单掺和双掺不同长径比钢纤维对全轻混凝土力学性能的影响.pdf

工程科技北方建筑第9 卷第2 期2 0 2 4 年4 月DOI:10.3969/j.issn.2096-2118.2024.02.005单掺和双掺不同长径比钢纤维对全轻混凝土力学性能的影响牟宗宾1,武沁源,王秀丽可2*（1：吉林省信安物业服务有限公司，吉林长春13 0 0 0 0,2：吉林建筑大学土木工程学院，吉林长春13 0 119）摘要：为研究单掺和双掺不同长径比钢纤维对免烧结粉煤灰陶粒全轻混凝土力学性能影响，选用体积掺量为1%的剪切钢纤维作为增强材料，以钢纤维长径比（18.7 5,2 5 和3 1.2 5)和掺入方式（单掺、双掺）为试验参数，对LC30全轻混凝土进行立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和弹性模量试验。试验结果表明：钢纤维能明显改善全轻混凝土的力学性能；不同的长径比和掺入方式对全轻混凝土的抗折度和劈裂抗拉强度影响较大，对立方体抗压强度和轴心抗压强度影响较小，对弹性模量几乎没有影响。关键词：免烧结粉煤灰陶粒；全轻混凝土；剪切波形钢纤维；长径比；力学性能中图分类号：TU528.2Effect of Single and Double Doped Steel Fiber with DifferentLength-Diameter Ratio on Mechanical Properties of All-Lightweight Concrete文献标识码：A文章编号：2 0 9 6-2 118(2 0 2 4)0 2-0 0 2 2-0 5MOU Zongbin,WU Qinyuan,WANG Xiuli2*(1:jilin Xinan Property Service Co.,Ltd.,Changchun Jilin 130000,China;2:School of Civil Engineering,Jilin Jianzhu University,Changchun Jilin 130119,China)Abstract:In order to study the effect of single and double doped steel fiber with different length-diameter ratioson mechanical properties of non-sintered pulverized coal ash ceramic all-lightweight concrete,shear steel fiberwith volume content of 1%was selected as the reinforcement material,and the length-diameter ratio of steel fiber(18.75,25 and 31.25)and the mixing method(single and double doped)were used as the test parameters,thecubic compressive strength,axial compressive strength,flexural strength,splitting tensile strength and elasticmodulus of LC30 all-lightweight concrete were tested.The test results show that steel fiber can obviously improvethe mechanical properties of all-lightweight concrete;different length-diameter ratios and mixing methods havegreat influence on flexural strength and splitting tensile strength of all-lightweight concrete,but little influence oncube compressive strength and axial compressive strength,and almost no influence on elastic modulus.Keywords:non-sintered pulverized coal ash ceramsite;all-lightweight concrete;shear wave steel fiber;length-diameter ratio;mechanical properties0引言承重型全轻混凝土作为一种轻质建筑材料，其单位体积密度仅为普通混凝土的5 0%8 0%,因此在建筑领域中被广泛采用。在建筑结构中,采用承重收稿日期：2 0 2 3-0 6-2 7基金项目：吉林省科技厅重点研发项目（2 0 2 10 2 0 3 14 5 SF）作者简介：牟宗宾（19 9 0 ），男，吉林省长春市人，工程师，研究方向：结构工程。*通信作者：王秀丽（19 7 6 ），女，吉林省长春市人，副教授，硕士，研究方向：高层钢结构抗震减震，装配式建筑与智能建造，新型混凝土材料应用,E-mail:22NORTHERNARCHITECTURE第2 期型全轻混凝土替代普通混凝土，可减小结构自重，降低结构反应，节约工程造价,并提高保温隔热和隔音性能12-3 1。全轻混凝土存在抗压强度低、材料脆性大、易开裂的缺点4-5。为此,工程领域通过添加增强材料的方式改良性能。常用的增强材料包括但不限于合成纤维、碳纤维、钢纤维和纳米材料等16-9%。钢纤维具有优异的力学特性和相对较低的成本,因此成为工程领域研究的重点。研究表明,掺人混杂纤维的混凝土能够克服掺人单一纤维混凝土的局限性,这归因于不同种类的纤维在混凝土中会产生协同互补效应，从而改善混凝土的强度、抗裂性、延性等性能，并提高混凝土的应力-应变反应性能和承载能力10-1。因此,混杂纤维混凝土更能满足结构对全轻混凝土高性能的需求，具备广泛的研究价值和应用前景。粉煤灰是工业燃煤产生的废弃物，通过一定的生产工艺，将其转化为用于混凝土制造的免烧结粉煤灰陶粒和陶砂，从而有效解决粉煤灰排放对环境造成的危害，实现废弃物的资源化利用。免烧结粉煤灰陶粒和陶砂易于制备，通常在常温下进行球团化和干燥等处理即可12 1。相较于传统高温烧结方法，这种方法无气体排放，节能环保，满足绿色建筑对于固废利用、节能减排等理念要求。免烧结粉煤灰陶粒和陶砂具有结构稳定、造价低、使用方便等优点,因此在建筑工程中具有广泛的应用前景。本文采用免烧结粉煤灰陶粒和陶砂完全替代传统天然粗、细骨料，以粉煤灰、高炉矿渣作为掺合料,辅以高效减水剂，添加剪切波型钢纤维作为增强材料，制备成全轻混凝土。本研究采用长径比为18.7 5,2 5 和3 1.2 5 的剪切波形钢纤维作为增强材料，通过单掺和双掺的方式将其掺人全轻混凝土中。试验测定了全轻混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗折强度、劈裂牟宗宾，等：单掺和双掺不同长径比钢纤维对全轻混凝土力学性能的影响1.3试件制作和试验方法抗拉强度和弹性模量,通过对试验结果的统计和对比分析，得出钢纤维的长径比和掺入方式对全轻混凝土力学性能的影响。本研究结果可为全轻混凝土的实际工程应用提供数据支持。1全轻混凝土配合比设计1.1原材料试验选用P042.5水泥，采用粒径为5 mm30mm的免烧结粉煤灰陶粒作为粗骨料；使用粒径为3mm5 mm 的免烧结陶砂作为细骨料。外加剂包括粉煤灰和高效减水剂。钢纤维形状为剪切波浪形，截面形状为矩形，根据钢纤维混凝土13 要求，钢纤维的等效直径和长径比的计算公式如下：4wtd=Xd式(1)式(2)中：L为钢纤维长度,mm;w为钢纤维宽度,mm,t为钢纤维厚度mm;d为钢纤维等效直径,mm;入为钢纤维长径比。钢纤维的参数详见表1，全轻混凝土的具体组成如图1所示。表1钢纤维详细参数L/mmw/mm3024025021.2配合比设计全轻混凝土的设计强度为LC30,参照轻骨料混凝土应用技术标准(14 和纤维混凝土应用技术规程15 进行配合比设计，同时根据钢纤维混凝土对配合比进行优化，具体配合比见表2。(1)(2）t/mmd/mm11.611.611.6入18.752531.25抗拉强度/MPa780780780（a）免烧结粉煤灰陶粒（b）免烧结粉煤灰陶砂图1全轻混凝土主要组成材料(图片来源：作者自摄)(c）粉煤灰(d)钢纤维NORTHERNARCHITECTURE23北方建筑表2 全轻混凝土配合比2试验结果与分析钢纤维体积率/水泥/陶粒/陶砂粉煤灰/水/减水剂/%kg4501440本试验设计中,设置不掺钢纤维的试验组作为对照组，以钢纤维的长径比和掺杂方式为试验变量，固定钢纤维的体积掺量为1%，设计7 个实验组。其中，钢纤维的长径比分别为18.7 5,2 5 和31.25，掺杂方式包括单掺和双掺，具体的试验参数设计见表3。表3 全轻混凝土设计参数钢纤维体积率/%编号入=18.7 5S0$30$40S50$30+40S30+50$40+50本试验测定的基本力学性能包括立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和弹性模量。采用边长为15 0 mm的立方体试块测定立方体抗压和劈裂抗拉强度。采用15 0 mm150mmx300mm的棱柱体试件测定轴心抗压强度和弹性模量。抗折强度则采用15 0 mmx150mmx550mm的长方体试件进行测定。鉴于试件体积较小，钢纤维的不均匀分布可能导致试验结果的波动性较大。为保证试验精度，必须严格按照纤维混凝土应用技术规程第6 章的要求制备、浇筑和养护钢纤维混凝土。每种试验参数设置3 个试件，试验过程参考混凝土物理力学性能试验方法标准16 进行。通过计算得出实测值，取平均值作为试件强度值。若3 个实测值中存在一个值与中间值的差值超过中间值的15%，则将中间值作为该组试件的强度值。如果3 个实测值的最大值和最小值与中间值之间的差值超过中间值的15%，则该组试验结果无效。试验采用2 0 0 t电液伺服万能试验机进行加载，sO试件加载速率为0.3 MPa/s0.5MPa/s，其余试件加载速率为0.5 MPa/s0.8MPa/s。24NORTHERNARCHITECTURE第9 卷2.1立方体抗压强度和轴心抗压强度kgkg693531670558入=2 51一1一一0.50.5一kg50400.50.5kg200192入=3 1.2 5一1一0.50.5kg3.63.6立方体混凝土试块的测试初始阶段会出现压碎声，但表面尚未出现明显的破坏痕迹，这表明试块内部的骨料正在经历断裂和破坏的过程。随着载荷的持续增加，混凝土试块内部的微裂纹扩展到试件表面，并伴随着试块表面混凝土的剥落和碎裂，如图2 所示。本试验全轻混凝土立方体试验的破坏结果是骨料被裂缝贯穿,而普通混凝土一般是在混凝土与骨料接触面上发生裂纹。S-59-0(a）掺钢纤维试件图2 立方体抗压强度试块破坏现象(图片来源：作者自摄）轴心抗压强度试块在试验初始阶段，试块顶部产生宽度较小的对角斜裂纹，随着荷载的增加，斜裂纹不断扩展。当试件达到极限强度，斜裂纹迅速扩张，最终导致试件破坏。掺有钢纤维的试块表现出相似的破坏特征。与未掺钢纤维的试块相比,掺钢纤维试块中的裂纹出现时间较晚且发展速度缓慢，试块最终的裂缝宽度较小，同时试块表面的骨料剥落情况也相应减轻。试验的立方体抗压强度见表4，轴心抗压强度见表5。结果显示,剪切波型钢纤维的掺加可以有效提高全轻混凝土的立方体抗压强度和轴心抗压强度。其中，立方体抗压强度提升幅度为13.5%19.28%，轴心抗压强度提升幅度为11.7 3%22.29%。轴心抗压强度是立方体抗压强度的0.9 2倍 0.9 4 倍。试验结果表明，单掺条件下，S40表现出最高的抗压强度，其次为S50,S30的抗压强度最小。混掺两种钢纤维的试件中,S30+40的抗压强度略微低于S30和S40，但差距不大；S30+50和S40+50 的抗压强度均高于单掺一种钢纤维的试件,呈现出正混杂效应。试件的立方体抗压强度和轴心抗压强度大小顺序一致，从小到大依次为：S0,S30+40，S30,S50,S40,S30+50,S40+50。单掺条件下，抗压强度并不随长径比增加而增加,而是当长径比达到一(b）不掺钢纤维试件第2 期表4 全轻混凝土立方体抗压强度编号立方体抗压强度实测值/MPaSO35.97S3040.13$4039.97S5040.49S30+4040.40$30+5041.98$40+5042.55表5 全轻混凝土轴心抗压强度编号轴心抗压强度实测值/MPaSO33.38S3036.74S4038.60S5037.42S30+4036.70S30+5039.97$40+5040.72定值后，提高幅度变小,这是由于长径比的增加可能会对钢纤维在混凝土中的分散性、应力分布和受限作用产生影响，进而限制钢纤维在全轻混凝土中发挥最佳效果，抑制抗压强度的提升。表明钢纤维长径比有临界值，长径比根据临界值进行单一纤维掺入，效果最佳。双掺条件下，长径比相差悬殊的纤维不能实现最好的协同互补,反而是临界值附近取值进行掺人效果最佳。2.2抗折强度试验使用2 个相同的集中荷载同时垂直加载在棱柱体试块侧面的2 个三分点处，试件于2 个集中荷载作用线之间发生断裂,未掺钢纤维试件断裂面较为平整,掺钢纤维试件断裂面处钢纤维被拔出或拉断。试验破坏现象表明全轻混凝土具有脆性破坏的特点。试验测得的抗折强度见表6。表6 中，S40+50的最大值与中间值的差超过了中间值的15%，因此试验结果取中间值。试验结果表6 全轻混凝土抗折强度编号抗折强度实测值/MPaSO2.58S302.90S403.54S503.66$30+404.37$30+504.35S40+503.91牟宗宾，等：单掺和双掺不同长径比钢纤维对全轻混凝土力学性能的影响平均值/MPa提升率/%36.6636.2541.6642.4743.2944.3742.5642.8940.5742.6442.7343.0943.5843.7834.3834.4938.2339.7041.1241.3539.4139.9838.2839.2840.2441.8241.3642.902.632.753.413.513.683.934.124.354.464.734.364.714.104.83表明钢纤维能显著提高全轻混凝土在承受弯曲负载时的抵抗能力。在单掺条件下,抗折强度随着长36.3一41.414.0542.517.0842.015.7041.213.5042.617.3643.319.28平均值/MPa提升率/%34.1一38.212.0240.418.4838.914.0838.111.7340.719.3541.722.29平均值/MPa扶提升率/%2.65一3.2723.403.7240.384.0452.454.5270.574.4768.684.1054.72径比的增加逐渐提高，提升幅度为2 3.4%5 2.4 5%；而在双掺不同长径比的钢纤维时，则会产生正混杂效应，提升幅度为5 4.7 2%7 0.5 7%。双掺对抗折影响提高更有优势。抗折强度是构件受弯时的抗弯性能体现,材料沿横截面高度上有拉、压两种应力,因此变化规律与立方体抗压明显不同。双掺条件下，增加长径比不显著。2.3劈裂抗拉强度劈裂抗拉强度试验钢制弧形垫块半径为7 5mm，垫条宽度为2 0 mm。随着试块加载至极限载荷，试块由顶部的钢制垫块处开裂，裂纹逐渐向底部蔓延，最终形成垂直于承压面的劈裂面。表7 为试验的劈裂抗拉强度结果,其中S50的最大值与中间值的差超过中间值的15%，因此试验结果取中间值。试验结果显示,钢纤维能显著提高试件的抗开裂性能。单掺条件下，劈裂抗拉强度提升幅度为2 0%2 8.9 7%；双掺条件下，S30+40和S30+50的劈裂抗拉强度不如单掺，产生负混杂效应；S40+50产生显著的正混杂效应，劈裂抗拉强度提升幅度为6 2.7 6%，单掺条件下，钢纤维长径比对劈裂抗拉强度影响较大，钢纤维长径比由18.7 5 过渡到3 1.2 5 时，强度不是一直上升，表明长径比对劈裂抗拉强度提升有临界值，达到临界值后效果不明显。从本试验结果看，单掺条件下临界长径比为2 5 31.25,准确的临界取值应进行更多的试验支撑。双掺条件下,接近临界长径比的两种不同纤维掺人效果最佳,防开裂性能最好，与临界长径比相差较多的双掺效果最差。表7 全轻混凝土劈裂抗拉强度编号劈裂抗拉强度实测值/MPaSO2.85S303.31S403.62S503.64$30+403.13$30+502.94$40+504.392.43弹性模量由表8 可以看出，钢纤维对全轻混凝土的弹性模量提升幅度大致相同，表明全轻混凝土的弹性模量对于钢纤维的长径比和混杂方式提高幅度不明NORTHERNARCHITECTURE25平均值/MPa提升率/%2.922.933.543.603.743.863.664.353.213.423.033.314.844.942.903.483.743.663.253.094.72一20.0028.9726.2112.076.5562.76北方建筑显，但从变化规律来看，仍然是临界长径比下的双4）单掺条件下，长径比存在临界值，临界长径掺效果最佳。比下的钢纤维掺入对多数力学性能指标表现最佳。表8 全轻混凝土弹性模量参考文献1孟鑫鑫.低密高比强轻集料微孔混凝土及其预制墙板性能研编号弹性模量实测值10/MPaSO2.98S303.33$403.20S503.32S30+403.32S30+503.11$40+503.363结论本文研究了长径比为18.7 5,2 5 和3 1.2 5 的剪切波型钢纤维在单掺和双掺条件下对全轻混凝土力学性能的影响,通过对试验结果进行分析,得出以下结论。1）钢纤维对全轻混凝土的各项力学性能均有显著提升作用，不同力学性能指标影响程度不同，依次为：抗折强度 劈裂抗拉强度 立方体抗压强度 轴心抗压强度 弹性模量。钢纤维对抗折强度的提升幅度最大，最高可达到7 0.5 7%；对于弹性模量，提升幅度较小，仅约为10%，且钢纤维的长径比及掺人方式与弹性模量提升幅度之间不存在相关性。2）全轻混凝土的轴心抗压强度为立方体抗压强度的0.9 2 倍 0.9 4 倍。3）长径比2 5 和3 1.2 5 的钢纤维在双掺条件下各项力学性能均呈现出正混杂效应，并获得了最优的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量，全轻混凝土的力学性能显著提高。长径比为18.7 5 和2 5，18.7 5 和3 1.2 5 的钢纤维在双掺条件下，劈裂抗拉强度不如单掺效果好，呈现出负混杂效应。第9 卷平均值10/MPa提升率/%究D.南京：东南大学，2 0 19.3.003.093.363.363.383.393.343.343.303.353.323.373.383.403.023.353.323.333.323.273.38一10.939.9310.269.938.2811.922余翔，蓝堂伟,谢鹏，等.无机多孔材料对全轻混凝土性能的影响J.混凝土世界，2 0 2 2（8)：3 1-3 5.3宁宁,陈洪昌,付瑛琪.超轻混凝土的研究现状及其在结构中应用前景J.混凝土，2 0 17(7：14 9-15 0,15 3.4杨艳敏,胡挺益,陈宇，等.纤维对全轻混凝土抗压性能试验研究J.低温建筑技术，2 0 18，4 0（4)：1-4.5侯永祺，王秀丽,孙昊,等,棒型热阻断拉结件抗拔性能研究J.北方建筑,2 0 2 3,8(2)：13-17.6刘春阳，于桂欣，高英棋，等.钢纤维再生混凝土T形梁抗剪性能试验研究J.建筑结构,2 0 2 2,5 2(3)：7-12,18.7韩古月，聂立武.纳米材料在混凝土中的应用研究现状J.混凝,2018(7):65-68.8杨健辉,王彩峰,蔺新艳,等,纤维对全轻混凝土的断裂性能影响J.混凝土,2 0 19(2)：7 2-7 5,8 4.9李潇雅,陈卫峰，吕芹.纤维种类对全轻混凝土抗冲击性能的影响J.河南城建学院学报,2 0 18,2 7(1)：5 7-6 1.10高英力，冯心峻,龙国鑫，等.混杂纤维-尾矿砂ECC配合比优化及疲劳性能研究JJ.硅酸盐通报，2 0 2 3，4 2（5）：17 8 5-17 9 3.11王震，常新龙，张有宏，等.碳纤维、碳/玻混杂纤维层合板力学性能对比研究J.兵器装备工程学报，2 0 2 1,4 2（10)：2 6 7-2 7 1.12朱万旭，鄯磊，周红梅，等.包壳型免烧结粉煤灰陶粒的制备及应用分析J.新型建筑材料，2 0 16,4 3（10)：9 0-9 4.13中华人民共和国住房和城乡建设部.钢纤维混凝土：JG/T472一2 0 15 S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 15.14中华人民共和国住房和城乡建设部.轻骨料混凝土应用技术标准：JGJ/T122019S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 19.15中华人民共和国住房和城乡建设部.纤维混凝土应用技术规程：JGJ/T221一2 0 10 S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 10.16中华人民共和国住房和城乡建设部和国家市场监督管理总局.混凝土物理力学性能试验方法标准：GB/T50081一2 0 19 S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 19.编辑：杨洋26NORTHERNARCHITECTURE