于文鳳

摘 要：鋼纖維輕骨料混凝土作為一種質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、韌性好的新型復(fù)合材料，在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。現(xiàn)如今，各行各業(yè)發(fā)展都必須堅(jiān)持綠色、環(huán)保、無(wú)污染的原則，建筑材料也應(yīng)該滿(mǎn)足國(guó)家對(duì)建筑行業(yè)發(fā)展要求。鋼纖維輕骨料混凝土中的輕骨料是一種節(jié)能環(huán)保材料，能變廢為寶，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展，因此對(duì)于鋼纖維輕骨料混凝土的研究和應(yīng)用越來(lái)越多。本文主要對(duì)水膠比、輕骨料種類(lèi)、粉煤灰替代率和鋼纖維摻量等因素對(duì)鋼纖維輕骨料混凝土力學(xué)性能的影響進(jìn)行綜述，進(jìn)一步系統(tǒng)地說(shuō)明鋼纖維輕骨料混凝土力學(xué)性能的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：鋼纖維輕骨料混凝土;力學(xué)性能;影響因素

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）31-0115-03

A Review on the Influence Factors of Mechanical Properties

of Steel Fiber Lightweight Aggregate Concrete

YU Wenfeng

（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： Steel fiber lightweight aggregate concrete， as a new type of composite material with light weight， high strength and good toughness， is very popular in civil engineering field. Nowadays， the development of all walks of life must adhere to the principles of green， environmental protection and pollution-free， and building materials should also meet the national requirements for the development of the construction industry. Light aggregate in SFRLAC is a kind of energy saving and environmental protection material， which can turn waste into treasure and realize green and sustainable development. Therefore， research and application of SFRLAC are increasing. In this paper， the influences of factors such as water-binder ratio， lightweight aggregate type， fly ash replacement rate and steel fiber content on SFRLAC mechanical properties were summarized， and the variation rules of SFRLAC mechanical properties were further explained systematically.

Keywords： steel fiber lightweight aggregate concrete;mechanical properties;influencing factors

混凝土是由水、粗骨料、細(xì)骨料和膠凝材料按一定比例配置而成，經(jīng)過(guò)拌制、成型、養(yǎng)護(hù)后，具備一定強(qiáng)度的材料。混凝土的力學(xué)性能包括抗壓、抗拉、抗折強(qiáng)度和彈性模量等。混凝土的力學(xué)性能受很多因素影響，如基體強(qiáng)度、骨料種類(lèi)、纖維類(lèi)型、纖維摻量等?；炷恋牧W(xué)性能會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的承載能力產(chǎn)生很大影響，是建筑設(shè)計(jì)的重要考量指標(biāo)。普通鋼纖維混凝土由于自重大，在一些高層大跨度等特殊工程中無(wú)法使用。鋼纖維輕骨料混凝土（SFRLAC）有效結(jié)合了鋼纖維混凝土（SFRC）強(qiáng)度高、韌性好和輕骨料質(zhì)量輕、保溫隔熱的特點(diǎn)，既能滿(mǎn)足混凝土的力學(xué)性能，又能減輕建筑結(jié)構(gòu)本身自重。大量研究表明，鋼纖維對(duì)輕骨料混凝土（LAC）的抗拉強(qiáng)度、韌性、耐久性、抗裂性會(huì)產(chǎn)生積極作用。鋼纖維摻量不宜過(guò)高，過(guò)高會(huì)影響混凝土的容重，還會(huì)影響混凝土的力學(xué)性能。因此，鋼纖維摻量以及影響SFRLAC性能的水膠比、粉煤灰替代率、輕骨料種類(lèi)等因素一直是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

1 發(fā)展歷史

LAC的研究開(kāi)始于1950年前后。LAC因輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)得到快速發(fā)展，其在發(fā)展過(guò)程中存在的唯一問(wèn)題是脆性大，一定程度上限制了工程使用。

為了提高LAC的性能，1980年前后，英國(guó)開(kāi)始對(duì)SFRLAC進(jìn)行研究。英國(guó)Sheffield大學(xué)對(duì)SFRLAC抗沖擊性能和工作性能進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，主要研究了鋼纖維類(lèi)型、體積率對(duì)LAC流動(dòng)性能的影響。中國(guó)在1990年前后開(kāi)始研究SFRLAC。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)SFRLAC的研究主要包括破壞形態(tài)、基本力學(xué)性能和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系等方面，研究最多的是基本力學(xué)性能方面。從已有研究可知[1-2]，當(dāng)鋼纖維摻量控制在0%～2.0%時(shí)，LAC的劈裂抗拉強(qiáng)度可提高75%～120%，抗彎拉強(qiáng)度可提高90%～95%，抗壓強(qiáng)度可提高20%～30%。由此可見(jiàn)，摻入鋼纖維除了對(duì)LAC抗壓強(qiáng)度的影響較小外，對(duì)LAC的劈裂抗拉強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度的提高較為明顯。

2 SFRLAC力學(xué)性能影響因素

SFRLAC的力學(xué)性能包括抗壓、抗彎、抗折、抗沖擊性能等。綜合已有試驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些性能與水膠比、骨料種類(lèi)、粉煤灰替代率和鋼纖維摻量等因素有直接關(guān)系。

2.1 水膠比

水膠比等于混凝土用水量與膠凝材料用量的質(zhì)量之比，其大小直接影響混凝土的工作性能和力學(xué)性能。水膠比越小，混凝土的基體強(qiáng)度等級(jí)越高，和易性越差;水膠比過(guò)大，混凝土容易出現(xiàn)蜂窩麻面，耐久性也會(huì)下降。有研究表明，相對(duì)于骨料種類(lèi)和鋼纖維體積率，水膠比對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響更為明顯。因此，水膠比的嚴(yán)格控制在混凝土的研究中至關(guān)重要。

有關(guān)LAC的試驗(yàn)研究[3]發(fā)現(xiàn)，隨著混凝土水膠比的逐漸增大，立方體抗壓強(qiáng)度的降低幅度增大。張穎[4]的研究結(jié)果顯示，隨著水膠比的降低，高強(qiáng)LAC抗壓強(qiáng)度逐漸提高。當(dāng)水膠比從0.32降低到0.30時(shí)，高強(qiáng)LAC的抗壓強(qiáng)度可提高4.97%;當(dāng)水膠比降低到0.28時(shí)，高強(qiáng)LAC的抗壓強(qiáng)度可提高16.57%。當(dāng)水膠比控制在0.28～0.30時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度較理想。水膠比的增大，提高了混凝土的流動(dòng)性和密實(shí)能力，從而增強(qiáng)了混凝土的密實(shí)度，最終提高了混凝土的強(qiáng)度。

2.2 輕骨料種類(lèi)

按原材料的來(lái)源不同，可將輕骨料分為三種，分別是天然輕骨料、工業(yè)廢料輕骨料和人造輕骨料。粗骨料在混凝土中主要做骨架結(jié)構(gòu)，粗骨料的強(qiáng)度、吸水率、表面織構(gòu)直接影響混凝土強(qiáng)度。因此，骨料種類(lèi)對(duì)SFRLAC性能的影響也較為明顯。

Gampione G[5]在其研究中得出，膨脹黏土骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度比浮石骨料混凝土高，增長(zhǎng)效果明顯。這充分說(shuō)明骨料種類(lèi)也會(huì)影響SFRLAC的力學(xué)性能。Oktay H[6]的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼纖維體積率相同時(shí)，不同密度等級(jí)的膨脹黏土骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度有明顯的區(qū)別。骨料密度等級(jí)越低，抗壓強(qiáng)度的減弱作用越強(qiáng)。張穎[4]的研究結(jié)果表明，由于頁(yè)巖陶粒有很高的筒壓強(qiáng)度，所以頁(yè)巖陶粒配制的LAC比其他LAC的抗壓強(qiáng)度高，粉煤灰陶粒和黏土陶粒配制的輕骨料混凝土抗壓明顯低于頁(yè)巖陶粒。

2.3 粉煤灰替代率

粉煤灰作為礦物摻合料，在SFRLAC中摻加粉煤灰可以改善混凝土的工作性能和力學(xué)性能。一方面粉煤灰可以緩解輕骨料上浮，填充骨料之間的空隙，使SFRLAC更加密實(shí);另一方面，粉煤灰與水泥進(jìn)行水化反應(yīng)，有利于加強(qiáng)水泥漿體的硬化，提升混凝土的后期強(qiáng)度，水化產(chǎn)物還能填充水泥石的毛細(xì)孔，提高SFRLAC的耐久性。

沈澤[7]在其研究中發(fā)現(xiàn)，用一部分粉煤灰替代水泥，不僅能夠提高混凝土拌和物的工作性能，而且能提高混凝土拌和物的坍落度和坍落擴(kuò)展度。相比之下，拌和物的坍落擴(kuò)展度受粉煤灰的影響更大。溫世臣[8]在其試驗(yàn)中同時(shí)摻入鋼纖維和粉煤灰，研究發(fā)現(xiàn)在水膠比為0.37、0.35、0.27時(shí)，混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度均有明顯提高。考慮到建筑材料的綠色可持續(xù)發(fā)展，摻入一定數(shù)量的粉煤灰是可行的，但建議粉煤灰替代率控制在30%以?xún)?nèi)。

吳振華[9]研究了水灰比為0.37﹑0.35和0.27的試件在摻有0.8%體積率鋼纖維和粉煤灰替代水泥20%的情況下，對(duì)應(yīng)的立方體抗壓強(qiáng)度是未摻鋼纖維和粉煤灰未替代水泥的情況下立方體抗壓強(qiáng)度1.09倍﹑1.07倍和1.06倍。由此可見(jiàn)，在鋼纖維和粉煤灰同時(shí)摻入混凝土后，不同水灰比的LAC抗壓強(qiáng)度均有所提高。

2.4 鋼纖維摻量

鋼纖維在LAC中應(yīng)用廣泛，具有很好的延性。鋼纖維不僅能夠增強(qiáng)基體混凝土強(qiáng)度，而且能夠抑制混凝土的微裂紋在內(nèi)部擴(kuò)展，阻礙宏觀(guān)裂縫的生成，使混凝土的抗拉、抗彎、抗折和抗疲勞性能得到提高。鋼纖維加入LAC后，會(huì)在輕骨料顆粒周?chē)鸬綀?jiān)固的“套箍”作用，可以使輕骨料初裂滯后;當(dāng)輕骨料混凝土受壓時(shí)，鋼纖維可以阻止混凝土基體橫向膨脹，使破壞過(guò)程延遲。即使混凝土中的一些粗骨料受外力開(kāi)裂后，鋼纖維的阻裂作用也能夠延緩裂紋的繼續(xù)發(fā)展[10]。

鋼纖維還能起到提高LAC的抗壓和抗拉強(qiáng)度作用，當(dāng)鋼纖維摻量增大時(shí)，混凝土的彈性模量也會(huì)增加。朱亞菲[11]的研究發(fā)現(xiàn)，混凝土的脆性在摻入鋼纖維后得到很大改善，比強(qiáng)度也有所提高。鋼纖維起到明顯的增強(qiáng)、增韌和阻裂效果。但鋼纖維不宜過(guò)多，鋼纖維過(guò)多就會(huì)使?jié){體無(wú)法完全包裹，容易導(dǎo)致鋼纖維增強(qiáng)、增韌效果不明顯。吳振華[9]在其研究中提出綜合經(jīng)濟(jì)性，在輕骨料混凝土中建議鋼纖維體積率控制在0.8%～1.2%。

趙明爽[12]在其試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼纖維摻量增加時(shí)，SFRLAC軸壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(xiàn)的下降段斜率逐漸降低，殘余應(yīng)力有所提高。魏慧[13]的研究發(fā)現(xiàn)：LAC破壞特征隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)、纖維種類(lèi)及纖維摻量變化有較明顯的差異，且摻入纖維后混凝土的脆性也得到有效改善。

3 結(jié)語(yǔ)

從建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，為滿(mǎn)足建筑結(jié)構(gòu)的特殊要求，建筑材料正逐漸向輕質(zhì)高強(qiáng)、多功能、高性能材料過(guò)渡。SFRLAC作為一種新型功能材料，完全符合國(guó)家綠色可持續(xù)發(fā)展方針政策，具有較好的發(fā)展前景。通過(guò)本文的研究發(fā)現(xiàn)，要想使SFRLAC獲得更好的力學(xué)性能，可以將水膠比控制在0.28～0.30以?xún)?nèi)，可選擇頁(yè)巖陶粒作輕骨料，粉煤灰替代率控制在30%以?xún)?nèi)，鋼纖維摻量控制在0.8%～1.2%。隨著SFRLAC的研究逐漸深入，SFRLAC的應(yīng)用前景將會(huì)更加光明。

參考文獻(xiàn)：

[1]Gao JM，Sun W，Morino K. Mechanical properties of steel fiber-reinforced， high-strength， lightweight concrete[J]. Cement & Concrete Composites， 1997（19）： 307-313.

[2]Campione G， Miraglia N，Papia M.Mechanical properties of steel fibre? reinforced lightweight concrete with pumice stone or expanded clay aggregates[J]. Materials and Structures，2001（34）：201-210.

[3]李長(zhǎng)永，錢(qián)曉軍，趙順波.FLAC基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].混凝土，2010（5）：79-82.

[4]張穎.高強(qiáng)鋼纖維輕骨料混凝土力學(xué)性能研究[J].新型建筑材料，2018（2）：29-31.

[5]Campione G，Miraglia N， Papia M. Mechanical properties of steel fibre reinforced lightweight concrete with pumice stone or expanded clay aggregates[J].Materials and Structures，2001（34）：201-210.

[6]Oktay H， Yumrutas R， Akpolat A. Mechanical and thermophysical properties of lightweight aggregate concretes. Construction and Building Materials，2015（96）：217-225.

[7]沈澤.鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2015.

[8]溫世臣，韋世益.鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土劈裂抗拉性能試驗(yàn)研究[J].紅水河，2019（2）：72-73.

[9]吳振華.鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].混凝土與水泥制品，2019（8）：55-57.

[10]董祥，高建明，吉伯海，等.纖維增強(qiáng)高性能輕集料混凝土的彎曲韌性[C]//第七屆全國(guó)輕骨料及輕骨料混凝土學(xué)術(shù)討論會(huì).2004.

[11]朱亞菲，高建明，王邊，鋼纖維高強(qiáng)輕集料混凝土的試驗(yàn)研究[J].混凝土與水泥制品，2001（5）：38-40.

[12]趙明爽.鋼纖維全輕混凝土單軸受壓本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)研究[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2016.

[13]魏慧，吳濤，楊雪，等.纖維增韌輕骨料混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(xiàn)試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2019（7）：126.