塑钢纤维轻骨料混凝土力学性能及最佳纤维掺量试验研究

牛建刚，李京军，尹亚柳，李云云

(1.内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，包头　014010；2.重庆大学材料科学与工程学院，重庆　400045)



塑钢纤维轻骨料混凝土力学性能及最佳纤维掺量试验研究

牛建刚1，李京军1，尹亚柳2，李云云1

(1.内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，包头014010；2.重庆大学材料科学与工程学院，重庆400045)

以不掺塑钢纤维的LC30轻骨料混凝土为基准，研究了塑钢纤维掺量变化(5kg/m3、7kg/m3、9kg/m3、11kg/m3、13kg/m3)对轻骨料混凝土抗压、劈裂抗拉、抗折、弯曲韧性及抗冲击性能的影响，结果表明：塑钢纤维对轻骨料混凝土抗压性能改善效果不明显，但能显著提高轻骨料混凝土的劈裂抗拉强度、抗折强度、弯曲韧性及抗冲击性能。综合各项性能指标给出塑钢纤维用于结构轻骨料混凝土的建议掺量为9kg/m3。

塑钢纤维； 轻骨料混凝土； 力学性能； 纤维掺量

1　引　言

轻骨料混凝土相对于普通混凝土而言具有轻质高强、保温隔热效果好、抗震性能优良等优点[1,2]。但目前大多数轻骨料混凝土强度较低，且容易产生脆性破坏等性能缺陷，致使我国轻骨料混凝土仍主要应用于低强度的非承重结构。研究表明，将纤维作为增强材料掺入轻骨料混凝土中，既能将轻骨料混凝土的轻质高强等独特性能优势传承下来，又能有效克服混凝土的脆性问题，同时起到改善轻骨料混凝土各项力学性能的作用[3,4]。

塑钢纤维具有弹性模量大、抗拉强度高等特点，能够应用于建筑工程中抑制混凝土裂缝开展，是一种应用前景广阔的混凝土增强材料。

目前，关于塑钢纤维掺入轻骨料混凝土的试验研究才刚刚起步。向晓峰等[5]研究了塑钢纤维对轻骨料混凝土抗压强度、抗劈拉强度以及表观密度的影响，结果表明：塑钢纤维对轻骨料混凝土的表观密度、抗压强度没有显著影响，但能显著改善轻骨料混凝土的抗拉性能。牛建刚等[6]研究了在轻骨料混凝土中分别掺入不同掺量的钢纤维以及塑钢纤维，得出其在力学性能方面的差异。王丹等[7]研究了塑钢混杂纤维轻骨料混凝土在不同应变率和加载方式时的动态力学性能和变化规律。

综合国内外研究现状可知，关于塑钢纤维轻骨料混凝土的研究并不全面，研究主要集中于某一项特定性能。塑钢纤维轻骨料混凝土应用于工程结构时纤维掺量取值没有科学合理的依据，大多数时候是根据经验确定的。因此本文通过对塑钢纤维轻骨料混凝土的抗压、劈裂抗拉、抗折、弯曲韧性等进行试验，研究了塑钢纤维掺入后对轻骨料混凝土的影响，综合各项性能指标探究了塑钢纤维的最佳掺量。

2　试　验

2.1试验原材料及配合比

水泥：包头市蒙西水泥有限责任公司生产的P·O42.5R普通硅酸盐水泥；粗骨料：包头市精正建材公司生产的圆球型粉煤灰陶粒，性能指标见表1；细骨料：普通河砂，含泥量2.1%，堆积密度1547kg/m3；塑钢纤维：浙江宁波大成新材料股份有限公司生产的异型塑钢纤维，性能指标见表2；减水剂：萘系高效减水剂，减水率为20%。

表1　塑钢纤维性能指标

表2　粗骨料性能指标

试验采用松散体积法对轻骨料混凝土进行配合比设计，基准混凝土强度等级为LC30，具体配合比(kg/m3)为：水泥420、粗骨料660、砂681、水185、减水剂5.03。以不同塑钢纤维掺量的轻骨料混凝土作为试验组，塑钢纤维掺量分别为5kg/m3、7kg/m3、9kg/m3、11kg/m3、13kg/m3，对应的减水剂用量分别为5.28kg/m3、5.53kg/m3、5.78kg/m3、6.03kg/m3、8.28kg/m3。

图1　弯折韧性试验装置Fig.1　Bending toughness test device

图2　抗冲击试验装置Fig.2　Anti-impact test device

2.2试验方法

试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)及《纤维混凝土试验方法标准》(CECS13：2009)实施。抗压试验、劈裂抗拉试验试件尺寸为150mm×150mm×150mm，每组3个；弯折韧性试验装置见图1，试件尺寸为100mm×100mm×400mm，每组3个；抗冲击性能试验参考ACI544委员会规定，采用自制落锤试验装置，落锤重3kg，下落高度为300mm，试验装置见图2，试件尺寸为100mm×100mm×400mm，每组6个。

3　塑钢纤维轻骨料混凝土力学性能研究

图3　荷载-挠度曲线Fig.3　Load-deflection curve

3.1力学性能试验结果

在抗折强度试验中，将荷载和梁跨中挠度接入高速静态数据采集仪(TDS-530)中，将数据采集仪测得的试验数据拟合处理后，得到不同纤维掺量下轻骨料混凝土荷载-挠度曲线如图3所示。

观察图3可知，不掺纤维轻骨料混凝土试件几乎无法测得曲线下降段，而掺入纤维后，可测得较完整的荷载-挠度曲线，曲线走势基本相同，且随纤维掺量增加，曲线趋于丰满，试块达到峰值荷载的变形能力不断增加，与峰值荷载相对应的挠度值不断增加，曲线下降段趋于平缓。

表3　试验结果

注：CA代表采用圆球型粉煤灰陶粒配制的轻骨料混凝土，后面的数字00、05、07、09、11、13分别表示在1m3轻骨料混凝土中所掺入的塑钢纤维的质量；N1为初裂次数；N2为破坏次数。

抗折强度是在图3荷载-挠度曲线基础上，采用公式(1)计算得到；塑钢纤维轻骨料混凝土的冲击性能用初裂耗能W1及破坏耗能W2表示，分别采用公式(2)、(3)计算；所得各项强度结果列于表3。

ffc,m=FmaxL/(bh2)

(1)

W1=N1mg

(2)

W2=N2mg

(3)

式中：ffc,m为抗折强度；Fmax为极限荷载；L、b、h分别为支座间距、试件截面宽度和试件截面高度。

3.2试验结果分析

从表3可知，(1)塑钢纤维能够改善轻骨料混凝土的抗压性能及劈裂抗拉性能，且对后者强度提高效果更显著；(2)塑钢纤维能够显著提高轻骨料混凝土抗折强度及弯曲韧性，主要是因为随机分布的纤维能够抑制混凝土内部原生裂纹开展，延缓混凝土开裂破坏，能够对荷载作用下的试件起到弹性缓冲作用，同时搭接在裂缝处纤维对裂缝两端混凝土起到桥联作用。

塑钢纤维轻骨料混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度随纤维掺量增加均呈先增后减趋势变化，当纤维掺量为9kg/m3时取得极值。以CA00组试件各项力学强度指标为基准，纤维掺量为9kg/m3时对应的抗压强度为43.00MPa，比基准组高8.6%；劈裂抗拉强度为3.68MPa，比基准组高33.3%；抗折强度为5.95MPa，比基准组高45.8%。当塑钢纤维掺量超过9kg/m3时，出现下降趋势。主要原因是掺入过量塑钢纤维，纤维比表面积增加，纤维周围缺乏足够水泥浆体包裹与填充，使得混凝土内部密实度降低，产生较多缺陷，从而对轻骨料混凝土的强度不利。

表3中轻骨料混凝土初裂耗能随塑钢纤维掺量增加呈现缓慢递增趋势变化，而破坏耗能大幅度提升。这是由于在冲击初期，轻骨料混凝土与塑钢纤维共同承受外力，前者是外力的主要承受者；试件出现裂纹后，搭接在裂缝上的纤维成为受力的主要承担者[11]。轻骨料混凝土的抗破坏冲击性能在选定的纤维掺量范围内随纤维掺量增加一直呈增大趋势变化，未得出纤维最佳掺量。

试验过程中发现，尽管当纤维掺量超过9kg/m3时，试件破坏耗能仍然大幅度提高，但会造成其在搅拌过程中结团，对轻骨料混凝土的抗冲击性能及其它力学性能指标产生不利影响，当塑钢纤维掺量为9kg/m3时试件对应破坏耗能为1937.49J，是CA00组试件的48.8倍，所以当纤维掺量为9kg/m3时能够显著提高轻骨料混凝土的抗冲击破坏性能。因此当考虑到经济性和拌合工艺要求时，给出塑钢纤维轻骨料混凝土抗冲击破坏性能指标下纤维推荐使用掺量为9kg/m3。

3.3塑钢纤维轻骨料混凝土力学性能指标评价

(1)脆性指标、抗开裂指标

混凝土的拉压比可以间接衡量混凝土的脆性程度，拉压比越小，试件脆性程度越明显。混凝土的折压比可以反映混凝土试件的抗开裂能力，折压比越大，试件抗开裂效果越显著。根据表3可求得塑钢纤维轻骨料混凝土的拉压比、折压比，计算结果见表4。

表4　塑钢纤维轻骨料混凝土拉压比、折压比及冲击延性指标

根据表4中试验数据，绘出纤维掺量对轻骨料混凝土拉压比及折压比的影响曲线，如图4所示。

图4　纤维掺量对轻骨料混凝土拉压比及折压比的影响Fig.4　Effect of fiber content on the tension compression ratio and flexural-compressive strength ratio of LWAC

图5　纤维掺量对冲击延性指标的影响Fig.5　Effect of fiber content on the impact ductility indices of LWAC

由图4可知，轻骨料混凝土拉压比、折压比峰值点均出现在9kg/m3。说明当从轻骨料混凝土能够避免脆性问题以及抗开裂角度考虑时，给出塑钢纤维轻骨料混凝土的纤维建议掺量为9kg/m3。

(2)韧性指标

韧性是混凝土材料强度与变形的综合概括[8]，目前对于混凝土的韧性评价还没有统一的方法[9]。邓宗才等[10]认为，对于粗合成纤维当挠度为2mm时仍具有较强增韧效果，为此提出以挠度为2mm作为计算纤维混凝土的结束标准。剩余强度基于图3荷载-挠度曲线，采用公式(4)计算得出，所得韧性指标列于表3。

SAR=L(P0.5+P1.0+P1.5+P2.0)/(4bh2)

(4)

式中：Pi为对于试件挠度为imm时的荷载，i可取为0.5、1.0、1.5、2.0。

从表3可知，塑钢纤维能够纤维改善轻骨料混凝土的弯曲韧性。剩余强度随纤维掺量增加呈现先增后减趋势变化，当纤维掺量为9kg/m3时取得极值，此时对应的剩余强度为6.54MPa，比CA05组试件高21.6%。

(3)冲击延性指标

混凝土开裂后耗能和变形能力可以通过延性指标反映，对于混凝土结构的使用安全性具有重要的意义，采用下式计算轻骨料混凝土的延性指标β，试验结果如图5所示。

β=(N2-N1)/N1

(5)

由图5可知，轻骨料混凝土冲击延性指标随塑钢纤维掺量的增加呈现较大幅度增长趋势，说明塑钢纤维能显著提高混凝土的冲击延性，混凝土结构的安全性随纤维掺量的增加而加强。但当混凝土结构在满足规范规定的可靠度即安全性、适用性、耐久性的要求时，尚应从经济性等方面考虑。当纤维掺量超过9kg/m3时尽管能够大幅度提高轻骨料混凝土的延性指标，但纤维掺入过量时会造成其他强度指标及其他性能指标的降低，对轻骨料混凝土结构产生负面影响。

3.4轻骨料混凝土中塑钢纤维最佳掺量提出

通过本文所开展的关于塑钢纤维轻骨料混凝土的一系列力学性能试验，根据塑钢纤维掺量对轻骨料混凝土力学性能的影响规律，综合脆性指标、抗开裂指标、韧性指标及混凝土的冲击延性指标，给出塑钢纤维轻骨料混凝土用于结构时塑钢纤维建议掺量为9kg/m3。

4　结　论

(1)塑钢纤维能在一定程度上改善轻骨料混凝土的抗压性能，能够显著提高轻骨料混凝土的抗折强度、劈裂抗拉强度，弯曲韧性以及抗冲击性能；

(2)轻骨料混凝土拉压比、折压比峰值点均出现在9kg/m3，塑钢纤维轻骨料混凝土的冲击延性指标随纤维掺量的增加而提高；

(3)综合各项性能指标给出塑钢纤维轻骨料混凝土用于结构时塑钢纤维建议掺量为9kg/m3。

[1]UysalH,DemirbogR,RemziS,etal.Theeffectsofdifferentcementdosages,slumps,andpumiceaggregateratiosonthethermalconductivityanddensityofconcrete[J].Cement and Concrete Research,2004,34(5): 845-848.

[2]WangCLH,HungMF.Durabilitydesignandperformanceofself-consolidatinglightweightconcrete[J].Construction and Building Materials,2005,19(8): 619-626.

[3] 林艳杰，李红云．聚丙烯纤维轻骨料混凝土的抗压性能实验研究[J]．硅酸盐通报，2013，32(10)：2160-2164．

[4] 曾志兴，胡云昌．钢纤维轻骨料混凝土力学性能的试验研究[J]．建筑结构学报，2003，24(5)：78-81．

[5] 向晓峰，徐晓伟，刘峰．塑钢纤维增强轻骨料混凝土试验研究[J]．施工技术，2005，34(增刊)：89-91．

[6] 牛建刚，李伯潇，张缜．纤维增强轻骨料混凝土力学性能试验研究[J]．混凝土，2013，(11)：93-100．

[7] 王丹，郭志昆，邵飞，等．塑钢混杂纤维轻骨料混凝土的动力学性能[J]．硅酸盐学报，2014，42(10)：1253-1259．

[8] 朱海堂，高丹盈，谢丽，等．钢纤维高强混凝土弯曲韧性的研究[J]．硅酸盐学报，2004，32(5)：656-660.

[9]NemkumarB,AshishD.Measurementofflexuraltoughnessoffiberreinforcedconcreteusinganoveltechnique-part2：Performanceofvariouscomposites[J].ACI Materials Journal,2000,97(1): 3-11.

[10] 邓宗才，师亚军，曹炜．聚烯烃粗合成纤维混凝土抗弯韧性试验[J]．建筑科学与工程学报，2013，30(1)：19-24．

[11] 梁磊，赵文，李艺等．增强纤维的加入对混凝土抗冲击性能的影响[J].混凝土与水泥制品，2007(1)：44-46.

ExperimentalInvestigationonMechanicalPropertiesandOptimalFiberContentinPlasticSteelFiberReinforcedLightweightAggregateConcrete

NIU Jian-gang1，LI Jing-jun1，YIN Ya-liu2，LI Yun-yun1

(1.SchoolofArchitectureandCivilEngineering,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,China;2.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400045,China)

TheLC30LWACwithoutplasticsteelfiberwasusedasabenchmarkofconcrete.Thetestswithdifferentdosageofplasticsteelfiber(i.e. 5kg/m3、7kg/m3、9kg/m3、11kg/m3、13kg/m3)werecarriedoutforeffectsonthemechanicalpropertiesofLWAC,includingcompressivestrength,splittingtensilestrength,flexuralstrength,flexuraltoughnessandimpactstrength.TheinfluencesofthedosageofplasticsteelfiberonthemechanicalpropertiesofLWACwerepresented.Itisnotedthatplasticsteelfiberhasnomuchinfluenceonthecompressivestrengthbutcansignificantlyimprovethetensilestrength,flexuralstrength,impactresistanceandtoughness.Basedonthevariousperformanceindicators,theoptimalfibercontentof9kg/m3isproposed.

plasticsteelfiber；lightweightaggregateconcrete(LWAC)；mechanicalproperty；fibercontent

国家自然科学基金(51368042)；内蒙古自然科学基金(2014MS0528)

牛建刚(1976-)，男，工学博士，教授，硕导.主要从事结构可靠度和混凝土结构耐久性方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0087-05