钢纤维增强粉煤灰自密实混凝土力学性能

海 然，刘 盼，杨艳蒙，刘俊霞

(中原工学院 建筑工程学院，河南 郑州 450007)

自密实混凝土(SCC)具有较高的流动性、均匀性和稳定性，浇筑时无需外力振捣就能够在自重作用下流动并充满模板空间，因其良好的工作性能而被广泛应用于形状复杂、配筋密集的结构之中.为满足SCC高流动性且不离析、不泌水的要求，相同强度等级的SCC与普通混凝土相比，水胶比低，砂率、水泥和外加剂用量大，致使SCC水化热高、自收缩大、成本高[1-2].因此，用粉煤灰取代部分水泥来配制SCC不仅能够有效地解决上述问题，还能改善其工作性.

掺加钢纤维是改善混凝土力学性能和变形性能的主要途径，在利用钢纤维的桥接和阻裂作用抑制微裂纹产生和扩展的同时，还可以减少混凝土的自收缩变形.Majain等[3]对比研究了掺入不同体积分数(0%，0.5%，1.0%)钢纤维的自密实混凝土(SCCSF)抗压强度，发现钢纤维掺量为0.5%和1.0%的SCCSF抗压强度较SCC分别提高了6.6%和8.0%.Sulthan等[4]和Siddique等[5]的研究结果表明，掺加钢纤维能够改善SCC的力学性能，钢纤维对SCC劈拉、抗折强度的改善程度优于抗压强度.通过研究CF40钢纤维混凝土轴压应力-应变全曲线，张晓燕等[6]发现钢纤维混凝土的轴心抗压强度和韧性比随着钢纤维体积分数的增加而提高.赵顺波等[7]研究表明，钢纤维全轻混凝土单轴受压应力-应变曲线的峰值应力及其对应应变随钢纤维体积分数的提高呈现增大趋势，钢纤维体积分数的增加使试件的破坏形态由脆性向塑性转变，与权长青等[8]的研究结果相一致.杨久俊等[9]研究表明，钢纤维对大流动度超高强混凝土的拉压比、折压比起着显著增强作用，轴压条件下的相对韧性达到基体的2倍.

上述研究表明，掺加钢纤维能够改善普通混凝土、高强混凝土、轻质混凝土和SCC的力学性能和韧性，对SCC工作性的影响尤为显著[10-11].鉴于此，本文以粉煤灰取代40%水泥配制的粉煤灰SCC为基准混凝土，通过工作性、力学性能和轴压条件下的应力-应变试验，研究钢纤维体积分数变化对粉煤灰SCC工作性、力学性能的影响，重点研究粉煤灰SCC应力-应变曲线的极限应力、峰值应变、应变能和相对韧性及其应变软化阶段的承载能力和变形特征随钢纤维体积分数的变化规律，为钢纤维增强粉煤灰SCC的研究和应用提供参考.

1 试验原料与方法

1.1 试验原料

普通硅酸盐水泥由天瑞集团郑州水泥公司生产，45μm筛余量(质量分数，文中涉及的筛余量、含水率等除特别说明外均为质量分数)为2.55%，比表面积为358m2/kg，密度为3.03g/cm3，标准稠度用水量为27.30%，胶砂流动度为192mm，其技术性能指标见表1；石灰石粉由广东省鹤山市沙坪镇连南桥建材店生产；粉煤灰的比表面积为463m2/kg，含水率为0.18%，需水量比为104.32%，28d活性指数为79.34%，其主要组成见表2；粗骨料为5～19mm连续集配碎石，堆积密度为1.56g/cm3，表观密度为2.61g/cm3；细骨料为混合砂，细度模数为2.75，堆积密度为1.52g/cm3，表观密度为2.65g/cm3；水为自来水；减水剂(WRA)为南京斯泰宝贸易有限公司生产的530P型聚羧酸盐高效减水剂，减水率为30%；钢纤维为河北衡水瑞海橡胶制品有限公司生产的波纹型钢纤维，其基本性能参数见表3.

表1 普通硅酸盐水泥性能指标

表2 粉煤灰化学组成

表3 钢纤维基本性能参数

1.2 试验方法

1.2.1钢纤维增强粉煤灰SCC工作性测试

钢纤维增强粉煤灰SCC的工作性由填充性、间隙通过性和抗离析性表征，工作性试验参照JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》进行.

1.2.2钢纤维增强粉煤灰SCC力学性能试验

粉煤灰SCC的配合比见表4.钢纤维为外掺，其体积分数分别为0%、0.25%、0.50%、0.75%和1.00%.钢纤维增强粉煤灰SCC的抗压强度和劈裂抗拉强度试块尺寸均为100mm×100mm×100mm，抗折强度试块尺寸为100mm×100mm×400mm.参照GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》相关规定，进行基本力学性能测试，每组试块数量均为3个，结果取平均值.

表4 粉煤灰SCC配合比

1.2.3钢纤维增强粉煤灰SCC轴压条件下应力-应变试验

钢纤维增强粉煤灰SCC轴压条件下应力-应变试验选用YAW6206型压力试验机，试验过程采用位移控制获得荷载-位移曲线，加载速度为0.05mm/min，试验过程见图1.试块尺寸为100mm×100mm×300mm，测试龄期为28d，每组3块，结果取平均值.

图1 钢纤维增强粉煤灰SCC轴压试验过程Fig.1 Axial compression test process of SCC

2 试验结果与分析

2.1 钢纤维体积分数对粉煤灰SCC工作性的影响

粉煤灰SCC工作性测试指标有坍落扩展度、T500、J环扩展度和离析率筛析试验.表5为钢纤维增强粉煤灰SCC拌和物的工作性测试结果.由表5可知：随着钢纤维体积分数的增加，粉煤灰SCC的坍落扩展度和J环扩展度逐渐降低，T500流动时间延长，坍落扩展度和J环扩展度的差值均在0～25mm 之间，离析率呈现先增加后减小的趋势，但均能满足SCC填充性、流动性、间隙通过性和离析率的要求；当钢纤维体积分数大于0.75%时，粉煤灰SCC拌和物工作性各指标均显著降低.

表5 钢纤维增强粉煤灰SCC拌和物的工作性

钢纤维体积分数对粉煤灰SCC工作性产生的影响主要归因于以下3个方面：一是掺入钢纤维后，新拌粉煤灰SCC体系用于包裹骨料和纤维的浆体增多，导致其体系内部自由砂浆含量减少，增大了流动时的内应力和黏度；二是随着钢纤维体积分数的增加，粉煤灰SCC体系内的钢纤维根数也在增加，钢纤维的三维乱向分布和相互搭接更加明显，钢纤维的乱向分布形成空间网络结构，将粉煤灰SCC体系中的浆体团聚在网络结构中，阻碍了体系浆体的自由流动而影响新拌料的流动性和间隙通过性；三是由于钢纤维的表面较光滑，降低了钢纤维表面水泥浆体的吸附能力，因而使拌和物的离析率随钢纤维体积分数的增加而增大，当钢纤维体积分数大于0.50%时，在拌和物体系自由浆体含量减少和钢纤维周围浆体吸附能力降低的共同作用下，新拌混凝土的离析率又逐渐减小.

2.2 钢纤维体积分数对粉煤灰SCC力学性能的影响

2.2.1钢纤维体积分数对粉煤灰SCC抗压强度的影响

图2为钢纤维体积分数对粉煤灰SCC各龄期抗压强度的影响.由图2可知：钢纤维体积分数对各龄期粉煤灰SCC抗压强度的影响不明显，钢纤维体积分数为0.25%～0.75%的各试块28d抗压强度提高幅度较高；钢纤维体积分数为1.00%的试块SCC 28d抗压强度略有降低，但仍略高于试块SCC-0.这是由于钢纤维在粉煤灰SCC中相互搭接，在受力过程中，基体受到的荷载能够传递到分散的钢纤维上，当粉煤灰SCC中微小裂纹受荷扩展时必将遇到钢纤维，裂纹绕过钢纤维继续扩展时，跨越裂纹的钢纤维将力传递给未开裂的混凝土，裂纹尖端的应力集中程度得到缓解，从而在一定程度上提高了粉煤灰SCC的抗压强度；当钢纤维体积分数过高时，粉煤灰SCC体系中形成的大量新的黏结强度较低的钢纤维-水泥基界面，降低了粉煤灰SCC的密实性，导致其抗压强度降低.因此，在粉煤灰SCC受压过程中，当钢纤维的抗裂、增强作用为主导时，粉煤灰SCC抗压强度会有小幅度提高；当钢纤维-水泥基界面为主导时，其抗压强度呈现小幅度的下降趋势.

图2 钢纤维体积分数对粉煤灰SCC各龄期抗压强度的影响Fig.2 Effect of steel fiber volume fraction on compressive strength of fly ash SCC at different ages

2.2.2钢纤维体积分数对粉煤灰SCC弯拉性能的影响

图3为钢纤维增强粉煤灰SCC 28d劈裂抗拉强度和抗折强度.由图3可知：当钢纤维体积分数大于0.25%时，试块劈裂抗拉强度逐渐增大，钢纤维体积分数介于0.25%～0.50%时，增加幅度最为明显；钢纤维体积分数为0.25%的试块SCC-1劈裂抗拉强度较试块SCC-0出现小幅度的降低.各试块抗折强度随钢纤维体积分数的增加呈先降后增的趋势，钢纤维体积分数介于0.25%～0.50%的各试块抗折强度较试块SCC-0略有降低，钢纤维体积分数超过0.50%后，试块抗折强度逐渐提高.钢纤维体积分数为1.00%的试块SCC-4劈裂抗拉强度和抗折强度的增加幅度均达到最大，较SCC-0分别提高了14%和12%.这是因为加入钢纤维后，粉煤灰SCC内引入了大量新的黏结强度较低的钢纤维-水泥基界面，当钢纤维体积分数较小时，钢纤维-水泥基界面为主导作用，粉煤灰SCC的劈裂抗拉、抗折强度会有小幅度下降，随着钢纤维体积分数的增加，纤维阻裂作用开始占优势，在受拉或受弯过程中，基体开裂后，具有较大变形能力的钢纤维将起到承担拉力并保持基体裂缝缓慢扩展的作用，直到钢纤维被拉断或者从基体中拔出，从而提高了粉煤灰SCC的劈裂抗拉、抗折强度.在劈裂抗拉试验和抗折试验过程中发现，不加钢纤维的粉煤灰SCC破坏表现为脆性断裂；掺入钢纤维后的破坏表现出一定的延性，试块断裂面有钢纤维连接而没有完全断开.上述结果表明，钢纤维的加入能够改善粉煤灰SCC的弯拉性能，缓解其脆性破坏强度.

图3 钢纤维增强粉煤灰SCC 28d劈裂抗拉强度和抗折强度Fig.3 Splitting tensile strength and flexural strength of steel fiber reinforced fly ash SCC at 28d

2.3 钢纤维体积分数对粉煤灰SCC轴压变形性能的影响

钢纤维增强粉煤灰SCC轴压试验采集的荷载-位移数据，通过式(1)、(2)计算转化成应力和应变值并绘制成应力-应变(σ-ε)曲线(见图4).

σ=F/A

(1)

ε=ΔL/L

(2)

式中：F为轴向荷载，kN；A为试块截面面积，mm2；ΔL为试块轴压位移，mm；L为试块高度，mm.

图4 轴压条件下应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves under axial compression

混凝土的应变能通常用应力-应变曲线下的面积表示，表征混凝土丧失承载力时单位体积吸收的能量.本文以1.25倍峰值位移下的应力-应变曲线面积为参考依据，分析钢纤维体积分数对粉煤灰SCC轴压条件下的应变能Vε(N·m)：

(3)

式中：V为试件体积，mm3；ε1为1.25倍峰值应变，μm/m；σ为轴压应力，MPa；ε为应变，μm/m.

为对比不同钢纤维体积分数粉煤灰SCC轴压条件下的变形特征，以单位体积混凝土极限应力时单位强度所消耗的应变能作为比较参数，即：

(4)

式中：Γ为相对韧性；σ0为极限应力，MPa.

按照式(1)～(4)，依据图4，计算得出各试块的极限应力σ0、峰值应变ε0、应变能Vε和相对韧性Γ，见表6.

表6 钢纤维增强粉煤灰SCC的σ0、ε0、Vε和Γ

由图4可知，所有试块在轴压条件下均出现了明显的弹性变形阶段、非线性强化阶段、应力突然跌落阶段和应变软化阶段[12].钢纤维体积分数为0.50%的试块SCC-2，应力突然跌落阶段不明显，应变软化阶段的曲线更加饱满.结合表6数据可知，随着钢纤维体积分数的增加，各试块的极限应力逐渐增大，钢纤维体积分数为0.25%的试块SCC-1因引入少量的钢纤维在混凝土内部形成了许多钢纤维-水泥基界面薄弱区，使其极限应力较试块SCC-0明显降低，其降低幅度为17%.各试块的峰值应变随钢纤维体积分数的增加而逐渐减小，但与试块SCC-0相比明显提高，钢纤维体积分数为0.25%～0.50%的各试块峰值应变增幅最大，较试块SCC-0提高了35%；当应力-应变曲线下降段达到0.8σ0时，对应应变值随钢纤维体积分数的增加呈先增后减的变化趋势，钢纤维体积分数为0.50%的试块SCC-2下降至0.8σ0时对应的应变值较相同条件下的试块SCC-0提高了28%.这表明加入一定数量的钢纤维后，钢纤维的开裂应变高于混凝土基体的开裂应变，当试块达到极限应力后，其横向膨胀变形增大并开始产生竖向裂纹，此时钢纤维起到约束变形的作用，将混凝土所承受的压缩变形能转化为钢纤维的拉伸变形能，从而提高了粉煤灰SCC的轴压变形能力；然而，随着钢纤维数量的增多，钢纤维之间相互搭接结团，使其结构内部缺陷增加，从而在一定程度上降低了粉煤灰SCC的轴压变形能力.

由表6可知，加入钢纤维后，各试块的应变能和相对韧性较试块SCC-0明显提高，随着钢纤维体积分数的增加，各试块的应变能和相对韧性呈先增后减的趋势，但所有钢纤维增强粉煤灰SCC的应变能和相对韧性均大于试块SCC-0.钢纤维体积分数为0.50%的试块SCC-2应变能和相对韧性最高，分别达到101.01N·m和1.03×10-3，相对试块SCC-0分别提高了53%和49%；钢纤维体积分数大于0.50%时，由于粉煤灰SCC的内部缺陷增多，造成试块应变能和相对韧性在一定程度上有所降低.这说明在粉煤灰SCC受力过程中，钢纤维的加入能够改变试块的受力形式，由集中受力变成分散受力，钢纤维的约束作用能够有效地抑制微裂纹产生，增大微裂纹扩展的行程，延长试块的开裂时间，从而提高粉煤灰SCC破坏时所吸收的能量，增大其应变能和相对韧性.然而，当钢纤维体积分数超过某一临界值时，钢纤维之间的“棚架”作用会使其流动性降低，钢纤维之间、钢纤维与水泥石之间界面过渡区的缺陷增多，导致其应变能和韧性会在一定程度上有所降低.

3 结论

(1)钢纤维增强粉煤灰SCC的工作性随钢纤维体积分数的增加而降低，当钢纤维体积分数大于0.75%时，其T500值明显增大，流动性急剧下降.

(2)钢纤维对粉煤灰SCC抗压强度的影响不明显，但能够显著改善其弯拉性能，钢纤维体积分数为1.00%的钢纤维增强粉煤灰SCC的劈裂抗拉强度和抗折强度较纯粉煤灰分别提高了14%和12%.

(3)钢纤维增强粉煤灰SCC的极限应力σ0随着钢纤维体积分数的增加而线性增加，峰值应变ε0随钢纤维体积分数的增加逐渐减小，应变能Vε和相对韧性Γ随钢纤维体积分数的增加呈先增后减的趋势.总体上钢纤维增强粉煤灰SCC的σ0、ε0、Vε和Γ均高于纯粉煤灰SCC；钢纤维体积分数为0.50%时，钢纤维增强粉煤灰SCC的σ0、ε0、Vε和Γ与纯粉煤灰SCC相比分别提高了3%、35%、53%和49%.