不同制備工藝對鋼纖維混凝土性能影響的試驗研究

王劍宏, 于博翔, 夏志鵬, 楊華, 孫會彬

(1.山東大學齊魯交通學院, 濟南 250002; 2.山東建筑大學交通工程學院, 濟南 250101)

交通運輸是國民經濟中具有基礎性、先導性、戰略性的產業,其結構安全性及長期穩定性至關重要。近年來,盾構隧道工程在交通行業應用廣泛,大斷面、高水壓、長距離的工程日益增多。伴隨管片體積變大、鋼筋用量增多,管片的開裂、缺邊掉角等事故也頻繁發生,亟須提升管片技術以適應盾構隧道發展的需求。為降低管片質量,發展超高強混凝土曾成為其中一個發展方向,但由于價格昂貴,至今未能被大規模應用[1-2]。近幾年,鋼纖維混凝土由于其強度高、耐久性好、抗沖擊、抗疲勞等優點,正逐漸被應用到隧道工程等領域中[3-4]。

鋼纖維在基體中的分布及破壞截面處的纖維方向對混凝土的力學性能和耐久性能以及降低裂縫擴展、增強韌性、提高變形能力有著至關重要的作用[5-8]。Gettu等[9]通過振動臺平面振動、手工夯實、振搗棒內部振動這3種方法成型,進而研究分析了不同成型方法對纖維分布的影響。Poitou等[10]、Laranjeira等[11]、Yoo等[12]認為漿體的流動、鋼纖維與模板的相對位置,因其“邊壁效應”的作用,會極大影響纖維取向。錢曉軍等[13]針對試件成型方式中“臥式”與“立式”開展對抗彎強度的影響,表明臥式成型方式優于立式成型方式;羅為等[14]將振動攪拌方式與普通強制攪拌方式進行對比,得到振動攪拌可以明顯提高鋼纖維混凝土的抗彎強度和裂后韌性;王強等[15]、Huang等[16]通過設置不同形狀的澆筑裝置與澆筑位置,有效控制鋼纖維的分布取向,從而提升試件抗彎性能。Mu等[17]、汪洋等[18]、Wijffels等[19]、張偉杰等[20]、茍鴻翔等[21]采用磁場誘導的方式,利用導電線圈產生磁場,制備符合預期取向的定向纖維混凝土。上述方法因需要配備復雜的通道、誘導設備、振動攪拌設備,無法大規模應用于工程,仍未能成為主要制備工藝[22]。

現有研究鮮有從現場制備工藝的角度出發,探究其對抗彎強度的影響。針對現場制備工藝開展研究,無須添置額外設備,只需更改投料順序與攪拌及振搗時間,即可達到研究目的。如何在保證穩定的力學性能條件下,選用更加便捷高效的制備工藝是值得研究和思考的問題。現依托濟南濟濼路穿黃北延隧道工程的“大直徑盾構隧道的纖維混凝土管片應用關鍵技術研究”項目,選取包括現有“干拌法”、自密實混凝土采用的“濕拌法”以及現場制備方法共6種制備工藝,分別制作鋼纖維混凝土梁試件。通過四點抗彎破壞試驗,分析鋼纖維分布情況與抗彎強度之間的關系,揭示制備工藝對鋼纖維混凝土梁彎曲破壞的影響規律,并提出適用于現場鋼纖維混凝土的合理制備工藝。

1 試驗概況

1.1 鋼纖維混凝土材料

混凝土配比采用濟南濟濼路穿黃北延隧道管片廠投料參數。混凝土強度等級為C60混凝土。其配比如表1所示。粗骨料為大石子、小石子、河砂,細骨料為水泥、粉煤灰、礦粉,外加劑為聚羧酸高效減水劑,拌合水為城市自來水。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix ratio

鋼纖維類型不同,其在混凝土中起到的增強增韌效果不同。選用目前工程常用的端鉤型鋼纖維,摻入量為0.65%,其物理性能如表2所示,其形狀特征如圖1所示。該纖維通過兩端帶有的彎鉤,能夠實現與混凝土更好的黏結錨固[23],并在脫黏、端鉤形狀被拉直和拔出過程中吸收更多變形能,從而實現阻裂增強增韌的效果。

圖1 端鉤型鋼纖維Fig.1 End-hooked steel fibers

表2 鋼纖維物理性能Table 2 Steel fiber physical properties

1.2 制備工藝及試件

鋼纖維混凝土性能會因粗、細骨料,水泥、水、鋼纖維的摻入時間,攪拌時間,以及后期試件制作成型方法的不同而發生變化,其主要原因之一是以上諸多因素都會影響鋼纖維的分布以及取向。例如,鋼纖維摻入時間以及摻入時水泥及骨料的干濕狀態都會嚴重影響其分布情況。考慮研究目的是為管片制作確定較為合理的鋼纖維混凝土制備工藝,根據鋼纖維混凝土制作時投料順序及攪拌時間的不同,制定了包括管片預制現場采用的制備方式的6種制備工藝。每個工藝各制作3個試件,分別命名為MT1-1、MT1-2、MT1-3、MT2-1、MT2-2、MT2-3、MT3-1、MT3-2、MT3-3、MT4-1、MT4-2、MT4-3、MT5-1、MT5-2、MT5-3與OR-1、OR-2、OR-3,制備工藝如圖2所示;其中,MT1～MT3為干拌法,MT4、MT5為濕拌法,OR為現場制備方式。

圖2 6種制備工藝Fig.2 Six production processes

為探明不同制備工藝對鋼纖維混凝土性能的影響,依據規范采用150 mm×150 mm×550 mm的標準棱柱體試件。鋼纖維混凝土試件制作采用單臥軸混凝土攪拌機進行攪拌,攪拌均勻后的鋼纖維混凝土澆筑至標準試件模具,再利用振動臺振動成型。鋼纖維混凝土制備工藝不同,攪拌時間稍有變化,但考慮到試件制作中振搗時間過長會導致鋼纖維發生“沉底”現象,試件振動成型都控制在2 min內。澆筑成型后鋼纖維混凝土試件靜置1 d后拆模,移動到養護室中按標準養護方法養護14 d。

1.3 抗彎性能試驗

標準養護后的試件搬運至加載實驗室,根據標準《鋼纖維混凝土》(JG/T 472—2015)開展抗彎性能試驗。試驗采用如圖3所示的四點彎曲破壞試驗。相比鋼纖維混凝土缺口梁的三點彎曲破壞試驗,該試驗方法更適用于鋼纖維分布隨機性較大的鋼纖維混凝土梁試件,可有效找出標準梁試件的抗彎最弱截面,并對此截面鋼纖維的分布情況進行統計分析,找尋鋼纖維分布情況與抗彎強度之間的關系,以實現鋼纖維混凝土結構安全設計。

圖3 抗彎加載示意圖Fig.3 Diagram of bending loading

試驗加載采用萬能試驗機,采用等速位移控制加載,加載速率取2 mm/min。接近極限荷載時,降低加載速率通過極限值。梁試件的變形通過在試件梁兩側的跨中設置激光位移傳感器與線性可變差動變壓器式(LVDT)位移傳感器,以及頂部與底部中央的應變片進行監測。試驗監測布置如圖4所示。

圖4 數據監測布置圖Fig.4 Diagram of data monitoring

2 試驗結果分析

2.1 抗彎破壞狀況

圖5所示為荷載-位移曲線與試件破壞過程。鋼纖維混凝土梁試件受力破壞過程大致分為3個階段:第一階段在試件開裂前,位移隨著荷載增大呈現線性變化;第二階段為達到極限荷載時,試件底部出現開裂,位移撓度微增、荷載急劇下降;第三階段當荷載下降到極限荷載約1/3時,位移開始增大,隨后裂縫沿不規則的斜向路徑向上發展延伸。由于梁試件開裂后的裂縫沿試件最薄弱位置向上擴展,荷載下降緩慢,鋼纖維混凝土梁試件抗彎破壞表現為延性破壞形式。

圖5 試件破壞過程Fig.5 Test specimen damage process

此外,通過觀察混凝土破壞截面發現,所有破壞截面都未發生鋼纖維拉斷情況。只存在因錨固端混凝土開裂尺寸大于鋼纖維尺寸,鋼纖維從混凝土中拔出的情況。

2.2 破壞截面位置

開裂面破壞情況復雜且難以統計,6種制備工藝各選取一塊特征試件進行統計,統計記錄梁試件破壞截面位置,如圖6所示,梁試件彎曲破壞位置因制備工藝不同,存在明顯差異。鋼纖維混凝土制備工藝MT1與MT4制作的梁的四點彎曲破壞位置幾乎均等地分布在梁中央附近,MT2、MT3、MT5與OR破壞位置均表現為在梁中部同一側開裂。

圖6 不同制備工藝破壞位置Fig.6 Location of damage by different production processes

2.3 鋼纖維分布

鋼纖維在基體中的分散和取向對鋼纖維混凝土力學性能和耐久性能都有顯著影響[21]。通過觀察并統計破壞截面內的鋼纖維分布情況,鋼纖維位于破壞截面的外露角度與外露長度兩種關鍵參數,探究鋼纖維分布與混凝土極限承載力之間的關系。

2.3.1 纖維統計方法

鋼纖維分布的人工統計一般將截面均勻分割為9或36個單元格,分割過小則會導致大多單元格無數據或數據重復,分割過大則會導致無法對鋼纖維的分布情況做出準確判斷;綜合考慮本試驗的混凝土梁截面尺寸與破壞截面鋼纖維分布存在有極其不均勻的情況,為確保受壓與受拉區鋼纖維統計的計算精度,對截面采用16個單元進行分割統計。具體統計方法如下。

步驟1將每個破壞截面按圖7所示劃分為16個37.5 mm×37.5 mm的單元格,分別進行統計。

圖7 破壞截面網格劃分圖Fig.7 Damage section meshing diagram

步驟2鋼纖維外露角度定義為截面上鋼纖維的方向與試件軸向的夾角(θ),利用量角器進行測量。統計中θ取值分為以下4個區間:0°～30°、30°～45°、45°～60°、60°～90°,統計每一個角度區間的鋼纖維數量。

步驟3鋼纖維外露長度定義為纖維根部開始到纖維外露尖端的直線距離長度,利用直尺進行測量。統計中長度區間分為以下3個區間:0～2 cm、2～4 cm、4 cm以上,統計每一個長度區間的鋼纖維數量。

2.3.2 破壞截面鋼纖維外露角度與外露長度

圖8為破壞截面鋼纖維的3種典型分布情況。圖8(a)可以看到粗骨料被鋼纖維包裹,與鋼纖維形成了穩定的架橋結構,保證粗骨料在基體中的穩定分布。圖8(b)中,截面局部出現外露角度小的鋼纖維扎堆,鋼纖維的適量扎堆有助于提高抗拉強度,但鋼纖維過量扎堆則會導致膠凝材料不足,不能有效包裹錨固鋼纖維,如圖8(c)所示。

圖8 鋼纖維分布狀態Fig.8 Distribution of steel fibers

鋼纖維混凝土開裂面上的鋼纖維有架橋連接作用,可延緩截面脆斷、增強韌性;但架橋效果取決于鋼纖維與周圍混凝土的共同作用,混凝土強度、鋼纖維尺寸、端部形狀、鋼纖維埋深長短等都會影響鋼纖維混凝土性能,鋼纖維任何一側的拔出就意味架橋作用失效。由于平行截面的鋼纖維對截面抗彎強度幾乎無影響,不考慮此類鋼纖維數量。

理論上梁試件在受彎發生開裂前,抗彎中性軸為截面高度中央,而極限荷載可考慮為發生開裂時荷載。為更好分析抗彎開裂及極限荷載與纖維分布關系,將統計的鋼纖維按所處截面位置高度進行統合,中性軸上側a=A+B+E+F、b=C+D+G+H、中性軸下側c=I+J+M+N、d=K+L+O+P,統計結果如圖9所示。

圖9 不同制備工藝的鋼纖維外露長度與角度分布與荷載位移曲線圖Fig.9 Load-displacement diagram of exposed length and angle of steel fibers with different production processes

如圖9所示,6種制備工藝全部的梁試件,其破壞截面的受拉側c、d分區的鋼纖維根數多于受壓側a、b分區根數,證明了梁試件制作中利用振動臺振動會導致密度最大的鋼纖維發生“下沉”現象。比較不同制備工藝的鋼纖維外露長度分布可以發現,現有管片預制采用的制備工藝OR的0～2 cm、制備工藝MT3的2～4 cm、MT2的4 cm以上占比最大;制備工藝MT3、MT4、MT5與OR中,鋼纖維外露長度在4 cm以上占比極少,而MT2的2～4 cm占比極少;制備工藝MT1中的外露長度占比相對比較平衡。關于鋼纖維的外露角度分布,除了制備工藝MT2,其他所有制備工藝都是0°～30°占比最大、60°～90°占比最小,制備工藝MT2的0°～30°與30°～60°占比基本相同。

圖9顯示,MT4制作的試件的抗彎極限承載力最低,MT2、MT3與MT5的抗彎極限承載力較低,MT1與OR的最高。整體來看,極限荷載與外露長度、角度的關系并不明顯。考慮到投料時間與投料煩瑣程度兩項因素,MT3與MT5步驟繁雜,對水和減水劑的添加有特殊順序和用量要求。制備工藝MT1簡單、便于操作、易于區分,且其對應的強度與破壞位置、鋼纖維外露角度與長度均較為均衡,無論制備工藝還是力學性能,在6種制備工藝中綜合表現良好。

2.3.3 截面鋼纖維分布系數、方向系數

鋼纖維在混凝土中的排列和分布是隨機的,在大多數情況下都是三維亂向分布,只有鋼纖維在混凝土中按一定規律分布,并且取向與試件受拉應力方向一致時,才能充分發揮其增強作用。

采用鋼纖維分布系數β、鋼纖維分布的方向系數ηθ這兩個參數來表征鋼纖維的分布規律。

鋼纖維分布系數β[13]表示鋼纖維分布的均勻程度,其值為0～1,數值越大表示鋼纖維分布越均勻,表達式為

β=exp[-Φ(x)]

(1)

(2)

式中:m為單元數量,個;ηi為每個單元鋼纖維根數,根;μ為m個單元鋼纖維根數的均值,根。

由于統計鋼纖維分布角度時存在一定誤差,在試驗過程中也有部分鋼纖維的拔出部分被壓彎,因此計算過程中鋼纖維分布角度取其所在區間夾角的中值以達到簡化計算的目的,方向系數ηθ表達式[24]為

(3)

式(3)中:l為鋼纖維的長度,cm;θ為鋼纖維方向與試件軸向的夾角,(°);n為鋼纖維數量,根。

分布系數計算結果如圖10所示。鋼纖維分布系數越大,即鋼纖維分布越均勻,試件的強度越小。得到回歸曲線為y=-86.862 61x+121.212 24,其中R2=0.801 69。可以看出試件的分布系數與極限承載力基本呈現線性關系,隨著分布系數的提高,試件的抗彎性能呈現降低的趨勢。在鋼纖維混凝土抗彎破壞達到極限時,可用此計算預測破壞截面鋼纖維分布系數的情況。

圖10 鋼纖維分布系數與極限承載力之間的關系Fig.10 Relationship between steel fiber distribution coefficient and ultimate bearing capacity

在圖9中,因為振搗、自然沉降等原因,在c、d區域的鋼纖維數量明顯多于a、b區域。因混凝土具有“高抗壓,低抗拉”的特性,在鋼纖維摻量相同的情況下,抗彎實驗中鋼纖維若大部分分布在混凝土的抗拉區,即分布主要集中在c、d區域時,鋼纖維可利用自身的抗拉特性幫助混凝土承擔抗拉作用。故在分析鋼纖維均勻性時,破壞截面鋼纖維分布不均勻,分布系數越小,在抗拉區鋼纖維越多,位于抗拉區的鋼纖維能夠充分發揮作用,混凝土極限承載力越大。

方向系數計算結果如圖11所示。若鋼纖維平行于破壞截面,即外露角度為90°左右時,這類角度的鋼纖維對混凝土抗彎無有益效果。理論上,鋼纖維外露角度越小,即與梁軸線方向同向時,對混凝土的強度提高效果越強。如圖11所示,當鋼纖維方向系數小于0.793時,方向系數越大,試件的極限承載力越大;當鋼纖維方向系數大于0.793時,方向系數越大,極限承載力越小。方向系數越大,意味著角度在0°～30°范圍的鋼纖維數量越多;鋼纖維方向系數在一定范圍內增大,會提高鋼纖維混凝土的抗拉強度;但當鋼纖維分布數量過多,方向系數增大、即角度在0°～30°的鋼纖維數量增多、其他角度的鋼纖維過少,鋼纖維的錨固混凝土強度變弱而易被拔出,導致抗彎承載能力降低。即如果鋼纖維完全在0°～30°范圍內分布,反而會不利于鋼纖維對混凝土起到增強作用,因此,鋼纖維空間多向均勻分布對于提高鋼纖維混凝土強度最有效。

圖11 鋼纖維方向系數與極限承載力之間的關系Fig.11 Relationship between steel fiber orientation factor and ultimate bearing capacity

由試驗可得,當方向系數小于0.8時,方向系數越大,鋼纖維混凝土梁的極限承載力越大,當方向系數大于0.8時,方向系數越大,鋼纖維混凝土梁的極限承載力越小。

2.4 現場制備工藝

在實驗室制備鋼纖維混凝土時,出現了嚴重結團、沉底、拌合不均勻的現象,為此采取了分散投料、人工振搗、適當增加振動時間來緩解這類現象的發生。但是在現場預制管片需要制備大量鋼纖維混凝土,而鋼纖維投料多采用集中投放的方式,攪拌過程中更容易發生結團現象,進而導致攪拌機卡頓、鋼纖維飛濺等危險情況的發生。此外,管片內放置大量鋼筋會使得上述問題更加復雜。因此,在實驗室試驗中,制備工藝總時長、材料投放次序,均會對鋼纖維分布造成不同影響,從而制約抗彎強度結果。

3 結論

采用破壞性試驗,以人工統計的方式記錄混凝土梁破壞位置、破壞截面處鋼纖維外露角度與外露長度,以此選擇最佳制備工藝。得出如下結論。

(1)不同制備工藝對鋼纖維混凝土梁的抗彎性能存在不同的影響。破壞位置、鋼纖維分布、破壞截面鋼纖維外露角度與外露長度均表現出不同。后續試驗中,可增設改變鋼纖維的摻量、長細比等條件,觀察其對鋼纖維分布及強度的影響。

(2)建立了鋼纖維混凝土梁破壞斷面上鋼纖維分布系數、方向系數與極限承載力之間的關系。得到在一定范圍內,分布系數與極限承載力之間呈負相關;方向系數小于0.8時,方向系數與極限承載力為正相關,當方向系數大于0.8時,方向系數與極限承載力為負相關。

(3)通過6種制備工藝混凝土梁的抗彎性能試驗,綜合各項數據,其中使用MT1制備工藝的端鉤型鋼纖維混凝土在各方面均表現出良好性能。同時因其制作簡單,可應用于實際工程的鋼纖維混凝土制備。