钢聚丙烯混杂纤维自密实轻骨料混凝土性能

吴 涛, 杨 雪, 刘 喜

(长安大学 建筑工程学院, 陕西 西安 710061)

自密实轻骨料混凝土(SCLC)是一种兼具自密实混凝土良好工作性与轻骨料混凝土轻质高强等特性的新型高性能混凝土.其浇筑时无需外力振捣,在自重作用下即可有效填充、密实钢筋间隙和模板,尤其适用于在新建或加固工程中浇筑形体复杂、壁薄、配筋密集,以及其他振捣困难的场合[1].但相较于自密实混凝土,SCLC还具有轻骨料混凝土脆性突出、抗拉强度低等缺点,是其进一步推广应用急需解决的问题.

已有研究表明,钢纤维和聚丙烯纤维可在自密实混凝土中发挥阻裂、增韧作用,能有效改善混凝土的材料性能[2].Grabois等[3]和Khaloo等[4]研究表明,钢纤维掺量增加可显著提高自密实混凝土的抗拉强度及弯曲韧性,但对其工作性能和抗压强度有不利影响.Iqbal等[5]研究显示,上述结论同样适用于SCLC.Mazaheripour等[6]研究了聚丙烯纤维对SCLC的影响,发现随着聚丙烯纤维掺量的提高,SCLC的抗拉强度提高明显,而其工作性能受到不同程度削弱.罗素蓉等[1]研究证明,通过优化外加剂掺量、调整配合比和砂率,可使自密实纤维混凝土的工作性能满足要求.Sahmaran等[7]认为，将混杂纤维增强混凝土与自密实混凝土相结合,可制备同时满足新拌状态下工作性及硬化状态下力学性能要求的自密实混杂纤维混凝土.于婧等[8]采用混杂钢纤维对自密实混凝土进行改性,发现自密实混杂钢纤维混凝土结合了钢纤维与自密实混凝土的优势,具有强度高,流动性、黏聚性和间隙通过性良好等优点.

尽管国内外学者针对SCLC和自密实纤维混凝土的基本力学性能开展了大量试验研究,但对于掺入纤维,尤其是掺入混杂纤维的SCLC性能仍需进一步明确.基于此,本文采用混杂钢纤维和聚丙烯纤维来增强SCLC,通过钢-聚丙烯混杂纤维SCLC工作性能、基本力学性能和微观结构试验,研究了混杂纤维体积分数对SCLC性能的影响,以期为混杂纤维自密实混凝土的研究和应用提供数据参考.

1 试验

1.1 试验材料

轻骨料(LWA)：湖北宜昌产900级高强膨胀页岩陶粒,颗粒呈碎石形且粒径偏小,其物理力学性能及颗粒级配见表1.纤维：钢纤维(ST)和聚丙烯纤维(PP),其中钢纤维表面镀铜膜作防锈处理,呈单丝状态,聚丙烯纤维呈束状形式,2类纤维基本物理力学性能见表2.水泥：海螺牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥.细骨料：最大粒径4mm的渭河中砂,细度模数为2.83.辅助胶凝材料：I级粉煤灰(表观密度2.30kg/m3)、微硅粉(表观密度2.79kg/m3).外加剂(SP)：BKS-199聚羧酸性高效减水剂.

表1 轻骨料物理力学性能及颗粒级配

表2 纤维物理力学性能

1.2 配合比设计

为研究不同类型和体积分数纤维对SCLC工作性能和力学性能的影响,采用固定砂石体积法[9]和全计算法[10]相结合的配合比设计方法,同时考虑轻骨料特性,设计了4组混杂纤维SCLC和1组无纤维SCLC(对照组)配合比,见表3.上述5组SCLC的水胶比(质量比,文中涉及的水胶比、掺量等除特别注明外均为质量比或质量分数)均取为0.3.胶凝材料、骨料及含水量固定不变,通过调整减水剂掺量,保证混凝土坍落扩展度为(660±20)mm.4组混杂纤维增韧SCLC配合比中,将钢纤维体积分数固定为0.50%,聚丙烯纤维体积分数分别为0%、0.50%、0.75%和1.00%.5组SCLC制备前均对轻骨料进行预湿处理,使之达到饱和面干状态.

表3 SCLC配合比

2 试验方法

2.1 工作性能试验

根据欧洲规范EFNARC中的《European guidelines for self-compacting concrete:Specification, production and use》建议,通过坍落扩展度、L型槽、V型漏斗和U型槽试验对新拌混凝土的工作性能进行评估.相应试验及试验装置见图1.新拌SCLC的工作性能可通过流动性、黏聚性和间隙通过性3个指标进行评价.采用坍落扩展度来评价新拌SCLC的流动性，以混凝土流动扩展直径D达到500mm时所需的时间T500和通过V型漏斗所需的时间Tv表征新拌SCLC的流动性和黏聚性;采用混凝土通过L型槽后两端的高度比h2/h1和通过U型槽后两侧高度差Δh表征新拌SCLC的填充性和流经钢筋的间隙通过性.表4为EFNARC规范对SCLC拌和物工作性能相关指标的建议值.

图1 工作性能试验及试验装置Fig.1 Workability tests and apparatus(size:mm)

表4 EFNARC规范对SCLC拌和物相关指标的建议值

2.2 力学性能试验

SCLC的力学性能试验包括抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度试验,其具体试验过程和加载机制依据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和CECS 13—2009《纤维混凝土试验方法标准》选取.SCLC的干表观密度按JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》中的破碎试件烘干法测定.每组SCLC成型6块边长为100mm的立方体试件、3块尺寸为100mm×100mm×400mm的棱柱体试件.混凝土浇筑过程不振捣,试件成型后用塑料薄膜覆盖并置于实验室环境中,24h后拆模置于水中(水温约23℃)养护至相应龄期或28d.采用立方体试件测定28d抗压强度和劈裂抗拉强度,加载速率分别为6、1kN/s;采用棱柱体试件测定28d抗折强度,加载速率为0.6kN/s.试验结果取3个试件的平均值.

2.3 微观结构试验

选取表3中1#～3#SCLC制成微观试样,分别用于骨料-基体界面区、钢纤维-基体界面区及聚丙烯纤维-基体界面区微观形貌的观测.首先成型3块尺寸为40mm×40mm×160mm棱柱形试件,同力学性能试件一同养护;达到待测龄期后,对试件进行劈裂破型,选取断裂面中骨料或纤维与混凝土基体共存区域,制成厚度为7～10mm的试样,将其置于丙酮中终止水化,以观测相应龄期下断裂面的微观形貌.需要说明的是,采用S-4800扫描电镜观测前,须将试样烘干至恒重,涂抹导电胶带并粘贴试样,对试样进行喷金处理以提高导电性.

3 试验结果与分析

3.1 工作性能

图2为新拌SCLC的坍落扩展度试验结果.由图2可见,5组新拌SCLC的流动扩展直经在660～760mm 或临近区域内,根据EFNARC规范，可被划分为SF2级(见表4).同时,随纤维体积分数的变化,改变减水剂掺量,新拌SCLC的坍落扩展度缓慢减小,但始终保持在一个较窄的范围内(645～680mm).坍落扩展度结果表明,5组SCLC均具有足够流动性.

图2 坍落扩展度结果Fig.2 Result of slump flow

图3为新拌SCLC坍落扩展时间(T500)与V型漏斗通过时间(Tv)的试验结果.由图3可见,新拌SCLC的T500和Tv均随纤维体积分数提高而增大,表明纤维的掺入提高了混凝土的黏聚性.这一现象可通过纤维在混凝土中的分散程度、取向和体积分数解释,纤维的存在有利于抑制轻骨料的离析,最终表现为混凝土黏聚性的增强[11].5组新拌SCLC均落在VS2VF2级区域,满足自密实混凝土流动性和黏聚性要求.EFNARC规范认为VS2VF2级自密实混凝土有助于限制模板压力,具有良好的抗离析性.

图3 坍落扩展时间与V型漏斗通过时间的关系Fig.3 Relationship between T500 and Tv

图4、5分别为新拌SCLC L型槽和U型槽试验结果.2个图中,灰色区域为ENFARC规范建议值范围(h1/h2≥0.8和Δh≤30mm),在此范围内的自密实混凝土具有良好的填充性和流经钢筋的间隙通过性.由图4、5可见,h1/h2和Δh的最小值分别为0.91、10mm,最大值为0.98、21mm,分别对应于无纤维SCLC和ST0.5PP1.0,表明纤维的掺入对SCLC的间隙通过性有不利影响.但5组SCLC仍在ENFARC规范的建议值范围内,满足自密实混凝土对L型槽和U型槽试验的指标要求,具有良好的填充性和间隙通过性.综上所述,5组SCLC均具有良好的流动性、黏聚性和间隙通过性,满足自密实混凝土工作性要求.

图4 L型槽试验通过高度比结果Fig.4 Result of passing ratio in L-box test

图5 U型槽试验高度差结果Fig.5 Result of height difference in U-box test

3.2 力学性能

3.2.1比强度及抗压强度

比强度为强度与干表观密度的比值,用以评价轻骨料混凝土质轻高强的特性.SCLC试件28d抗压强度及其对应的比强度见图6.由图6可见,SCLC试件的比强度与抗压强度变化趋势一致,说明SCLC试件的抗压强度与其干表观密度成正相关.SCLC的抗压强度为56.7～61.7MPa,对应干表观密度为1794～1817kg/m3,既满足轻骨料混凝土结构的密度(1120～1920kg/m3)和强度(>17MPa)要求,也满足高强轻骨料混凝土(>40MPa)的要求(ACI 213R-14《Guide for structural lightweight concrete》).

图6 SCLC试件28d抗压强度及其对应比强度Fig.6 28d compressive strength of SCLC specimens and its relationship with specific strength

由图6还可见：无纤维SCLC(1#试件)的28d抗压强度为57.3MPa,单独掺入钢纤维后SCLC(2#试件)的抗压强度下降较小,但其比强度明显降低,可归因于钢纤维的高密度;保持钢纤维体积分数(0.50%)不变,掺入0.50%聚丙烯纤维后,SCLC(3#试件)的抗压强度和比强度同时达到最大值61.7MPa和33.7MPa/(t·m-3),相较于无纤维SCLC分别提高15.1%和8.0%,说明2种纤维混杂后表现出正协同作用;之后随着聚丙烯纤维体积分数的增加,SCLC试件的抗压强度及比强度逐渐降低,特别是聚丙烯纤维体积分数为1.00%的5#试件,其抗压强度低于无纤维SCLC(1#试件)及单掺钢纤维SCLC(2#试件),2种纤维的正协同作用逐渐减弱.

纤维对混凝土强度的提高作用在于纤维可通过界面黏结力与混凝土共同承担荷载,当混凝土开裂时,纤维可有效抑制裂缝的开展与延伸,改变裂缝发展方向,降低裂缝前端应力集中效应.而当掺入的纤维为低长径比纤维,如本研究中的钢纤维(长径比65)时,由于纤维与混凝土基体间的黏结长度较短,钢纤维发生拔出破坏,导致内部缺陷增多,纤维阻裂作用发挥不充分[12].另外,纤维的增强作用又与纤维在混凝土中的分布情况密切相关,在SCLC中掺入密度较大的钢纤维后,由于纤维在自重作用下发生沉降,导致纤维分布不均匀,易在受力传递时产生局部应力集中现象[13].因此钢纤维在多重因素共同作用下，最终导致混凝土强度变化不明显或轻微降低.

在钢纤维体积分数固定的基础上掺入适量大长径比(长径比250)的聚丙烯纤维后,纤维与基体间的有效黏结面积增大,同时聚丙烯纤维的存在抑制了钢纤维的沉降,在2种纤维共同作用下,混凝土中形成了均匀的三维纤维网,有效限制了混凝土的横向变形[14].此外,2种纤维的弹性模量相差较大,可在不同尺度上抑制裂缝的发展[15],钢纤维与聚丙烯纤维相互混杂,发挥了正协同作用,可有效提高SCLC(3#试件)的抗压强度.但当聚丙烯纤维掺量超过某一限值时,纤维易在SCLC(4#试件和5#试件)中产生结团效应,使内部缺陷增加,导致混凝土的抗压强度和比强度出现略微降低.

3.2.2劈裂抗拉强度及抗折强度

由于直接测量SCLC抗拉强度的限制条件较多,通常采用劈裂抗拉强度和抗折强度来间接衡量其抗拉性能.SCLC试件劈裂抗拉强度、抗折强度,以及拉压比、折压比随纤维组合的变化分别见图7、8.不同纤维组合下SCLC试件的劈裂抗拉强度及抗折强度增长率见表5.由图7、8可见,与无纤维SCLC(1#试件)相比,纤维的掺入使混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度均有较大提升,当纤维组合为0.50%钢纤维+0.75%聚丙烯纤维和0.50%钢纤维+1.00%聚丙烯纤维时,SCLC(4#试件和5#试件)的劈裂抗拉强度和抗折强度分别达到了最大值,与无纤维SCLC(1#试件)相比,分别提高了80.0%和61.1%,与单掺钢纤维的SCLC(2#试件)相比,分别提高了22.0%和48.7%.由此可见：相较于单掺钢纤维,钢-聚丙烯纤维混掺可显著提高SCLC的劈裂抗拉强度和抗折强度,表现出正协同作用.在钢-聚丙烯混杂纤维SCLC中,钢纤维与聚丙烯纤维可在不同尺度、不同阶段发挥阻裂作用,实现优势叠加.在加载过程中,随荷载增大,SCLC裂缝生成并延伸,开裂前期,开裂处的拉力由混凝土与跨越裂缝的纤维共同承担,裂缝宽度继续增加,混凝土间传力机制失效,拉力仅由纤维承担，直至纤维拔出或拔断.钢纤维单根强度高,发生拔出脱黏,可有效桥接宏观裂缝.聚丙烯纤维长度较长,跨越裂缝数量多,但由于其弹性模量较低,一般仅对微观裂缝有抑制作用.

表5 SCLC试件的力学性能试验结果

图7 SCLC试件的劈裂抗拉强度及拉压比Fig.7 Splitting tensile strength and splitting tensile-compressive strength ratio of SCLC specimens

图8 SCLC试件的抗折强度及折压比Fig.8 Flexural strength and flexural-compressive strength ratio of SCLC specimens

由图7、8还可见：SCLC试件拉压比和折压比的变化趋势分别与其劈裂抗拉强度和抗折强度保持一致,分别在0.070～0.122和0.063～0.100内.这表明纤维的掺入可有效提高混凝土的拉压比和折压比,且随纤维体积分数的提高,增强作用亦有增加;纤维的掺入使得混凝土抗拉强度的增长速率超过抗压强度,从侧面证实采用纤维,尤其是混杂纤维可有效改善混凝土脆性,提高其韧性.

4 微观结构

硬化混凝土由骨料、水泥浆体及两者间的界面过渡区(ITZ)组成,掺入纤维后会出现纤维-基体界面区,混凝土宏观性能受其影响显著.本文采用S-4800扫描电镜,重点观测SCLC骨料-基体界面区微观结构,以及钢纤维-基体界面区和聚丙烯纤维-基体界面区3、28d龄期的微观结构,以期从微观层次揭示混凝土的宏观性能特征.主要研究内容见表6.

表6 微观试样及研究内容

4.1 骨料-基体界面区微观形貌

图9、10分别为无纤维SCLC 3、28d龄期的骨料-基体界面过渡区微观形貌.由图9、10可见：图片下部的轻骨料内部充满封闭密集的孔洞,而图片上部混凝土基体结构密实,基本无肉眼可见孔洞;轻骨料靠近边界处孔洞完整且距界面区有一定距离,表明轻骨料表面无明显孔洞;轻骨料表层覆盖一层致密结构,可从微观层次解释此种骨料轻质高强、吸水率低的特性.

图9 无纤维SCLC骨料-基体界面过渡区微观形貌(3d)Fig.9 Microstructures of ITZ between aggregates and cement paste at 3d of plain SCLC

图10 无纤维SCLC骨料-基体界面过渡区微观形貌(28d)Fig.10 Microstructures of ITZ between aggregates and cement paste at 28d of plain SCLC

对比图9、10可知：无纤维SCLC 3、28d龄期时，界面区微观结构差异明显,早龄期(3d)界面区结构疏松,有明显孔隙;28d龄期时界面区结构致密,无可见裂缝,轻骨料与基体间黏结紧密.界面区水化产物主要包括水化硅酸钙凝胶(C-S-H)、氢氧化钙晶体(CH)和钙矾石(AFt),其中C-S-H凝胶为决定混凝土基体性能的主要相[16].水化早期,细长针状AFt与板状CH富集在界面区,而C-S-H结晶度较低,呈纤维状,水化反应发生在未水化水泥熟料表面,水化产物相互重叠交错,未水化水泥熟料被水化产物包裹,有助于提高骨料与浆体间机械咬合力.养护后期界面区含水率降低,与轻骨料内部形成水压差,此时由于轻骨料自身特有的“微泵效应”[17],轻骨料返水起到内养护的作用,使水化反应充分发展,水化产物增多且相互啮合,界面区密实度明显提高(图10(d)).另外,粉煤灰与CH间发生火山灰反应,反应产物可有效填充毛细孔,进一步提高了骨料与基体间界面区的密实性,界面区微观结构得到优化.

4.2 纤维-基体界面区微观形貌

图11、12分别为混杂SCLC 28d龄期时钢纤维/聚丙烯纤维-基体界面区微观形貌.由图11、12可见：钢纤维和聚丙烯纤维表面均富集了大量水化物,说明纤维与水泥基体间黏结性良好;混凝土拌制过程中因骨料碰撞导致纤维表面有轻微损伤,增强了纤维与水泥基体间的摩擦和黏结行为[18].

图11 混杂纤维SCLC钢纤维-基体界面区微观形貌(28d)Fig.11 Microstructures of ITZ between ST fiber and cement paste at 28d of hybrid fiber SCLC

图12 混杂纤维SCLC聚丙烯纤维-基体界面区微观形貌(28d)Fig.12 Microstructures of ITZ between PP fiber and cement paste at 28d of hybrid fiber SCLC

在混凝土硬化过程中,钢纤维与聚丙烯纤维由于表面相对憎水,周围出现泌水现象,水膜层厚度增大、离子浓度降低,导致纤维-基体界面区水胶比较高,易形成粗大晶体富集层,界面区孔隙率增大.因纤维表面光滑,与基体间机械咬合力较小,且两者间不发生化学作用,纤维与基体间存在微细孔隙(图11(c)和图12(c)).另外,水泥浆体在水化过程中的自收缩作用增加了纤维与基体间距[19].在多重因素共同作用下,纤维-基体界面区结构较为松散,与Li等[19]、董祥[20]研究结果一致.

5 结论

(1)5组新拌SCLC均具有良好的流动性、黏聚性和间隙通过性,可满足自密实混凝土工作性要求,随着纤维体积分数的增加,新拌SCLC的工作性轻微降低.

(2)单掺钢纤维使SCLC抗拉强度提高,而对其抗压强度影响较小;钢纤维和聚丙烯纤维混掺可显著提高SCLC的抗压强度及抗拉强度.2种纤维可在混凝土中形成三维纤维网,在不同结构层次、不同受荷阶段发挥阻裂效果,产生正协同作用.

(3)随着养护龄期的延长,SCLC的骨料-基体界面区微观结构密实度明显提高.早龄期该界面区结构疏松,有明显孔隙;养护后期,轻骨料返水起到内养护的作用,使得水化反应充分发展,28d龄期时界面区结构致密且无可见裂缝,轻骨料与基体黏结紧密.

(4)纤维与水泥浆体间良好的黏结性能可通过纤维表面附着的密集水化物体现.与骨料-基体界面区相比,纤维-基体间存在微细孔隙,该界面区结构较为松散.