超早強(qiáng)短細(xì)鋼纖維混凝土強(qiáng)度性能試驗(yàn)研究

謝寓龑

(中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川 成都 610000)

1 引 言

裂縫病害是困擾混凝土結(jié)構(gòu)研究發(fā)展和使用的難題，素混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，拉應(yīng)變與彎曲應(yīng)變小。鋼纖維混凝土因亂向分布短鋼纖維的摻入，使得混凝土裂縫的形成和擴(kuò)展得到有效地抑制，且還有很多優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛地應(yīng)用于各種工程類型、不同環(huán)境條件[1-4]。目前就鋼纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)機(jī)理存在纖維間距機(jī)理與復(fù)合材料機(jī)理兩種理論解釋，為進(jìn)一步論證鋼纖維混凝土相較于素混凝土的性能表現(xiàn)，通過(guò)對(duì)超早強(qiáng)短細(xì)鋼纖維混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度性能試驗(yàn)研究，為其在路面、橋面鋪裝等工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定的參考作用。

2 試 驗(yàn)

2.1 原材料

試驗(yàn)選用的水泥為拉法基牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。碎石為石灰?guī)r，最大粒徑不超過(guò)15 mm。砂為河砂，細(xì)度模數(shù)M=3.0，堆積密度1 545 kg/m3，級(jí)配連續(xù)。選用鋼纖維為熔抽型超短超細(xì)鋼纖維。早強(qiáng)劑為GY-CS1型混凝土速凝劑(用于混凝土中的早強(qiáng)劑根據(jù)其特性主要有礦物類、無(wú)機(jī)鹽類和有機(jī)物類3種[5]，早強(qiáng)劑對(duì)混凝土性能的影響[6]主要表現(xiàn)為使其拆模周期明顯縮短，一般24 h后即可拆模，大大提高了施工效率)。減水劑為FDN萘系高效減水劑。水為普通自來(lái)水。

2.2 配合比

(1)超早強(qiáng)素混凝土配合比為，水泥∶砂∶石子∶水=1∶1.41∶1.78∶0.37，早強(qiáng)劑摻量為水泥質(zhì)量的4%；減水劑摻量為水泥質(zhì)量的0.8%。

(2)超早強(qiáng)鋼纖維混凝土配合比為，水泥∶砂∶石子∶水=1∶1.41∶1.78∶0.40，早強(qiáng)劑摻量為水泥質(zhì)量的4%；減水劑摻量為水泥質(zhì)量的0.8%。在此基礎(chǔ)上分別加入體積摻量4%和6%的鋼纖維。

表1 試件配合比

2.3 試驗(yàn)方法

(1)立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)備和方法

抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)在微機(jī)控制全制動(dòng)WHY-3000型300 t壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，加載速率為1.2 mm/min。

立方體抗壓強(qiáng)度按公式(1)計(jì)算

fCU=F/A

(1)

式中：fCU為抗壓強(qiáng)度，MPa，計(jì)算結(jié)果精確至0.1 MPa；F為極限荷載，N；A為受壓面積，mm2。

(2)抗折強(qiáng)度試驗(yàn)方法

鋼纖維混凝土試件抗折強(qiáng)度按公式(2)計(jì)算

ft=3FL/2h3

(2)

式中：ft為抗折強(qiáng)度，MPa，計(jì)算精確值0.1 MPa；L為支座間距，mm；h為試件高度，mm。

3 結(jié)果與分析

3.1 立方體抗壓強(qiáng)度

表2為立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)得極限荷載數(shù)據(jù)，圖1為不同試件抗壓強(qiáng)度隨齡期變化情況。

表2 不同齡期所測(cè)極限荷載F

圖1 不同試件抗壓強(qiáng)度隨齡期變化情況

可以得出如下結(jié)論：

(1)在相同配合比條件下，6%體積摻量的超短超細(xì)鋼纖維混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度明顯低于4%體積摻量，可見(jiàn)，鋼纖維的摻入并不是越大越好，體積摻量過(guò)大，會(huì)適得其反，且不夠經(jīng)濟(jì)。

(2)在相同配合比下，雖然4%體積摻量的超短超細(xì)鋼纖維混凝土的水灰比大于素混凝土，但其立方體抗壓強(qiáng)度明顯高于素混凝土。

(3)1 d齡期時(shí)，6%體積摻量的鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度優(yōu)于素混凝土，3 d和7 d齡期抗壓強(qiáng)度鋼纖維混凝土均低于素混凝土，而14 d齡期時(shí)，兩者抗壓強(qiáng)度非常接近，表明鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度后期增長(zhǎng)幅度較素混凝土大。

3.2 抗折強(qiáng)度

表3為抗折強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)得試件破壞荷載數(shù)據(jù)，圖2為不同試件抗折強(qiáng)度隨齡期變化情況。

表3 不同齡期所測(cè)極限荷載F

圖2 不同試件抗折強(qiáng)度隨齡期變化情況

試驗(yàn)結(jié)果分析如下：

(1)摻超短超細(xì)鋼纖維的混凝土雖然水灰比大于素混凝土，但其抗折強(qiáng)度明顯高于素混凝土，可見(jiàn)，超短超細(xì)鋼纖維對(duì)混凝土試件的抗折強(qiáng)度有明顯的提高作用。

(2)4%體積摻量的超短超細(xì)鋼纖維混凝土與6%體積摻量的相比，各齡期的抗折強(qiáng)度均高于6%體積摻量的超短超細(xì)鋼纖維混凝土。1 d齡期時(shí)，抗折強(qiáng)度提高了15.9%，3 d齡期提高了12.3%，7 d齡期提高了11.8%，14 d齡期提高了3.3%。鋼纖維的體積摻量并非越大越好，體積摻量過(guò)大，抗折強(qiáng)度反而有所下降。

(3)由于超早強(qiáng)劑的加入，使得前3 d抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)逐漸放緩。

(4)試驗(yàn)數(shù)據(jù)還表明，鋼纖維混凝土能防止裂紋的發(fā)生和發(fā)展，從而避免了應(yīng)力集中引起的過(guò)早開(kāi)裂。

4 結(jié)論與討論

(1)通過(guò)將加入體積摻量為4.0%和6.0%超短超細(xì)鋼纖維混凝土在1、3、7、14 d四個(gè)不同齡期抗壓、抗折性能與素混凝土進(jìn)行對(duì)比，得到，加入鋼纖維可以在很大程度上提升混凝土試件的抗壓、抗折強(qiáng)度；同時(shí)超短超細(xì)鋼纖維摻量并非越多越好，其存在一個(gè)合適的范圍，對(duì)此還需展開(kāi)進(jìn)一步研究。

(2)鋼纖維是一種抗拉強(qiáng)度很高的高彈模纖維，有著良好的力學(xué)性能。當(dāng)混凝土承受荷載作用時(shí)，均勻多向分布的鋼纖維能有效抑制和延緩混凝土基體裂縫的發(fā)展和積累，使脆性混凝土具有較好韌性。超短超細(xì)鋼纖維的加入還改善了抗壓試件的破壞形態(tài)，與素混凝土明顯的脆性特性相比，超短超細(xì)鋼纖維混凝土試件破壞時(shí)有大量的微裂紋出現(xiàn)，表面輕微剝落，表現(xiàn)出了較好的塑性和整體性。

(3)在抗折強(qiáng)度試驗(yàn)方面，試件破壞時(shí)主裂縫附近出現(xiàn)多條微裂縫，裂縫間由于鋼纖維與混凝土基體之間的粘結(jié)力，吸收了很大一部分能量。試件破壞面上鋼纖維大多是被拔出，而非被拉斷，塑性較為明顯。由此可見(jiàn)，鋼纖維的抗拉優(yōu)勢(shì)得到了充分的發(fā)揮，可以有效阻止裂縫在試件結(jié)構(gòu)中的發(fā)展，從而使混凝土的抗折強(qiáng)度得到提高。