鋼纖維輕骨料混凝土準靜態力學性能研究

賴俊　張國強（廣州大學土木工程學院）

鋼纖維輕骨料混凝土準靜態力學性能研究

賴俊張國強
（廣州大學土木工程學院）

采用NYL-2000型壓力試驗機和SHT4106型電液伺服萬能試驗機，分別對基體強度等級為LC60，鋼纖維體積率（Vf）為0～3%的鋼纖維輕骨料混凝土（SFRLAC）進行立方體抗壓、劈拉、軸壓試驗，測得SFRLAC立方抗壓強度、劈拉強度、軸壓強度和應力-應變曲線。試驗結果表明：隨Vf的增加，SFRLAC抗壓強度逐漸增大，但增幅有限，劈拉強度增幅明顯，最大可達122%；鋼纖維的摻入可顯著提高基體輕骨料混凝土（LC）的韌性，彈性模量也隨Vf的增大緩慢增長，但增幅逐漸減小。觀察其破壞形態可發現：鋼纖維的摻入改善了LC的脆性破壞形態，使其具有一定的塑形破壞形態，且Vf越大，其塑形破壞體現越明顯，破壞程度越小。

SFRLAC；力學性能；應力應變曲線；破壞形態

1　引言

鋼纖維混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，SFRC）是在普通混凝土中摻入亂向分布的鋼纖維后形成的一種多相復合材料［1］。其具有優良的物理力學性能，可以滿足工程中的高拉應力、復雜受力、高耐久性、抗裂、阻裂和增韌等性能要求［2］。輕骨料混凝土（Lightweight Aggregate Concrete，LAC）是一種利用人造或者天然輕質骨料替代普通密度骨料的混凝土，具有輕質、隔熱保溫、耐火、抗震等優點［3］。將鋼纖維和輕骨料混凝土結合起來成為鋼纖維輕骨料混凝土 （Steel FiberReinforcedLightweightAggregateConcrete，SFRLAC）。鋼纖維輕骨料混凝土不僅具有輕骨料混凝土的優良特性，而且明顯提高了輕骨料混凝土的抗拉強度、抗彎強度、抗裂性能和抗疲勞性能［4］，在各類混凝土工程中具有廣闊的應用前景。

當前，鋼纖維混凝土和輕骨料混凝土研究已經相對成熟，并已投入實際工程應用，而SFRLAC發展較晚且力學性能較前者復雜，主要處于在力學性能試驗研究階段。本文針對基體強度等級為LC60，鋼纖維體積率（Vf）為0～3%的SFRLAC進行立方體抗壓、劈拉、軸壓試驗研究。

2　SFRLAC試驗概況

2.1原材料

水泥：廣州市越堡水泥有限公司生產的金羊牌P.042.5R硅酸鹽水泥。

粉煤灰：廣州市天達混凝土攪拌站提供的Ⅱ級粉煤灰，表觀密度為2.3g/cm3，提純后得到純度為98%更細顆粒的粉煤灰微珠。

硅粉：挪威Elkem公司生產的Elkem Microsilica牌硅粉。

鋼纖維：武漢新途工程纖維制造有限公司生產的微細鋼纖維，長度10～20mm，抗拉強度800MPa。

粗骨料：湖北宜昌產頁巖圓陶粒，堆積密度為770 Kg/m3，表觀密度為1362Kg/m3，陶粒級數為800，筒壓強度7.0MPa，顆粒級配為5～10mm連續級配。

細骨料：河砂，表觀密度為1570Kg/m3，細度模數為2.5。

減水劑和水：聚羧酸型高效減水劑，含固量為20%，減水效率35%；自來水。

2.2配合比

普通混凝土通常采用絕對體積法進行配合比設計，輕骨料混凝土可采用全計算法［5］。此處將混凝土全計算法與絕對體積法相結合，計算出SFRLAC高強度等級LC60下的配合比如表1所示。

表1　SFRLAC配合比　單位：公斤/立方米

2.3試驗裝置、加載方法及試塊

本試驗立方體抗壓強度測試采用：江蘇無錫建儀儀器機械有限公司 NYL-2000型壓力試驗機，增加夾具和墊塊后可用于劈拉試驗的測定。軸壓試驗采用深圳市新三思計量技術有限公司生產的SHT4106型電液伺服萬能試驗機，試驗加載全過程采用位移控制，可測得SFRLAC試塊單軸壓縮應力-應變全曲線。

試驗加載方法參考《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2002）和《纖維混凝土試驗方法》（CECS 13：2009）。

本試驗SFRLAC按鋼纖維體積率分別為0、1%、2%、3%分為四組，每組配合比均要做100mm×100mm×100mm立方體試塊6塊、100mm×100mm×300mm棱柱體3塊，前者用于測試SFRLAC立方體抗壓、劈拉試驗，后者用于軸壓試驗。

3　SFRLAC試驗結果

按照CECS 13：2009中所述試驗數據處理方法，對同試驗同配合比下的三個離散數據進行處理，得出SFRLAC立方體抗壓強度值、劈拉強度值、軸壓強度值、彈性模量大小如表2所示，應力-應變曲線如圖1所示。

表2　SFRLAC試驗測試結果

圖1　SFRLAC應力-應變曲線

4　SFRLAC試驗結果分析

4.1鋼纖維體積率對SFRLAC抗壓強度的影響

從表2可以看出，隨著Vf的提高，各系列材料的抗壓強度都有所增加。這是因為混凝土中鋼纖維的摻入，在混凝土基體內形成了縱橫交錯的網絡，增強了混凝土基體間的粘結性，對SFRLAC抗壓強度具有一定的提升作用，具體增長趨勢見圖2。當鋼纖維體積率在1%、2%、3%時LC60等級立方體的抗壓強度增幅分別為7.1%、15.4%、18.7%；對應軸壓強度分別提高2.6%、8.0%、11.9%。顯然棱柱體軸壓強度的增幅小于立方體抗壓強度，但二者最大增幅均小于20%。其原因是：盡管鋼纖維起到阻裂增強作用，但由于基體LC的陶粒筒壓強度低，鋼纖維摻入后，隨著Vf增大界面薄弱層越多。因此，SFRLAC受壓后首先在陶粒邊界處破壞，導致SFRLAC的抗壓強度增幅有限。

圖2　鋼纖維體積率對SFRLAC抗壓強度的影響

4.2鋼纖維體積率對SFRLAC劈拉強度的影響

圖3為鋼纖維體積率對SFRLAC劈裂抗拉強度的影響變化圖，由圖可知，鋼纖維使得混凝土劈裂抗拉強度顯著提高。當鋼纖維體積率為1.0%、2.0%、3.0%時，LC60等級SFRLAC劈裂抗拉強度分別提高了32.7%、71.4%、122%，增長幅度明顯大于材料抗壓強度。這主要是因為劈拉試驗過程中更能充分利用鋼纖維的拉結作用，且鋼纖維體積率越大，參與“邊壁效應”的鋼纖維越多，抗拉強度增幅越大。

圖3　鋼纖維體積率對SFRLAC劈拉強度的影響

4.3SFRLAC應力應變曲線分析

從圖1中的SFRLAC單軸壓縮應力-應變曲線圖可知：SFRLAC在軸心壓力作用下，其應力-應變曲線的外形與SFRC的曲線非常相似，也可以分為4個階段：彈性階段、裂縫穩定發展階段、裂縫失穩階段和破壞階段［6］。在曲線上升段，鋼纖維的摻入對于LC的性質幾乎沒有影響。只有當曲線進入下降段，試塊出現裂縫后，與裂縫相交的鋼纖維才明顯地發揮作用，阻滯裂縫的進一步發展，導致曲線下降段較平緩，直到鋼纖維從LC中拔出，從而使得輕骨料混凝土的韌性大大增強［7］。同時鋼纖維的阻裂和約束側向裂縫發展的作用也使SFRLAC彈性模量逐漸增大，這在表2數據和圖1中清楚顯現。且彈性模量增幅的逐漸減小，與混凝土彈性模量與立方體抗壓強度的平方根呈線性相關關系的結論一致［8］。至于表2中彈性模量低于普通混凝土現行規范值，分析認為和SFRLAC所采用粗集料陶粒內部結構疏松多孔有關，且陶粒本身表觀密度遠低于普通石子，多項物理力學指標偏低造成輕骨料混凝土彈性模量普遍較小。

4.4SFRLAC破壞形態

4.4.1受壓破壞形態

如圖4所示，通過觀察LC60等級下不同鋼纖維體積率的SFRLAC試塊受壓破壞形態，發現不摻鋼纖維時，其裂縫很寬，外圍脫落嚴重。而摻有鋼纖維的SFRLAC，在受壓時，由于裂縫之間鋼纖維的橋接作用，形成纖維網絡結構，因而與未摻鋼纖維的混凝土相比：SFRLAC試塊破壞后基本保持完整性，裂而不散，表面有碎片崩落。顯然，鋼纖維摻入LC中可以改善LC的脆性破壞形態，使其具有一定的塑形破壞形態，且鋼纖維體積率越大，其塑形破壞體現的越明顯，破壞程度越小。同時注意SFRLAC試塊斷裂面處，所有陶粒都是內部斷開，而不是與水泥凝膠體脫粘。說明水泥膠凝體包圍粘結著強度較低的陶粒，陶粒本身為薄弱環節，這與立方體抗壓強度增幅有限的理論分析保持一致。

4.4.2劈拉破壞形態

圖5所示為不同鋼纖維體積率下SFRLAC劈拉破壞形態。不摻鋼纖維的LC試塊劈裂破壞面斷口整齊，有劈裂的碎片，許多陶粒骨料被劈成兩半，屬于典型的脆性剪切破壞。摻有鋼纖維的LC立方體試塊，由于有鋼纖維的拉結作用，試塊破壞過程中不會完全斷開成兩半。且鋼纖維被拔出非拔斷，在試塊中部出現一條裂縫，裂縫寬度由上到下慢慢變細，而且是隨著Vf的增大，裂縫寬度逐漸變小。SFRLAC試塊有征兆的裂縫逐漸變寬的破壞過程，說明鋼纖維的加入提高了試塊破壞時的極限拉應變和延性［9］。

圖4　不同鋼纖維體積率下SFRLAC立方體受壓破壞形態

圖5　不同鋼纖維體積率下SFRLAC立方體劈拉破壞形態

5　結論

⑴鋼纖維對LC的立方體抗壓強度增強幅度有限，幅度為7.1%～18.7%，軸壓強度的增幅范圍更小，為2.6%～11.9%；同時觀察試塊斷裂面，發現陶粒均為斷裂而非脫粘，說明陶粒本身的筒壓強度是制約SFRLAC抗壓強度的重要因素。

⑵LC劈裂抗拉的斷面整齊，鋼纖維是拔出非拔斷。由于鋼纖維在LC基體中的“邊壁效應”，使LC的劈裂抗拉強度大幅提高，對應鋼纖維體積率為1%～3%時LC60增長幅度可達32.7%～122%，遠大于SFRLAC抗壓強度增幅。

⑶SFRLAC的應力-應變曲線，與SFRC一樣有相似的曲線走勢，但LC脆性更大，曲線下降段比較陡峭；同時鋼纖維的摻入顯著提高了LC的韌性，彈性模量也隨Vf的增大緩慢增長，但增幅逐漸減小。

⑷LC基體試塊受壓破壞后，裂縫很寬，外圍脫落嚴重；而SFRLAC試塊破壞時，試塊基本保持完整性，裂而不散。LC基體試塊劈裂破壞面斷口整齊，屬于典型的脆性剪切破壞；而SFRLAC破壞時，由于有鋼纖維的拉結作用，試塊破壞過程中僅中部出現一條裂縫，且隨Vf增大，縫寬逐漸變小。說明鋼纖維摻入LC中可以改善LC的脆性破壞形態，使其具有一定的塑形破壞形態，且Vf越大，其塑形破壞體現的越明顯，破壞程度越小。●

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