謝寓龑
(中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司,四川 成都 610000)
裂縫病害是困擾混凝土結(jié)構(gòu)研究發(fā)展和使用的難題,素混凝土的抗拉強度較低,拉應(yīng)變與彎曲應(yīng)變小。鋼纖維混凝土因亂向分布短鋼纖維的摻入,使得混凝土裂縫的形成和擴展得到有效地抑制,且還有很多優(yōu)點,因而廣泛地應(yīng)用于各種工程類型、不同環(huán)境條件[1-4]。目前就鋼纖維對混凝土的增強機理存在纖維間距機理與復(fù)合材料機理兩種理論解釋,為進一步論證鋼纖維混凝土相較于素混凝土的性能表現(xiàn),通過對超早強短細(xì)鋼纖維混凝土抗壓、抗折強度性能試驗研究,為其在路面、橋面鋪裝等工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定的參考作用。
試驗選用的水泥為拉法基牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。碎石為石灰?guī)r,最大粒徑不超過15 mm。砂為河砂,細(xì)度模數(shù)M=3.0,堆積密度1 545 kg/m3,級配連續(xù)。選用鋼纖維為熔抽型超短超細(xì)鋼纖維。早強劑為GY-CS1型混凝土速凝劑(用于混凝土中的早強劑根據(jù)其特性主要有礦物類、無機鹽類和有機物類3種[5],早強劑對混凝土性能的影響[6]主要表現(xiàn)為使其拆模周期明顯縮短,一般24 h后即可拆模,大大提高了施工效率)。減水劑為FDN萘系高效減水劑。水為普通自來水。
(1)超早強素混凝土配合比為,水泥∶砂∶石子∶水=1∶1.41∶1.78∶0.37,早強劑摻量為水泥質(zhì)量的4%;減水劑摻量為水泥質(zhì)量的0.8%。
(2)超早強鋼纖維混凝土配合比為,水泥∶砂∶石子∶水=1∶1.41∶1.78∶0.40,早強劑摻量為水泥質(zhì)量的4%;減水劑摻量為水泥質(zhì)量的0.8%。在此基礎(chǔ)上分別加入體積摻量4%和6%的鋼纖維。
表1 試件配合比
(1)立方體抗壓強度試驗設(shè)備和方法
抗壓強度的試驗在微機控制全制動WHY-3000型300 t壓力試驗機進行,加載速率為1.2 mm/min。
立方體抗壓強度按公式(1)計算
fCU=F/A
(1)
式中:fCU為抗壓強度,MPa,計算結(jié)果精確至0.1 MPa;F為極限荷載,N;A為受壓面積,mm2。
(2)抗折強度試驗方法
鋼纖維混凝土試件抗折強度按公式(2)計算
ft=3FL/2h3
(2)
式中:ft為抗折強度,MPa,計算精確值0.1 MPa;L為支座間距,mm;h為試件高度,mm。
表2為立方體抗壓強度試驗測得極限荷載數(shù)據(jù),圖1為不同試件抗壓強度隨齡期變化情況。
表2 不同齡期所測極限荷載F
圖1 不同試件抗壓強度隨齡期變化情況
可以得出如下結(jié)論:
(1)在相同配合比條件下,6%體積摻量的超短超細(xì)鋼纖維混凝土的立方體抗壓強度明顯低于4%體積摻量,可見,鋼纖維的摻入并不是越大越好,體積摻量過大,會適得其反,且不夠經(jīng)濟。
(2)在相同配合比下,雖然4%體積摻量的超短超細(xì)鋼纖維混凝土的水灰比大于素混凝土,但其立方體抗壓強度明顯高于素混凝土。
(3)1 d齡期時,6%體積摻量的鋼纖維混凝土的抗壓強度優(yōu)于素混凝土,3 d和7 d齡期抗壓強度鋼纖維混凝土均低于素混凝土,而14 d齡期時,兩者抗壓強度非常接近,表明鋼纖維混凝土抗壓強度后期增長幅度較素混凝土大。
表3為抗折強度試驗測得試件破壞荷載數(shù)據(jù),圖2為不同試件抗折強度隨齡期變化情況。
表3 不同齡期所測極限荷載F
圖2 不同試件抗折強度隨齡期變化情況
試驗結(jié)果分析如下:
(1)摻超短超細(xì)鋼纖維的混凝土雖然水灰比大于素混凝土,但其抗折強度明顯高于素混凝土,可見,超短超細(xì)鋼纖維對混凝土試件的抗折強度有明顯的提高作用。
(2)4%體積摻量的超短超細(xì)鋼纖維混凝土與6%體積摻量的相比,各齡期的抗折強度均高于6%體積摻量的超短超細(xì)鋼纖維混凝土。1 d齡期時,抗折強度提高了15.9%,3 d齡期提高了12.3%,7 d齡期提高了11.8%,14 d齡期提高了3.3%。鋼纖維的體積摻量并非越大越好,體積摻量過大,抗折強度反而有所下降。
(3)由于超早強劑的加入,使得前3 d抗折強度增長較快,后期強度增長逐漸放緩。
(4)試驗數(shù)據(jù)還表明,鋼纖維混凝土能防止裂紋的發(fā)生和發(fā)展,從而避免了應(yīng)力集中引起的過早開裂。
(1)通過將加入體積摻量為4.0%和6.0%超短超細(xì)鋼纖維混凝土在1、3、7、14 d四個不同齡期抗壓、抗折性能與素混凝土進行對比,得到,加入鋼纖維可以在很大程度上提升混凝土試件的抗壓、抗折強度;同時超短超細(xì)鋼纖維摻量并非越多越好,其存在一個合適的范圍,對此還需展開進一步研究。
(2)鋼纖維是一種抗拉強度很高的高彈模纖維,有著良好的力學(xué)性能。當(dāng)混凝土承受荷載作用時,均勻多向分布的鋼纖維能有效抑制和延緩混凝土基體裂縫的發(fā)展和積累,使脆性混凝土具有較好韌性。超短超細(xì)鋼纖維的加入還改善了抗壓試件的破壞形態(tài),與素混凝土明顯的脆性特性相比,超短超細(xì)鋼纖維混凝土試件破壞時有大量的微裂紋出現(xiàn),表面輕微剝落,表現(xiàn)出了較好的塑性和整體性。
(3)在抗折強度試驗方面,試件破壞時主裂縫附近出現(xiàn)多條微裂縫,裂縫間由于鋼纖維與混凝土基體之間的粘結(jié)力,吸收了很大一部分能量。試件破壞面上鋼纖維大多是被拔出,而非被拉斷,塑性較為明顯。由此可見,鋼纖維的抗拉優(yōu)勢得到了充分的發(fā)揮,可以有效阻止裂縫在試件結(jié)構(gòu)中的發(fā)展,從而使混凝土的抗折強度得到提高。