钢纤维轻骨料混凝土准静态力学性能研究

赖俊　张国强（广州大学土木工程学院）

钢纤维轻骨料混凝土准静态力学性能研究

赖俊张国强
（广州大学土木工程学院）

采用NYL-2000型压力试验机和SHT4106型电液伺服万能试验机，分别对基体强度等级为LC60，钢纤维体积率（Vf）为0～3%的钢纤维轻骨料混凝土（SFRLAC）进行立方体抗压、劈拉、轴压试验，测得SFRLAC立方抗压强度、劈拉强度、轴压强度和应力-应变曲线。试验结果表明：随Vf的增加，SFRLAC抗压强度逐渐增大，但增幅有限，劈拉强度增幅明显，最大可达122%；钢纤维的掺入可显著提高基体轻骨料混凝土（LC）的韧性，弹性模量也随Vf的增大缓慢增长，但增幅逐渐减小。观察其破坏形态可发现：钢纤维的掺入改善了LC的脆性破坏形态，使其具有一定的塑形破坏形态，且Vf越大，其塑形破坏体现越明显，破坏程度越小。

SFRLAC；力学性能；应力应变曲线；破坏形态

1　引言

钢纤维混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，SFRC）是在普通混凝土中掺入乱向分布的钢纤维后形成的一种多相复合材料［1］。其具有优良的物理力学性能，可以满足工程中的高拉应力、复杂受力、高耐久性、抗裂、阻裂和增韧等性能要求［2］。轻骨料混凝土（Lightweight Aggregate Concrete，LAC）是一种利用人造或者天然轻质骨料替代普通密度骨料的混凝土，具有轻质、隔热保温、耐火、抗震等优点［3］。将钢纤维和轻骨料混凝土结合起来成为钢纤维轻骨料混凝土 （Steel FiberReinforcedLightweightAggregateConcrete，SFRLAC）。钢纤维轻骨料混凝土不仅具有轻骨料混凝土的优良特性，而且明显提高了轻骨料混凝土的抗拉强度、抗弯强度、抗裂性能和抗疲劳性能［4］，在各类混凝土工程中具有广阔的应用前景。

当前，钢纤维混凝土和轻骨料混凝土研究已经相对成熟，并已投入实际工程应用，而SFRLAC发展较晚且力学性能较前者复杂，主要处于在力学性能试验研究阶段。本文针对基体强度等级为LC60，钢纤维体积率（Vf）为0～3%的SFRLAC进行立方体抗压、劈拉、轴压试验研究。

2　SFRLAC试验概况

2.1原材料

水泥：广州市越堡水泥有限公司生产的金羊牌P.042.5R硅酸盐水泥。

粉煤灰：广州市天达混凝土搅拌站提供的Ⅱ级粉煤灰，表观密度为2.3g/cm3，提纯后得到纯度为98%更细颗粒的粉煤灰微珠。

硅粉：挪威Elkem公司生产的Elkem Microsilica牌硅粉。

钢纤维：武汉新途工程纤维制造有限公司生产的微细钢纤维，长度10～20mm，抗拉强度800MPa。

粗骨料：湖北宜昌产页岩圆陶粒，堆积密度为770 Kg/m3，表观密度为1362Kg/m3，陶粒级数为800，筒压强度7.0MPa，颗粒级配为5～10mm连续级配。

细骨料：河砂，表观密度为1570Kg/m3，细度模数为2.5。

减水剂和水：聚羧酸型高效减水剂，含固量为20%，减水效率35%；自来水。

2.2配合比

普通混凝土通常采用绝对体积法进行配合比设计，轻骨料混凝土可采用全计算法［5］。此处将混凝土全计算法与绝对体积法相结合，计算出SFRLAC高强度等级LC60下的配合比如表1所示。

表1　SFRLAC配合比　单位：公斤/立方米

2.3试验装置、加载方法及试块

本试验立方体抗压强度测试采用：江苏无锡建仪仪器机械有限公司 NYL-2000型压力试验机，增加夹具和垫块后可用于劈拉试验的测定。轴压试验采用深圳市新三思计量技术有限公司生产的SHT4106型电液伺服万能试验机，试验加载全过程采用位移控制，可测得SFRLAC试块单轴压缩应力-应变全曲线。

试验加载方法参考《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）和《纤维混凝土试验方法》（CECS 13：2009）。

本试验SFRLAC按钢纤维体积率分别为0、1%、2%、3%分为四组，每组配合比均要做100mm×100mm×100mm立方体试块6块、100mm×100mm×300mm棱柱体3块，前者用于测试SFRLAC立方体抗压、劈拉试验，后者用于轴压试验。

3　SFRLAC试验结果

按照CECS 13：2009中所述试验数据处理方法，对同试验同配合比下的三个离散数据进行处理，得出SFRLAC立方体抗压强度值、劈拉强度值、轴压强度值、弹性模量大小如表2所示，应力-应变曲线如图1所示。

表2　SFRLAC试验测试结果

图1　SFRLAC应力-应变曲线

4　SFRLAC试验结果分析

4.1钢纤维体积率对SFRLAC抗压强度的影响

从表2可以看出，随着Vf的提高，各系列材料的抗压强度都有所增加。这是因为混凝土中钢纤维的掺入，在混凝土基体内形成了纵横交错的网络，增强了混凝土基体间的粘结性，对SFRLAC抗压强度具有一定的提升作用，具体增长趋势见图2。当钢纤维体积率在1%、2%、3%时LC60等级立方体的抗压强度增幅分别为7.1%、15.4%、18.7%；对应轴压强度分别提高2.6%、8.0%、11.9%。显然棱柱体轴压强度的增幅小于立方体抗压强度，但二者最大增幅均小于20%。其原因是：尽管钢纤维起到阻裂增强作用，但由于基体LC的陶粒筒压强度低，钢纤维掺入后，随着Vf增大界面薄弱层越多。因此，SFRLAC受压后首先在陶粒边界处破坏，导致SFRLAC的抗压强度增幅有限。

图2　钢纤维体积率对SFRLAC抗压强度的影响

4.2钢纤维体积率对SFRLAC劈拉强度的影响

图3为钢纤维体积率对SFRLAC劈裂抗拉强度的影响变化图，由图可知，钢纤维使得混凝土劈裂抗拉强度显著提高。当钢纤维体积率为1.0%、2.0%、3.0%时，LC60等级SFRLAC劈裂抗拉强度分别提高了32.7%、71.4%、122%，增长幅度明显大于材料抗压强度。这主要是因为劈拉试验过程中更能充分利用钢纤维的拉结作用，且钢纤维体积率越大，参与“边壁效应”的钢纤维越多，抗拉强度增幅越大。

图3　钢纤维体积率对SFRLAC劈拉强度的影响

4.3SFRLAC应力应变曲线分析

从图1中的SFRLAC单轴压缩应力-应变曲线图可知：SFRLAC在轴心压力作用下，其应力-应变曲线的外形与SFRC的曲线非常相似，也可以分为4个阶段：弹性阶段、裂缝稳定发展阶段、裂缝失稳阶段和破坏阶段［6］。在曲线上升段，钢纤维的掺入对于LC的性质几乎没有影响。只有当曲线进入下降段，试块出现裂缝后，与裂缝相交的钢纤维才明显地发挥作用，阻滞裂缝的进一步发展，导致曲线下降段较平缓，直到钢纤维从LC中拔出，从而使得轻骨料混凝土的韧性大大增强［7］。同时钢纤维的阻裂和约束侧向裂缝发展的作用也使SFRLAC弹性模量逐渐增大，这在表2数据和图1中清楚显现。且弹性模量增幅的逐渐减小，与混凝土弹性模量与立方体抗压强度的平方根呈线性相关关系的结论一致［8］。至于表2中弹性模量低于普通混凝土现行规范值，分析认为和SFRLAC所采用粗集料陶粒内部结构疏松多孔有关，且陶粒本身表观密度远低于普通石子，多项物理力学指标偏低造成轻骨料混凝土弹性模量普遍较小。

4.4SFRLAC破坏形态

4.4.1受压破坏形态

如图4所示，通过观察LC60等级下不同钢纤维体积率的SFRLAC试块受压破坏形态，发现不掺钢纤维时，其裂缝很宽，外围脱落严重。而掺有钢纤维的SFRLAC，在受压时，由于裂缝之间钢纤维的桥接作用，形成纤维网络结构，因而与未掺钢纤维的混凝土相比：SFRLAC试块破坏后基本保持完整性，裂而不散，表面有碎片崩落。显然，钢纤维掺入LC中可以改善LC的脆性破坏形态，使其具有一定的塑形破坏形态，且钢纤维体积率越大，其塑形破坏体现的越明显，破坏程度越小。同时注意SFRLAC试块断裂面处，所有陶粒都是内部断开，而不是与水泥凝胶体脱粘。说明水泥胶凝体包围粘结着强度较低的陶粒，陶粒本身为薄弱环节，这与立方体抗压强度增幅有限的理论分析保持一致。

4.4.2劈拉破坏形态

图5所示为不同钢纤维体积率下SFRLAC劈拉破坏形态。不掺钢纤维的LC试块劈裂破坏面断口整齐，有劈裂的碎片，许多陶粒骨料被劈成两半，属于典型的脆性剪切破坏。掺有钢纤维的LC立方体试块，由于有钢纤维的拉结作用，试块破坏过程中不会完全断开成两半。且钢纤维被拔出非拔断，在试块中部出现一条裂缝，裂缝宽度由上到下慢慢变细，而且是随着Vf的增大，裂缝宽度逐渐变小。SFRLAC试块有征兆的裂缝逐渐变宽的破坏过程，说明钢纤维的加入提高了试块破坏时的极限拉应变和延性［9］。

图4　不同钢纤维体积率下SFRLAC立方体受压破坏形态

图5　不同钢纤维体积率下SFRLAC立方体劈拉破坏形态

5　结论

⑴钢纤维对LC的立方体抗压强度增强幅度有限，幅度为7.1%～18.7%，轴压强度的增幅范围更小，为2.6%～11.9%；同时观察试块断裂面，发现陶粒均为断裂而非脱粘，说明陶粒本身的筒压强度是制约SFRLAC抗压强度的重要因素。

⑵LC劈裂抗拉的断面整齐，钢纤维是拔出非拔断。由于钢纤维在LC基体中的“边壁效应”，使LC的劈裂抗拉强度大幅提高，对应钢纤维体积率为1%～3%时LC60增长幅度可达32.7%～122%，远大于SFRLAC抗压强度增幅。

⑶SFRLAC的应力-应变曲线，与SFRC一样有相似的曲线走势，但LC脆性更大，曲线下降段比较陡峭；同时钢纤维的掺入显著提高了LC的韧性，弹性模量也随Vf的增大缓慢增长，但增幅逐渐减小。

⑷LC基体试块受压破坏后，裂缝很宽，外围脱落严重；而SFRLAC试块破坏时，试块基本保持完整性，裂而不散。LC基体试块劈裂破坏面断口整齐，属于典型的脆性剪切破坏；而SFRLAC破坏时，由于有钢纤维的拉结作用，试块破坏过程中仅中部出现一条裂缝，且随Vf增大，缝宽逐渐变小。说明钢纤维掺入LC中可以改善LC的脆性破坏形态，使其具有一定的塑形破坏形态，且Vf越大，其塑形破坏体现的越明显，破坏程度越小。●

［1］曹吉星，陈虬.钢纤维混凝土动态本构模型及其有限元方法［J］.土木建筑与环境工程，2010，32（4）：131-134.

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［3］邓宏卫.轻质高强粉煤灰陶粒的制备及其混凝土性能［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

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［5］孙泉.钢结构住宅中煤矸石轻骨料混凝土外墙板系的研究［D］.太原：太原理工大学，2007.

［6］张晓曼，任德斌，张东.废弃纤维再生混凝土梁受力性能的模拟分析［J］.才智，2013（20）.

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［8］吕德生，汤骅.高强混凝土弹性模量与抗压强度的相关性试验研究［J］.混凝土与水泥制品，2001（6）：20-21.

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