钢—聚丙烯混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度研究

刘胜兵++李维++吴明丽++赵森

摘要：从微观力学的角度来看，轻骨料混凝土中轻骨料与水泥之间的接触界面以及轻骨料本身的强度是削弱混凝土性能的主要因素，而通过纤维的混杂，可以在不同层次、不同阶段，在裂缝之间传递荷载，桥接微裂缝，以减小裂缝集中应力的方式来改善基体混凝土内部的薄弱环节，从而在宏观上提高基体的强度、韧性以及耐久性。本文采用正交试验探讨各个影响因数与劈裂抗拉强度的线性回归方程以及混杂纤维轻骨料混凝土的劈裂抗拉强度的试验拟合计算公式。

Abstract： From the perspective of micro mechanics， the contact interface between lightweight aggregate and cement in lightweight aggregate concrete and the strength of lightweight aggregate itself are the main factors to weaken the performance of concrete. And through the hybrid fiber， it can transfer load between cracks， bridging micro cracks at different levels， in different stages， to reduce crack to improve the weak link matrix concrete internal stress concentration， so as to improve the matrix strength， toughness and durability in the macro. In this paper， orthogonal test was used to study the linear regression equation of each influence factor and splitting tensile strength， and the formula of splitting tensile strength of hybrid fiber reinforced lightweight aggregate concrete.

关键词：轻骨料混凝土；混杂纤维；劈裂抗拉强度

Key words： lightweight aggregate concrete；hybrid fiber；splitting tensile strength

中图分类号：TU528.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）32-0116-03

0 引言

工程领域困扰轻骨料混凝土运用的技术难题是轻骨料密度小于水泥砂浆的密度，未掺入纤维轻骨料混凝土在振捣过程中易出现骨料上浮现象，导致较多的骨料集中于上层拌合物，而下层拌合物的骨料含量较少，从而产生离析现象。掺入的钢纤维与聚丙烯纤维可以形成能够抑制轻骨料上浮的网架，从而提高轻骨料混凝土的连续性及均质性，使轻骨料混凝土的力学性能得以改善。本文通过试验研究混杂纤维对轻骨料力学性能改善的程度。

1 原材料与试验方法

原材料：

水泥：本试验采用华新水泥（宜昌）有限公司生产的PO42.5普通硅酸盐水泥；

细骨料：普通中砂<5mm，级配合格；

粗骨料：采用宜昌宝珠陶粒开发有限责任公司生产的高强页岩陶粒，粒径5-25mm级配合格，高强页岩陶粒的性能指标如表1所示。

聚丙烯纤维由上海臣启化工科技有限公司生产，其性能指标如表2所示。

钢纤维由河北纤维橡胶制品有限公司生产，其物理力学性能指标如表3所示。

拌合水：普通自来水。

2 试验配合比及方法

2.1 实验配合比

参照目前实际工程中对高强混凝土的需求越来越多，所以本试验所设计的轻骨料混凝土强度等级为LC30。轻骨料混凝土配合比按照《轻骨料混凝土技术规程》（JGJ51-2002）中的松散体积法进行初步设计，并以计算所得配合比为基准配合比进行多次试配调整，最终确定实际采用的配合比如表4所示。

2.2 实验方法

劈拉试验在液压压力试验机上进行。试验时，从养护地点取出试件，将其安放在试验机下压板的中心，试件的承压面与成型时的顶面垂直。开动试验机，当上压板与试件接近时调整球座，使接触均衡。然后以每秒0.5MPa的速度连续而均匀地加荷，直至试件在中部出现裂隙而断裂破坏，记录破坏荷载如表5。

3 实验结果分析

为了直观反映纤维掺入对轻骨料混凝土立方体劈裂抗拉强度的改善程度，表1-5中以未掺纤维的轻骨料混凝土立方体劈裂抗拉强度为基准，计算得出不同纤维掺量轻骨料混凝土的相对强度比值。得到试验数据后通过方差分析对钢-聚丙烯混杂纤维轻骨料混凝土立方体试块劈裂抗拉强度试验中的钢纤维的外形、钢纤维的体积率、聚丙烯纤维的体积掺量、聚丙烯纤维的长径比对试块劈裂抗拉强度比的影响，试验结论如下。

3.1 钢纤维外形的影响

可以看出钢纤维与劈裂抗拉强度比的关系。从表1-5中可知，对于钢-聚丙烯混杂纤维轻骨料混凝土，掺入波纹型钢纤维后劈拉强度比平均提高约23%，掺入端钩型的钢纤维后平均劈拉强度比提高了约30%。钢纤维不同体积掺量的强度提高如图1所示。

3.2 聚丙烯纤维长径比的影响

图2给出了聚丙烯纤维长径比对混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度的影响直方图。在本文试验的聚丙烯纤维的长径比范围内，混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度的劈裂抗拉强度比的波动范围为2%，在试验误差范围内。因此，在进行混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度设计时，在常见聚丙烯长径比范围内可基本不考虑长径比的影响。

3.3 钢纤维体积率的影响

钢纤维体积率对混杂纤维轻骨料混凝土劈拉强度的影响。从表5可以看出，随着钢纤维体积率的增大，混杂纤维轻骨料混凝土的劈拉强度近似呈线性关系增长，当钢纤维体积率从0.5%增大到1.5%时，劈拉强度提高了7%（如图3所示）。

3.4 聚丙烯纤维体积掺量的影响

聚丙烯纤维体积掺量对混杂纤维轻骨料混凝土劈拉强度的影响试验结果表明，轻骨料混凝土中掺入0.9kg/m3的聚丙烯纤维时对劈拉强度的增强效果最好。但随着聚丙烯纤维体积率的增加，增强效果下降，当聚丙烯纤维体积率从0.9kg/m3增大到1.2kg/m3，混杂纤维高性能混凝土劈拉强度平均下降了5%（如图4所示）。

3.5 钢纤维体积率与聚丙烯纤维体积掺量交互作用影响

钢纤维体积率与聚丙烯纤维体积掺量交互作用对立方体劈裂抗拉强度通过表1-5说明不存在显著影响，影响范围在6%附近。

4 混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度公式

本节已分析混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度与钢纤维的外形、钢纤维的体积率、聚丙纤维的体积掺量、聚丙烯纤维的长径比之间如何影响。通过实验数据的分析给出混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉强度的建议公式，如下公式所示：

ft，s-混杂纤维轻骨料混凝土立方体劈裂抗拉强度；ft，k-轻骨料混凝土劈裂抗拉强度；ρs-钢纤维的体积率；ρf-钢纤维外形特征值；ρl-聚丙烯纤维的体积掺量

5 结论

实验结果表明影响钢-聚丙烯混杂纤维轻骨料混凝土劈裂抗拉性能的各个因素中，钢纤维的外形最为显著可以达到30%，钢纤维的体积率及聚丙烯纤维的体积掺量的影响比较有限在7%左右，聚丙烯纤维的长径比及交互作用的影响在试验误差之内可认为没有影响。

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