超高强微钢纤维混凝土力学性能试验研究

超高强微钢纤维混凝土力学性能试验研究

超高强混凝土的应用近20年来，高速混凝土（以下简称shec）技术得到了迅速发展，并在一些项目中得到了应用。例如:美国西雅图TwoUnionSquare(1987)混凝土抗压强度达到138MPa,西雅图PacificFirstCentre(1992)混凝土强度124MPa,德国法兰克福TaunustorBuilding(1990)混凝土达到C105要求,沈阳富林大厦混凝土实际强度超过100MPa,北京财税大楼工程混凝土强度达到127MPa。需要指出的是,当前超高强混凝土在工程中主要是用于承压结构形式,很少用于拉弯结构形式。由于混凝土天然的脆性本质特征,其抗拉、抗折强度很低,为降低超高强混凝土脆性,需要利用韧性材料对其复合增韧。对超高强混凝土而言,目前应用比较成熟的是钢管混凝土,甚少钢筋混凝土结构形式。同时,超高强混凝土水胶比较低,密实度提高对耐久性有利,但伴随的自收缩变形也较大,易导致混凝土开裂,对混凝土工程耐久性有负面影响。因此,有专家提出混凝土“高强不一定耐久”,这种说法是有一定道理的。为解决超高强混凝土的脆性及自收缩变形问题,目前工程中主要采用钢管复合超高强混凝土结构形式。除此之外,还可以利用纤维复合,达到对超高强混凝土的增韧目的。在此情况下,以纤维增韧超高强混凝土为基础,进而复合以传统的钢筋混凝土结构形式,可以从根本上降低超高强混凝土的脆性,使之满足于抗拉、抗弯等结构形式要求。同时,利用纤维可降低收缩,抑制裂缝的特性,免除对超高强混凝土耐久性问题的担忧。为保证在低水胶比下纤维混凝土具有合适的流动性以满足施工需求,并考虑超高强混凝土高弹性模量的特性,本研究采用长度分别为6mm和13mm、直径分别为0.16mm和0.20mm的三种微钢纤维。同时,借鉴活性粉末混凝土的经验,纤维掺量值相对较高。研究中,采用澳大利亚相关标准,测试了超高强微钢纤维混凝土的抗压强度、劈拉强度以及弹性模量;采用美国ASTMC1018方法,测试了初始裂缝强度(Firstcrackstrength)及韧性指数(Toughnessindex)。试验在澳大利亚昆士兰大学土木系混凝土实验室进行。1原材料和试验方法1.1原材料1.1.1泥、粉煤灰的用量水泥:澳大利亚EasyMix公司生产的GP型水泥,28d强度要求不小于45MPa;粉煤灰:澳大利亚PozzolanicEnterprises有限公司提供;硅灰:新西兰Microsilica公司生产。1.1.2wolffhene地区粗骨料:来自于昆士兰州Wolffdene地区,最大粒径10mm;机制砂:昆士兰州Wolffdene地区岩石破碎制成;细砂:昆士兰MoretoneBay水洗海砂(昆士兰州东南部缺少天然河砂,工程中所用细骨料主要是机制砂与水洗海砂混合)。骨料的各项物理、化学及力学指标符合澳大利亚AS2758.1—1998标准技术要求。1.1.3外包缓凝剂:Grace公司的Dramamine型缓凝剂;水剂、高效减水剂:Grace公司生产的ADVA142型高效减水剂、水剂。1.1.4钢微纤维trt试验中用到了三种材质相同,长径比不同的高碳钢微纤维。所有纤维均为比利时Bekaert公司生产,澳大利亚Bosfa公司提供。纤维的物理及力学性能指标见表1,其外观形貌见图1。1.2测试方法1.2.1试验初养护及性能测试原材料按配比要求称量后,按以下搅拌制度搅拌:粗、细骨料+胶凝材料搅拌1min→90%拌合水+缓凝剂搅拌1min→高效减水剂+剩余的10%拌合水搅拌1min→纤维搅拌2min→出料混合料出料后,测试其坍落度和扩展度,并振动成型,在室温下静置24h左右脱模后,送入温度27±2℃、相对湿度大于97%的标准养护室(澳大利亚标准),养护至28d龄期,再分别测试各力学性能指标。试验中,每一力学性能试验试件为3组,试验结果取其平均值。1.2.2荷载和挠度测试试件尺寸100mm×100mm×400mm,按ASTMC1018方法测试混凝土试件的荷载和挠度,采用控制变形速率方法施加荷载。同时,位移传感器用一固定架固定在试件上,以保证测得的变形值只是试件自身变形,不包含设备变形,测试装置见图2。试验中的加载速度控制及数据采集皆由计算机完成。1.2.3抗压强度直径100mm、高度200mm的圆柱体试件被用于测试抗压强度,试验按照AS1012.9规定的方法进行。1.2.4牵引强度直径200mm、高度300mm的圆柱体试件被用于测试劈裂抗拉强度,试验按照AS1012.10规定的方法进行。1.2.5弹性模量直径100mm、高度200mm的圆柱体试件被用于测试弹性模量,试验按照AS1012.17规定的方法进行。2混凝土坍落度试验本文制备的超高强混凝土的目标要求为:28d龄期时强度不低于110MPa;为保证掺加纤维后,混凝土仍具有适当的和易性,坍落度不低于240mm。采用表2中配合比作为试验基准配合比,经多次重复试验验证,此配合比混凝土28d强度不低于113.3MPa,坍落度为240mm。再分别按体积掺量的1.0%和2.0%,将三种纤维分别掺入超高强混凝土,按要求搅拌混凝土后,测试混凝土拌合物坍落度,试验配比及流动性结果见表3。表3的结果表明,对于超高强混凝土而言,纤维长度6mm,体积掺量1.0%时混凝土坍落度与基准混凝土持平,扩展度略有降低,而当掺量增加至2%时,其坍落度仍然有165mm;而纤维长度为13mm的另四组混凝土流动性降低非常明显,在2.0%的高掺量条件下,混凝土拌合物已近于干硬性混凝土,特别是纤维直径为0.16mm时,混凝土振动密实异常困难。需要注意的是,长度13mm、直径0.16mm的第二种纤维在掺量2.0%时,纤维团聚成球明显,而长度13mm、直径0.20mm的第三种纤维则有少许团聚成球。3超强微钢纤维混凝土的力学本研究涉及到的力学性能指标包括:在弯折荷载作用下的初始裂缝强度、抗折强度及韧性指数等,以及抗压强度、劈拉强度、弹性模量。3.1纤维混凝土力学性能在本文中,纤维掺入超高强混凝土最主要的目的是用以降低混凝土脆性,增加韧性。纤维混凝土的韧性可以用荷载作用下的能量吸收能力来表征,也可以以混凝土的初始裂缝强度以及韧性指数表征。钢纤维混凝土的能量吸收能力定义为弯折荷载作用下达到特定挠度变形值时荷载-挠度曲线下的面积。本试验中,以跨中挠度达到4%时的荷载-挠度曲线下面积表征能量吸收能力。ASTMC1018定义了弯折荷载作用下初始裂缝强度:纤维混凝土荷载-挠度曲线上第一次出现非线性特征时混凝土的强度(如图3所示)。韧性指数被定义为:达到一定挠度变形时,荷载-挠度曲线下的面积除以曲线下初始裂缝所对应的面积,根据挠度变形不同,按ASTMC1018-97,韧性指数分别有I5、I10以及I20等3个指标(如图3所示)。通过计算材料在荷载作用下变形过程中吸收的能量相对值得到的韧性指数,可以定量地评价裂缝产生后纤维混凝土的力学行为。韧性指数越高,脆性越小,同时抵抗变形的能力也越强。根据ASTMC1018方法,本文测试了所制备的微钢纤维超高强混凝土的能量吸收能力,以及初始裂缝强度和韧性指数,并得到了按控制变形速率测得的抗折强度,结果列于表4,并示于图4～图8。3.1.1增加了凝土的能量不同纤维及不同掺量条件下的荷载-挠度曲线示于图4～图8。试验结果显示,对于同一纤维,随着掺量的增加(图4～图6),纤维混凝土的能量吸收能力(曲线下的面积)均有所增加。与此同时,同一掺量下的不同长度、直径的纤维其韧性特征也不一样。图7与图8显示,长度为13mm、直径为0.20mm的第三种纤维有着更好的增加韧性,及阻止裂缝产生与扩展的作用,而长度6mm、直径0.16mm的第一种纤维的增韧阻裂效果相对较差,这应该归因于此时纤维长度为6mm,小于粗骨料的最大粒径10mm,纤维的增韧阻裂作用受到了影响。3.1.2纤维对混凝土裂缝强度的影响表4的试验结果表明,掺入微钢纤维后的超高强混凝土初始裂缝强度增加非常明显。基准混凝土的初始裂缝强度只有9.5MPa,而掺入纤维后,初始裂缝强度均超过10MPa。同时,基准混凝土的极限抗折强度为9.7MPa,掺入纤维后抗折强度全部超过11MPa。显然,微钢纤维对超高强混凝土裂缝的产生与发展起到了很好的抑制作用。对比同一纤维下不同体积掺量时的初始裂缝强度,不难发现,1.0%体积掺量时三种纤维混凝土的初始裂缝强度、抗折强度和韧性指数均有显著提高,而掺量2.0%时初始裂缝强度、抗折强度和韧性指数的增加受到影响。3.1.3纤维掺量的影响表4中,基准混凝土的韧性指数测试结果为1.1,意味着即使脆性很高的超高强混凝土,在裂缝产生后并没有马上完全破坏,还是经历了一个时间很短的裂缝扩展过程,直至裂缝完全贯穿,达到极限荷载,试件破坏。表4中的试验结果也明确显示,微纤维掺入超高强混凝土中,混凝土韧性增加极为明显。相比于基准混凝土各韧性指数(1.1),掺入纤维后混凝土韧性指数I5均达到5.0以上;I10最低值9.5,最高值为10.8;而I20则最高达到了20.8。这表明在初始裂缝产生后,由于微纤维对裂缝扩展的约束以及对基体的增强作用,裂缝产生后,超高强混凝土仍然能抵抗很大的荷载破坏,并保持有足够大的变形。纤维掺量对韧性指数的影响必须考虑纤维的临界纤维体积率。超高强纤维混凝土的临界纤维体积率可借鉴如下公式计算得到:Vf,cr=σmuσfu+σmu-Efεmu式中:σmu、εmu分别为不掺纤维的超高强混凝土的抗拉强度及对应的极限拉应变;σfu、Ef分别为纤维的极限抗拉强度和弹性模量。高强混凝土的最大拉应变为250×10-6～350×10-6。现假定εmu为300×10-6。σmu、εmu、σfu、Ef分别见表1和表5。得出三种纤维的临界纤维体积率为0.37%。本研究中,纤维体积掺量为1%和2%,远超过临界体积率。因此,当掺量为1%时,纤维尚能很好地发挥增韧阻裂作用,而当掺量为2%时,纤维分散不均匀,影响了纤维增韧效果的发挥,表现为2%时的韧性指数并不比1%时增加,甚至还减小。这也解释了2.0%掺量时钢纤维混凝土的初始裂缝强度并不比掺量1.0%时增加明显。在本研究中,表4的结果也表明,纤维直径一定,韧性指数随纤维长度增加而增加(配比S1-1与S2-1,S1-2与S2-2);而纤维长度一定,纤维直径小(配比S2-1,S2-2)的混凝土韧性指数较直径大(配比S3-1,S3-2)的韧性指数小。3.2纤维材料的分布表5的试验结果表明,掺入微钢纤维后,混凝土28d龄期的抗压强度均高于不掺任何纤维的基准混凝土。特别是纤维长度为6mm时,强度增加最为明显。这主要归因于纤维长度短,纤维在混凝土中的分布更为均匀,从而对混凝土强度有利。此外,较短的纤维混凝土流动性更好(表3结果),使得混凝土更容易成型密实,抗压强度自然也高。此外,需要注意的是,长度6mm的纤维在2.0%掺量时的抗压强度高于1.0%掺量,而较长纤维(13mm)在两种直径条件下,掺量高反而对抗压强度不利,这应该是因为在高掺量时纤维有团聚成球现象发生,纤维分布的不均匀造成强度下降。3.3不同纤维对混凝土第三通道增长的影响相对于抗压强度,微钢纤维对超高强混凝土劈裂抗拉强度的增加更为明显。同时,分别掺入三种纤维,随着掺量的增加,混凝土劈拉强度皆有所增加。比较三种纤维对混凝土劈拉强度的影响,不难发现,掺入长度6mm、直径0.16mm(配比S1-1与S1-2)的第一种纤维时,混凝土的劈拉强度比另外两种纤维混凝土的强度小。掺入第二种纤维及第三种纤维的混凝土劈拉强度相互较为接近。在纤维分散较好的1.0%体积含量时,强度与长径比成正比,这也符合纤维混凝土强度规律;而在2.0%掺量时,则正好相反,这可能是此时纤维的分散性对强度的影响超过纤维长径比的影响。3.4比基准混凝土所测混凝土弹性模量的影响表5的试验结果显示,掺入微钢纤维后,混凝土的弹性模量比基准混凝土有所增加,且增加明显。不过,试验结果没有明确反映出纤维体积率,长径比与弹性模量之间的关系。4纤维掺量对超高强混凝土力学性能的影响根据本文试验,可以得出以下几点结论:(1)三种微钢纤维的分别掺入都影响到超高强混凝土的流动性,相对而言,较短纤维混凝土的流动性好于较长纤维混凝土,其坍落度在1%掺量时为240mm,2%掺量时