塑钢纤维混凝土早龄期力学性能研究

段小芳，袁娇娇

(1. 南通开放大学 建筑工程学院，江苏 南通 226006；2. 河海大学 土木与交通学院，南京 210098)

混凝土力学性能对结构的安全性、耐久性有重要影响.目前，关于混凝土早龄期力学性能的研究较少.李德超等[1]通过在混凝土中掺入纤维提高了混凝土强度.李晓伟[2]、陈茜[3]、白春等[4]研究发现在混凝土中掺入适量塑钢纤维可以提高其早龄期抗拉强度、抗压强度和抗折强度，掺量过少强度提升不明显，掺量过多则强度降低.

混凝土早龄期立方体抗压强度影响拆模时间，对工程工期有重要影响，且混凝土早龄期收缩大，在外部荷载作用下会产生拉应力，当外部拉应力超过混凝土早龄期抗拉强度时，混凝土就会开裂.已有研究者[5-6]通过掺入钢纤维提高了混凝土早龄期抗拉强度.和钢纤维相比，塑钢纤维材质轻、价格便宜，在混凝土中乱象分布，形成三维支撑，使混凝土中的骨料不易下沉.因此，本文开展了塑钢纤维混凝土早龄期力学性能研究，将不同体积率塑钢纤维掺入混凝土中，探寻早龄期立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度发展变化规律.

1 试验方案

混凝土设计强度等级为C60，采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，粗骨料为5～15 mm 石子，细骨料为2～5 mm 砂子，粉煤灰为I 级，矿粉等级为S95，混凝土配合比见表1.塑钢纤维长度为24 mm，直径为0.8 mm，密度为0.95 g/cm3，抗拉强度为530 MPa，弹性模量为9 800 MPa.

表1 混凝土配合比 g

根据塑钢纤维掺量的不同将混凝土分成4 组，组号为PS0、PS0.45、PS0.9 和PS1.35，对应的塑钢纤维体积率分别为0.0%、0.45%、0.9%和1.35%.混凝土早龄期力学性能包括：立方体抗压强度、轴心抗拉强度和抗折强度.根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019)[7]确定试件尺寸和计算方法，试件的工况见表2.试件养护温度为20±2 ℃，相对湿度为90%.

表2 试件工况

2 试验结果及讨论

2.1 早龄期立方体抗压强度试验结果及讨论

2.1.1 塑钢纤维对早龄期立方体抗压强度的影响

图1 为不同掺量塑钢纤维混凝土早龄期立方体抗压强度对比图.

图1 不同掺量塑钢纤维混凝土立方体抗压强度对比

由图1 可知，立方体抗压强度随塑钢纤维掺量的增加整体呈增长趋势，但增幅不显著.图2为立方体抗压强度增幅图.由图2 可知，塑钢纤维体积掺量为0.45%时，0～14 d 混凝土早龄期立方体抗压强度小幅度降低(降幅＜4%)，14～28 d强度小幅度提升(增幅＜3%)；当塑钢纤维体积掺量为0.9%～1.35%时，立方体抗压强度增加，增幅接近8%.这表明适量塑钢纤维均匀分布在混凝土中时形成三维网络结构，阻止了骨料的下沉；同时，纤维可填充早龄期水化反应产生的空隙，使混凝土内部更加均匀密实，立方体抗压强度提高。综上，建议塑钢纤维体积率≥0.9%.

图2 早龄期塑钢纤维混凝土立方体抗压强度增幅

2.1.2 龄期对混凝土立方体抗压强度的影响

图3 为不同掺量塑钢纤维混凝土早龄期立方体抗压强度随龄期变化曲线.

图3 立方体抗压强度随龄期变化曲线

由图3 可知，塑钢纤维混凝土立方体抗压强度随着龄期的发展呈非线性增长，14 d 以前强度发展较快；14 d 以后强度发展较慢，14 d 龄期立方体强度约为28 d 的80%～85%，14～28 d 期间其强度提高约15%～20%.由此可见，随着龄期的发展，塑钢纤维混凝土强度趋于平稳.

2.1.3 塑钢纤维混凝土早龄期立方体抗压强度计算模型

拟合图3 试验数据可得到不同掺量塑钢纤维混凝土早龄期立方体抗压计算模型，见式(1)：PS0.45、PS0.9 和PS1.35 这4 组试件参数A、B、C和拟合相关系数R2见表3.

表3 参数A、B、C 和拟合相关系数R2取值

2.2 早龄期劈裂抗拉强度试验结果及讨论

2.2.1 塑钢纤维对早龄期劈裂抗拉强度的影响

图4 为不同掺量塑钢纤维混凝土早龄期劈裂抗拉强度对比图.由图4 可知，劈裂抗拉强度随塑钢纤维掺量的增加而增加.

图4 不同掺量塑钢纤维混凝土劈裂抗拉强度对比

图5 为不同掺量塑钢纤维混凝土早龄期劈裂抗拉强度增幅对比图.

图5 不同掺量塑钢纤维混凝土劈裂抗拉强度增幅对比

由图5 可知，当塑钢纤维体积掺量为0.45%时，劈拉强度增幅为15%～23%；当其掺量为0.9%时，增幅为29%～42%；当其掺量为1.35%时，增幅为34%～49%.3 d 龄期塑钢纤维对劈拉强度增幅最显著，7～28 d 龄期强度增幅曲线基本一致.塑钢纤维在混凝土中乱象分布，形成了三维网络支撑，当混凝土达到抗拉强度后塑钢纤维通过桥接作用继续承受外部拉应力，阻碍裂缝扩展，与混凝土形成一个共同受力体系，使其劈裂抗拉强度提高.

2.2.2 龄期对混凝土劈裂抗拉强度的影响

图6 为不同掺量塑钢纤维混凝土早龄期劈裂抗拉强度随龄期变化曲线。由图6 可知，随着龄期发展，劈裂抗拉强度呈非线性增长，在14 d 前强度发展较快，14 d 后发展趋于平缓.当塑钢纤维体积掺量为0%时，14 d 龄期强度约为28 d 强度的94.31%；当掺量0.45%～1.35%时，14 d 强度约为28 d 的93%～ 95%.由此可见，随着龄期的发展，塑钢纤维混凝土劈裂抗拉强度和普通混凝土强度发展趋势基本一致.

图6 劈裂抗拉强度随龄期变化曲线

2.2.3 早龄期劈裂抗拉强度计算模型

拟合图6 试验数据得到不同掺量塑钢纤维混凝土早龄期劈裂抗拉计算模型，见式(2)：

表4 参数A、B、C 和拟合相关系数R2取值

2.3 早龄期抗折强度试验结果及讨论

2.3.1 塑钢纤维对早龄期抗折强度的影响

图7 为不同掺量塑钢纤维混凝土早龄期抗折强度对比图.由图7 可知，抗折强度随塑钢纤维掺量的增加而增加.图8 为不同掺量塑钢纤维混凝土抗折强度增幅对比图.由图8 可知，当塑钢纤维体积掺量为 0.45%时，抗折强度增幅为15%～26%；当掺量为0.9%时，增幅为20%～26%；当掺量为1.35%时，增幅为20%～35%.3 d 龄期塑钢纤维混凝土抗折强度增幅最显著，7～28 d 强度增幅逐渐趋于平稳.塑钢纤维单丝在混凝土中形成三维网状支撑，骨料和水泥浆不易离析，混凝土内部形成致密均匀的整体，且随外部荷载增大导致混凝土开裂后，塑钢纤维通过桥接作用继续承受混凝土表面的拉应力.

图7 不同掺量塑钢纤维混凝土抗折强度对比

图8 不同掺量塑钢纤维混凝土抗折强度增幅对比

2.3.2 龄期对混凝土抗折强度的影响

图9 为不同掺量塑钢纤维混凝土早龄期抗折强度随龄期变化曲线.由图9 可知，随着龄期发展，抗折强度呈非线性增长，其中14 d 前发展较快，14 d 后发展较慢.当塑钢纤维体积掺量为0%时，14 d 龄期强度约为28 d 强度的91.6%；当掺量为0.45%～1.35%时，14 d 强度约为28 d 的89%～92%.可见，随着龄期的发展，塑钢纤维混凝土和普通混凝土抗折强度发展趋势基本一致.

图9 抗折强度随龄期变化曲线

2.3.3 塑钢纤维混凝土早龄期抗折强度计算模型

拟合图9 试验数据得到不同掺量塑钢纤维混凝土早龄期抗折强度计算模型，见式(3)：4 组试件参数A、B、C和拟合相关系数R2，见表5.

表5 参数A、B、C 和拟合相关系数R2取值

2.4 塑钢纤维混凝土早龄期拉压比试验结果及讨论

2.4.1 塑钢纤维掺量对混凝土拉压比的影响

图10 为混凝土拉压比(立方体劈裂抗拉强度与抗压强度之比)随塑钢纤维掺量变化曲线图.由图10 可知，拉压比随着塑钢纤维掺量的增大而增大.

图10 混凝土拉压比随塑钢纤维掺量变化曲线

图11 为拉压比增幅变化曲线图.由图11 可知，当塑钢纤维掺量为0.45%时，拉压比增幅为11%～28%；当掺量为1.35%时，增幅为26%～50%.拉压比越大，混凝土塑性越好[8]，这说明掺入塑钢纤维使混凝土脆性性能得到了明显改善.

图11 拉压比增幅随塑钢纤维掺量变化曲线

2.4.2 龄期对拉压比的影响

混凝土拉压比随龄期变化曲线见图12.

图12 混凝土拉压比随龄期变化曲线

由图12 可知，拉压比随龄期增长而降低，前21 d 降幅较大，21～28 d 逐渐趋于平稳.0～21 d拉压比为0.09～0.16，21～28 d 拉压比为0.08～0.11，这说明立方体早龄期劈裂抗拉强度比抗压强度发展速度快.

2.5 塑钢纤维混凝土早龄期折压比试验结果及讨论

2.5.1 塑钢纤维掺量对混凝土折压比的影响

图13 为混凝土折压比(立方体抗折强度与抗压强度之比)随塑钢纤维掺量变化曲线图，图14为折压比增幅变化曲线图.由图13～图14 可知，塑钢纤维能提高混凝土折压比，立方体抗折强度的提高大于其抗压强度的提高，这说明适量掺入塑钢纤维能够改善混凝土脆性性能.

图13 混凝土折压比随塑钢纤维掺量变化曲线

图14 折压比增幅随塑钢纤维掺量变化曲线

2.5.2 龄期对折压比的影响

混凝土折压比随龄期变化曲线见图15.由图15 可知，折压比随龄期增长而降低，前7 d 折压比降幅较大，14～28 d 逐渐趋于平稳.0～7 d 折压比为0.12～0.18，14～28 d 折压比为0.11～0.15，这说明立方体早龄期抗折强度比其抗压强度发展速度快.当塑钢纤维掺量为0.45%～1.35%时，3 d龄期折压比增幅为20%～36%，7～28 d 龄期增幅为12%～20%，这说明掺入塑钢纤维对前3 d 的折压比影响较大.

图15 混凝土折压比随龄期变化曲线

3 结论

1)适量塑钢纤维可以提高混凝土早龄期立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度.塑钢纤维对混凝土早龄期劈裂抗拉强度的增幅最大，抗折强度次之，对立方体抗压强度影响最小.

2)随着龄期发展，早龄期劈裂抗拉强度发展最快，抗折强度次之，立方体抗压强度发展最慢.对试验数据进行拟合，得到了3 种强度随龄期发展的计算模型，研究发现当塑钢纤维体积率为0%～1.35%，3 d 龄期时，塑钢纤维对早龄期劈裂抗拉强度和抗折强度提升幅度最大，劈裂抗拉强度增幅约22%～49%，抗折强度增幅约22%～35%；7～28 d 时，增幅降低并趋于平稳，劈裂抗拉强度增幅约29%～37%，抗折强度增幅约15%～23%.

3)适量塑钢纤维可以提高混凝土早龄期拉压比和折压比，改善混凝土脆性；0～28 d 塑钢纤维混凝土早龄期拉压比和折压比随着龄期增大而降低，最终趋于平稳.