孫海軍

（河南六建建筑集團(tuán)有限公司，河南洛陽 471000）

普通混凝土自重大、韌性不足且抗裂性差，難以在大跨度、超高層以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建筑中應(yīng)用，隨著建筑技術(shù)要求不斷提升，對新型建筑材料的需求日益增多，而裝配式建筑結(jié)構(gòu)具有施工效率高、施工質(zhì)量易于控制等優(yōu)勢，正逐漸成為當(dāng)今建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展趨勢，如何提升裝配式建筑材料和結(jié)構(gòu)的性能成為當(dāng)下的熱點(diǎn)話題［1］。

為了改善普通混凝土自重大的問題，自密實(shí)輕質(zhì)混凝土（SCLC）應(yīng)運(yùn)而生，SCLC的表觀密度一般小于1950kg/m3，具有坍落度大、工作性能好等特點(diǎn)，但也存在著脆性大（韌性不足）、抗裂性大等缺點(diǎn)［2-4］，為了改善這一缺陷，向其加入纖維成為一項(xiàng)不錯的選擇，通過利用纖維自身具有的高抗拉強(qiáng)度和良好的延伸特性，可以顯著提升SCLC的韌性和抗裂性，雖然目前已有一些關(guān)于纖維增強(qiáng)SCLC的研究［5-8］，但將其應(yīng)用到裝配式結(jié)構(gòu)中的研究還比較鮮見。

本文設(shè)計(jì)了玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維增強(qiáng)SCLC，并將其應(yīng)用到壓型鋼板- SCLC裝配式組合樓板結(jié)構(gòu)中，以期能為裝配式建筑材料的研究與應(yīng)用普及提供借鑒。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：選用PO42.5普通硅酸鹽水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度為26.5%，比表面積為342m2/kg，表觀密度為3g/cm3，初凝和終凝時(shí)間分別為188min和395min，28d抗壓和抗折強(qiáng)度分別為45.6MPa和9MPa；粗骨料：粉煤灰陶粒，粒徑為6~18 mm，表觀密度為1675kg/m3，堆積密度為975kg/m3，含水率為0.8%，1h吸水率為9.6%，筒壓強(qiáng)度為6.5MPa；細(xì)骨料：頁巖陶粒，表觀密度為1085kg/m3，堆積密度為950kg/m3，堆積孔隙率>26%，不均勻系數(shù)<1.25；粉煤灰：I級，平均細(xì)度為8.6%，需水比為93%，燒失量為0.68%，三氧化硫含量0.78%，含水率0.14%；礦渣粉：S95磨細(xì)礦渣粉；減水劑：聚羧酸減水劑，減水率為25%，含固量為20.35%，含氣量為3.85%，泌水率比為28%；纖維：為保證混凝土具有足夠的輕質(zhì)性，選用玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維分別進(jìn)行配比試驗(yàn)，三種纖維的性能參數(shù)見表1。

表1 三種纖維性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of three fibers

1.2 試驗(yàn)方案

纖維增強(qiáng)SCLC的配制需要在自密實(shí)輕骨料的配合比上進(jìn)行，本文以L30強(qiáng)度等級的輕骨料混凝土為計(jì)算配合比的依據(jù)，按照J(rèn)GJ/T 12-2019《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)規(guī)定：新拌SCLC混凝土的坍落擴(kuò)展度等級必須滿足SF1（550~650 mm），擴(kuò)展時(shí)間必須滿足VS（2s≤T50≤5s），坍落擴(kuò)展度與 J 環(huán)擴(kuò)展度差值必須滿足PA1（25mm≤PA1≤50mm），浮漿百分比必須滿足SR2（≤15%）。調(diào)整膠凝材料用量、體積砂率以及用水量三個(gè)因素，首先設(shè)計(jì)了13組自密實(shí)輕骨料混凝土的配合比方案，見表2。通過13組配合比方案確定出SCLC的最優(yōu)配比后，再摻入不同用量的纖維，確定最佳的纖維摻量。

表2 試驗(yàn)配合比方案Table 2 Test mix proportion scheme

1.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)前先對粉煤灰陶粒進(jìn)行預(yù)濕處理24h，接著稱取對應(yīng)質(zhì)量的原材料，向強(qiáng)制式攪拌機(jī)內(nèi)依次摻入陶粒砂、水泥、粉煤灰和礦渣粉，攪拌時(shí)間為60s，然后向攪拌筒中摻入預(yù)濕處理的粉煤灰陶粒，并摻入80%的用水量和減水劑，再次攪拌60s，緊接著再向攪拌機(jī)內(nèi)摻入剩余的20%用水量（有纖維時(shí)還應(yīng)在此刻加入纖維），繼續(xù)攪拌60s，將拌制好的拌合物盡快進(jìn)行工作性能測試，最后裝入混凝土試件模具中，養(yǎng)護(hù)對應(yīng)時(shí)間，進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)性能測試。

2 最佳配合比確定

2.1 工作性能

不同配合比下SCLC的坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看到：當(dāng)膠凝材料（水泥+粉煤灰+礦渣粉）用量一定時(shí)，凈水量越多，混凝土的坍落度越大；隨著膠凝材料的增加，混凝土的坍落擴(kuò)展度逐漸減小，砂率增加，可在一定程度上降低坍落擴(kuò)展度，這主要是因?yàn)樵黾由奥士梢韵亩嘤嘧璧K混凝土漿體流動的漿體，但是當(dāng)凈用水量較大或者減水劑用量過大時(shí)，可能會造成坍落度超出坍落擴(kuò)展度規(guī)定的上限值（如試驗(yàn)9、11、12組）；對13組配合比下的坍落擴(kuò)展度進(jìn)行方差分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)三項(xiàng)因素對SCLC坍落擴(kuò)展度的影響大小依次為：凈用水量>膠凝材料用量>體積砂率，因此在考慮SCLC工作性能時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮凈用水量，其次為膠凝材料用量，再次為體積砂率。

圖1 坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)結(jié)果Fig. 1 Slump expansion test results

2.2 力學(xué)性能

不同配合比下SCLC的28d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2可知：當(dāng)凈用水量一定時(shí)，隨著膠凝材料用量的增加，混凝土的強(qiáng)度逐漸增大，膠凝材料用料太小時(shí)，混凝土強(qiáng)度達(dá)不到L30強(qiáng)度等級對于配制強(qiáng)度(38.225MPa)的要求，達(dá)到這一要求的試驗(yàn)組分別為3、4、7、8、10、12和13，膠凝材料摻量分別為527 、527、501、501、527、527、501 kg/m3。膠凝材料用量低于501kg/m3或者膠凝材料用量為501kg/m3，但減水劑用量同時(shí)也較低時(shí)，強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；對13組配合比下的28d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行方差分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)三項(xiàng)因素對SCLC強(qiáng)度的影響大小依次為：膠凝材料用量>凈用水量>體積砂率，因此在考慮SCLC力學(xué)性能時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮膠凝材料用量，其次為凈用水量，再次為體積砂率。

圖2 28d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig. 2 28d compressive strength test results

2.3 SCLC最優(yōu)配比

綜合考慮SCLC的工作性能和力學(xué)性能，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面交互作用分析，結(jié)果表明當(dāng)SCLC膠凝材料用量為527kg/m3，凈用水量為184kg/m3，體積砂率為46%時(shí)，SCLC的綜合性能最佳，此時(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度為640mm，28d抗壓強(qiáng)度為39.3MPa。SCLC最優(yōu)配合比情況見表3。

表3 SCLC最優(yōu)配合比方案Table.3 SCLC optimal mix proportion scheme

2.4 纖維最佳摻量

在SCLC最優(yōu)配比基礎(chǔ)上，向混凝土中分別摻入不同種類的纖維，以提高SCLC的韌性和抗裂性，但是摻入纖維會降低混凝土的流動度，從而使混凝土的坍落擴(kuò)展度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，為了改善纖維增強(qiáng)混凝土的工作性能，向混凝土中摻入纖維的同時(shí)，提高減水劑的用量，從而使纖維增強(qiáng)SCLC的工作性能依然滿足設(shè)計(jì)要求。通過多組試驗(yàn)，最終確定了玄武巖纖維增強(qiáng)SCLC的最佳摻量為纖維0.2%+減水劑1.0%，聚乙烯醇纖維增強(qiáng)SCLC的最佳摻量為：纖維0.05%+減水劑1.2%，聚丙烯纖維增強(qiáng)SCLC的最佳摻量為：纖維0.06%+減水劑1.1%，不同SCLC的工作性能見表4。從表4中可知：摻入纖維后，混凝土的SF1有所減小，且擴(kuò)展時(shí)間均有所增加，這是因?yàn)槔w維摻入后會阻礙拌合物的流動，漿體的粘聚性增大導(dǎo)致坍落擴(kuò)展度減小，但是都滿足JGJ/T 12-2019中的相關(guān)規(guī)定。摻入纖維后，混凝土的PA1有所減小，表明纖維增強(qiáng)SCLC的鋼筋間隙通過性、抗離析性以及自流平能力有所減弱，但仍滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng)摻入纖維后，SCLC的SR2有所減小，表明纖維可以減小混凝中的浮漿百分比，提升抗離析性能，這是因?yàn)槔w維三向隨機(jī)分布特性可以同裹挾著漿體，使得纖維與骨料之間的界面摩擦力增大，從而抑制骨料周圍富裕漿體的離析性。

表4 纖維增強(qiáng)SCLC工作性能Table 4 Working performance of fiber reinforced SCLC

3 纖維增強(qiáng)SCLC基本力學(xué)性能

3.1 強(qiáng)度性能

不同纖維增強(qiáng)SCLC試驗(yàn)組的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3中可知：當(dāng)摻入纖維后，SCLC的抗壓強(qiáng)度有所降低，玄武巖纖維增強(qiáng)SCLC、聚乙烯醇纖維增強(qiáng)SCLC和聚丙烯纖維增強(qiáng)SCLC的28d抗壓強(qiáng)度分別較SCLC降低2%、1.5%和0.7%，但是摻入纖維后，會使SCLC的抗拉和抗折強(qiáng)度得到顯著增強(qiáng)，其中抗拉強(qiáng)度分別較SCLC提高18.3%、13.5%和6.3%，抗折強(qiáng)度分別較SCLC提高16.7%、13%和10.5%，這是因?yàn)槔w維在混凝土漿體中呈雜亂無規(guī)律的分布，避免不了有些區(qū)域由于攪拌不均勻形成薄弱界面，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低，但是纖維摻入后，由于其增強(qiáng)了纖維與骨料界面的摩阻力，使得混凝土在裂縫擴(kuò)展過程中能夠表現(xiàn)出較強(qiáng)的拉結(jié)和阻裂效應(yīng)，同時(shí)纖維摻入可以抑制混凝土早期裂縫的產(chǎn)生，使得抗彎性能增強(qiáng)。

圖3 纖維增強(qiáng)SCLC強(qiáng)度特征Fig. 3 Strength characteristics of fiber reinforced SCLC

3.2 彈性模量

不同纖維增強(qiáng)SCLC試驗(yàn)組的彈性模量試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖4中可知：A、B、C、D四組的彈性模量分別為21.5、23.1、22.2、21.3 GPa，在SCLC中摻入玄武巖纖維之后，彈性模量提升了7.5%，摻入聚乙烯醇纖維之后彈性模量提升了3.3%，摻入聚丙烯纖維之后，彈性模量則降低了0.94%，這說明高強(qiáng)高彈模的玄武巖和聚乙烯醇纖維對SCLC彈性模量有改善作用，而低強(qiáng)低彈模的聚丙烯纖維對SCLC彈性模量反而有一定的抑制作用，主要是因?yàn)榫郾├w維在攪拌過程中易結(jié)團(tuán)成球，導(dǎo)致混凝土試件中形成較多的薄弱界面，從而影響混凝土的彈性模量。

圖4 纖維增強(qiáng)SCLC彈性模量特征Fig.4 Elastic modulus characteristics of fiber reinforced SCLC

3.3 收縮性能

不同纖維增強(qiáng)SCLC試驗(yàn)組的收縮率隨時(shí)間的變化特征如圖5所示。從圖5中可知：在養(yǎng)護(hù)初期（0~3d），不同試驗(yàn)組均出現(xiàn)了不同程度的膨脹現(xiàn)象，這是因?yàn)樘樟！⑻樟Ｉ暗容p骨料具有吸水和儲水功能，當(dāng)溫度升高后，這些水分會在試件內(nèi)部形成蒸汽壓力，從而導(dǎo)致微膨脹現(xiàn)象產(chǎn)生；隨著水化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，時(shí)間內(nèi)部水分被消耗殆盡，各試驗(yàn)組逐漸開始出現(xiàn)混凝土收縮現(xiàn)象，60d過后，A、B、C、D四個(gè)試驗(yàn)組的收縮率分別為383.9×10-6、298.7×10-6、322×10-6、345.5×10-6，由此可見，摻入纖維可以抑制SCLC的自由收縮和干燥收縮，摻入玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維和聚丙烯纖維之后，收縮率分別較SCLC試驗(yàn)組降低了22.2%、16.1%和10%。

圖5 纖維增強(qiáng)SCLC收縮率變化特征Fig. 5 Variation characteristics of fiber reinforced SCLC shrinkage

4 壓型鋼板- SCLC裝配式結(jié)構(gòu)力學(xué)特性

4.1 有限元模型構(gòu)建

基于上述試驗(yàn)成果，將不同材料的自密實(shí)輕質(zhì)混凝土應(yīng)用到壓型鋼板- SCLC裝配式結(jié)構(gòu)力學(xué)特性中。首先采用ABAQUS有限元數(shù)值分析軟件建立壓型鋼板-SCLC組合樓板模型［9-10］，在模型當(dāng)中，壓型鋼板選用S350型，鋼板截面形式包括閉口式和燕尾式兩種，每種截面形式的厚度為1mm和1.2mm，鋼板屈服強(qiáng)度取值為350MPa；鋼筋選用HRB400，φ=6mm，@=200mm，鋼筋極限伸長率為18.8%，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3；根據(jù)上文試驗(yàn)結(jié)果，四種纖維增強(qiáng)SCLC材料的參數(shù)取值見表5。整個(gè)壓型鋼板- SCLC組合樓板模型的尺寸為長×寬×厚=3200mm×600mm×120mm(或150mm)，混凝土采用C3D8R單元，壓型鋼板采用S4R單元，鋼筋采用T3D2單元，壓型鋼板與纖維增強(qiáng)組合樓板之間設(shè)置為“硬接觸”，建立的壓型鋼板- SCLC組合樓板有限元模型如圖6所示。

表5 維增強(qiáng)SCLC材料參數(shù)取值Table 5 Parameter values of 3D reinforced SCLC materials

圖6 壓型鋼板- SCLC組合樓板有限元模型Fig.6 Finite element model of profiled steel sheet SCLC composite floor

4.2 纖維種類對抗彎性影響

對四種壓型鋼板（燕尾型厚1.0mm）-纖維增強(qiáng)SCLC（厚120mm）組合樓板進(jìn)行荷載-撓度曲線的模擬分析，結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看到：壓型鋼板-纖維增強(qiáng)SCLC組合樓板的荷載-撓度曲線分為三個(gè)階段：彈性變形階段、彈塑性變形階段以及峰后殘余變形階段，彈性變形階段，四種組合樓板的荷載-撓度曲線基本一致，隨著荷載繼續(xù)增大，組合樓板進(jìn)入彈塑性發(fā)展階段，撓度增長速度變快，且撓度發(fā)展逐漸出現(xiàn)差異，當(dāng)撓度達(dá)到18mm時(shí)，采用SCLC的組合樓板達(dá)到峰值荷載74kN，當(dāng)撓度為24mm時(shí)，采用玄武巖纖維、聚乙烯醇纖維以及聚丙烯纖維增強(qiáng)SCLC的組合樓板分別達(dá)到峰值荷載，峰值荷載分別為71、69.5、74 kN，由此可見，當(dāng)壓型鋼板參數(shù)和組合樓板厚度不變的情況下，摻入纖維對組合樓板的承受力影響不大，但能大大提升組合樓板的韌性和抗裂性，這是因?yàn)樵诶w維在混凝土中呈亂向分布，纖維具有很強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)纖維與骨料之間具有很大摩阻力，裂縫在發(fā)展過程中會受到更大的阻力，裂縫發(fā)展速度變換，從而延長了組合樓板的破壞時(shí)間，可以為地震等災(zāi)害情況下預(yù)留更多的逃生時(shí)間。

圖7 四種壓型鋼板-纖維增強(qiáng)SCLC組合樓板荷載-撓度曲線Fig. 7 Load deflection curves of four profiled steel plate fiber reinforced SCLC composite floors

4.3 鋼板厚度及樓板厚度對抗彎性影響

設(shè)計(jì)了六種不同鋼板參數(shù)和樓板厚度的抗彎性模擬試驗(yàn)，分別為YL1：閉口式壓型鋼板（1.0mm）-聚乙烯醇纖維增強(qiáng)SCLC（120mm）組合樓板，YL2：閉口式壓型鋼板（1.2mm）-玄武巖纖維增強(qiáng)SCLC（120mm）組合樓板，YL3：閉口式壓型鋼板（1.2mm）-聚丙烯纖維增強(qiáng)SCLC（150mm）組合樓板，YL4：燕尾式壓型鋼板（1.0mm）-聚乙烯醇纖維增強(qiáng)SCLC（120mm）組合樓板，YL5：燕尾式壓型鋼板（1.2mm）-玄武巖纖維增強(qiáng)SCLC（120mm）組合樓板，YL6：燕尾式壓型鋼板（1.0mm）-聚丙烯纖維增強(qiáng)SCLC（150mm）組合樓板。

模擬試驗(yàn)得到的荷載-撓度曲線如圖8所示。從圖8中可知：當(dāng)壓型鋼板參數(shù)不變時(shí)，將纖維增強(qiáng)SCLC組合樓板厚度由120mm增大至150mm后，YL3的峰值荷載較YL2增大約49.3%，YL6的峰值荷載較YL4增加約50%，但是增大組合樓板厚度后，峰值荷載所對應(yīng)的撓度值均降低了約32%；當(dāng)壓型鋼板截面形式以及組合樓板厚度一定時(shí)，增加壓型鋼板厚度，組合樓板的峰值荷載（YL2較YL1，YL5較YL4）均增大約10%，但峰值荷載所對應(yīng)的撓度值均降低了約20%，由此可見，不管是增大鋼板厚度還是增大組合樓板厚度，都可以提升樓板結(jié)構(gòu)的受彎承載力，但是當(dāng)厚度增大時(shí)，會在受壓區(qū)導(dǎo)致部分混凝土結(jié)構(gòu)過早發(fā)生壓壞，即有點(diǎn)類似于“超筋破壞”。當(dāng)壓型鋼板和組合樓板厚度一定時(shí)，采用閉口式壓型鋼板的組合樓板承載特性相較于燕尾式壓型鋼板組合樓板的承載力略大（YL4較YL1，YL5較YL2）。

圖8 鋼板參數(shù)、樓板厚度對組合樓板抗彎性影響Fig. 8 Influence of steel plate parameters and floor thickness on bending resistance of composite floor

5 結(jié)論

采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，對不同纖維增強(qiáng)自密實(shí)輕質(zhì)混凝土的最佳配合比、工作性能、力學(xué)性能以及在壓型鋼板- SCLC裝配式組合樓板結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

（1）SCLC的最佳配比為：膠凝材料用量為527 kg/m3，凈用水量為184 kg/m3，體積砂率為46%；玄武巖纖維增強(qiáng)SCLC的最佳纖維摻量為纖維0.2%+減水劑1.0%，聚乙烯醇纖維增強(qiáng)SCLC的最佳摻量為纖維0.05%+減水劑1.2%，聚丙烯纖維增強(qiáng)SCLC的最佳摻量為纖維0.06%+減水劑1.1%。

（2）纖維對SCLC抗壓強(qiáng)度的影響不大，可以明顯提升抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和收縮性能；高強(qiáng)高彈模的玄武巖和聚乙烯醇纖維對SCLC彈性模量有明顯改善作用，但低強(qiáng)低彈模的聚丙烯纖維對SCLC彈性模量反而有一定的減弱作用。

（3）纖維對壓型鋼板- SCLC裝配式組合樓板的抗彎承載力影響不大，但可以明顯提升撓度變形，提升幅度可達(dá)1/3；增加組合樓板或者鋼板厚度都可以提升樓板結(jié)構(gòu)的受彎承載力，但可能會引發(fā)“超筋破壞”，同時(shí)變形性能也會降低，此時(shí)采用纖維來增強(qiáng)組合樓板的變形性能就顯得尤為重要；當(dāng)壓型鋼板和組合樓板厚度一定時(shí)，采用閉口式壓型鋼板的組合樓板承載特性相較于燕尾式壓型鋼板組合樓板的承載力略大。