單摻和雙摻不同長徑比鋼纖維對全輕混凝土力學性能的影響

（1：吉林省信安物業服務有限公司，吉林 長春 130000，2：吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130119）

摘要：為研究單摻和雙摻不同長徑比鋼纖維對免燒結粉煤灰陶粒全輕混凝土力學性能影響，選用體積摻量為1%的剪切鋼纖維作為增強材料，以鋼纖維長徑比（18.75，25和31.25）和摻入方式（單摻、雙摻）為試驗參數，對LC30全輕混凝土進行立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度和彈性模量試驗。試驗結果表明：鋼纖維能明顯改善全輕混凝土的力學性能；不同的長徑比和摻入方式對全輕混凝土的抗折強度和劈裂抗拉強度影響較大，對立方體抗壓強度和軸心抗壓強度影響較小，對彈性模量幾乎沒有影響。

關鍵詞：免燒結粉煤灰陶粒；全輕混凝土；剪切波形鋼纖維；長徑比；力學性能

中圖分類號：TU528.2" " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " 文章編號：

Effect of Single and Double Blending of Steel Fibers with Different Length-diameter Ratio on Mechanical Properties of All-lightweight Concrete

MOU Zongbin1，WU Qinyuan2，WANG Xiuli2*

（1：Jilin Xin'an Property Service Co.， Ltd.，Changchun Jilin 130000，China；

2：School of Civil Engineering，Jilin Jianzhu University，Changchun Jilin 130119，China）

Abstract：In order to study the effect of single and double doped steel fiber with different length to diameter ratios on mechanical properties of non-sintered pulverized coal ash ceramic all-light concrete， shear steel fiber with volume content of 1% was selected as the reinforcement material， and the length to diameter ratio of steel fiber （18.75， 25 and 31.25） and the mixing method （single and double doped） were used as the test parameters. The cubic compressive strength， axial compressive strength， flexural strength， splitting tensile strength and elastic modulus of LC30 all-light concrete were tested.The test results show that steel fiber can obviously improve the mechanical properties of all lightweight concrete，different aspect ratios and mixing methods have great influence on flexural strength and splitting tensile strength of all lightweight concrete，but little influence on cube compressive strength and axial compressive strength， and almost no influence on elastic modulus.

Keywords：sintering-free fly ash ceramsite；all-lightweight concrete；shear wave steel fiber； length-diameter ratio；mechanical properties

0 引言

承重型全輕混凝土作為一種輕質建筑材料，其單位體積密度僅為普通混凝土的50%～80%，因此在建筑領域中被廣泛采用[1]。在建筑結構中，采用承重型全輕混凝土替代普通混凝土，可減小結構自重，降低結構反應，節約工程造價，并提高保溫隔熱和隔音性能[2-3]。全輕混凝土存在抗壓強度低、材料脆性大、易開裂的缺點[4-5]。為此，工程領域通過添加增強材料的方式改良性能。常用的增強材料包括但不限于合成纖維、碳纖維、鋼纖維和納米材料等[6-9]。鋼纖維具有優異的力學特性和相對較低的成本，因此成為工程領域研究的重點。研究表明，摻入混雜纖維的混凝土能夠克服摻入單一纖維混凝土的局限性，這歸因于不同種類的纖維在混凝土中會產生協同互補效應，從而改善混凝土的強度、抗裂性、延性等性能，并提高混凝土的應力-應變反應性能和承載能力[10-11]。因此，混雜纖維混凝土更能滿足結構對全輕混凝土高性能需求，具有較廣闊的研究價值和應用前景。

粉煤灰是工業燃煤產生的廢棄物，通過一定的生產工藝，將其轉化為生產混凝土用的免燒結粉煤灰陶粒和陶砂，能夠有效解決粉煤灰排放對環境造成的危害，實現廢棄物的資源化利用。免燒結粉煤灰陶粒和陶砂易于制備，通常在常溫下進行球團化和干燥等處理即可[12]。相較于傳統高溫燒結方法，這種方法無氣體排放，節能環保，滿足綠色建筑對于固廢利用、節能減排等理念要求。免燒結粉煤灰陶粒和陶砂具有結構穩定、造價低、使用方便等優點，因此在建筑工程中具有廣泛的應用前景。本文采用免燒結粉煤灰陶粒和陶砂完全替代傳統天然粗、細骨料，以粉煤灰、高爐礦渣作為摻合料，輔以高效減水劑，添加剪切波型鋼纖維作為增強材料，制備成全輕混凝土。

本研究采用長徑比為18.75，25和31.25的剪切波形鋼纖維作為增強材料，通過單摻和雙摻的方式將其摻入全輕混凝土中。試驗測定了全輕混凝土的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度和彈性模量，通過對試驗結果的統計和對比分析，得出鋼纖維的長徑比和摻入方式對全輕混凝土的力學性能的影響。本研究結果可為全輕混凝土的實際工程應用提供數據支持。

1 全輕混凝土配合比設計

1.1 原材料

試驗選用P·O 42.5水泥，采用粒徑為5 mm～30 mm的免燒結粉煤灰陶粒作為粗骨料；使用粒徑為3 mm～5 mm的免燒結陶砂作為細骨料。外加劑包括粉煤灰和高效減水劑。鋼纖維形狀為剪切波浪形，截面形狀為矩形，根據《鋼纖維混凝土》[13]要求，鋼纖維的等效直徑和長徑比分別按式（1），式（2）計算：（1）（2）

式（1）～式（2）中：L為鋼纖維長度，mm；w為鋼纖維寬度，mm，t為鋼纖維厚度mm；d為鋼纖維等效直徑，mm；λ為鋼纖維長徑比。鋼纖維的參數詳見表1，全輕混凝土的具體組成如圖1所示。

1.2 配合比設計

全輕混凝土的設計強度為LC30，參照《輕骨料混凝土應用技術標準》[14]和《纖維混凝土應用技術規程》[15]進行配合比設計，同時根據《鋼纖維混凝土》對配合比進行優化，具體配合比見表2。

1.3 試件制作和試驗方法

本試驗設計中，設置不摻鋼纖維的試驗組作為對照組，以鋼纖維的長徑比和摻雜方式為試驗變量，固定鋼纖維的體積摻量為1%，設計7個實驗組。其中，鋼纖維的長徑比分別為18.75，25和31.25，摻雜方式包括單摻和雙摻，具體的試驗參數設計見表3。

本試驗測定的基本力學性能包括立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度和彈性模量。采用邊長為 150 mm 的立方體試塊測定立方體抗壓和劈裂抗拉強度。采用 150 mm×150 mm×300 mm 的棱柱體試件測定軸心抗壓強度和彈性模量。抗折強度則采用 150 mm×150 mm×550 mm的長方體試件進行測定。

鑒于試件體積較小，鋼纖維的不均勻分布可能導致試驗結果的波動性較大。為保證試驗精度，必須嚴格按照《纖維混凝土應用技術規程》第6章的要求制備、澆筑和養護鋼纖維混凝土。每種試驗參數設置3個試件，試驗過程參考《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[16]進行。通過計算得出實測值，取平均值作為試件強度值。若3個實測值中存在一個值與中間值的差值超過中間值的15%，則將中間值作為該組試件的強度值。如果3個實測值的最大值和最小值與中間值之間的差值超過中間值的15%，則該組試驗結果無效。

試驗采用200 t電液伺服萬能試驗機進行加載，S0試件加載速率為0.3 MPa/s～0.5 MPa/s，其余試件加載速率為0.5 MPa/s～0.8 MPa/s。

2 試驗結果與分析

2.1 立方體抗壓強度和軸心抗壓強度

立方體混凝土試塊的測試初始階段會出現壓碎聲，但表面尚未出現明顯的破壞痕跡，這表明試塊內部的骨料正在經歷斷裂和破壞的過程。隨著載荷的持續增加，混凝土試塊內部的微裂紋擴展到試件表面，并伴隨著試塊表面混凝土的剝落和碎裂，如圖2所示。本試驗全輕混凝土立方體試驗的破壞結果是骨料被裂縫貫穿，而普通混凝土一般是在混凝土與骨料接觸面上發生裂紋。

軸心抗壓強度試塊在試驗初始階段，試塊頂部產生寬度較小的對角斜裂紋，隨著荷載的增加，斜裂紋不斷擴展。當試件達到極限強度，斜裂紋迅速擴張，最終導致試件破壞。

摻有鋼纖維的試塊表現出相似的破壞特征。與未摻鋼纖維的試塊相比，摻鋼纖維試塊中的裂紋出現時間較晚且發展速度緩慢，試塊最終的裂縫寬度較小，同時試塊表面的骨料剝落情況也相應減輕。

試驗的立方體抗壓強度如表4所示，軸心抗壓強度如表5所示。結果顯示，剪切波型鋼纖維的摻加可以有效提高全輕混凝土的立方體抗壓強度和軸心抗壓強度。其中，立方體抗壓強度提升幅度為13.5%～19.28%，軸心抗壓強度提升幅度為11.73%～22.29%。軸心抗壓強度是立方體抗壓強度的0.92倍～0.94倍。試驗結果表明，單摻條件下，S40表現出最高的抗壓強度，其次為S50，S30的抗壓強度最小。混摻兩種鋼纖維的試件中，S30+40的抗壓強度略微低于S30和S40，但差距不大；S30+50和S40+50的抗壓強度均高于單摻一種鋼纖維的試件，呈現出正混雜效應。試件的立方體抗壓強度和軸心抗壓強度大小順序一致，從小到大依次為：S0，S30+40，S30，S50，S40，S30+50，S40+50。單摻條件下，抗壓強度并不隨長徑比增加而增加，而是當長徑比達到一定值后，提高幅度變小，這是由于長徑比的增加可能會對鋼纖維在混凝土中的分散性、應力分布和受限作用產生影響，進而限制鋼纖維在全輕混凝土中發揮最佳效果，抑制抗壓強度的提升。表明鋼纖維長徑比有臨界值，長徑比根據臨界值進行單一纖維摻入，效果最佳。雙摻條件下，長徑比相差懸殊的纖維不能實現最好的協同互補，反而是臨界值附近取值進行摻入效果最佳。

2.2 抗折強度

試驗使用兩個相同的集中荷載同時垂直加載在棱柱體試塊側面的兩個三分點處，試件于兩個集中荷載作用線之間發生斷裂，未摻鋼纖維試件斷裂面較為平整，摻鋼纖維試件斷裂面處鋼纖維被拔出或拉斷。試驗破壞現象表明全輕混凝土具有脆性破壞的特點。

試驗測得的抗折強度如表6所示。表6中，S40+50的最大值與中間值的差超過了中間值的15%，因此試驗結果取中間值。試驗結果表明鋼纖維能顯著提高全輕混凝土在承受彎曲負載時的抵抗能力。在單摻條件下，抗折強度隨著長徑比的增加逐漸提高，提升幅度為23.4%～52.45%；而在雙摻不同長徑比的鋼纖維時，則會產生正混雜效應，提升幅度為54.72%～70.57% 。雙摻對抗折影響提高更有優勢。抗折強度是構件受彎時的抗彎性能體現，材料沿橫截面高度上有拉、壓兩種應力，因此變化規律與立方體抗壓明顯不同。雙摻條件下，增加長徑比不顯著。

2.3 劈裂抗拉強度

劈裂抗拉強度試驗鋼制弧形墊塊半徑為75 mm，墊條寬度為20 mm。隨著試塊加載至極限載荷，試塊由頂部的鋼制墊塊處開裂，裂紋逐漸向底部蔓延，最終形成垂直于承壓面的劈裂面。

表7為試驗的劈裂抗拉強度結果，其中S50的最大值與中間值的差超過中間值的15%，因此試驗結果取中間值。試驗結果顯示，鋼纖維能顯著提高試件的抗開裂性能。單摻條件下，劈裂抗拉強度提升幅度為20%～28.97%；雙摻條件下，S30+40和S30+50的劈裂抗拉強度不如單摻，產生負混雜效應；S40+50產生顯著的正混雜效應，劈裂抗拉強度提升幅度為62.76%，單摻條件下，鋼纖維長徑比對劈裂抗拉強度影響較大，鋼纖維長徑比由18.75過渡到31.25時，強度不是一直上升，表明長徑比對劈裂抗拉強度提升有臨界值，達到臨界值后效果不明顯。從本試驗結果看，單摻條件下臨界長徑比為25～31.25，準確的臨界取值應進行更多的試驗支撐。雙摻條件下，接近臨界長徑比的兩種不同纖維摻入效果最佳，防開裂性能最好，與臨界長徑比相差較多的雙摻效果最差。

2.4 彈性模量

根據表8所示的試驗結果，可以看出鋼纖維對全輕混凝土的彈性模量提升幅度大致相同，表明全輕混凝土的彈性模量對于鋼纖維的長徑比和混雜方式提高幅度不明顯，但從變化規律看仍然是臨界長徑比下的雙摻效果最佳。

3 結論

本文研究了長徑比為18.75，25和31.25的剪切波型鋼纖維在單摻和雙摻條件下對全輕混凝土力學性能的影響，通過對試驗結果進行分析，得出以下結論。

1） 鋼纖維對全輕混凝土的各項力學性能均有顯著提升作用，不同力學性能指標影響程度不同，依次為：抗折強度＞劈裂抗拉強度＞立方體抗壓強度＞軸心抗壓強度＞彈性模量。鋼纖維對抗折強度的提升幅度最大，最高可達到70.57%；對于彈性模量，提升幅度較小，僅約為10%，且鋼纖維的長徑比及摻入方式與彈性模量提升幅度之間不存在相關性。

2）全輕混凝土的軸心抗壓強度為立方體抗壓強度的0.92倍～0.94倍。

3） 長徑比25和31.25的鋼纖維在雙摻條件下各項力學性能均呈現出正混雜效應，并獲得了最優的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量，全輕混凝土的力學性能極大提高。長徑比為18.75和25，18.75和31.25的鋼纖維在雙摻條件下，劈裂抗拉強度不如單摻效果好，呈現出負混雜效應。

4） 單摻條件下，長徑比存在臨界值，臨界長徑比下的鋼纖維摻入對多數力學性能指標表現最佳。

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編輯：楊洋

基金項目：吉林省科技廳重點研發項目（20210203145SF）

作者簡介：牟宗賓（1990～），男，吉林省長春市人，工程師，研究方向：結構工程。

※通訊作者：王秀麗（1976～），女，吉林省長春市人，副教授，碩士，研究方向：高層鋼結構抗震減震，裝配式建筑與智能建造，新型混凝土材料應用，E-Mail：374495135@qq.com