镀铜钢纤维轻骨料混凝土的力学性能试验

梁雄雄，亢晋军，陈晶，耿连恒，尤志国

(华北理工大学 建筑工程学院 河北 唐山 063210)

引言

轻骨料混凝土可以降低混凝土的质量，并且具有保温和耐火的特点，粉煤灰陶粒具有轻质、成本低、原材料丰富等特点，目前很多城市在建筑工程中采用陶粒替代粗骨料。镀铜钢纤维轻骨料混凝土可以改善普通混凝土的脆性、抗裂性能和抗弯性能等[1]。李季[2]等学者研究了镀铜钢纤维高强混凝土力学性能。试验结果表明：镀铜钢纤维有效地改善了混凝土的脆性破坏特征。探究了镀铜钢纤维轻骨料混凝土的力学性能，研究不同轻骨料替代率和多尺度纤维对混凝土抗压强度和抗折强度的影响。

1试验概况

1.1 试验原材料

采用唐山冀东牌P.O42.5型普通硅酸盐水泥；碎石直径5～10 mm；中砂、细度模数为2.76；上海某公司生产的聚羧酸牌高性能减水剂，减水率为20%；粉煤灰陶粒，其成分及性能见表1、表2所示；Ⅱ级粉煤灰；硅灰；自来水；镀铜钢纤维，见图1所示，其性能参数见表3所示。

表1 粉煤灰陶粒化学成分/%

表2 粉煤灰陶粒物理性能

表3 镀铜钢纤维性能参数

图1 镀铜钢纤维

1.2 配合比及试件设计

该试验配合比中：镀铜钢纤维掺量为40 kg/m3，水胶比均是0.39，水泥、用水量、减水剂、砂、硅灰及粉煤灰之间材料用量比例保持不变，粉煤灰陶粒替代率(30%、50%、70%)和镀铜钢纤维长度(6 mm、13 mm、17 mm)为变量。该试验材料配合比见表4所示，其中CSF为镀铜钢纤维混凝土，字母前面表示轻骨料替代率，后面表示纤维长度。共设计12组抗压强度和抗折强度试件，立方体试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，棱柱体试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。

表4 混凝土配合比设计

1.3 粗骨料特性试验

以粗骨料特性试验分析陶粒替代石子后粒径分布是否合理作为依据，以50%替代率为例，具体试验步骤如下：首先取1.5 kg碎石，将粉煤灰陶粒替代50%碎石的混合骨料放入烘箱内烘至恒温；取筛孔为16 mm、10 mm、5.0 mm、2.5 mm的套筛，进行筛分，筛分12 min；然后取出套筛，进行手工筛分，筛出量为小于总质量的0.1%；最后量取每个套筛的剩余质量，并根据公式计算出骨料的级配见表5所示，从累计筛余量可以看出，2种骨料混合之后达到了5～16 mm的连续级配，级配效果好于单一骨料，可以在混凝土结构内易形成骨架。

表5 替代率50%的筛分试验

2试验方法

2.1 立方体抗压强度试验

立方体试件养护龄期28 d，试件从混凝土养护室取出，擦净试件表面和上下承压板面。试件承压面垂直于成型时顶面，试验机下压板中心对准试件中心。使用2 000 kN压力机加载，加载速率0.5～0.8 MPa/s。

2.2 抗折强度试验

对棱柱体试件进行三分点加载，试件承压面为试件成型时的侧面，加载速率为0.15±0.02 mm/min均匀加载。

3试验结果

立方体抗压强度、抗折强度实测结果是取3个试件的平均值，试验结果详见表6。

表6 各组试件力学性能试验结果

由表6可知，替代率为30%、50%、70%的6 mmCSF轻骨料混凝土抗压强度与普通混凝土相比降低了12%、19%、24%，替代率为30%、50%、70%的13 mmCSF抗压强度降低了24%、14%、5%，替代率为30%、50%、70%的17 mmCSF抗压强度降低了11%、4%、15%。17 mmCSF替代率为50%时，其抗压强度最大，13 mmCSF替代率为30%，抗压强度最小。

4试验结果分析

4.1 立方体抗压强度

4.1.1轻骨料替代率对抗压强度的影响

图2所示为抗压强度—替代率影响曲线。

图2 抗压强度—替代率影响曲线

由图2可知，随着替代率增加，6 mmCSF轻骨料混凝土抗压强度呈下降趋势，13 mmCSF的轻骨料混凝土抗压强度呈先降低后增加的趋势，当替代率从30%变化到70%，抗压强度提高了24.5%；17 mmCSF呈先下降后增加再降低趋势，替代率为30%抗压强度降低最小。在镀铜钢纤维轻骨料混凝土中，陶粒强度低于石子，抗压强度取决于水泥砂浆、轻骨料、部分石子、钢纤维的性质及其相互作用。

4.1.2不同尺度纤维对抗压强度的影响

图3给出了抗压强度随着纤维长度变化的影响曲线。

图3 抗压强度—纤维长度影响曲线

由图3可知：替代率为30%、50%时，随着纤维长度的增加，抗压强度呈现先减少后增加趋势，但替代率为70%时，抗压强度先增加后降低。纤维长度短(≤13 mm)和替代率低(≤50%)时，混凝土抗压强度出现降低现象。粉煤灰陶粒替代部分石子后，混凝土的抗压强度会下降，但对于混凝土自重和环保等方面的考虑，一定量的替代率是有优势的。因此，建议镀铜钢纤维长度17 mm，轻骨料替代率为50%。

4.2 抗折强度

4.2.1轻骨料替代率对抗折强度的影响

图4给出了抗折强度随着轻骨料替代率变化的影响曲线。

图4 抗折强度—替代率影响曲线

结合表6可知，替代率30%的6 mmCSF轻骨料混凝土抗折强度与替代率50%、70%的6 mmCSF轻骨料混凝土抗折强度相比分别提高了0%、21%，替代率为30%的13 mmCSF轻骨料混凝土抗折强度与替代率为50%、70%的13 mmCSF轻骨料混凝土相比均降低了16%，替代率为30%的17 mmCSF轻骨料混凝土抗折强度与替代率为50%、70%的17 mmCSF轻骨料混凝土相比抗折强度分别提高了2%、2.5%。由图4可知，6 mm和17 mmCSF混凝土随着轻骨料替代率的增加抗折强度降低，但17 mmCSF混凝土降低幅度大于6 mm的CSF混凝土下降幅度，13 mmCSF轻骨料混凝土抗折强度随着替代率的增加呈先下降后增加趋势。随着替代率的增加，各长度曲线趋于一点，13 mm和17 mmCSF混凝土抗折强度在轻骨料替代率70%时几乎相同，而6 mmCSF混凝土出现明显下降，原因是镀铜钢纤维的抗拉强度远大于混凝土，混凝土开裂后短纤维容易被拔出。

4.2.2不同尺度纤维对抗折强度的影响

图5为抗折强度随着纤维长度变化的影响曲线。

图5 抗折强度—纤维长度影响曲线

从图5可以看出，轻骨料混凝土低于普通混凝土的抗折强度，轻骨料替代率为30%和50%时，6 mm和17 mm的纤维长度对抗折强度影响明显；替代率为30%时，长度13 mm的纤维混凝土抗折强度先减小后增加，当纤维从6 mm增至13 mm时，抗折强度降低了21%，而当纤维从6 mm增至17 mm时，抗折强度增加了21%。长尺度纤维与砂浆基体有较好的黏结，纤维长度越长，其抗折强度也会相应提高。

5结论

(1)轻骨料混凝土的抗压强度均低于普通混凝土，6 mm的镀铜钢纤维随着轻骨料替代率增加呈下降趋势，在轻骨料混凝土中，17 mm镀铜钢纤维轻骨料替代率50%时，抗压强度最佳。

(2)对于抗折强度，长纤维因纤维与水泥砂浆基体黏结性好且混凝土开裂后长纤维能跨越更宽裂缝提供拉力，17 mm镀铜钢纤维轻骨料替代率为30%时，其抗折强度最为理想。