超高层墙柱节点纤维增强自密实混凝土弯曲韧性研究

干 露 （宁波市建设工程安全质量管理服务总站，浙江 宁波 315100）

自密实混凝土（self-compacting concrete，SCC）作为一种高性能混凝土，适用于难以振捣的节点部位，可凭借自身重量填充钢筋孔隙，且流动时不会离析[1-2]。SCC可创造无振动的施工环境，大幅降低施工噪音，并减少人工参与，从而提高施工质量[3-4]。然而硬化后的SCC 存在易收缩开裂等缺陷。为此，研究人员尝试在SCC中掺入纤维以提高其韧性，但不同类型的纤维及掺量对SCC的强度提升不尽相同。张驰等人[5]研究发现，钢纤维的掺入对SCC 的抗压强度提升作用不明显，但可有效提高自密实混凝土韧性，其中1.2%掺量钢纤维可使SCC 抗折强度提高69.3%；朱一丁等人[6]在SCC 中掺入硅灰和聚丙烯纤维，并通过改变两种材料的掺量，探究了SCC 的抗压强度及劈裂强度，当聚丙烯纤维掺量为0.2%时，获得了最高的抗压强度和劈裂抗拉强度。

近年来，随着超高层建筑的持续发展，墙柱关键节点逐渐复杂化，内部配筋繁多，普通混凝土在这种情况下难以振捣压实，而SCC 则可很好地解决上述问题[7]。本文旨在探究不同纤维类型对墙柱节点自密实混凝土和易性及弯曲韧性的性能影响，并进行了抗压强度、劈裂拉伸强度及抗折强度试验，以评估SCC 的和易性能及弯曲韧性。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

本试验所选胶凝材料为P·O 42.5及普通硅酸盐水泥和硅灰（SF），其中水泥和硅灰主要成分见表1。粗集料粒径小于12.7mm，细集料粒径小于4.75mm。减水剂选用聚羧酸高性能减水剂，掺量为1%。本文共选用五种纤维，其中端钩钢纤维和聚丙烯纤维是用于加固混凝土的工业纤维，低碳钢纤维和弯曲钢纤维是从废电线中收集而来的，玄武岩纤维购买于河南某工程材料有限公司。各种类型纤维特性见表2。

表1 水泥与硅灰主要化学成分表/%

表2 各类型纤维特性

将五种纤维外掺入自密实混凝土中制备不同组别纤维改性自密实混凝土，并设置空白对照组。水泥掺量、水灰比、SF掺量以及各种类型纤维掺量保持均保持不变，其中水泥掺量为350kg/m3，SF掺量为150kg/m3，水胶比为0.4，纤维掺量为混凝土体积的0.25%。具体配合比设计见表3。

表3 各种纤维增韧SCC配合比设计/kg/m3

1.2 试验方法

混凝土和易性试验方法参照JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中T 0532—2020《水泥混凝土拌合物坍落扩展度及扩展时间试验方法》；抗压强度参照T 0553—2005《水泥混凝土抗压强度试验方法》；弯拉强度试验参照T 0558—2005《水泥混凝土弯拉强度试验方法》；劈裂抗拉强度试验参照T 0561—2005《水泥混凝土圆柱体劈裂抗拉强度试验方法》。

2 试验结果分析

2.1 和易性

不同组别新拌SCC坍落扩展度及扩展时间试验结果见图1、图2。

图1 混凝土坍落扩展度

图2 混凝土坍落扩展T500结果

由图1可知，纤维的掺入使得所有类型SCC的和易性变差，其中掺入聚丙烯纤维和端钩钢纤维对SCC 流动性影响最大，与对照组的670mm 相比，分别降低了53mm 和45mm，这可能是由于这两种纤维的表面积较大，纤维的大面积扩散，阻碍了新拌混凝土的流动性能，对其产生负面影响；而掺入玄武岩纤维对SCC流动性影响最小，与对照组相比，仅降低了12mm。

据图2 可知，根据纤维类型和形状不同，添加纤维同样会对混凝土坍落扩展时间产生影响，且与坍落扩展度结果相同，坍落扩展度越大，扩展时间越短。如掺入端钩钢纤维的SCC 需5.1s 才能扩展到500mm，这可能是由于纤维末端长度的影响，而掺入玄武岩纤维对SCC坍落扩展时间影响最小，与对照组相比，仅相差0.3s。

2.2 抗压强度

据图3 可知，在混凝土强度发展前期，端钩钢纤维SCC抗压强度略高于对照组，但随着养护时间的不断增加，端钩钢纤维SCC强度逐渐低于对照组，这可能是由于端钩钢纤维长度和端部形状对混凝土拌合的影响，导致内部压实不密实，存在部分空隙，导致抗压强度降低。另外值得注意的是弯曲钢SCC和聚丙烯纤维SCC，两者28d 抗压强度分别为36.68MPa 和35.94MPa，同对照组相比，提高了3.99%和1.90%；90d抗压强度分别为39.94MPa和40.12MPa，同对照组相比，提高了3.15%和3.61%。因此不难发现，与未添加纤维的SCC 相比，添加纤维会降低新拌混凝土的抗压强度，虽有部分添加纤维组强度略有提高，但强度提升很小，可忽略不计。

图3 不同混凝土试样抗压强度

2.3 劈裂抗拉强度

据图4可知，掺端钩钢纤维SCC劈拉强度提高最明显，7d、14d、28d和90d强度与对照组相比，分别提高了57.01%、59.29%、40.70%和37.54%，掺玄武岩SCC 劈拉强度提高最缓，7d、14d、28d和90d强度与对照组相比，分别提高了15.38%、13.44%、8.33%和9.91%。因此不难发现，在SCC 中添加纤维对SCC 的劈裂抗拉强度发展起到了正向的积极作用，这是因为纤维和混凝土共同承受裂缝扩展时的能量，当混凝土试件受拉破坏时，纤维通过连接裂缝两端的混凝土从而阻止裂缝进一步扩展，直至受拉能量超过纤维与混凝土共同作用的极限。同时，各种钢纤维对劈拉强度的增益效果最明显，掺聚丙烯纤维次之，掺玄武岩纤维增益效果最差。

图4 不同混凝土试样劈裂抗拉强度

2.4 抗折试验

据图5 可知，加入纤维后，各种纤维增韧SCC 抗折强度都有明显提升，养护7d 后，SCC-H、SCC-L、SCCC、SCC-P 和SCC-B 抗折强度较对照组分别提高61.54%、44.69%、48.72%、34.80%和38.10%；养护90d后，SCC-H、SCC-L、SCC-C、SCC-P 和SCC-B 抗折强度较对照组分别提高32.17%、28.95%、31.10%、23.86%和16.09%。且其中钢纤维对SCC 的增韧改善效果最明显，玄武岩对SCC 的增韧改善效果最差，分析其原因，当混凝土试件弯曲开裂后，试件内部主要由纤维提供抗拉强度，玄武岩虽然可以在一定程度上阻止裂缝的产生和扩展，但相比于玄武岩纤维，钢纤维具有更高的抗拉强度，因此钢纤维增韧SCC 抵抗开裂能力更加明显，表现出更加优异的韧性。

图5 不同混凝土试样抗折强度

据图6 可知，在SCC 中添加纤维后，各种纤维增韧SCC折压比均高于对照组，这说明掺入纤维可以有效提高SCC的抗弯曲变形能力，养护7d后，SCC-H、SCC-L、SCC-C、SCC-P 和SCC-B 折压比较对照组分别提高了57.48%、34.08%、48.33%、28.39%和40.67%；养护90d后，SCC-H、SCC-L、SCC-C、SCC-P 和SCC-B 折压比较对照组分别提高了31.47%、30.79%、27.14%、19.55%和15.23%。而这一变化趋势也与抗压强度及抗折强度变化趋势类似，在另一方面佐证了钢纤维增韧效果最优、聚丙烯纤维次之以及玄武岩纤维增韧效果最差。

图6 不同混凝土试样折压比

3 结语

（1）在SCC中掺入纤维会对其和易性能产生影响，且影响程度根据纤维种类有所不同。其中掺聚丙烯纤维SCC流动性最差，端钩钢纤维SCC次之，掺玄武岩纤维SCC影响最小。

（2）不同种类纤维在SCC中影响作用不同，但整体趋向于负面影响，聚丙烯纤维和玄武岩纤维SCC 抗压强度虽有提升，但提升很小，可忽略不计。

（3）在SCC中添加纤维有利于提高其弯曲韧性，其中端钩钢纤维SCC增韧效果最明显，7d和90d抗折强度分别提高了61.54%和32.17%，7d 和90d 折压比分别提高了57.48%和31.47%，玄武岩纤维增韧改性效果最不明显。