粉煤灰鋼纖維超高強混凝土抗壓性能試驗研究

蘇 俊,陶俊林,李 棠 (西南科技大學土木工程與建筑學院,四川綿陽621 01 0)

鋼纖維超高強混凝土 (FSFRUHSC)是在高強度等級的混凝土基體中摻入亂向分布的鋼纖維所形成的新型復合材料,其抗壓強度超過100MPa[1]。FSFRUHSC具有較好的抗壓性能和優良的抗侵徹、抗爆炸性能,能夠應用在軍事工程尤其是新型核爆洞安全防護層等一些特種工程結構中。由于應用FSFRUHSC的時間相對較短,因而對不同尺寸FSFRUHSC試件的抗壓強度及其壓縮破壞模式等抗壓性能有待進一步探討。為此,筆者通過鋼纖維體積含量為1.5%的FSFRUHSC試件的抗壓試驗,研究了不同尺寸試件抗壓強度及其壓縮破壞模式,從而探討粉煤灰鋼纖維超高強混凝土的抗壓性能。

1 試驗部分

1.1 主要原材料

粉煤灰;52.5級普通硅酸鹽水泥;剪切端鉤型鋼纖維 (等效直徑0.4mm,長徑比40,極限抗拉強度1500MPa);細骨料為天然河砂 (細度模數2.3,連續級配);粗骨料為天然玄武巖碎石 (最大粒徑10mm,級配良好,壓碎指標小于3%);SSJS型羧酸系高效減水劑;礦粉等超細混合材料。

1.2 試件制備

參照文獻 [1]進行配合比試驗,選擇混凝土基體質量配合比為水泥∶水∶砂∶石∶減水劑∶粉煤灰∶礦粉等超細混合材料=1∶0.22∶1.55∶2.33∶0.015∶0.4∶0.08。鋼纖維體積摻量為1.5%。由于水灰比小,且摻合料較多,需采用強制式攪拌機進行拌合物生產,為了防止鋼纖維結團并使其均勻分布在拌合物中,經多次試制后采用的投料次序為投砂、石子、水泥及粉煤灰等摻合料,攪拌均勻后再摻入70%的水和80%的減水劑。在攪拌的同時撒入鋼纖維,最后摻入剩余的30%水及20%減水劑,攪拌3～5min出料,迅速裝模并上振動臺振動8～10min,24h后拆模后標準養護28d。最終制備出150mm×150mm×150mm(標準)、100mm×100mm×100mm(非標準)FSFRUHSC立方體試件和100mm×100mm×300mm FSFRUHSC棱柱體試件。

1.3 試驗方法

依據文獻 [2],采用5000KN電液伺服壓力試驗機對FSFRUHSC立方體和棱柱體試件進行抗壓試驗。

2 結果分析

2.1 抗壓強度

FSFRUHSC立方體和棱柱體試件抗壓強度試驗結果如表1所示。從表1可以看出:①標準立方體試件抗壓強度高于非標準立方體試件抗壓強度,這與普通混凝土立方體小尺寸試件抗壓強度高于大尺寸試件抗壓強度的現象有顯著區別,其原因可能是因為試驗時試件與試驗機之間潤滑油太少,受套箍效應對強度有一定程度影響[3,4]。②立方體試件抗壓強度高于棱柱體試件抗壓強度。

表1 FSFRUHSC抗壓強度

2.2 壓縮破壞模式

1)立方體壓縮破壞模式 在進行抗壓試驗后,標準立方體試件的破壞形態如圖1所示,非標準立方體試件的破壞形態如圖2所示。從圖1和圖2可以看出,2種立方體試件主裂紋都近似平行,試件雖破壞但裂而不散,呈現出韌性拉伸破壞形式。立方體試件受壓破壞裂塊截面形態如圖3所示,從圖3可見破壞面較粗糙,粗骨料均斷裂,鋼纖維均為拔出混凝土基體而沒有出現斷裂。這說明試件破壞主要由一部分粗骨料拉斷引起,之后鋼纖維逐漸被拔出混凝土基體。由于鋼纖維的拔出過程在一定程度上阻止了裂紋迅速發展,使得試件呈現出韌性拉伸破壞形態。在抗壓試驗中,立方體試件在壓力作用下,受力之初主要由混凝土基體承受荷載,應變很小,鋼纖維中拉應力很小,混凝土基體存在橫向拉應力,隨著應變的增加,鋼纖維承受的應力增大。由于鋼纖維本身抗拉強度 (1500MPa)遠大于混凝土基體強度,縱橫交錯的鋼纖維對試件橫向變形的約束作用較強,從而阻止混凝土進一步變形,使得混凝土基體達到極限應變的時間推遲[5]。由于超高強混凝土基體中水泥砂漿的強度接近甚至大于粗骨料的強度,水泥砂漿斷裂和粗骨料斷裂所需能量相當,所以裂紋的開展路徑可直接穿越骨料[6]。混凝土基體開裂后,裂縫間的應力重新分布,原來由混凝土基體承受的應力向鋼纖維轉移,跨越裂縫和靠近裂縫尖端的鋼纖維將應力傳遞給裂縫的兩側表面,裂縫尖端應力集中程度緩和,使裂縫處的混凝土仍能繼續承受荷載,隨著鋼纖維與混凝土基體產生大的滑移,試件變形加快,直至破壞,但仍有相當部分鋼纖維未被拔出混凝土基體。因此,試件呈現裂而不散的形態。

圖1 標準立方體試件受壓破壞形態

圖2 非標準立方體試件受壓破壞形態

2)棱柱體壓縮破壞模式 棱柱體受壓時,荷載達到峰值的70%時在試件中部出現較多微小裂紋,然后較為緩慢均勻地斜著發展形成粗糙主裂紋,發展方向與加載方向存在約30°夾角,荷載到達峰值后裂紋以較快速度發展貫通,最終試件破壞。圖4顯示了棱柱體試件受壓破壞后的典型形態。從圖4可以看出,主裂紋周圍有較多小裂紋,試件破壞為若干塊但并未互相分離。圖5顯示棱柱體試件受壓破壞裂塊截面形態。從圖5可以看出,破壞面粗糙,玄武巖粗骨料斷裂。但從破壞面劃痕可以看出骨料被剪壞,即棱柱體試件受壓破壞模式呈現出脆性剪切形式。與立方體試件受壓破壞一樣,棱柱體試件受壓破壞時鋼纖維逐漸拔出混凝土基體。在棱柱體試件較早產生裂紋時,鋼纖維因混凝土基體局部破壞而受拉,其應變增加,導致棱柱體試件裂紋發展速度較為緩慢,由此延緩試件破壞時間。當荷載到達峰值時,試件裂紋面已經有一定的錯動,由于剪應力較大,導致許多鋼纖維最終被拔出,因而棱柱體試件迅速破壞。

圖3 立方體試件受壓破壞裂塊截面形態

圖4 棱柱體試件受壓破壞形態

圖5 棱柱體試件受壓破壞裂塊截面形態

綜上所述,立方體試件和棱柱體試件在受壓破壞后鋼纖維并沒有拉斷,而是被斷裂過程中施加的拉應力或剪應力逐漸拔出混凝土基體,這樣有效阻止了混凝土基體中裂紋的擴展,導致應變增加,并使立方體、棱柱體試件分別呈現韌性拉伸和脆性剪切破壞形式。

3 結 論

1)配制出了抗壓強度超過100MPa的粉煤灰鋼纖維超高強立方體混凝土。試驗結果表明,大尺寸立方體試件抗壓強度高于小尺寸立方體試件抗壓強度,立方體試件抗壓強度高于棱柱體試件抗壓強度。

2)粉煤灰鋼纖維超高強混凝土立方體、棱柱體試件分別呈現韌性拉伸和脆性剪切壓縮破壞模式。

[1]林小松,楊果林.鋼纖維高強與超高強混凝土[M].北京:科學出版社,2002.

[2]CECS13:89,鋼纖維混凝土試驗方法 [S].

[3]GBT50081,普通混凝土試驗方法標準 [S].

[4]趙軍,高丹盈,朱海堂.鋼纖維高強混凝土抗壓性能試驗研究 [J].新型建筑材料,2005(1):24-27.

[5]焦楚杰,孫偉,高培正,等.鋼纖維高強混凝土力學性能研究 [J].混凝土與水泥制品,2005(3):35-38.

[6]安占義,鄭山鎖,謝明,等.混凝土單軸受壓統一隨機損傷本構關系[J].土木工程學報,2010,43(增1):241-245.