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        塑鋼纖維混凝土早齡期力學性能研究

        2022-11-14 01:31:12段小芳袁嬌嬌
        關鍵詞:塑鋼立方體抗折

        段小芳,袁嬌嬌

        (1. 南通開放大學 建筑工程學院,江蘇 南通 226006;2. 河海大學 土木與交通學院,南京 210098)

        混凝土力學性能對結(jié)構的安全性、耐久性有重要影響.目前,關于混凝土早齡期力學性能的研究較少.李德超等[1]通過在混凝土中摻入纖維提高了混凝土強度.李曉偉[2]、陳茜[3]、白春等[4]研究發(fā)現(xiàn)在混凝土中摻入適量塑鋼纖維可以提高其早齡期抗拉強度、抗壓強度和抗折強度,摻量過少強度提升不明顯,摻量過多則強度降低.

        混凝土早齡期立方體抗壓強度影響拆模時間,對工程工期有重要影響,且混凝土早齡期收縮大,在外部荷載作用下會產(chǎn)生拉應力,當外部拉應力超過混凝土早齡期抗拉強度時,混凝土就會開裂.已有研究者[5-6]通過摻入鋼纖維提高了混凝土早齡期抗拉強度.和鋼纖維相比,塑鋼纖維材質(zhì)輕、價格便宜,在混凝土中亂象分布,形成三維支撐,使混凝土中的骨料不易下沉.因此,本文開展了塑鋼纖維混凝土早齡期力學性能研究,將不同體積率塑鋼纖維摻入混凝土中,探尋早齡期立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度發(fā)展變化規(guī)律.

        1 試驗方案

        混凝土設計強度等級為C60,采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,粗骨料為5~15 mm 石子,細骨料為2~5 mm 砂子,粉煤灰為I 級,礦粉等級為S95,混凝土配合比見表1.塑鋼纖維長度為24 mm,直徑為0.8 mm,密度為0.95 g/cm3,抗拉強度為530 MPa,彈性模量為9 800 MPa.

        表1 混凝土配合比 g

        根據(jù)塑鋼纖維摻量的不同將混凝土分成4 組,組號為PS0、PS0.45、PS0.9 和PS1.35,對應的塑鋼纖維體積率分別為0.0%、0.45%、0.9%和1.35%.混凝土早齡期力學性能包括:立方體抗壓強度、軸心抗拉強度和抗折強度.根據(jù)《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2019)[7]確定試件尺寸和計算方法,試件的工況見表2.試件養(yǎng)護溫度為20±2 ℃,相對濕度為90%.

        表2 試件工況

        2 試驗結(jié)果及討論

        2.1 早齡期立方體抗壓強度試驗結(jié)果及討論

        2.1.1 塑鋼纖維對早齡期立方體抗壓強度的影響

        圖1 為不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期立方體抗壓強度對比圖.

        圖1 不同摻量塑鋼纖維混凝土立方體抗壓強度對比

        由圖1 可知,立方體抗壓強度隨塑鋼纖維摻量的增加整體呈增長趨勢,但增幅不顯著.圖2為立方體抗壓強度增幅圖.由圖2 可知,塑鋼纖維體積摻量為0.45%時,0~14 d 混凝土早齡期立方體抗壓強度小幅度降低(降幅<4%),14~28 d強度小幅度提升(增幅<3%);當塑鋼纖維體積摻量為0.9%~1.35%時,立方體抗壓強度增加,增幅接近8%.這表明適量塑鋼纖維均勻分布在混凝土中時形成三維網(wǎng)絡結(jié)構,阻止了骨料的下沉;同時,纖維可填充早齡期水化反應產(chǎn)生的空隙,使混凝土內(nèi)部更加均勻密實,立方體抗壓強度提高。綜上,建議塑鋼纖維體積率≥0.9%.

        圖2 早齡期塑鋼纖維混凝土立方體抗壓強度增幅

        2.1.2 齡期對混凝土立方體抗壓強度的影響

        圖3 為不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期立方體抗壓強度隨齡期變化曲線.

        圖3 立方體抗壓強度隨齡期變化曲線

        由圖3 可知,塑鋼纖維混凝土立方體抗壓強度隨著齡期的發(fā)展呈非線性增長,14 d 以前強度發(fā)展較快;14 d 以后強度發(fā)展較慢,14 d 齡期立方體強度約為28 d 的80%~85%,14~28 d 期間其強度提高約15%~20%.由此可見,隨著齡期的發(fā)展,塑鋼纖維混凝土強度趨于平穩(wěn).

        2.1.3 塑鋼纖維混凝土早齡期立方體抗壓強度計算模型

        擬合圖3 試驗數(shù)據(jù)可得到不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期立方體抗壓計算模型,見式(1):PS0.45、PS0.9 和PS1.35 這4 組試件參數(shù)A、B、C和擬合相關系數(shù)R2見表3.

        表3 參數(shù)A、B、C 和擬合相關系數(shù)R2取值

        2.2 早齡期劈裂抗拉強度試驗結(jié)果及討論

        2.2.1 塑鋼纖維對早齡期劈裂抗拉強度的影響

        圖4 為不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期劈裂抗拉強度對比圖.由圖4 可知,劈裂抗拉強度隨塑鋼纖維摻量的增加而增加.

        圖4 不同摻量塑鋼纖維混凝土劈裂抗拉強度對比

        圖5 為不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期劈裂抗拉強度增幅對比圖.

        圖5 不同摻量塑鋼纖維混凝土劈裂抗拉強度增幅對比

        由圖5 可知,當塑鋼纖維體積摻量為0.45%時,劈拉強度增幅為15%~23%;當其摻量為0.9%時,增幅為29%~42%;當其摻量為1.35%時,增幅為34%~49%.3 d 齡期塑鋼纖維對劈拉強度增幅最顯著,7~28 d 齡期強度增幅曲線基本一致.塑鋼纖維在混凝土中亂象分布,形成了三維網(wǎng)絡支撐,當混凝土達到抗拉強度后塑鋼纖維通過橋接作用繼續(xù)承受外部拉應力,阻礙裂縫擴展,與混凝土形成一個共同受力體系,使其劈裂抗拉強度提高.

        2.2.2 齡期對混凝土劈裂抗拉強度的影響

        圖6 為不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期劈裂抗拉強度隨齡期變化曲線。由圖6 可知,隨著齡期發(fā)展,劈裂抗拉強度呈非線性增長,在14 d 前強度發(fā)展較快,14 d 后發(fā)展趨于平緩.當塑鋼纖維體積摻量為0%時,14 d 齡期強度約為28 d 強度的94.31%;當摻量0.45%~1.35%時,14 d 強度約為28 d 的93%~ 95%.由此可見,隨著齡期的發(fā)展,塑鋼纖維混凝土劈裂抗拉強度和普通混凝土強度發(fā)展趨勢基本一致.

        圖6 劈裂抗拉強度隨齡期變化曲線

        2.2.3 早齡期劈裂抗拉強度計算模型

        擬合圖6 試驗數(shù)據(jù)得到不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期劈裂抗拉計算模型,見式(2):

        表4 參數(shù)A、B、C 和擬合相關系數(shù)R2取值

        2.3 早齡期抗折強度試驗結(jié)果及討論

        2.3.1 塑鋼纖維對早齡期抗折強度的影響

        圖7 為不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期抗折強度對比圖.由圖7 可知,抗折強度隨塑鋼纖維摻量的增加而增加.圖8 為不同摻量塑鋼纖維混凝土抗折強度增幅對比圖.由圖8 可知,當塑鋼纖維體積摻量為 0.45%時,抗折強度增幅為15%~26%;當摻量為0.9%時,增幅為20%~26%;當摻量為1.35%時,增幅為20%~35%.3 d 齡期塑鋼纖維混凝土抗折強度增幅最顯著,7~28 d 強度增幅逐漸趨于平穩(wěn).塑鋼纖維單絲在混凝土中形成三維網(wǎng)狀支撐,骨料和水泥漿不易離析,混凝土內(nèi)部形成致密均勻的整體,且隨外部荷載增大導致混凝土開裂后,塑鋼纖維通過橋接作用繼續(xù)承受混凝土表面的拉應力.

        圖7 不同摻量塑鋼纖維混凝土抗折強度對比

        圖8 不同摻量塑鋼纖維混凝土抗折強度增幅對比

        2.3.2 齡期對混凝土抗折強度的影響

        圖9 為不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期抗折強度隨齡期變化曲線.由圖9 可知,隨著齡期發(fā)展,抗折強度呈非線性增長,其中14 d 前發(fā)展較快,14 d 后發(fā)展較慢.當塑鋼纖維體積摻量為0%時,14 d 齡期強度約為28 d 強度的91.6%;當摻量為0.45%~1.35%時,14 d 強度約為28 d 的89%~92%.可見,隨著齡期的發(fā)展,塑鋼纖維混凝土和普通混凝土抗折強度發(fā)展趨勢基本一致.

        圖9 抗折強度隨齡期變化曲線

        2.3.3 塑鋼纖維混凝土早齡期抗折強度計算模型

        擬合圖9 試驗數(shù)據(jù)得到不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期抗折強度計算模型,見式(3):4 組試件參數(shù)A、B、C和擬合相關系數(shù)R2,見表5.

        表5 參數(shù)A、B、C 和擬合相關系數(shù)R2取值

        2.4 塑鋼纖維混凝土早齡期拉壓比試驗結(jié)果及討論

        2.4.1 塑鋼纖維摻量對混凝土拉壓比的影響

        圖10 為混凝土拉壓比(立方體劈裂抗拉強度與抗壓強度之比)隨塑鋼纖維摻量變化曲線圖.由圖10 可知,拉壓比隨著塑鋼纖維摻量的增大而增大.

        圖10 混凝土拉壓比隨塑鋼纖維摻量變化曲線

        圖11 為拉壓比增幅變化曲線圖.由圖11 可知,當塑鋼纖維摻量為0.45%時,拉壓比增幅為11%~28%;當摻量為1.35%時,增幅為26%~50%.拉壓比越大,混凝土塑性越好[8],這說明摻入塑鋼纖維使混凝土脆性性能得到了明顯改善.

        圖11 拉壓比增幅隨塑鋼纖維摻量變化曲線

        2.4.2 齡期對拉壓比的影響

        混凝土拉壓比隨齡期變化曲線見圖12.

        圖12 混凝土拉壓比隨齡期變化曲線

        由圖12 可知,拉壓比隨齡期增長而降低,前21 d 降幅較大,21~28 d 逐漸趨于平穩(wěn).0~21 d拉壓比為0.09~0.16,21~28 d 拉壓比為0.08~0.11,這說明立方體早齡期劈裂抗拉強度比抗壓強度發(fā)展速度快.

        2.5 塑鋼纖維混凝土早齡期折壓比試驗結(jié)果及討論

        2.5.1 塑鋼纖維摻量對混凝土折壓比的影響

        圖13 為混凝土折壓比(立方體抗折強度與抗壓強度之比)隨塑鋼纖維摻量變化曲線圖,圖14為折壓比增幅變化曲線圖.由圖13~圖14 可知,塑鋼纖維能提高混凝土折壓比,立方體抗折強度的提高大于其抗壓強度的提高,這說明適量摻入塑鋼纖維能夠改善混凝土脆性性能.

        圖13 混凝土折壓比隨塑鋼纖維摻量變化曲線

        圖14 折壓比增幅隨塑鋼纖維摻量變化曲線

        2.5.2 齡期對折壓比的影響

        混凝土折壓比隨齡期變化曲線見圖15.由圖15 可知,折壓比隨齡期增長而降低,前7 d 折壓比降幅較大,14~28 d 逐漸趨于平穩(wěn).0~7 d 折壓比為0.12~0.18,14~28 d 折壓比為0.11~0.15,這說明立方體早齡期抗折強度比其抗壓強度發(fā)展速度快.當塑鋼纖維摻量為0.45%~1.35%時,3 d齡期折壓比增幅為20%~36%,7~28 d 齡期增幅為12%~20%,這說明摻入塑鋼纖維對前3 d 的折壓比影響較大.

        圖15 混凝土折壓比隨齡期變化曲線

        3 結(jié)論

        1)適量塑鋼纖維可以提高混凝土早齡期立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度.塑鋼纖維對混凝土早齡期劈裂抗拉強度的增幅最大,抗折強度次之,對立方體抗壓強度影響最小.

        2)隨著齡期發(fā)展,早齡期劈裂抗拉強度發(fā)展最快,抗折強度次之,立方體抗壓強度發(fā)展最慢.對試驗數(shù)據(jù)進行擬合,得到了3 種強度隨齡期發(fā)展的計算模型,研究發(fā)現(xiàn)當塑鋼纖維體積率為0%~1.35%,3 d 齡期時,塑鋼纖維對早齡期劈裂抗拉強度和抗折強度提升幅度最大,劈裂抗拉強度增幅約22%~49%,抗折強度增幅約22%~35%;7~28 d 時,增幅降低并趨于平穩(wěn),劈裂抗拉強度增幅約29%~37%,抗折強度增幅約15%~23%.

        3)適量塑鋼纖維可以提高混凝土早齡期拉壓比和折壓比,改善混凝土脆性;0~28 d 塑鋼纖維混凝土早齡期拉壓比和折壓比隨著齡期增大而降低,最終趨于平穩(wěn).

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