钢纤维增强高强轻骨料混凝土的力学性能

叶艳霞,王宗彬，谢夫林,付翠红,张志银

(1.长安大学 建筑工程学院，陕西 西安 710061; 2.成都基准方中建筑设计有限公司西安分公司, 陕西 西安 710061)

高强轻骨料混凝土(HLAC)的表观密度小于1950kg/m3，强度不低于LC40，是轻质、高强、节能环保的结构材料[1-2].在高层、大跨、桥梁、海事和软土地基工程中，HLAC具有广泛的应用前景和良好的社会经济效益.随着高强轻质陶粒生产技术的进步，HLAC的制备工艺不断成熟，且轻质陶粒的生产原料(工业废渣、粉煤灰、煤矸石、浮石、黏土等)储备丰富，为HLAC的推广应用提供了保障.随着HLAC强度的提高，其脆性更加明显，不利于其在一些高受拉和高剪切结构部位的应用.因此，HLAC的增强增韧成为近些年的研究热点之一.

文献[3-5]借鉴了钢纤维增强普通混凝土的研究经验，利用钢纤维(SF)来改善HLAC各项力学性能，提高了其韧性和延性.Campione等[3]研究表明，同一类型和掺量的钢纤维可使膨胀黏土和陶粒轻骨料混凝土抗压强度提高30%左右，对浮石轻骨料混凝土抗压强度基本没有影响.Ma等[4]将13mm 微细型钢纤维加入到3种类型粗骨料混凝土中，使混凝土抗压强度分别提高了19%、40%和42%，抗折强度分别提高了108%、92%和78%，表明粗骨料类型对钢纤维增强混凝土抗压强度的影响较大.刘汉勇等[5]同样证实了钢纤维对HLAC各项强度和韧性均有明显改善，其对HLAC抗压强度的改善优于低强度等级轻骨料混凝土和普通混凝土.朱海堂等[6]研究发现不同类型钢纤维对混凝土的强度增强效应存在较大差异，且有明显的尺寸效应.由此可见，钢纤维类型、尺寸参数、粗骨料类型等对HLAC的性能影响较大，有必要对钢纤维增强高强轻骨料混凝土(SFHLAC)的增强增韧效应及机理进行系统研究.

本文选取工程中常用的微细型钢纤维(M-SF)、端钩型钢纤维(H-SF)和波纹型钢纤维(C-SF)3种典型钢纤维，研究了钢纤维类型及其体积分数对HLAC抗压、劈裂抗拉、抗折和抗剪强度的影响，分析了SFHLAC的韧度因子和承载力变化系数，为工程应用和试验研究提供参考.

1 试验

1.1 原材料

选用P·O 42.5型普通硅酸盐水泥(C)，表观密度为3100kg/m3；Ⅰ级粉煤灰(FA)，密度为2600kg/m3;微硅粉(SF)，密度为2200kg·m-3；粗骨料采用5～16mm连续级配碎石型页岩陶粒(A)，筒压强度为6.2MPa，堆积密度为750kg/m3，表观密度为1360kg/m3，1h吸水率(1)文中涉及的吸水率、水胶比等除特殊说明外均为质量分数或质量比.为3.2%，24h 吸水率为3.8%；细骨料(S)采用细度模数2.6的普通河砂，表观密度为2600kg/m3；减水剂采用聚羧酸高效减水剂，减水率为25%～27%；钢纤维采用M-SF、H-SF和C-SF，其特征参数见表1.

表1 钢纤维的特征参数

1.2 试验设计

参照JSCE-SF-4《Method of test for flexural strength and flexural toughness of fiber reinforced concrete》，采用绝对体积法进行强度等级为LC50的高强轻骨料混凝土配合比设计，基准HLAC的配合比见表2.试件编号规则如下：P代表基准HLAC；M-SF0.5、H-SF0.5、C-SF0.5分别表示钢纤维M-SF、H-SF、C-SF的体积分数φM-SF、φH-SF、φC-SF均为0.5%的SFHLAC,其他按此类推；M-SFHLAC、H-SFHLAC和C-SFHLAC分别表示微细型、端钩型和波纹型钢纤维增强高强轻骨料混凝土.

表2 基准高强轻骨料混凝土配合比

1.3 试件制作

根据JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》和CECS13—2009《纤维混凝土试验方法标准》，采用容量为60 L的强制搅拌机进行搅拌，混凝土拌和物的制作工序为：先将晾干的河砂和胶凝材料干拌2min，接着加入掺有减水剂的水搅拌2min，制成砂浆浆体，然后加入润湿24h的陶粒继续搅拌1min，最后在搅拌机转动状态下均匀加入钢纤维搅拌4min 后出料.新拌基准HLAC拌和物的坍落度和拓展度分别为244mm和680mm，流动性较好；随着钢纤维体积分数φSF的增大，拌和物工作性能逐渐变差，φSF=1.5%时，拌和物坍落度和拓展度分别为190～210mm和410～520mm，φSF=2.0%时，拌和物流动性骤降，其中M-SF2.0的扩展度只有190mm，流动性极差.将拌和物一次入模，制作抗压、抗折、劈裂抗拉和抗剪强度试件(每组各3个)，用铁棒敲击试件侧壁大约30次并在地上轻轻振动，用抹刀将上表面抹平，成型24h后拆模并洒水养护28d(西安室外6月份气候)，养护完成后进行力学性能试验.

1.4 试验方法

根据CECS13—2009标准进行力学性能试验，抗压测试采用立方体试件，试件尺寸为100mm×100mm×100mm，劈裂抗拉、抗剪和抗折强度试件尺寸均为100mm×100mm×400mm，抗压、劈裂抗拉和抗折强度试件的尺寸换算系数分别取0.90、0.80、0.82.力学性能测试在万能试验机上完成，荷载数据通过计算机软件Test Expert.net采集，小梁跨度中间位置的纵向位移采用DH3820准静态应变采集系统及其配套的位移传感器进行数据采集，抗折强度试验加载速率0.1mm/min.

将试验所得荷载-位移(σ-ε)曲线进行拟合，受力初期的直线段峰值点即为初裂点，该点对应的荷载和位移分别为试件的初裂荷载和初裂位移(δ).韧性指数ηm，n包括ηm，5、ηm，10、ηm，30，其含义为当位移分别达3.0δ、5.5δ和15.5δ时，荷载-位移曲线和横坐标轴所围面积与位移达初裂位移δ时所围面积之比.承载力变化系数ζm,n为：

ζm,n=(ηm，n-α)/(α-1)

(1)

式中：α为给定位移与初裂位移的比值，取α=3.0、5.5、15.5.

为了比较不同SFHLAC的韧度，参照文献[7]计算韧性指标T150(T150为挠度达L/150时对应的荷载-位移曲线与横坐标所围面积)，对应平均强度的韧度因子(TF)为：

TF=TbL/bh2δk=150T150/bh2

(2)

式中：Tb为韧性指标；L、b、h分别为支座间距、试件截面宽度和试件截面高度；δk为给定的挠度L/150.

2 结果与分析

2.1 抗压强度

比强度为混凝土的抗压强度与其干表观密度之比，SFHLAC的抗压强度(fcu)和比强度见图1.

图1 SFHLAC的抗压强度和比强度Fig.1 Compressive strength and specific strength of SFHLACs

由图1可见：不同钢纤维类型SFHLAC试件的抗压强度和比强度差异较大；φSF在0.5%～1.5%范围内递增时，同一钢纤维类型SFHLAC的抗压强度和比强度亦随之增大；φSF=2.0%时，试件M-SF2.0的抗压强度和比强度增长幅度减弱，而试件H-SF2.0和C-SF2.0的抗压强度和比强度却降低.

φM-SF在0.5%～2.0%范围内，M-SF易分散，凝结硬化后M-SF与水泥基体黏结性能较好，对HLAC产生较强的环向约束力，因此M-SFHLAC试件的抗压强度较基准试件P提高最为显著；当φM-SF=2.0%时，试件的比强度达到36.23MPa/(kg·m-3)，试件M-SF2.0的抗压强度和比强度较基准试件P分别提高40.8%和28.8%；φM-SF≤1.0%时，M-SFHLAC的抗压强度增幅明显，φM-SF>1.5%后，拌和物流动性大幅降低.因此建议φM-SF取0.5%～1.0%.

对比图1中φSF相同的SFHLAC试件的抗压强度，并结合表1，试件的抗压强度增幅变化顺序为M-SFHLAC>H-SFHLAC>C-SFHLAC；与基准试件P相比，试件H-SF2.0的抗压强度和比强度分别提高了19.1%和8.3%，略低于文献[5,8]中同类型的压痕型(32mm，长径比50)钢纤维的抗压增强效果，这表明形状、几何尺寸、力学性能等参数相近的同类型钢纤维对HLAC的抗压增强效果较为一致.文献[6,9]中掺入与本试验H-SF类似、体积分数不超过2.0%的钢纤维时，使高强混凝土和普通轻骨料混凝土抗压强度仅提高了10.0%左右，说明H-SF钢纤维对HLAC的抗压增强效果较高强混凝土和普通轻骨料混凝土更优.从破坏机理分析可知，HLAC破坏断面与普通混凝土不同，前者骨料及水泥基体均开裂破坏，而后者主要为水泥基体开裂破坏，钢纤维在HLAC中能更好地发挥约束变形和辅助受力作用.3种钢纤维中，C-SF对HLAC抗压强度的提高效果最差，仅为6.5%.其原因在于，本试验中选用的C-SF在相同体积分数下的纤维数量较少，不易分散均匀，相对较低的力学性能使C-SF对基材破坏强度提高的贡献度也偏低，成型后的试件上表面略鼓起，试件的密实度降低，试件在承受压应力时易变形，纤维约束变形和辅助受力效果都较弱.

为保障钢纤维对HLAC的抗压增强效应，建议优先选用较大长径比的小尺寸直钢纤维.

2.2 劈裂抗拉强度

SFHLAC的劈裂抗拉强度(fts)和拉压比(fts/fcu)见图2.由图2可见：不同钢纤维类型的SFHLAC劈裂抗拉强度与拉压比随φSF的变化规律一致；φSF为0.5%～2.0%时，M-SF、H-SF与C-SF可使HLAC的劈裂抗拉强度分别提高155.0%、88.4%和42.2%，钢纤维对劈裂抗拉强度的增强效果可以达到抗压强度增强效果的4倍左右.文献[10]指出，劈拉试验过程中钢纤维主要通过水泥胶体传递应力，界面的黏结强度决定钢纤维传递应力的水平，M-SF在试件劈裂面上分布较密，其与水泥可以形成较强的化学胶结作用，对HLAC抗拉强度的增强效果最好.因此在保障钢纤维抗拉强度的情况下，应优选长径比较大的M-SF对HLAC进行抗拉增强.在一定范围内随着φSF的增加，钢纤维数量增多，对裂缝源的控制作用加强，劈裂抗拉强度随之增加.φM-SF、φH-SF为0.5%和1.0%时，SFHLAC的劈裂抗拉强度增长最明显，而φH-SF、φC-SF为2.0%时，SFHLAC的劈裂抗拉强度基本不再增长甚至降低，主要原因在于当φSF增加到一定程度时，较大尺寸钢纤维周围水泥胶体的裹浆厚度减小，不足以提供所需的传力能力，使增强效果不理想.

图2 SFHLAC的劈裂抗拉强度和拉压比Fig.2 Splitting tensile strength and ratio of tensile to compressive strength of SFHLACs

拉压比是反映钢纤维对混凝土脆性改善作用的一个指标[6]，本文设计的HLAC的拉压比为1/16.4，φSF在0.5%～2.0%范围内，对应的SFHLAC的拉压比分别为1/11.7～1/9.0、1/13.0～1/10.5和1/13.6～1/11.8.由此可见，钢纤维可以在不同程度上改善HLAC的脆性，M-SF对HLAC的脆性改善尤为明显，M-SFHLAC的拉压比与普通混凝土的拉压比(1/12.0～1/8.0)较为接近.

2.3 抗折强度

初裂抗折强度(fcf,ini)和阻裂系数(极限抗折强度fcf,lim和初裂抗折强度的比值，fcf,lim/fcf,ini)分别反映了材料抵御初期裂缝荷载及阻止裂纹开展的能力[11].图3(a)为SFHLAC试件的极限抗折强度和折压比(fcf,lim/fcu)，图3(b)为SFHLAC试件初裂抗折强度和阻裂系数，图4为SFHLAC试件弯折试验后的断面图.

由图3可见：基准试件P的极限抗折强度为5.07MPa，远低于文献[6]中相近等级普通混凝土(7.71MPa)；SFHLAC的初裂和极限抗折强度均随φSF增大而提高；与基准试件P相比，试件M-SF2.0和H-SF2.0的初裂抗折强度分别提高了24.5%和20.1%，极限抗折强度分别提高了62.1%、55.6%.观察试件M-SF1.5和H-SF1.5的开裂破坏过程可知，试件初始裂缝细小，裂缝开展缓慢，钢纤维抵御初始开裂的能力较强.尽管H-SF与水泥的黏结面积小于M-SF，但H-SF的端钩在一定程度上提高了钢纤维的锚固性能，结合图4(b)可知：H-SF对HLAC试件开裂后的阻裂效应略优于M-SF，因此认为M-SF和H-SF对HLAC试件抗折强度增强效果相当.由图4(a)、(b)可见，M-SF1.5和H-SF1.5试件断裂面上的M-SF和H-SF产生了明显塑性变形，这说明钢纤维起到了增强作用.

由图3还可见：C-SF对HLAC极限抗折强度的提高作用较小，φC-SF为0.5%～2.0%时，SFHLAC试件极限抗折强度并未随φC-SF增大而上升，试件C-SF2.0的抗折强度与基准试件P基本相同；试件C-SF1.5的初裂和极限抗折强度分别较基准试件P提高了1.7%和10.7%.由图4(c)可见，试件破坏断面上大部分C-SF未起到阻裂作用，C-SF未被拉直就被拔出，断面上仅可见少量钢纤维被拉断，C-SF的阻裂和增强效应都较差.文献[6]研究发现体积分数为2.0%的30.5mm H-SF(长径比30.5)和32.4mm C-SF(长径比57.4)可使普通混凝土抗折强度分别提高47.1%和7.0%，这与本文试验结果基本吻合.对比文献[6]的研究结论发现：钢纤维对提高HLAC抗折强度贡献的拉应力主要通过与水泥胶体的黏结传递；在水泥胶体强度相同的情况下，尽管SFHLAC会因为骨料断裂而导致其整体强度低于普通钢纤维混凝土，但钢纤维对不同骨料混凝土抗折强度增强率的贡献相差不大.

图3 SFHLA的抗折强度指标Fig.3 Index of flexural strength of SFHLACs

图4 SFHLAC试件弯折试验后的断面图Fig.4 Flexural cross-sectional view of SFHLACs

由图3(a)还可见：3种类型钢纤维对HLAC试件折压比的影响规律差异较大；φSF为0.5%～2.0%时，不同SFHLAC试件的折压比分别为0.101～0.111、0.098～0.126和0.097～0.100，H-SF对HLAC折压比的改性效果较好，而C-SF的掺入不利于HLAC折压比的提高.基准试件P的折压比为0.093，由于基材强度等级较高，导致本文与文献[12]给出的轻骨料混凝土折压比拟合结果(0.12)存在较大差异.

2.4 抗剪强度

SFHLAC的抗剪强度(fs)和剪压比(fs/fcu)见图5.由图5可见：基准试件P的剪压比为1/11.30，这是因为基准试件P中基本没有骨料的咬合作用，剪切面上骨料直接被剪断.对比文献[7-13]中普通轻骨料混凝土和高强混凝土的剪压比分别为1/7.03和1/9.03，说明基准试件P的剪脆性较明显.

图5 SFHLAC的抗剪强度和剪压比Fig.5 Shear strength and ratio of shear-compression of SFHLACs

由图5还可见：钢纤维对HLAC的剪切韧性改善较为明显，这是因为SFHLAC试件裂缝带上的钢纤维具有很好的“桥联作用”，试件在破坏过程中具有较好的完整性；与基准试件P相比，M-SF1.5、H-SF1.5和C-SF1.5试件的抗剪强度分别提高157.1%、80.4%和47.0%，其剪压比分别为1/5.83、1/7.45和1/8.20，说明钢纤维对HLAC剪切性能的改善效果与剪断面上钢纤维的数量有关，数量越多，HLAC裂缝源的控制能力越强；M-SF对HLAC的抗剪强度提高最为明显，可达226.7%.因此，M-SF对HLAC可以起到很好的抗剪切增强效应，在一些轻骨料混凝土框架节点、剪力墙等高剪力部位掺入一定量(考虑拌和料的工作性能，建议φM-SF为0.5%～1.5%)的M-SF，既对轻骨料混凝土的施工性影响不大，又会大幅度提高混凝土结构的抗剪切性能，从而提高结构的耗能能力和安全储备.

2.5 荷载-位移曲线

SFHLAC的弯曲试验荷载-位移(σ-ε)曲线见图6.由图6可见：不同钢纤维类型和体积分数使SFHLAC试件荷载-位移曲线形状有较大差别，增韧效果差异较大；H-SF0.5和C-SF0.5试件在达到极限强度后继续加载，其荷载-位移曲线出现陡然下降，而M-SF0.5试件在达到极限强度后继续加载，其荷载-位移曲线较顺滑，表现出较好的增韧效应；随着φSF的增大，SFHLAC试件的荷载-位移曲线上移，曲线形状也更趋饱满，表现出更好的材料韧性和延性；当φSF为0.5%～2.0%时，SFHLAC试件荷载- 位移曲线峰值点对应的位移分别为0.119～0.274、0.052～0.130和0.050～0.065mm，M-SFHLAC试件的延性明显优于其他两者；M-SFHLAC试件的荷载-位移曲线存在明显的屈服段，达峰值荷载后曲线基本呈线性下降；H-SFHLAC试件的荷载- 位移曲线达峰值荷载后快速下降，H-SF在变形达到一定程度后其锚固作用明显变差；C-SFHLAC试件的荷载-位移曲线几乎没有屈服段，峰值点对应荷载较低、位移较小，达峰值点后曲线陡降，试件耗能能力较差.

图6 SFHLAC的弯曲试验荷载-位移曲线Fig.6 σ -ε curves of bending test for SFHLACs

2.6 韧度因子和承载力变化系数

SFHLAC的韧度因子见图7.由图7可见：φSF为0.5%～2.0%时，SFHLAC试件的韧度因子随φSF的增大而降幅增长；不同钢纤维类型的SFHLAC对由φSF变化引起的韧性增长幅度相差不大；M-SF对M-SF0.5试件韧度的增长贡献明显强于其他2种钢纤维，其韧度因子为后两者的3倍左右；当φSF为1.0%～2.0%时，M-SFHLAC的韧度也较H-SFHLAC和C-SFHLAC提高了约1.5～2.1倍，说明M-SF对HLAC的增韧效应较好.

图7 SFHLAC的韧度因子Fig.7 Toughness factor of SFHLACs

SFHLAC的弯曲承载力变化系数见图8.由图8可知：随着φSF的增大，SFHLAC试件的弯曲承载力变化系数增大，试件韧性提高；钢纤维类型对SFHLAC试件的固有弹塑性属性影响较大；M-SFHLAC的承载力变化系数ζm,n基本大于1，具有较好的变形持荷和耗能能力；在小变形(3.0δ、5.5δ)下，H-SFHLAC的承载力变化系数ζm,5和ζm,10大于1，大变形(15δ)下对应的ζm,30数值降低较多，大变形下的韧性较差；C-SFHLAC的承载力变化系数ζm,n在各φSF下均小于1，钢纤维与水泥基体协同性较差.推荐φM-SF为0.5%～1.0%，φH-SF为1.0%～1.5%.

图8 SFHLAC的弯曲承载力变化系数Fig.8 Variation coefficent of flexural resistance of SFHLACs

3 结论

(1)除体积分数为2.0%的波纹型钢纤维(C-SF)增强高强轻骨料混凝土(HLAC)外，钢纤维增强高强轻骨料混凝土(SFHLAC)的力学强度和韧性指标均随着钢纤维体积分数的增大而增大.相同体积分数的微细型钢纤维(M-SF)、端勾型钢纤维(H-SF)、C-SF对HLAC的抗剪、劈裂抗拉、抗折和抗压强度的增强效果依次递减.

(2)钢纤维体积分数为0.5%～2.0%时，M-SF对HLAC的增强增韧效果最好；H-SF对HLAC抗折强度与M-SF具有相近的提高效果，但对HLAC的其他力学强度和韧性的提高效果不如M-SF；C-SF对HLAC的增强增韧效果均较差，尤其对其抗压和抗折强度基本没有影响.

(3)综合考虑拌和物的工作性能、SFHLAC的力学和韧性特性，M-SF的建议体积分数为0.5%～1.0%，H-SF的建议体积分数为1.0%～1.5%；C-SF的建议体积分数为1.0%～1.5%，增韧时不推荐掺加C-SF.