李曉克，沈 澤，陳梅華，趙明爽

(華北水利水電大學 土木與交通學院，河南 鄭州450011)

結(jié)構(gòu)用輕骨料混凝土自重小、保溫效果好，應(yīng)用前景廣闊［1-2］。但由于輕骨料混凝土在拌制過程中易于出現(xiàn)輕骨料上浮、混凝土澆筑成型后均一性較差等問題導致其在工程應(yīng)用中受到限制［3-6］。因此，結(jié)合鋼纖維混凝土［7-9］和粉煤灰混凝土［10-11］新技術(shù)的發(fā)展，研發(fā)具有綠色特質(zhì)的現(xiàn)代高性能鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土具有重要理論意義和工程應(yīng)用價值。此處所述綠色特質(zhì)是指綜合利用火電工業(yè)副產(chǎn)品——粉煤灰和建筑節(jié)能材料——輕質(zhì)頁巖陶粒;現(xiàn)代高性能是指混凝土拌合物具有大流動性和良好的黏聚性與保水性、硬化混凝土具有良好的抗壓塑性變形能力、高拉壓強度比以及抗裂、抗沖擊和抗彎韌性等優(yōu)勢。為此，本文通過系列試驗，研究了水灰比、鋼纖維摻量和粉煤灰取代水泥量對鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土抗壓強度的影響，為結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程應(yīng)用提供了材料性能研究基礎(chǔ)。

1 試驗概況

1.1 原材料

采用52.5 普通硅酸鹽水泥、燒結(jié)頁巖陶粒和陶砂、II 級粉煤灰和銑削型鋼纖維。陶粒按2 ～5，5 ～10，10 ～16 和16 ～20 mm 四種級配，按最大緊密堆積密度原則確定混合比例0.5:4.0:4.5:1.0，將其混合成2 ～20 mm 連續(xù)級配粗骨料。鋼纖維平均長度36.68 mm，等效直徑1.35 mm?；炷涟柚茣r采用自來水和聚羧酸系高性能減水劑(實際減水率19%)。主要材料物理力學性能見表1 ～表4。

表1 水泥物理力學性能Tab.1 Physical and mechanical properties of cement

表2 陶粒物理力學性能Tab.2 Physical and mechanical properties of expanded shale

表3 陶砂物理力學性能Tab.3 Physical properties of lightweight sand

表4 粉煤灰物理性能Tab.4 Physical properties of fly-ash

1.2 試驗設(shè)計

本試驗采用粉煤灰等量取代水泥、鋼纖維體積率計入砂率計算公式的絕對體積法進行配合比設(shè)計［12-13］。選取混凝土強度等級LC35、水灰比W/C 為0.30、輕骨料等級900 作為基準輕骨料混凝土的控制參數(shù)進行試驗設(shè)計。調(diào)整水灰比0.25 ～0.35、鋼纖維體積率0%～2.0%和粉煤灰替代率0%～30%，減水劑用量為膠凝材料用量的1.0%，共設(shè)計11 組配合比如表5 所列。

表5 混凝土配合比主要參數(shù)及部分試驗結(jié)果Tab.5 Main parameters of mix proportion and some test results of concrete

骨料經(jīng)預濕處理，采用強制式攪拌機攪拌，混凝土入模成型后標準養(yǎng)護。測試項目主要有混凝土拌合物坍落度和混凝土的干表觀密度、立方體抗壓強度fcu、軸心抗壓強度fc和彈性模量Ec。立方體抗壓強度試驗采用邊長150 mm 的立方體試塊，軸心抗壓強度和彈性模量試驗采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 混凝土拌合物工作性能

本試驗混凝土拌合物均具有良好的黏聚性和保水性，除拌合物LC1(水灰比0.25)坍落度僅為17 mm外，其余拌合物均具有良好的流動性;同樣條件下，坍落度隨鋼纖維摻量增大而顯著減小，粉煤灰替代率對坍落度影響較小。用粉煤灰取代部分水泥，降低了漿體的密度，減小了砂漿與骨料的密度差，可減輕骨料上浮而提高混凝土成型過程中骨料分布的均質(zhì)性。

2.2 干表觀密度

本試驗混凝土干表觀密度范圍為1 658 ～1 793 kg/m3。鋼纖維體積率不大于1.2%時，屬于密度等級1700 的輕骨料混凝土;鋼纖維體積率大于1.2%時，屬于密度等級1800 的輕骨料混凝土。同樣條件下，混凝土干表觀密度隨鋼纖維摻量增大而增大，隨粉煤灰替代率增大而略有減小。

2.3 立方體抗壓強度

混凝土立方體試塊受壓破壞形態(tài)見圖1，由未加鋼纖維(LC6，圖1(a))的散體狀脆性破壞轉(zhuǎn)化為隨纖維摻量增加的受破壞，試塊形態(tài)不散，僅表面少許崩裂(LC4，圖1(b))。因此，摻加鋼纖維明顯改善了混凝土脆性破壞特征。

水灰比由0.35 減至0.25，鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土立方體抗壓強度提高了約20%(圖2)，但由于陶?？箟簭姸容^低，水灰比對混凝土立方體抗壓強度的影響也較?。?］。當水灰比為0.35 時，混凝土立方體抗壓強度為42.4 MPa，小于LC35 鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土配制強度fcu，0=43.2 MPa，綜合考慮纖維摻量、粉煤灰替代量等因素，混凝土的水灰比宜取0.30。

圖1 混凝土立方體抗壓試塊破壞形態(tài)Fig.1 Failure states ofconcrete cubes under compression

圖2 立方體抗壓強度隨水灰比的變化Fig.2 Variation of cubic compressive strength of concrete with water-to-cement ratio

保持水灰比0.30、粉煤灰替代率20%等參數(shù)不變，立方體抗壓強度隨鋼纖維摻量的增加而增大(圖3)，證明鋼纖維對輕骨料的約束作用間接提高了其抗壓能力，進而達到了提高混凝土抗壓強度的效果。本試驗將鋼纖維視為粗骨料計入砂率計算公式，通過調(diào)節(jié)骨料、鋼纖維與砂漿的比例，鋼纖維被充足的漿體包裹，可充分發(fā)揮其阻裂作用，使混凝土立方體抗壓強度呈現(xiàn)隨鋼纖維摻量增加而提高的變化趨勢，較好地解決了以往研究因粗骨料上浮、鋼纖維下沉導致的混凝土立方體抗壓強度隨鋼纖維體積率增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢［14］;同時，也較本課題組以往研究考慮鋼纖維裹漿厚度，雖有效改善了混凝土和易性，但抗壓強度增加較小的問題［15］。結(jié)合同時滿足混凝土拌合物大流動性的要求，LC35 混凝土的鋼纖維體積率不宜大于1.2%。

粉煤灰取代量10%、20%和30%的立方體抗壓強度較不摻粉煤灰時分別降低了0.2%、4.6%和5.6%，下降趨勢平緩(圖4)。這同樣歸因于粉煤灰的活性效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)，保障了其等量取代水泥后的輕骨料混凝土抗壓強度。

圖3 立方體抗壓強度隨鋼纖維體積率的變化Fig.3 Variation of cubic compressive strength of concrete with fraction of steel fiber by volume

圖4 立方體抗壓強度隨粉煤灰取代量的變化Fig.4 Variation of cubic compressive strength of concrete with fly-ashreplacing ratio

2.4 軸心抗壓強度

混凝土軸心抗壓破壞形態(tài)與立方體抗壓破壞狀態(tài)相似(圖5)，鋼纖維的加入使破壞形態(tài)發(fā)生了質(zhì)變。

鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土軸心抗壓強度隨水灰比、鋼纖維摻量及粉煤灰取代量的變化趨勢類似于立方體抗壓強度的變化趨勢。水灰比為0.25、0.30 和0.35 時，fc/fcu分別為0.85、0.93 和0.85，平均值為0.88。fc/fcu隨鋼纖維摻量變化在0.88 上下波動，但總體趨勢仍保持水平(圖6)。從圖6 可見，當粉煤灰取代水泥量0%～20%時，fc/fcu平均值為0.94，摻入粉煤灰對fc/fcu影響可不計;但當粉煤灰取代水泥量30%時，fc/fcu降至0.79。

圖6 fc/fcu隨鋼纖維摻量和粉煤灰摻量的變化Fig.6 Variation of fc/fcu with fraction of steel fiber by volume and fly-ash replacing ratio

2.5 彈性模量

水灰比為0.25、0.30 和0.35 時，鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土的彈性模量依次為23.2、22.8 和16.6 GPa。因此，水灰比為0.35 時，混凝土彈性模量降幅大。隨著鋼纖維體積率的增大，受鋼纖維形成的骨架拉結(jié)約束效應(yīng)影響，混凝土彈性模量平緩增加，抗壓變形能力有所提升;粉煤灰取代水泥量對混凝土彈性模量影響不大(圖7)。

圖7 彈性模量隨鋼纖維體積率和粉煤灰取代量的變化Fig.7 Variation ofelastic modulus with fraction of steel fiber by volume and fly-ash replacing ratio

3 結(jié) 語

本試驗著重于配制滿足大流動性鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土，并開展相應(yīng)的拌合物工作性、干表觀密度及混凝土基本抗壓性能試驗研究?；炷僚浜媳戎饕兓瘏?shù)為水灰比、鋼纖維體積率和粉煤灰替代水泥量。試驗結(jié)果表明:

①采用粉煤灰等量取代水泥、鋼纖維體積率計入砂率計算公式的絕對體積法進行混凝土配合比設(shè)計方法可行。通過調(diào)節(jié)骨料、鋼纖維和砂漿的比例，可充分發(fā)揮鋼纖維的增強阻裂作用，較好地解決了以往研究中混凝土立方體抗壓強度隨鋼纖維體積率增加先增大后減小的趨勢和抗壓強度增加較小的問題。

②鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土立方體抗壓強度隨鋼纖維摻量的增加而顯著增大，隨粉煤灰取代量增加而略有降低;軸心抗壓強度隨水灰比、鋼纖維摻量及粉煤灰取代量的變化趨勢和立方體抗壓強度變化趨勢基本保持一致;但高粉煤灰取代量使混凝土軸心抗壓強度降低顯著快于立方體抗壓強度。

③提出了配制強度等級LC35、密度等級1700 的大流動性鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土的配合比設(shè)計參數(shù)范圍:水灰比0.30，鋼纖維體積率0.4%～1.2%，粉煤灰替代水泥量0%～20%。

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