《武汉工程大学学报》 2018年04期
435-439
出版日期：2018-08-23
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
混杂纤维轻骨料混凝土的力学和抗冻性能研究
轻骨料混凝土是指采用轻粗骨料、轻砂（或普通砂）、水泥和水配制而成的干表观密度不大于1 950 kg/m3的混凝土［1］。在混凝土中掺入纤维是改善混凝土性能的有效手段［2］，研究结果表明［3-5］：在普通混凝土中掺加适量的高弹性模量的纤维可明显提高混凝土的强度，而掺加适量的低弹性模量或高延伸率的纤维可明显提高混凝土的韧性。混凝土的耐久性和力学性能同样重要，混凝土耐久性是结构在设计使用年限内抵抗外界环境和内部本身侵蚀破坏作用、正常使用及外观使人可接受的能力［6-7］。相关研究表明［8-9］在混凝土中掺入单一纤维对混凝土性能的改善有限，若要改善混凝土的综合性能可以将两种或两种以上的纤维按不同尺寸和不同性能混杂后掺入混凝土基体，通过取长补短，在不同层面相互协调工作，从而提高混凝土的综合性能。美国是最早将轻骨料混凝土应用于建筑工程的国家。美国在1970年至1990年修建的400多座大跨度桥梁中便广泛使用了轻骨料混凝土［10］。其次日本、德国、挪威等国家在对轻骨料混凝土的研究较为深入。我国直到20世纪50年代才开始着手这方面的研究［11］。在轻骨料混凝土研究的初期，由于混凝土强度过低、生产工艺落后等原因，轻骨料混凝土只能应用于非承重构件或者围护结构，随着我国近年来的高速发展，轻骨料混凝土的研究与国外先进水平的差距也逐渐缩小，轻骨料混凝土的研究和应用技术也直逼世界先进水平［12］。目前，对混杂纤维轻骨料混凝土的研究还比较少，尤其是耐久性方面的研究更少。本文通过试验研究混杂纤维及单掺纤维对轻骨料混凝土的立方体抗压、劈裂抗拉及抗冻性能的影响。1 试验部分1.1 试验材料和技术性能1）水泥：选用武汉华新水泥厂的42.5级普通硅酸盐水泥。2）轻粗骨料：湖北宜昌宝珠陶粒开发有限公司生产的高强页岩陶粒，碎石型。表观密度为1 330 kg/m3，堆积密度800 kg/m3，粒径不大于20 mm。3）细骨料：天然河砂，中砂。4）减水剂：为提高混凝土和易性，减水剂采用FDN高效减水剂，减水率达15%~25%。5）纤维：钢纤维和聚丙烯纤维，性能指标见表1。1.2 试验方案试验中选定钢纤维体积率和聚丙烯纤维体积率两个影响因素［13］，进行单掺纤维轻骨料混凝土和混杂纤维轻骨料混凝土的基本力学性能和抗冻性能的试验研究。基本力学性能试验包括立方体抗压试验和劈裂抗拉试验，其中立方体抗压和抗冻试验每组3个试件，试件尺寸均为100 mm×100 mm×100 mm；劈裂抗拉试验每组3个试件，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。本次试验中轻骨料混凝土的强度等级为LC30，是根据《纤维混凝土技术及应用》［14］的要求及《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》［15］中有关配合比设计的规定采用松散体积法确定的，见表2。为了分别比较单掺纤维及混杂纤维对轻骨料混凝土立方体抗压、劈裂抗拉以及抗冻性能影响，本次试验按不同的纤维体积率设计了9组混杂纤维轻骨料混凝土，3组单掺钢纤维轻骨料混凝土，3组单掺聚丙烯纤维轻骨料混凝土和1组普通轻骨料混凝土对比试件，试验分组见表3。分别将聚丙烯纤维以0.05%、0.10%、0.15%的体积掺加率单掺，钢纤维以1.0%、1.5%、2.0%的体积掺加率单掺及聚丙烯纤维与钢纤维混杂后掺入轻骨料混凝土基体中对其进行立方体抗压、劈裂抗拉与抗冻性能试验研究。1.3 试件的制作与所用设备试验中搅拌混凝土的机器为强制式搅拌机，以保证拌合物的均匀性，首先将陶粒和细骨料加入搅拌机中干拌30 s，待二者拌合均匀后加入水泥并观察搅拌情况，待三者搅拌均匀后向搅拌机中加入纤维，最后向搅拌机中加入水进行湿拌制成纤维轻骨料混凝土。将湿拌的纤维轻骨料混凝土立即装入相应的试模后，使用振动台振捣成型。1 d后拆模，拆模后立即放入标准养护室中养护，养护室相对湿度为95%以上，温度为（20±2） ℃，室内湿度均匀。制作试件的过程中用到的设备有强制式搅拌机、振动台以及混凝土试模。力学性能试验中所用设备为液压式压力试验机；抗冻融循环试验中冻融循环次数为50次，采用慢冻法，试验设备为武汉工程大学自主研制的冻融机。2 结果与讨论2.1 立方体抗压试验与劈裂抗拉试验结果本次试验中基本力学性能试验包括立方体抗压与劈裂抗拉试验，每组试件的抗压和抗拉强度值为其3个试件的算术平均值，立方体抗压与劈裂抗拉试验的结果见表4。由表4可以看出：1）在轻骨料混凝土中掺入适量纤维可以提高混凝土的立方体抗压强度和劈拉强度。2）钢纤维或聚丙烯纤维及二者混杂均不同程度提高了基体的立方体抗压强度，当钢纤维体积率为1.0%，聚丙烯纤维体积率为0.05%时，立方体抗压强度最大为39.16 MPa，相较于对照组提高了17.92%。3）钢纤维对基体劈裂抗拉强度的提高尤其明显，并且提高幅度大于聚丙烯纤维，其中单掺钢纤维体积率为1.5%时，劈拉强度最大为4.77 MPa，相较于对照组提高了63.36%。轻骨料混凝土中掺入纤维后，轻骨料混凝土的破坏过程及破坏形态有明显改善，图1为劈拉试验中掺入不同纤维时轻骨料混凝土的破坏形态。试验过程中，当荷载达到一定数值后，素轻骨料混凝土表面首先出现1~2条微小的裂缝，随着试验的进行，在原微裂缝的远处相继出现其他裂缝，随着荷载进一步增加，裂纹的宽度迅速增大，长度也迅速增长，直到裂缝由上至下贯通整个试块，随即混凝土试件碎裂成块而破坏，这种破坏是突发的，表现出明显的脆性。钢纤维和混杂纤维轻骨料混凝土试块达到极限承载力后，试块表面裂缝的发展有一定过程，极限承载力虽不能增长，但是下降速度明显放缓，试块破坏时，纤维还在试块表面将试块连成一个整体，试块表现出良好的延性。掺入钢纤维的轻骨料混凝土尤其明显，混凝土试块达到极限承载力时，试块表面出现多条裂纹，此时继续加载，可以听到纤维因拔断而发出的明显噼啪声，此时试件仍没有破坏，并且在较长的一段时间里试件仍具有较大的承载力，试件表现出较强的韧性。因此，不难看出素轻骨料混凝土中掺入纤维可以有效改善混凝土的脆性。2.2 抗冻融循环试验混凝土抗50次冻融循环试验采用慢冻法，测定混凝土50次冻融循环后的强度损失率，每组试件的强度损失率为其3个试件的算术平均值，试验结果见图2。混凝土抗冻融循环试验后强度损失率越小表示混凝土抗冻性能越好。由图2可以看出在素轻骨料混凝土基体中掺入纤维均不同程度地降低了混凝土基体的强度损失率。混杂纤维系列尤其明显，其中混杂纤维系列中，当钢纤维体积率为1.0%，聚丙烯纤维体积率分别为0.05%、0.10%、0.15%时，混凝土强度损失率较素轻骨料混凝土分别降低了65.80%、57.80%、68.92%；当钢纤维体积率为1.5%，聚丙烯纤维体积率分别为0.5%、0.10%、0.15%时，混凝土强度损失率较素轻骨料混凝土分别降低了52.08%、56.08%、55.56%；而当钢纤维体积率提高到2%时，聚丙烯纤维体积率分别为0.05%、0.10%、0.15%时，强度损失率较素轻骨料混凝土分别降低了39.41%、27.78%、17.71%。2.3 混杂效应分析为研究上述抗冻融循环试验中阐述的现象，引入纤维混杂系数与增强系数［15］，定义强度损失随纤维掺量情况变化的衰减系数为：[β3]=[F1F2] （1）式（1）中：[β3]为掺入纤维后混凝土的强度损失衰减系数；[F1]为掺入纤维后混凝土的强度损失率；[F2]为素轻骨料混凝土的强度损失率。混杂效应应考虑2种纤维在单一状态下对水泥基材料作用的乘积，定义强度损失随纤维掺量情况变化的混杂系数为：[α3]=[βefβe·βf] （2）式（2）中：[α3]为混杂纤维轻骨料混凝土强度损失随纤维掺量情况变化的混杂系数；[βef]为混杂纤维轻骨料混凝土的强度衰减系数；[βe]为单掺钢纤维轻骨料混凝土强度衰减系数；[βf]为单掺聚丙烯纤维轻骨料混凝土强度衰减系数。由混杂系数公式不难看出，当[α3]≤1时为正混杂效应，当[α3]≥1时为负混杂效应。表5列出了以LC30轻骨料混凝土为基准，各组混杂纤维轻骨料混凝土的纤维体积率对应的衰减系数和混杂系数。观察表5中的强度损失率衰减系数和混杂系数，部分混杂系列组虽然衰减系数小于1，但是混杂系数却大于1。说明混杂纤维虽然降低了素轻骨料混凝土的强度衰减系数，但是两种纤维的混杂却产生了负混杂效应。这也体现了探讨混杂系数所带来的意义，不单看某一种纤维的作用，而是从整体来考虑他们的混杂效应。当两种纤维混杂在一起时，混杂纤维所产生的作用大于两种纤维单掺时作用的代数和时即为正混杂效应，反之则为负混杂效应。产生正负混杂效应的原因有很多，如两种不同尺寸的纤维在不同层面上相互协调、相互补充即可产生正混杂效应；而负混杂效应并不表示两种纤维混杂对混凝土没有改善作用。例如本次冻融循环试验中的Ssp8组、Ssp9组，虽然改善了混凝土的抗冻性能，但是却产生了负混杂效应，主要是因为纤维较小的单丝直径及纤维掺量过多之后导致的纤维间距较小，纤维间发生重叠，相互干扰。3 结 语1）在轻骨料混凝土中掺入适量的混杂纤维可提高混凝土立方体抗压强度和劈裂抗拉强度，当钢纤维体积率为1.0%，聚丙烯纤维体积率为0.05%时，立方体抗压强度最大为39.16 MPa，相较于对照组提高了17.92%。2）钢纤维对混凝土基体劈裂抗拉强度的提高尤其明显。当单掺钢纤维体积率为1.5%，劈拉强度最大为4.77 MPa，相较于对照组提高了63.36%。向轻骨料混凝土中掺入混杂纤维可以有效改善混凝土基体的脆性，使基体由脆性破坏转变为延性破坏。3）当钢纤维体积率为1.0%、聚丙烯纤维体积率为0.15%时，50次冻融循环试验后混杂纤维轻骨料混凝土的强度损失率最低为1.79%，相较于对照组降低了68.92%。