钢纤维粉煤灰轻骨料混凝土早期变形及抗裂试验研究

李培荣

(山西交通职业技术学院， 山西 太原 030031)



钢纤维粉煤灰轻骨料混凝土早期变形及抗裂试验研究

李培荣

(山西交通职业技术学院， 山西 太原 030031)

为研究钢纤维轻骨料混凝土的早期变形和抗裂能力，通过室内试验对不同掺量的钢纤维粉煤灰轻骨料混凝土进行早期体积收缩变形和抗裂试验，试验结果表明：在粉煤灰轻骨料混凝土中掺入钢纤维可有效抑制混凝土的收缩，随着钢纤维掺量的增加，减缩效果越来越显著；掺入钢纤维后，粉煤灰轻骨料混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度均得到一定程度的提高，且随钢纤维掺量的增加呈上升趋势；钢纤维的掺入，粉煤灰轻骨料混凝土裂隙明显减少，同时7d抗折强度满足开放交通要求。研究成果为实践工程提供一定理论基础。

轻骨料混凝土； 钢纤维； 早期变形； 抗裂性； 强度

1 概述

已有研究表明，掺入粉煤灰对轻骨料混凝土早期体积收缩变形改善效果显著，较好的抑制了水泥混凝土路面的早期裂缝。但是值得注意的是粉煤灰在水化作用的早期活性较低，仅作为惰性材料存在[1]。大量的试验资料表明[2]，特定的胶凝材料在水化反应中起到“补偿收缩”的作用，对减弱混凝土早期收缩及裂缝效果明显。因此，解决混凝土早期收缩变形较大的问题，可以来弥补粉煤灰早期活性低的缺陷，从而主动控制早期减缩，达到裂隙控制的良好效果。

钢纤维因其抗拉强度高，弹性模量大等特点已被广泛的应用于混凝土的制备中，从而提高混凝土的抗裂能力[3]。近年来，我国针对钢纤维的普通混凝土进行综合研究，并逐步推广应用于高程受地段限制的路面，例如桥面铺装、城市道路旧混凝土路面的加铺层等。

轻骨料的强度较低，在受荷载时混凝土内部的裂缝扩展几乎不受骨料的阻碍，扩展非常迅速，使得轻骨料混凝土在破坏过程中的脆性特征非常显著[4]。一旦混凝土发生脆性断裂，其带来的人身安全和经济损失不可估量。与普通混凝土相比，轻骨料混凝土的脆性至今还没引起人们足够的重视，与此相关的研究开展地较少。为此，在粉煤灰高性能混凝土的基础上，适当的添加纤维来提高混凝土的韧性与抗裂性能。

常用的纤维包括钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯醇纤维等[5]，其中钢纤维是水泥混凝土领域最常用的一种纤维，根据钢纤维生产工艺不同，可分为切削型和冷拉型等。根据钢纤维的外形特征又可分为波纹型和弯钩形[6]。钢纤维的优点是强度高、弹性模量大、承受能力强，缺点是易锈蚀、不易分散均匀，施工过程中纤维易出现团聚问题。在钢纤维混凝土施工中常采用纤维二次添加法、预分散法等工艺，以提高钢纤维分散的均匀性。有的钢纤维采用特殊的预处理工艺，能够使钢纤维在遇水后自然分开，较好地解决了钢纤维难以分散均匀的技术难题[7]。由于钢纤维的分散性得到提高，因此其体积掺量可由1.0%～1.2%降低到0.4%～0.6%，使钢纤维混凝土的成本可大大降低。

本文对粉煤灰轻骨料混凝土抗裂性能的基础上，掺加不同比例的钢纤维，利用平板法进行掺钢纤维粉煤灰轻骨料混凝土早期塑性收缩开裂测试，研究钢纤维对粉煤灰轻骨料混凝土收缩变形及抗裂性能的影响。

2 试验材料及过程

2.1 试验材料

水泥： P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其主要化学组成成分及其相关的性能指标分别见表1、表2。

细骨料： 河沙，级配符合Ⅱ区要求，堆积密度为1480 kg/m3，细度模数为2.85。

轻骨料： 采用产自宜昌圆球型页岩陶粒，粒径为5～16 mm连续级配，主要性能指标如表3所示。

表1 水泥化学成分Table1 Chemicalcompositionofcement成分含量/%成分含量/%SiO224.3MgO4.2Fe2O34.8SO32.2Al2O33.8FeOCaO55.3

表2 水泥的物理性能Table2 Physicalpropertiesofcement细度/%安定性初凝/min终凝/min≤10.0合格≥45≤600.0抗压强度/MPa抗折强度/MPa3d28d3d28d≥21.0≥47.5≥4.0≥6.5

表3 页岩陶粒性能Table3 Performanceofshaleceramic品种堆积密度/(kg·m-3)表现密度/(kg·m-3)筒压密度/MPa1h吸水率/%圆球型页岩陶粒75813056.34

矿物掺合料： 超细粉煤灰，湘潭电厂生产，比表面积分别为553 m2/kg；超细粉煤灰的主要化学成分如表4所示。

表4 粉煤灰主要化学成分Table4 Chemicalcompositionoftheflyash材料SiO2Fe2O3MgO超细粉煤灰51.805.001.00CaOAl2O3K2ONa2OSO34.1026.401.301.000.45

钢纤维： 由衡水锐盛工程橡胶有限公司生产，平均长度40 mm，长径比30。

外加剂： 采用减水效率为30%的聚羧酸减水剂。

2.2 试验方法

体积变形试验： 试验用轻骨料混凝土试件为100 mm×100 mm×515 mm，成型后密封混凝土表面， 处理方法具体为： 制备成型棱柱体试件后经养护24 h后拆模，在试件各面均匀涂抹一定厚度的石蜡。为确保与外部环境隔离，经涂抹石蜡封层后利用保温塑料膜对试件进行包裹，如图1所示。制备试件过程中预埋金属侧头，试件拆模后立即实测记录其初长，在恒温条件下养护，并测试其在不同龄期的收缩率。

早期抗裂性试验： 成型掺钢纤维的粉煤灰轻骨料混凝土混凝土平板尺寸为600 mm×600 mm×100 mm的薄板型试件，如图2所示，模具内设有7根裂缝诱导器，在地板表面铺设聚乙烯薄膜。试验试件从混凝土搅拌加水开始计算，从24 h龄期时开始测读裂缝，裂缝长度用钢直尺测量，裂纹宽度采用40倍专用读数放大镜测量，平均开裂面积、单位面积的裂缝数和单位面积上的总开裂面积根据混凝土浇筑24 h测量所得裂缝数据计算。

图1 收缩测试装置Figure 1 Shrinkage test device

裂缝的长度、宽度、数量，测量记录完毕以后，按照下述方法计算相关数据：

图2 平板法早期抗裂试验装置Figure 2 The early cracking test device of plate method

(1)

裂缝总长度L=∑li

(2)

(3)

(4)

式中：wi为第i条裂缝宽度，mm；n为裂缝总数；li为第i条裂缝的长度，mm；Acr为裂缝总面积，mm2。

2.3 钢纤维粉煤灰高强轻骨料混凝土的制备

将超细粉煤灰以20%等量取代水泥并分别掺入0.5%、1%和1.5%的钢纤维制备刚纤维粉煤灰轻骨料混凝土和基准轻骨料混凝土试样，成型固定尺寸的棱柱体收缩试件和平板试件，按照相关技术规程进行标准养护，然后依次测试不同龄期的体积变形和裂缝扩展情况，其试验配合比和28 d抗压强度结果如表5所示。

表5 混凝土配合比及强度Table5 Concretemixratioandstrength编号水泥/%超细粉煤灰/%SF掺量/%轻骨料/(kg·m-3)骨料状态水灰比外加剂/%28d强度/MPa1100557预湿24h0.3155.2280200.5557预湿24h0.3156.8380201557预湿24h0.3157.5480201.5557预湿24h0.3158.1

3 结果及讨论

3.1 钢纤维掺量对轻骨料混凝土早期自收缩的影响

如图3所示，随着钢纤维的掺加，7 d龄期掺0.5%，1.0%，1.5%钢纤维的粉煤灰轻骨料混凝土的收缩率分别较基准混凝土降低8.25%，24.72%，34.66%；与粉煤灰轻骨料混凝土相比，收缩率降低幅度十分明显。且随着钢纤维掺量的增加，自收缩变形得到改善，钢纤维的掺入对粉煤灰轻骨料混凝土体积变形改善效果显著。分析原因，在粉煤灰改善轻骨料混凝土早期收缩的基础上，钢纤维的掺入，使混凝土各相组成材料更加的均匀分布，从而实现各向同性；使轻骨料由脆性材料向韧性材料衍变，混凝土产生裂缝时，无规定向纤维有效抑制微观裂缝的产生，从而限制裂缝的扩展。

3.2 钢纤维掺量对轻骨料混凝土抗压强度影响

由图4可见: 随着钢纤维的掺入，轻骨料混凝土的抗压强度有较大提高，28 d掺1%抗压强度提高了3.99%，并且钢纤维掺量越高，增强效果越明显。钢纤维在轻骨料混凝土中，受压破坏产生以前，“环箍”现象的存在大大减缓了其破坏过程，所以峰值应力表现出一定的小幅度增长；在发生破坏后，水泥浆体受到钢纤维的阻断作用，限制了裂缝从轻骨料中的扩散，使得轻骨料的延性得到很大的增强，同时提高了轻骨料混凝土的脆性。根据观察抗压强度试验过程发现，掺钢纤维的粉煤灰轻骨料混凝土与未掺钢纤维的试样破坏形式有明显的差异，未掺加钢纤维的试件破坏时裂缝沿受力方向呈纵向扩展，最终形成一条连续的通缝。试件破坏后，棱角处及通缝边缘的混凝土出现大量剥落。掺钢纤维的试件破坏后未出现混凝土大量剥落，只有零星碎粒剥落，未出现明显的通缝，破坏后的试件有一定的整体性，裂而不散。

图3 不同龄期钢纤维轻骨料混凝土收缩率Figure 3 Shrinkage ratio of steel fiber reinforced lightweight aggregate concrete at different age

图4 不同掺量钢纤维的混凝土28 d抗压强度Figure 4 The 28d compressive strength of steel fiber reinforced concrete with different content

3.3 钢纤维掺量对轻骨料混凝土劈裂抗拉强度影响

由图5可见： 随着钢纤维掺量的增加，粉煤灰轻骨料混凝土的劈裂抗拉强度呈线性增长，掺0.5%，1.0%,1.5%钢纤维的轻骨料混凝土较基准试样分别增长37.8%，46.3%和50%。同时，根据试验结果，SF掺量为0.5%时，对轻骨料混凝土的劈裂抗拉强度改善效果不明显，因此，SF掺量应该控制在1%以上；当钢纤维掺量从1.5%增长至2%时,劈裂抗拉强度增幅仅2.53%，表明当钢纤维掺量大于1.5%时，过多的钢纤维对粉煤灰轻骨料混凝土的劈裂抗拉强度的改善效果不明显。

图5 不同掺量钢纤维混凝土劈裂抗拉强度Figure 5 Splitting tensile strength of steel fiber reinforced concrete with different content

3.4 钢纤维掺量对轻骨料混凝土容重影响

由图6可见: 经过28 d龄期的养护，分别测试混凝土的容量，加过显示，随着钢纤维的掺入，0.5%，1.0%,1.5%钢纤维的轻骨料混凝土较基准混凝土的容重分别增加了1.82%，3.85%,6.15%。因钢纤维密度较大，随着钢纤维掺量的增加，钢纤维轻骨料混凝土的容重逐渐增加，但增幅不大。

图6 不同掺量钢纤维轻骨料混凝土容重Figure 6 Bulk density of lightweight aggregate concrete with different dosage of steel fiber

3.5 钢纤维掺量对裂缝宽度影响

由图7可见: 基准试件和粉煤灰轻骨料混凝土的最大裂缝宽度分别为1.13 mm，掺0.5%，1.0%,1.5%钢纤维的轻骨料混凝土的最大裂缝宽度分别为0.55，0.17,0.13 mm。分析认为，钢纤维通过桥接裂缝来阻止裂缝的扩展，随着钢纤维掺量的增加，裂缝的最大宽度逐渐减少，且有效延迟了裂缝初次出现的时间。

图7 掺钢纤维粉煤灰轻骨料混凝土裂纹宽度Figure 7 Crack width of lightweight aggregate concrete with steel fiber fly ash

3.6 钢纤维掺量对开裂面积影响

根据表6试验结果可知: 未掺钢纤维的粉煤灰轻骨料混凝土在10 h时初次产生裂缝；通过在粉煤灰作为轻骨料的混凝土中掺加钢纤维，能够很好地提高其抗裂的性能，钢纤维量和抗裂性能之间呈正相关关系；而1.5%钢纤维掺量的试件未出现肉眼可见裂缝，表明掺钢纤维改善了粉煤灰轻骨料混凝土的抗开裂能力。根据实测表明，1、2、3号试件在标准养护条件下的7 d抗折强度分别达到4.75、5.36、5.38 MPa，均超过未掺钢纤维试件的7 d抗折强度4.65 MPa，达到7 d开放交通的要求。因此，钢纤维的掺入不仅对粉煤灰轻骨料混凝土早期塑性收缩有一定限制作用，同时能满足桥面铺装要求。

表6 混凝土塑性收缩开裂试验结果评定Table6 Experimentalresultsofplasticshrinkagecrackingofconcrete试件首次开裂时间/h平均开裂面积/mm2单位面积开裂条数/(条·m-2)单位面积总开裂面积/(mm2·m-2)开裂等级01010.057.9183.72Ⅱ1224.755.2826.41Ⅰ2231.902.645.28Ⅰ3无0.000.000.00Ⅰ 注:1.试验龄期为3d;2.每隔0.5h记录1次;3.肉眼可见裂缝最小宽度为0.1mm。

3.7 钢纤维降低混凝土塑性收缩机理

随着钢纤维的掺入，裂纹沿界面过渡区扩展时，杂乱分布的钢纤维增加了混凝土的弯曲韧性，导致增加破坏过程中的能力消耗。同时，在进行抗折强度试验发生的弯曲破坏时，由于钢纤维的张拉及其与混凝土基体相对滑动均消耗一部分能量，增加了粉煤灰轻骨料混凝土试件的弯曲韧性。随着钢纤维的掺入，裂纹扩展路径发生了变化，不分裂纹扩展路径由横穿轻骨料的通缝衍变为沿界面过度区扩展。

4 结论

① 在粉煤灰轻骨料混凝土中掺入钢纤维可有效抑制混凝土的收缩，随着钢纤维掺量的增加，减缩效果越来越显著。

② 掺入钢纤维后，粉煤灰轻骨料混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度均得到一定程度的提高，且随钢纤维掺量的增加呈上升趋势。

③ 钢纤维的掺入，粉煤灰轻骨料混凝土裂隙明显减少，同时7 d抗折强度满足开放交通要求。

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Study on Early Deformation and Crack Resistance of Steel Fiber >Fly Ash Lightweight Aggregate Concrete

LI Peirong

(Shanxi Traffic Vocational and Technical College, Taiyuan, Shanxi 030031, China)

For study of the early deformation and crack resistance of steel fiber reinforced lightweight aggregate concrete, the early shrinkage deformation and cracking of the steel fiber with different amount fly ash lightweight aggregate concrete were test by of laboratory test, test results show that: the fly ash lightweight aggregate concrete mixed with steel fiber can effectively inhibit the shrinkage of concrete, with the increase of the dosage of steel fibre, reduction effect is more and more obvious; the incorporation of steel fiber, the compressive strength of fly ash lightweight aggregate concrete and tensile strength were improved to a certain extent, increased with the increase of dosage of steel fibre; steel fiber, fly ash lightweight aggregate concrete crack obviously at the same time, 7d decreased, the flexural strength to meet the requirements of opening traffic. The research results provide some theoretical basis for practical engineering.

lightweight aggregate concrete; steel fiber; early deformation; crack resistance; strength

2015 — 08 — 24

李培荣(1973 — )，女，山西太原人，硕士研究生，副教授，主要从事路基路面等研究。

U 416.03

A

1674 — 0610(2016)05 — 0235 — 04