塑鋼纖維混凝土早齡期力學性能研究

段小芳，袁嬌嬌

(1. 南通開放大學 建筑工程學院，江蘇 南通 226006；2. 河海大學 土木與交通學院，南京 210098)

混凝土力學性能對結構的安全性、耐久性有重要影響.目前，關于混凝土早齡期力學性能的研究較少.李德超等[1]通過在混凝土中摻入纖維提高了混凝土強度.李曉偉[2]、陳茜[3]、白春等[4]研究發現在混凝土中摻入適量塑鋼纖維可以提高其早齡期抗拉強度、抗壓強度和抗折強度，摻量過少強度提升不明顯，摻量過多則強度降低.

混凝土早齡期立方體抗壓強度影響拆模時間，對工程工期有重要影響，且混凝土早齡期收縮大，在外部荷載作用下會產生拉應力，當外部拉應力超過混凝土早齡期抗拉強度時，混凝土就會開裂.已有研究者[5-6]通過摻入鋼纖維提高了混凝土早齡期抗拉強度.和鋼纖維相比，塑鋼纖維材質輕、價格便宜，在混凝土中亂象分布，形成三維支撐，使混凝土中的骨料不易下沉.因此，本文開展了塑鋼纖維混凝土早齡期力學性能研究，將不同體積率塑鋼纖維摻入混凝土中，探尋早齡期立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度發展變化規律.

1 試驗方案

混凝土設計強度等級為C60，采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，粗骨料為5～15 mm 石子，細骨料為2～5 mm 砂子，粉煤灰為I 級，礦粉等級為S95，混凝土配合比見表1.塑鋼纖維長度為24 mm，直徑為0.8 mm，密度為0.95 g/cm3，抗拉強度為530 MPa，彈性模量為9 800 MPa.

表1 混凝土配合比 g

根據塑鋼纖維摻量的不同將混凝土分成4 組，組號為PS0、PS0.45、PS0.9 和PS1.35，對應的塑鋼纖維體積率分別為0.0%、0.45%、0.9%和1.35%.混凝土早齡期力學性能包括：立方體抗壓強度、軸心抗拉強度和抗折強度.根據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2019)[7]確定試件尺寸和計算方法，試件的工況見表2.試件養護溫度為20±2 ℃，相對濕度為90%.

表2 試件工況

2 試驗結果及討論

2.1 早齡期立方體抗壓強度試驗結果及討論

2.1.1 塑鋼纖維對早齡期立方體抗壓強度的影響

圖1 為不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期立方體抗壓強度對比圖.

圖1 不同摻量塑鋼纖維混凝土立方體抗壓強度對比

由圖1 可知，立方體抗壓強度隨塑鋼纖維摻量的增加整體呈增長趨勢，但增幅不顯著.圖2為立方體抗壓強度增幅圖.由圖2 可知，塑鋼纖維體積摻量為0.45%時，0～14 d 混凝土早齡期立方體抗壓強度小幅度降低(降幅＜4%)，14～28 d強度小幅度提升(增幅＜3%)；當塑鋼纖維體積摻量為0.9%～1.35%時，立方體抗壓強度增加，增幅接近8%.這表明適量塑鋼纖維均勻分布在混凝土中時形成三維網絡結構，阻止了骨料的下沉；同時，纖維可填充早齡期水化反應產生的空隙，使混凝土內部更加均勻密實，立方體抗壓強度提高。綜上，建議塑鋼纖維體積率≥0.9%.

圖2 早齡期塑鋼纖維混凝土立方體抗壓強度增幅

2.1.2 齡期對混凝土立方體抗壓強度的影響

圖3 為不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期立方體抗壓強度隨齡期變化曲線.

圖3 立方體抗壓強度隨齡期變化曲線

由圖3 可知，塑鋼纖維混凝土立方體抗壓強度隨著齡期的發展呈非線性增長，14 d 以前強度發展較快；14 d 以后強度發展較慢，14 d 齡期立方體強度約為28 d 的80%～85%，14～28 d 期間其強度提高約15%～20%.由此可見，隨著齡期的發展，塑鋼纖維混凝土強度趨于平穩.

2.1.3 塑鋼纖維混凝土早齡期立方體抗壓強度計算模型

擬合圖3 試驗數據可得到不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期立方體抗壓計算模型，見式(1)：PS0.45、PS0.9 和PS1.35 這4 組試件參數A、B、C和擬合相關系數R2見表3.

表3 參數A、B、C 和擬合相關系數R2取值

2.2 早齡期劈裂抗拉強度試驗結果及討論

2.2.1 塑鋼纖維對早齡期劈裂抗拉強度的影響

圖4 為不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期劈裂抗拉強度對比圖.由圖4 可知，劈裂抗拉強度隨塑鋼纖維摻量的增加而增加.

圖4 不同摻量塑鋼纖維混凝土劈裂抗拉強度對比

圖5 為不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期劈裂抗拉強度增幅對比圖.

圖5 不同摻量塑鋼纖維混凝土劈裂抗拉強度增幅對比

由圖5 可知，當塑鋼纖維體積摻量為0.45%時，劈拉強度增幅為15%～23%；當其摻量為0.9%時，增幅為29%～42%；當其摻量為1.35%時，增幅為34%～49%.3 d 齡期塑鋼纖維對劈拉強度增幅最顯著，7～28 d 齡期強度增幅曲線基本一致.塑鋼纖維在混凝土中亂象分布，形成了三維網絡支撐，當混凝土達到抗拉強度后塑鋼纖維通過橋接作用繼續承受外部拉應力，阻礙裂縫擴展，與混凝土形成一個共同受力體系，使其劈裂抗拉強度提高.

2.2.2 齡期對混凝土劈裂抗拉強度的影響

圖6 為不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期劈裂抗拉強度隨齡期變化曲線。由圖6 可知，隨著齡期發展，劈裂抗拉強度呈非線性增長，在14 d 前強度發展較快，14 d 后發展趨于平緩.當塑鋼纖維體積摻量為0%時，14 d 齡期強度約為28 d 強度的94.31%；當摻量0.45%～1.35%時，14 d 強度約為28 d 的93%～ 95%.由此可見，隨著齡期的發展，塑鋼纖維混凝土劈裂抗拉強度和普通混凝土強度發展趨勢基本一致.

圖6 劈裂抗拉強度隨齡期變化曲線

2.2.3 早齡期劈裂抗拉強度計算模型

擬合圖6 試驗數據得到不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期劈裂抗拉計算模型，見式(2)：

表4 參數A、B、C 和擬合相關系數R2取值

2.3 早齡期抗折強度試驗結果及討論

2.3.1 塑鋼纖維對早齡期抗折強度的影響

圖7 為不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期抗折強度對比圖.由圖7 可知，抗折強度隨塑鋼纖維摻量的增加而增加.圖8 為不同摻量塑鋼纖維混凝土抗折強度增幅對比圖.由圖8 可知，當塑鋼纖維體積摻量為 0.45%時，抗折強度增幅為15%～26%；當摻量為0.9%時，增幅為20%～26%；當摻量為1.35%時，增幅為20%～35%.3 d 齡期塑鋼纖維混凝土抗折強度增幅最顯著，7～28 d 強度增幅逐漸趨于平穩.塑鋼纖維單絲在混凝土中形成三維網狀支撐，骨料和水泥漿不易離析，混凝土內部形成致密均勻的整體，且隨外部荷載增大導致混凝土開裂后，塑鋼纖維通過橋接作用繼續承受混凝土表面的拉應力.

圖7 不同摻量塑鋼纖維混凝土抗折強度對比

圖8 不同摻量塑鋼纖維混凝土抗折強度增幅對比

2.3.2 齡期對混凝土抗折強度的影響

圖9 為不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期抗折強度隨齡期變化曲線.由圖9 可知，隨著齡期發展，抗折強度呈非線性增長，其中14 d 前發展較快，14 d 后發展較慢.當塑鋼纖維體積摻量為0%時，14 d 齡期強度約為28 d 強度的91.6%；當摻量為0.45%～1.35%時，14 d 強度約為28 d 的89%～92%.可見，隨著齡期的發展，塑鋼纖維混凝土和普通混凝土抗折強度發展趨勢基本一致.

圖9 抗折強度隨齡期變化曲線

2.3.3 塑鋼纖維混凝土早齡期抗折強度計算模型

擬合圖9 試驗數據得到不同摻量塑鋼纖維混凝土早齡期抗折強度計算模型，見式(3)：4 組試件參數A、B、C和擬合相關系數R2，見表5.

表5 參數A、B、C 和擬合相關系數R2取值

2.4 塑鋼纖維混凝土早齡期拉壓比試驗結果及討論

2.4.1 塑鋼纖維摻量對混凝土拉壓比的影響

圖10 為混凝土拉壓比(立方體劈裂抗拉強度與抗壓強度之比)隨塑鋼纖維摻量變化曲線圖.由圖10 可知，拉壓比隨著塑鋼纖維摻量的增大而增大.

圖10 混凝土拉壓比隨塑鋼纖維摻量變化曲線

圖11 為拉壓比增幅變化曲線圖.由圖11 可知，當塑鋼纖維摻量為0.45%時，拉壓比增幅為11%～28%；當摻量為1.35%時，增幅為26%～50%.拉壓比越大，混凝土塑性越好[8]，這說明摻入塑鋼纖維使混凝土脆性性能得到了明顯改善.

圖11 拉壓比增幅隨塑鋼纖維摻量變化曲線

2.4.2 齡期對拉壓比的影響

混凝土拉壓比隨齡期變化曲線見圖12.

圖12 混凝土拉壓比隨齡期變化曲線

由圖12 可知，拉壓比隨齡期增長而降低，前21 d 降幅較大，21～28 d 逐漸趨于平穩.0～21 d拉壓比為0.09～0.16，21～28 d 拉壓比為0.08～0.11，這說明立方體早齡期劈裂抗拉強度比抗壓強度發展速度快.

2.5 塑鋼纖維混凝土早齡期折壓比試驗結果及討論

2.5.1 塑鋼纖維摻量對混凝土折壓比的影響

圖13 為混凝土折壓比(立方體抗折強度與抗壓強度之比)隨塑鋼纖維摻量變化曲線圖，圖14為折壓比增幅變化曲線圖.由圖13～圖14 可知，塑鋼纖維能提高混凝土折壓比，立方體抗折強度的提高大于其抗壓強度的提高，這說明適量摻入塑鋼纖維能夠改善混凝土脆性性能.

圖13 混凝土折壓比隨塑鋼纖維摻量變化曲線

圖14 折壓比增幅隨塑鋼纖維摻量變化曲線

2.5.2 齡期對折壓比的影響

混凝土折壓比隨齡期變化曲線見圖15.由圖15 可知，折壓比隨齡期增長而降低，前7 d 折壓比降幅較大，14～28 d 逐漸趨于平穩.0～7 d 折壓比為0.12～0.18，14～28 d 折壓比為0.11～0.15，這說明立方體早齡期抗折強度比其抗壓強度發展速度快.當塑鋼纖維摻量為0.45%～1.35%時，3 d齡期折壓比增幅為20%～36%，7～28 d 齡期增幅為12%～20%，這說明摻入塑鋼纖維對前3 d 的折壓比影響較大.

圖15 混凝土折壓比隨齡期變化曲線

3 結論

1)適量塑鋼纖維可以提高混凝土早齡期立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度.塑鋼纖維對混凝土早齡期劈裂抗拉強度的增幅最大，抗折強度次之，對立方體抗壓強度影響最小.

2)隨著齡期發展，早齡期劈裂抗拉強度發展最快，抗折強度次之，立方體抗壓強度發展最慢.對試驗數據進行擬合，得到了3 種強度隨齡期發展的計算模型，研究發現當塑鋼纖維體積率為0%～1.35%，3 d 齡期時，塑鋼纖維對早齡期劈裂抗拉強度和抗折強度提升幅度最大，劈裂抗拉強度增幅約22%～49%，抗折強度增幅約22%～35%；7～28 d 時，增幅降低并趨于平穩，劈裂抗拉強度增幅約29%～37%，抗折強度增幅約15%～23%.

3)適量塑鋼纖維可以提高混凝土早齡期拉壓比和折壓比，改善混凝土脆性；0～28 d 塑鋼纖維混凝土早齡期拉壓比和折壓比隨著齡期增大而降低，最終趨于平穩.