超高強微鋼纖維增韌混凝土的制備及其力學性能研究

王  沖   Liza O′Moore

(1．重慶大學，重慶400045；2．University of Queensland，QLD 4072，Australia)

引言

    近20年來超高強混凝土(本文簡稱為SHSC)技術得到了迅速的發展，并已被應用于一些工程中。例如：美國西雅圖Two Union Square(1987)混凝土抗壓強度達到l38Mpa，西雅圖Pacific First Centre(1992)混凝土強度124MPa，德國法蘭克福Taunustor Building(1990)混凝土達到Cl05要求，沈陽富林大廈混凝土實際強度超過l00Mpa，北京財稅大樓工程混凝土強度達到l27MPa。

    需要指出的是，當前超高強混凝土在工程中主要是用于承壓結構形式，很少用于拉彎結構形式。由于混凝土天然的脆性本質特征，其抗拉、抗折強度很低，為降低超高強混凝土脆性，需要利用韌性材料對其復合增韌。對超高強混凝土而言，目前應用比較成熟的是鋼管混凝土，甚少鋼筋混凝土結構形式。

    同時，超高強混凝土水膠比較低，密實度提高對耐久性有利，但伴隨的自收縮變形也較大，易導致混凝土開裂，對混凝土工程耐久性有負面影響。因此，有專家提出混凝土“高強不一定耐久”，這種說法是有一定道理的。   

    為解決超高強混凝土的脆性及自收縮變形問題，目前工程中主要采用鋼管復合超高強混凝土結構形式。除此之外，還可以利用纖維復合，達到對超高強混凝土的增韌目的。在此情況下，以纖維增韌超高強混凝土為基礎，進而復合以傳統的鋼筋混凝土結構形式，可以從根本上降低超高強混凝土的脆性，使之滿足于抗拉、抗彎等結構形式要求。同時，利用纖維可降低收縮，抑制裂縫的特性，免除對超高強混凝土耐久性問題的擔憂。

    為保證在低水膠比下纖維混凝土具有合適的流動性以滿足施工需求，并考慮超高強混凝土高彈性模量的特性，本研究采用長度分別為6mm和13mm、直徑分別為0．16mm和0．20mm的三種微鋼纖維。同時，借鑒活性粉末混凝土的經驗，纖維摻量值相對較高。研究中，采用澳大利亞相關標準，測試了超高強微鋼纖維混凝土的抗壓強度、劈拉強度以及彈性模量；采用美國 ASTM Cl018方法，測試了初始裂縫強度(First crack strength)及韌性指數(Toughness index)。試驗在澳大利亞昆士蘭大學土木系混凝土實驗室進行。

一、原材料及試驗方法

    1.1原材料

    1.1.1  膠凝材料

    水泥：澳大利亞Easy Mix公司生產的GP型水泥，28d強度要求不Il、于45MPa；粉煤灰：澳大利亞 Pozzolanic Enterprises有限公司提供；硅灰：新西蘭 Mierosilica公司生產。

    1.1.2骨料

    粗骨料：來自于昆士蘭州Wolffdene地區，最大粒徑10mm；機制砂：昆士蘭州Wolffdene地區巖石破碎制成；細砂：昆士蘭Moretone Bay水洗海砂(昆士蘭州東南部缺少天然河砂，工程中所用細骨料主要是機制砂與水洗海砂混合)。骨料的各項物理、化學及力學指標符合澳大利亞AS 2758．1--1998標準技術要求。

    1.1.3外加劑

    緩凝劑：Grace公司的Dramamine型緩凝劑；水劑、高效減水劑：Grace公司生產的ADVAl42型高效減水劑、水劑。

    1.1.4微鋼纖維

    試驗中用到了三種材質相同，長徑比不同的高碳鋼微纖維。所有纖維均為比利時Bekaert公司生產，澳大利亞Bosfa公司提供。纖維的物理及力學性能指標見表l，其外觀形貌見圖l。

表1  微鋼纖維的物理與力學性能

   

纖維l:L=6mm，Ф=0 16mm    纖維2:L=13mm，Ф=0．16mm   纖維3:L=13mm，Ф=0 20mm

圖1研究中用到的三種微鋼纖維外觀

    1.2試驗方法

    1.2.1混凝土攪拌、成型及養護

    原材料按配比要求稱量后，按以下攪拌制度攪拌：

    攪拌1min      攪拌1min

    粗、細骨料+膠凝材料→90％拌合水+緩凝劑—攪拌→I高效減水劑+

    攪拌1min      攪拌1min

    剩余的10％拌合水→纖維→出料

    混合料出料后，測試其坍落度和擴展度，并振動成型，在室溫下靜置24h左右脫模后，送入溫度27±2°C、相對濕度大于97％的標準養護室(澳大利亞標準)，養護至28d齡期，再分別測試各力學性能指標。

    試驗中，每一力學性能試驗試件為3組，試驗結果取其平均值。

    1．2．2抗彎韌性

    試件尺寸l00mm×lOOmm×400mm，按ASTM C1018方法測試混凝土試件的荷載和撓度，采用控制變形速率方法施加荷載。同時，位移傳感器用一固定架固定在試件上，以保證測得的變形值只是試件自身變形，不包含設備變形，測試裝置見圖2。試驗中的加載速度控制及數據采集皆由計算機完成。

圖2抗彎韌性測試裝置

    1.2.3抗壓強度

    直徑l00mm、高度200mm的網柱體試件被用于測試抗壓強度，試驗按照ASl012．9規定的方法進行。

    1.2.4劈拉強度

    直徑200mm、高度300mm的網柱體試件被用于測試劈裂抗拉強度，試驗按照ASl012．10規定的方法進行。

    1.2.5彈性模量

    直徑l00mm、高度200rrun的圓柱體試件被用于測試彈性模量，試驗按照ASl012．17規定的方法進行。

二、超高強微鋼纖維增韌混凝土的制備

    本文制備的超高強混凝土的目標要求為：28d齡期時強度不低于110MPa；為保證摻加纖維后，混凝土仍具有適當的和易性，坍落度不低于240mm。采用表2中配合比作為試驗基準配合比，經多次重復試驗驗證，此配合比混凝土28d強度不低于113.3MPa，坍落度為24Omm,再分別按體積摻量的1.0％和2.0％，將三種纖維分別摻人超高強混凝土，按要求攪拌混凝土后，測試混凝土拌合物坍落度，試驗配比及流動性結果見表3。

表2基準混凝土配合比

表3  超高強微纖維混凝土纖維摻量與流動性

    表3的結果表明，對于超高強混凝土而言，纖維長度6mm，體積摻量1.0％時混凝土坍落度與基準混凝土持平，擴展度略有降低，而當摻量增加至2％時，其坍落度仍然有l65mm；而纖維長度為13mm的另四組  混凝土流動性降低非常明顯，在2．0％的高摻量條件下，混凝土拌合物已近于十硬性混凝土，特別是纖維直徑為0．16mm時，混凝土振動密實異常困難。

    需要注意的是，長度13mm、直徑0．16mm的第二種纖維在摻量2．0％時，纖維團聚成球明顯，而長度13mm、直徑0.20mm的第三種纖維則有少許團聚成球。

三、超高強微鋼纖維混凝土的力學性能

    本研究涉及到的力學性能指標包括：在彎折荷載作用下的初始裂縫強度、抗折強度及韌性指數等，以及抗壓強度、劈拉強度、彈性模量。

    3．1抗折韌性

    在本文中，纖維摻入超高強混凝土最主要的目的是用以降低混凝土脆性，增加韌性。

    纖維混凝土的韌性可以用荷載作用下的能量吸收能力來表征，也可以以混凝土的初始裂縫強度以及韌性指數表征。鋼纖維混凝土的能量吸收能力定義為彎折荷載作用下達到特定撓度變形值時荷載一撓度曲線下的面積。本試驗中，以跨中撓度達到4％時的荷載一撓度曲線下面積表征能量吸收能力。ASTM C1018定義了彎折荷載作用下初始裂縫強度：纖維混凝土荷載一撓度曲線上第一次出現非線性特征時混凝土的強度(如圖3所示)。韌性指數被定義為：達到一定撓度變形時，荷載一撓度曲線下的面積除以曲線下初始裂縫所對應的面積，根據撓度變形不同，按ASTM C1018-97，韌性指數分別有Ⅰ5、Ⅰ10以及Ⅰ20等3個指標(如圖3所示)。通過計算材料在荷載作用下變形過程中吸收的能量相對值得到的韌性指數，可以定量地評價裂縫產生后纖維混凝土的力學行為。韌性指數越高，脆性越小，同時抵抗變形的能力也越強。

圖3纖維混凝土的初始裂縫強度及韌性指數

    根據ASTM Cl018方法，本文測試了所制備的微鋼纖維超高強混凝土的能量吸收能力，以及初始裂縫強度和韌性指數，并得到了按控制變形速率測得的抗折強度，結果列于表4，并示于圖4～圖8。

 

圖4不同纖維摻量下超高強混凝土的荷載-撓度曲線(纖維l)

 

圖5不同纖維摻量下超高強混凝土的荷載-撓度曲線(纖維2)

 

圖6不同纖維摻量下超高強混凝土的荷載-撓度曲線(纖維3)

圖7不同纖維時超高強混凝土的荷載-撓度曲線(摻量l．0％)

 

圖8不同纖維種類時超高強混凝土的荷載．撓度曲線(摻量2．0％)

表4超高強微鋼纖維混凝土的抗折韌性

    3.1.1能量吸收能力

    不同纖維及不同摻量條件下的荷載一撓度曲線示于圖4～圖8。試驗結果顯示，對于同一纖維，隨著摻量的增加(圖4～圖6)，纖維混凝土的能量吸收能力《曲線下的面積)均有所增加。與此同時，同一摻量下的不同長度、直徑的纖維其韌性特征也不一樣。圖7與圖8顯示，長度為l3mm、直徑為0．20mm的第三種纖維有著更好的增加韌性，及阻止裂縫產生與擴展的作用，而長度6mm、直徑0．16mm的第一種纖維的增韌阻裂效果相對較差，這應該歸因于此時纖維長度為6mm，小于粗骨料的最大粒徑l0mm，纖維的增韌阻裂作用受到了影響。

    3.1.2初始裂縫強度

    表4的試驗結果表明，摻入微鋼纖維后的超高強混凝土初始裂縫強度增加非常明顯。基準混凝土的初始裂縫強度只有9．5MPa，而摻入纖維后，初始裂縫強度均超過10MPa。同時，基準混凝土的極限抗折強度為9．7MPa，摻入纖維后抗折強度全部超過llMPa。顯然，微鋼纖維對超高強混凝土裂縫的產生與發展起到了很好的抑制作用。對比同一纖維下不同體積摻量時的初始裂縫強度，不難發現，1．0％體積摻量時三種纖維混凝±的初始裂縫強度、抗折強度和韌性指數均有顯著提高，而摻量2．0％時初始裂縫強度、抗折強變和韌性指數的增加受到影響。

    3.1.3韌性指數

    表4中，基準混凝土的韌性指數測試結果為1．1，意味著即使脆性很高的超高強混凝土，在裂縫產生后并沒有馬上完全破壞，還是經歷了一個時間很短的裂縫擴展過程，直至裂縫完全貫穿，達到極限荷載，試件破壞。

    表4中的試驗結果也明確顯示，微纖維摻入超高強混凝土中，混凝土韌性增加極為明顯。相比于基準混凝土各韌性指數(1.1)，摻入纖維后混凝土韌性指數Ⅰ5均達到5.0以上；Ⅰl0最低值9．5，最高值為10．8；而Ⅰ20則最高達到了20．8。這表明在初始裂縫產生后，由于微纖維對裂縫擴展的約束以及對基體的增強作用，裂縫產生后，超高強混凝土仍然能抵抗很大的荷載破壞，并保持有足夠大的變形。

    纖維摻量對韌性指數的影響必須考慮纖維的臨界纖維體積率。超高強纖維混凝土的臨界纖維體積率可借鑒如下公式計算得到：

    式中：σmu、εmu分別為不摻纖維的超高強混凝土的抗拉強度及對應的極限拉應變；σfu、Ef分別為纖維的極限抗拉強度和彈性模量。高強混凝土的最大拉應變為250×10-6～350×10 -6。現假定εmu為300×10-6。σmu、εmu、Ef分別見表1和表5。得出三種纖維的臨界纖維體積率為0．37％。

表5超高強微纖維混凝土的其他力學性能

    本研究中，纖維體積摻量為l％和2％，遠超過臨界體積率。因此，當摻量為1％時，纖維尚能很好地發揮增韌阻裂作用，而當摻量為2％時，纖維分散不均勻，影響了纖維增韌效果的發揮，表現為2％時的韌性指數并不比1％時增加，甚至還減小。這也解釋了2．0％摻量時鋼纖維混凝土的初始裂縫強度并不比摻量1．0％時增加明顯。

    在本研究中，表4的結果也表明，纖維直徑一定，韌性指數隨纖維長度增加而增加(配比Sl-1與S2-1，  S1-2與S2-2)；而纖維長度一定，纖維直徑小(配比S2-1，s2-2)的混凝土韌性指數較直徑大(配比S3-1，S3-2)  的韌性指數小。

    3.2抗壓強度

    表5的試驗結果表明，摻入微鋼纖維后，混凝土28d齡期的抗壓強度均高于不摻任何纖維的基準混凝土。特別是纖維長度為6mm時，強度增加最為明顯。這主要歸因于纖維長度短，纖維在混凝土中的分布更為均勻，從而對混凝土強度有利。此外，較短的纖維混凝土流動性更好(表3結果)，使得混凝土更容易成型密實，抗壓強度自然也高。

    此外，需要注意的是，長度6mm的纖維在2．0％摻量時的抗壓強度高于l.0％摻量，而較長纖維(13mm)在兩種直徑條件下，摻量高反而對抗壓強度不利，這應該是因為在高摻量時纖維有團聚成球現象發生，纖維分布的不均勻造成強度下降。

    3.3劈裂抗拉強度

    相對于抗壓強度，微鋼纖維對超高強混凝土劈裂抗拉強度的增加更為明顯。同時，分別摻入三種纖維，隨著摻量的增加，混凝土劈拉強度皆有所增加。 

    比較三種纖維對混凝土劈拉強度的影響，不難發現，摻入長度6mm、直徑0．16mm(配比Sl-1與Sl-2)的第一種纖維時，混凝土的劈拉強度比另外兩種纖維混凝土的強度小。摻入第二種纖維及第三種纖維的混凝土劈拉強度相互較為接近。在纖維分散較好的1．0％體積含量時，強度與長徑比成正比，這也符合纖維混凝土強度規律；而在2．0％摻量時，則正好相反，這可能是此時纖維的分散性對強度的影響超過纖維長徑比的影響。

    3．4彈性模量

    表5的試驗結果顯示，摻入微鋼纖維后，混凝土的彈性模量比基準混凝土有所增加，且增加明顯。不過，試驗結果沒有明確反映出纖維體積率，長徑比與彈性模量之間的關系。

四、結  論

    根據本文試驗，可以得出以下幾點結論：

    (1)三種微鋼纖維的分別摻入都影響到超高強混凝土的流動性，相對而言，較短纖維混凝土的流動性好于較長纖維混凝土，其坍落度在l％摻量時為240mm，2％摻量時仍達到165mm。

    (2)隨著纖維摻量的增加，超高強混凝土韌性特征增加明顯；與不摻纖維時相比，1．0％體積摻量下混凝土的初始裂縫強度、抗折強度和韌性指數有顯著提高，摻量過大時初始裂縫強度、抗折強度和韌性指數的增加不明顯。

    (3)長度為6mm的纖維摻入時混凝土的抗壓強度隨摻量增加而增加，長度為13mm的纖維摻量高反而對抗壓強度不利；隨著摻量的增加，摻入3種纖維的混凝土劈拉強度皆有所增加。與基準混凝土相比，摻入微鋼纖維后混凝土的彈性模量增加明顯。

    (4)力學性能試驗結果表明，微鋼纖維用于增韌超高強混凝土時，宜采用適宜摻量。本試驗適宜摻量為1％。

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(本文來源：陜西省土木建筑學會     文徑網絡：呂琳琳  尹維維 編輯   文徑 審核)