出現(xiàn)微小的變形，試驗(yàn)前后的變形差異小。由圖3可知，磷渣混凝土中摻入塑鋼纖維后，隨著荷載增加至抗彎峰值荷載時(shí)，試件底部先開(kāi)裂并出現(xiàn)裂縫，隨后裂縫向試件頂部擴(kuò)展。磷渣混凝土開(kāi)裂后，塑鋼纖維起到主要承載作用，此時(shí)底部裂縫開(kāi)口逐漸增大并產(chǎn)生次裂縫，主裂縫進(jìn)一步延伸至頂部，試件撓度逐漸增大，最終試件被破壞。摻入塑鋼纖維的試件裂縫寬度大，裂縫在高度上貫穿試件，整體出現(xiàn)明顯下?lián)希茐臅r(shí)間較長(zhǎng)。

在四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，將巖石與混凝土力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)(RMT-301)測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后，得到不同塑鋼纖維摻量和長(zhǎng)度下的磷渣混凝土荷載-撓度曲線，如圖4所示。

由圖4可知，不摻塑鋼纖維磷渣混凝土試件在達(dá)到峰值荷載后迅速破壞，峰值荷載后的曲線段直線下降，變形能力差。而在摻入纖維后，曲線下降段的下降速率變緩，變形能力增強(qiáng)。且隨纖維摻量和長(zhǎng)度增加，試件的峰值荷載不斷增加，曲線下的面積也不斷增加，峰值荷載后的曲線下降段變平緩，逐漸出現(xiàn)極值點(diǎn)，在極值點(diǎn)后曲線又平緩下降，且走勢(shì)基本相同。說(shuō)明在摻入纖維后，磷渣混凝土試件由脆性破壞轉(zhuǎn)換為塑性破壞，且隨纖維摻量和長(zhǎng)度增加，塑性和變形能力不斷增加。

圖2 磷渣混凝土的四點(diǎn)彎曲破壞過(guò)程Fig.2 Four-point bending failure process of phosphorus slag concrete

圖3 塑鋼纖維磷渣混凝土的四點(diǎn)彎曲破壞過(guò)程Fig.3 Four-point bending failure process of plastic steel fiber phosphorus slag concrete

圖4 荷載-撓度曲線Fig.4 Load-span deflection curves

2.3 塑鋼纖維對(duì)磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度的影響

抗彎強(qiáng)度可以用來(lái)間接衡量纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度[13]。結(jié)合四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用公式(1)計(jì)算得到塑鋼纖維磷渣混凝土的抗彎強(qiáng)度，結(jié)果如表4所示。

(1)

式中：fcr為試件的抗彎強(qiáng)度，MPa；Fmax為試件的破壞荷載，N；L為支座間的跨度，mm；h、b分別為試件的截面高度和截面寬度，mm。

2.3.1 塑鋼纖維長(zhǎng)度對(duì)磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度的影響

通過(guò)表4，可繪制出纖維長(zhǎng)度對(duì)磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度的影響規(guī)律圖，如圖5所示。

表4 各組抗彎強(qiáng)度Table 4 Bending strength of each group

圖5 纖維長(zhǎng)度對(duì)磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of fiber length on bending strength of phosphorus slag concrete

由圖5可知，不同長(zhǎng)度塑鋼纖維可以顯著提高磷渣混凝土的抗彎強(qiáng)度，主要是因?yàn)樵谒狞c(diǎn)彎曲過(guò)程中，磷渣混凝土底面為受拉區(qū)，受拉區(qū)的磷渣混凝土達(dá)到受拉極限后出現(xiàn)裂縫，裂縫逐漸向受壓區(qū)擴(kuò)展延伸，塑鋼纖維在磷渣混凝土中充當(dāng)微筋[17]，能有效抑制和延緩磷渣混凝土裂縫的擴(kuò)展，從而提高了磷渣混凝土的延性。當(dāng)纖維長(zhǎng)度為55 mm時(shí)，磷渣混凝土的抗彎強(qiáng)度最佳，比基準(zhǔn)組提高約56%。

磷渣混凝土達(dá)到抗拉極限后，裂縫處荷載由纖維與混凝土之間的黏結(jié)力和纖維的抗拉力共同承擔(dān)。塑鋼纖維摻量為9 kg/m3時(shí)不同纖維長(zhǎng)度的試件斷面如圖6所示。隨著纖維長(zhǎng)度的增加，纖維與混凝土之間的黏結(jié)長(zhǎng)度增加，黏結(jié)力增強(qiáng)，纖維破壞為拔出破壞和受拉破壞。短纖維的黏結(jié)長(zhǎng)度短，黏結(jié)力小，纖維破壞主要為拔出破壞，如圖6(a)所示；較長(zhǎng)纖維的黏結(jié)長(zhǎng)度相對(duì)于短纖維黏結(jié)長(zhǎng)度長(zhǎng)，纖維拔出破壞和受拉破壞的數(shù)量相當(dāng)，隨著荷載增加，部分纖維被拔出，剩余部分纖維通過(guò)自身變形抵抗外力，直到纖維被拉斷，如圖6(b)所示；長(zhǎng)纖維黏結(jié)長(zhǎng)度長(zhǎng)，黏結(jié)力大，纖維不易被拔出，纖維破壞主要為受拉破壞，如圖6(c)所示。

圖6 塑鋼纖維摻量為9 kg/m3時(shí)不同纖維長(zhǎng)度的試件斷面Fig.6 Section views of specimens with different fiber lengths when the content of plastic steel fiber is 9 kg/m3

2.3.2 塑鋼纖維摻量對(duì)磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度的影響

通過(guò)表4，可繪制出纖維摻量對(duì)磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度的影響規(guī)律圖，如圖7所示。

圖7 纖維摻量對(duì)磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度的影響Fig.7 Effect of fiber content on bending strength of phosphorus slag concrete

由圖7可知，隨著塑鋼纖維摻量增加，磷渣混凝土的抗彎強(qiáng)度有所提高，但在不同纖維長(zhǎng)度下，磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度隨纖維摻量增加的規(guī)律有所不同。纖維長(zhǎng)度為30 mm和40 mm時(shí)，磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度隨摻量的增加大致呈線性增加，此時(shí)纖維長(zhǎng)度較短，隨著纖維摻量的增加，水泥漿液可以充分包裹纖維，纖維可以有效地發(fā)揮其增強(qiáng)作用；纖維長(zhǎng)度為55 mm時(shí)，隨著纖維摻量的增加，磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度先急劇增加后保持不變，纖維摻量為3 kg/m3和9 kg/m3時(shí)，抗彎強(qiáng)度比基準(zhǔn)組提高了56%，纖維摻量為6 kg/m3時(shí)比基準(zhǔn)組提高了57%，此時(shí)部分纖維交錯(cuò)成團(tuán)，水泥漿液無(wú)法充分包裹纖維，內(nèi)部形成缺陷，受到荷載時(shí)提供的抗力不大，對(duì)磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度增強(qiáng)作用不大。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和拌和工藝要求，當(dāng)塑鋼纖維長(zhǎng)度為55 mm，摻量為3 kg/m3時(shí)，對(duì)磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度的增強(qiáng)作用最佳，比基準(zhǔn)組提高了56%。

2.4 塑鋼纖維對(duì)磷渣混凝土彎曲韌性指數(shù)的影響

彎曲韌性是混凝土材料強(qiáng)度與變形的綜合概括[18]。在圖4荷載-撓度曲線基礎(chǔ)上，采用公式(2)～(4)計(jì)算得到彎曲韌性指數(shù)(I5、I10、I20)，所得結(jié)果如表5所示。

(2)

(3)

(4)

式中：Ωδ、Ω3δ、Ω5.5δ、Ω10.5δ分別是在荷載-撓度曲線上從0到1.0、3.0、5.5、10.5倍初裂撓度區(qū)間上曲線所圍成的面積，N·mm；I5、I10、I20為彎曲韌性指數(shù)。

表5 塑鋼纖維磷渣混凝土抗彎韌性試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Bending toughness test results of plastic steel fiber phosphorous slag concrete

2.4.1 塑鋼纖維長(zhǎng)度對(duì)磷渣混凝土彎曲韌性指數(shù)的影響

根據(jù)表5中數(shù)據(jù)，繪制出塑鋼纖維長(zhǎng)度對(duì)磷渣混凝土彎曲韌性指數(shù)的影響曲線，如圖8所示。

由圖8可知，隨著纖維長(zhǎng)度的增加，纖維摻量為3 kg/m3時(shí)的彎曲韌性指數(shù)呈線性增加，纖維摻量為6 kg/m3、9 kg/m3時(shí)的彎曲韌性指數(shù)呈二次拋物線增加，增長(zhǎng)的速率逐漸增大。在纖維摻量為9 kg/m3，長(zhǎng)度為55 mm時(shí)，與基準(zhǔn)組相比，I5提高了2.0倍，I10提高了5.2倍，I20提高了9.8倍。隨著纖維長(zhǎng)度的增加，試件在受到外界荷載出現(xiàn)裂縫后，所需克服的能量越大。這說(shuō)明塑鋼纖維長(zhǎng)度的增加可以有效提高磷渣混凝土的彎曲韌性指數(shù)，提高其彎曲韌性。

圖8 纖維長(zhǎng)度對(duì)磷渣混凝土彎曲韌性指數(shù)的影響Fig.8 Effect of fiber length on bending toughness index of phosphorus slag concrete

2.4.2 塑鋼纖維摻量對(duì)磷渣混凝土彎曲韌性指數(shù)的影響

根據(jù)表5中數(shù)據(jù)，繪制出塑鋼纖維摻量對(duì)磷渣混凝土彎曲韌性指數(shù)的影響曲線，如圖9所示。

圖9 纖維摻量對(duì)磷渣混凝土彎曲韌性指數(shù)的影響Fig.9 Effect of fiber content on bending toughness index of phosphorus slag concrete

由圖9可知，隨著纖維摻量的增加，彎曲韌性指數(shù)I5、I10、I20變化規(guī)律相似，都呈線性增加，彎曲韌性指數(shù)I20的增長(zhǎng)速率大于I5和I10。這說(shuō)明塑鋼纖維摻量可以改善磷渣混凝土的彎曲韌性，在纖維摻量為9 kg/m3時(shí)，對(duì)磷渣混凝土的彎曲韌性改善效果最優(yōu)。

3 結(jié) 論

(1)磷渣混凝土中摻入塑鋼纖維降低了其坍落度和工作性，且坍落度與纖維摻量呈負(fù)相關(guān)。

(2)塑鋼纖維可以顯著提高磷渣混凝土的抗彎強(qiáng)度，結(jié)合纖維長(zhǎng)度和纖維摻量對(duì)磷渣抗彎強(qiáng)度的影響，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和拌和工藝要求后，當(dāng)塑鋼纖維長(zhǎng)度為55 mm，摻量為3 kg/m3時(shí)，對(duì)磷渣混凝土抗彎強(qiáng)度的增強(qiáng)作用最佳，以不摻塑鋼纖維的磷渣混凝土為基準(zhǔn)，比基準(zhǔn)組提高了56%。

(3)塑鋼纖維顯著改善了磷渣混凝土的彎曲韌性，彎曲韌性指數(shù)隨纖維長(zhǎng)度和摻量的增加不斷增長(zhǎng)，彎曲韌性不斷提高。當(dāng)塑鋼纖維長(zhǎng)度為55 mm，摻量為9 kg/m3時(shí)，與基準(zhǔn)組相比，I5提高了2.0倍，I10提高了5.2倍，I20提高了9.8倍。