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摘要：为降低脆性，利用长度为6inin与13ram的三种微钢纤维，制备超高强微钢纤维混凝土，研究不同纤维长径比及掺量条件下混凝土的力学性能指标，其巾包括ASTM C1018方法测试超高强微纤维混凝土的抗弯韧性。...

超高强微钢纤维增韧混凝土的制备及其力学性能研究

王  冲   Liza O′Moore

(1．重庆大学，重庆400045；2．University of Queensland，QLD 4072，Australia)

引言

    近20年来超高强混凝土(本文简称为SHSC)技术得到了迅速的发展，并已被应用于一些工程中。例如：美国西雅图Two Union Square(1987)混凝土抗压强度达到l38Mpa，西雅图Pacific First Centre(1992)混凝土强度124MPa，德国法兰克福Taunustor Building(1990)混凝土达到Cl05要求，沈阳富林大厦混凝土实际强度超过l00Mpa，北京财税大楼工程混凝土强度达到l27MPa。

    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 ASTM Cl018方法，测试了初始裂缝强度(First crack strength)及韧性指数(Toughness index)。试验在澳大利亚昆士兰大学土木系混凝土实验室进行。

一、原材料及试验方法

    1.1原材料

    1.1.1  胶凝材料

    水泥：澳大利亚Easy Mix公司生产的GP型水泥，28d强度要求不Il、于45MPa；粉煤灰：澳大利亚 Pozzolanic Enterprises有限公司提供；硅灰：新西兰 Mierosilica公司生产。

    1.1.2骨料

    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Moretone Bay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AS 2758．1--1998标准技术要求。

    1.1.3外加剂

    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ADVAl42型高效减水剂、水剂。

    1.1.4微钢纤维

    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l，其外观形貌见图l。

表1  微钢纤维的物理与力学性能

   

纤维l:L=6mm，Ф=0 16mm    纤维2:L=13mm，Ф=0．16mm   纤维3:L=13mm，Ф=0 20mm

图1研究中用到的三种微钢纤维外观

    1.2试验方法

    1.2.1混凝土搅拌、成型及养护

    原材料按配比要求称量后，按以下搅拌制度搅拌：

    搅拌1min      搅拌1min

    粗、细骨料+胶凝材料→90％拌合水+缓凝剂—搅拌→I高效减水剂+

    搅拌1min      搅拌1min

    剩余的10％拌合水→纤维→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°C、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抗弯韧性

    试件尺寸l00mm×lOOmm×400mm，按ASTM C1018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。

图2抗弯韧性测试装置

    1.2.3抗压强度

    直径l00mm、高度200mm的网柱体试件被用于测试抗压强度，试验按照ASl012．9规定的方法进行。

    1.2.4劈拉强度

    直径200mm、高度300mm的网柱体试件被用于测试劈裂抗拉强度，试验按照ASl012．10规定的方法进行。

    1.2.5弹性模量

    直径l00mm、高度200rrun的圆柱体试件被用于测试弹性模量，试验按照ASl012．17规定的方法进行。

二、超高强微钢纤维增韧混凝土的制备

    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24Omm,再分别按体积掺量的1.0％和2.0％，将三种纤维分别掺人超高强混凝土，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2基准混凝土配合比

表3  超高强微纤维混凝土纤维掺量与流动性

    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l65mm；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十硬性混凝土，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。

三、超高强微钢纤维混凝土的力学性能

    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抗折韧性

    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一挠度曲线下的面积。本试验中，以跨中挠度达到4％时的荷载一挠度曲线下面积表征能量吸收能力。ASTM C1018定义了弯折荷载作用下初始裂缝强度：纤维混凝土荷载一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，荷载一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ASTM C1018-97，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。

图3纤维混凝土的初始裂缝强度及韧性指数

    根据ASTM Cl018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。

 

图4不同纤维掺量下超高强混凝土的荷载-挠度曲线(纤维l)

 

图5不同纤维掺量下超高强混凝土的荷载-挠度曲线(纤维2)

 

图6不同纤维掺量下超高强混凝土的荷载-挠度曲线(纤维3)

图7不同纤维时超高强混凝土的荷载-挠度曲线(掺量l．0％)

 

图8不同纤维种类时超高强混凝土的荷载．挠度曲线(掺量2．0％)

表4超高强微钢纤维混凝土的抗折韧性

    3.1.1能量吸收能力

    不同纤维及不同掺量条件下的荷载一挠度曲线示于图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l3mm、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l0mm，纤维的增韧阻裂作用受到了影响。

    3.1.2初始裂缝强度

    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llMPa。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±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、抗折强变和韧性指数的增加受到影响。

    3.1.3韧性指数

    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；Ⅰl0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：

    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、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％。

表5超高强微纤维混凝土的其他力学性能

    本研究中，纤维体积掺量为l％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Sl-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抗压强度

    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l.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劈裂抗拉强度

    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Sl-1与Sl-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弹性模量

    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。

四、结  论

    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l％掺量时为240mm，2％掺量时仍达到165mm。

    (2)随着纤维掺量的增加，超高强混凝土韧性特征增加明显；与不掺纤维时相比，1．0％体积掺量下混凝土的初始裂缝强度、抗折强度和韧性指数有显著提高，掺量过大时初始裂缝强度、抗折强度和韧性指数的增加不明显。

    (3)长度为6mm的纤维掺入时混凝土的抗压强度随掺量增加而增加，长度为13mm的纤维掺量高反而对抗压强度不利；随着掺量的增加，掺入3种纤维的混凝土劈拉强度皆有所增加。与基准混凝土相比，掺入微钢纤维后混凝土的弹性模量增加明显。

    (4)力学性能试验结果表明，微钢纤维用于增韧超高强混凝土时，宜采用适宜掺量。本试验适宜掺量为1％。

参考文献

[1]  Edward G Nawv．Fundamentals of high performance  conclete(2 nd edition)[M]．New York：John Wiley＆    Son’S，2001：424

[2]Philipp Holzmann AG．Developments and applications of  high-performance concrete i J]．Materials and Structures，199831．2009-215

[3]  林立岩，李庆钢．混凝土与钢的组合促进高层建筑结构的发展[J]．东南大学学报：自然科学版，2002，(5)：

[4]徐欣，韩素芳，康利忠，等．C80～Cl00高性能混凝土在工程中的应用[J]．施工技术，2003，(4)：26—27

[5]  北京城建集同有限责任公司主编．建筑施工实例应用手册(5)[M]．北京：中国建筑工业出版社，l999

[6]  冯乃谦．高性能混凝土结构[M]．北京：机械工业出版社，2004

[7]  蔡绍怀．钢管混凝土结构计算与应用[M]．北京：中国建筑工业出版社，1989

[8]  蔡绍怀．我国钢管混凝土结构技术的最新进展[J]．土木工程学报，l999，32(4)：16—26 [9]  SAI Global online. AS 1012.9. Method for the determinationof the eompresslve strength of concrete speeimensE SI

[10]   SAI Global online. AS 1012.10. Determination of indirect   tensile strength of concrete cylinders ' Brazil' or splitting  test) [S]

[11]  SAI Global online. AS 1012.17. Determination of the static    chord modulus of elasticity and Poisson's ratio of concrete   specimens [S]

[12]   ASTM International. ASTM C1018. Standard test method    for flexural toughness and first crack strength of fiber- reinforced concrete using beam with thlrd-point loading[S]]

Method 8. 1:  Method  for  making  and  curing  concrete- compression and indirect tensile test specimens[S]

[13]   SAI Global online.  AS 2758. 1.  Aggregates and rock for   engineering purposes - Concrete aggregates I S 1

[14]   SAI Global oline. AS 1012.8.1. Methods of testing concrete :Method 8. 1:  Method  for  making  and  curing  concrete- compression and indirect tensile test specimens[S]

[15]  赵国藩，彭少民，黄承逵．钢纤维混凝土结构[M]．北京：中国建筑工业出版社，l999

(本文来源：陕西省土木建筑学会     文径网络：吕琳琳  尹维维 编辑   文径 审核)

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