鋼纖維活性粉末混凝土基本力學特性研究

蔣春鋼，萬華柱，原國智，覃 權

(廣西西江集團紅花二線船閘有限公司，廣西 南寧 545000)

0 引言

活性粉末混凝土作為近年來新興的建筑材料，因其高強度和高耐久性，在工程領域得到了高度重視，其應用也越來越普遍[1-3]。相比傳統混凝土，活性粉末混凝土通過采用細砂代替原有的粗骨料、硅灰替代部分水泥作為膠凝材料制備而成的特殊混凝土，因其細觀結構十分密實，從而使得其力學性能和耐久性得到了顯著提升[4-6]。近年來，纖維作為摻合料越來越多地被應用于混凝土工程，如玄武巖纖維、鋼纖維等，這些纖維的加入可以有效改善混凝土某方面的性能，如彈性模量、強度、抗凍性、抗變形能力等[7-9]。由于纖維改性混凝土具有諸多優點，其在活性粉末混凝土中的應用也越來越受到重視。已有學者開展了玄武巖纖維、鋼纖維在活性粉末混凝土中的應用研究，但是此方面的研究尚未成熟，還有許多問題亟待解決，由于各種因素的影響，很多研究結果不一致，甚至出現相互矛盾的研究[10-12]。因此，有必要對纖維改性活性粉末混凝土開展進一步的研究，基于此，本文對鋼纖維活性粉末混凝土的力學性能開展了試驗研究，以期得到鋼纖維摻量對活性粉末混凝土性能的影響。

1 原材料及測試方法

1.1 試驗材料

(1)水泥：P.Ⅱ42.5硅酸鹽水泥，性能指標如下頁表1所示。

表1 水泥性能表

(2)硅灰：選擇當地產硅灰，性能指標見表2。

表2 硅灰性能表

(3)石英砂：性能指標見表3。

表3 石英砂性能表

(4)鋼纖維：采用細圓鍍銅鋼纖維，性能指標見表4。

表4 鋼纖維性能表

(5)減水劑：采用聚羧酸高效減水劑，相關性能指標見表5。

表5 聚羧酸減水劑性能表

(6)拌和水：普通飲用水，質量符合規范要求。

1.2 試驗配合比

參考國家規范《活性粉末混凝土》(GB/T 31387-2015)，以鋼纖維摻量為變量，鋼纖維摻量為0.5%～2.5%，具體配合比見表6。

表6 試驗配合比表

1.3 試件制備及測試方法

混凝土拌和時首先將鋼纖維和石英砂加入到攪拌鍋中充分拌和約3 min，再加入其他膠凝材料充分拌和約3 min，然后分批次加入拌和水和減水劑攪拌約5 min。采用插搗成型的方式將拌和物裝入模具中，無須使用振動臺。試件置于恒溫恒濕養護室24 h后拆模，然后采用蒸汽養護48 h，養護溫度為95 ℃。

試驗制作40 mm×40 mm×160 mm的試件進行抗壓強度和抗折強度測試，制作70 mm×70 mm×210 mm試件用于彈性模量和比例極限測試。

2 試驗結果分析

2.1 抗壓強度

各組試件的抗壓強度試驗結果如表7所示，抗壓強度隨鋼纖維摻量的變化如圖1所示。從試驗結果可以看出，抗壓強度隨著鋼纖維摻量的增加而不斷增加，當鋼纖維摻量從0.5%增加到2.5%時，抗壓強度分別提高9%、27%、42%、63%和87%，說明鋼纖維的加入顯著提高了抗壓強度。鋼纖維對活性粉末混凝土抗壓強度的改善主要是因為鋼纖維在混凝土內部起到環箍作用，增強了混凝土內部材料之間的粘結，從而使得活性粉末混凝土的抗壓強度得以提升。同時也應注意，高鋼纖維摻量會使得成本提高，應當根據實際工程要求選擇合理的鋼纖維摻量。

表7 抗壓強度試驗結果表(MPa)

圖1 抗壓強度隨鋼纖維摻量的變化柱狀圖

2.2 抗折強度

各組試件的抗折強度試驗結果如表8所示，抗折強度隨鋼纖維摻量的變化如圖2所示。從試驗結果可以看出，抗折強度隨著鋼纖維摻量的增加而不斷增加，當鋼纖維摻量從0.5%增加到2.5%時，抗折強度分別提高28%、64%、96%、139%和154%，鋼纖維的加入顯著提高了抗折強度，其對抗折強度的改善效果遠遠大于對抗壓強度的改善。2.0%和2.5%摻量時抗折強度提高1倍多，這主要是因為鋼纖維抗拉強度極高，在混凝土抗折中起到了橋接作用，大大改善了混凝土的抗折強度。

表8 抗折強度試驗結果表(MPa)

圖2 抗折強度隨鋼纖維摻量的變化柱狀圖

2.3 比例極限

比例極限是混凝土比例極限應力與最大應力的比值，用于表征混凝土彈性工作階段和彈塑性工作階段的過渡，比例極限越高，表明混凝土彈性性能越好。鋼纖維活性粉末混凝土比例極限試驗結果如表9所示，比例極限隨鋼纖維摻量的變化如圖3所示。從試驗結果可以看出，比例極限隨著鋼纖維摻量的增加而不斷增加，當鋼纖維摻量從0.5%增加到2.5%時，比例極限分別提高4%、10%、13%、15%和16%，可以看出，鋼纖維的加入提高了混凝土的比例極限，表明鋼纖維的加入使混凝土的彈性工作階段增加，提升了其彈性性能。

表9 比例極限試驗結果表

圖3 比例極限隨鋼纖維摻量的變化柱狀圖

2.4 彈性模量

彈性模量是混凝土在不同應力條件下抵抗變形的能力，彈性模量越大表明混凝土在相同應力水平下變形越小。本文以50%極限應力對應的割線模量作為鋼纖維活性粉末混凝土的彈性模量。鋼纖維活性粉末混凝土彈性模量試驗結果如表10所示，彈性模量隨鋼纖維摻量的變化如后頁圖4所示。從試驗結果可以看出，彈性模量隨著鋼纖維摻量的增加而不斷增加，但是增加趨勢逐漸變緩，當鋼纖維摻量從0.5%增加到2.5%時，比例極限分別提高34%、49%、69%、83%和89%，表明鋼纖維的加入提高了混凝土的彈性模量，這主要是因為鋼纖維的加入使混凝土的抗壓強度得到了提高，進而提高了其彈性模量。

表10 彈性模量試驗結果表

圖4 彈性模量隨鋼纖維摻量的變化圖

3 結語

(1)鋼纖維活性粉末混凝土的抗壓強度隨著鋼纖維摻量的增加而增加，2.5%摻量時強度提高達87%；抗折強度也隨著鋼纖維摻量的增加而提高，最大提高幅度為154%。鋼纖維對活性粉末混凝土強度性能的改善主要是因為鋼纖維在混凝土中起到了環箍和橋接作用。

(2)活性粉末混凝土的比例極限隨著鋼纖維摻量的增加而提高，但是提升幅度不大，最大約為16%。

(3)鋼纖維的加入可以有效提升活性粉末混凝土的彈性模量，使其在應力作用下的變形更小。