膨脹劑與鋼纖維協(xié)同增強(qiáng)高強(qiáng)輕骨料混凝土研究

[摘要] 本文采用頁巖陶粒輕骨料，配制出28d抗壓強(qiáng)度為64.6M Pa的高強(qiáng)輕骨料混凝土，并研究膨脹劑和弓形鋼纖維增強(qiáng)該混凝土的效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，在帶模養(yǎng)護(hù)條件下，膨脹劑在一定摻量內(nèi)可小幅增強(qiáng)該混凝土；而鋼纖維可明顯增強(qiáng)該混凝土，且隨體積摻量的提高而效果顯著；在同時(shí)摻入膨脹劑和鋼纖維時(shí)，可產(chǎn)生協(xié)同增效效果，使該混凝土的抗壓、抗折及劈裂抗拉強(qiáng)度均有更顯著的增長。

[關(guān)鍵詞] 膨脹劑；高強(qiáng)；輕骨料混凝土；鋼纖維；增強(qiáng)

[中圖分類號(hào)] TU528.42.4 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1002-3550-(2006)05-0035-03

1 前言

　　隨著高層和超高層建筑的建設(shè)及大尺寸與大跨度混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，對(duì)混凝土的高強(qiáng)度、輕質(zhì)量和高柔韌性的要求日益提高。因此，對(duì)于高強(qiáng)度輕骨料混凝土而言，最近幾年有著廣泛的研究和應(yīng)用。但是，高強(qiáng)度輕骨料混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，并具有易脆性，阻礙了混凝土結(jié)構(gòu)的使用[1-2]。而把鋼纖維加入到高強(qiáng)度輕骨料混凝土中，對(duì)于提高混凝土的各種性能，尤其對(duì)于提高拉壓比、抗震阻力和抗裂性能等有重要的影響[3]。此外，在混凝土中摻入膨脹劑，其膨脹組分能使混凝土產(chǎn)生體積膨脹，由此可抵消混凝土的干縮變形或使混凝土產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)減少開裂或使抗拉性能可得到有效的改善。而將鋼纖維和膨脹劑同時(shí)摻入到高強(qiáng)輕骨料混凝土中，來研究協(xié)同增強(qiáng)效果，在國內(nèi)尚未開展。因此本文采用頁巖陶粒輕骨料，配制出高強(qiáng)輕骨料混凝土；并在此基礎(chǔ)上，研究了膨脹劑和鋼纖維對(duì)該高強(qiáng)混凝土基體的增強(qiáng)效果。

2 試驗(yàn)及分析

2.1 試驗(yàn)用原材料

　　膠凝材料：秦嶺P·O42.5R 水泥，其3d 和28d 強(qiáng)度見表1；硅灰，青海山川鐵合金股份有限公司生產(chǎn)，堆積密度210 kg/m 3,密度2.23g/cm 3，其化學(xué)成分見表2。砂：灃河中砂，堆積密度1450 kg/m 3,表觀密度2620kg/m 3,細(xì)度模數(shù)2.52；含泥量0.3% 。

外加劑：自配，摻量2% ，減水率30% 。

輕骨料：頁巖陶粒，湖北宜昌生產(chǎn)，堆積密度805kg/m 3，表觀密度1660kg/m 3，最大粒徑20m m ，1h 吸水率7.0% ，筒壓強(qiáng)度8.1M Pa。

膨脹劑：陜西西安交紅精細(xì)化工有限責(zé)任公司建筑外加劑廠生產(chǎn)的交紅牌AEA- 2型膨脹劑。

鋼纖維：加密克斯弓形鋼纖維，上海貝爾卡特—二鋼有限公司生產(chǎn)，型號(hào)RC—65/35—BN，直徑0.53m m ~0.57m m ，抗拉強(qiáng)度1145M Pa~1545M Pa，長度32.0m m ~38.0m m ，平均長徑比

63.6。

2.2 混凝土的配合比、拌制和測(cè)試

　　2.2.1混凝土的配合比為使水泥基體的強(qiáng)度足夠高，將水膠比控制在0.27～0.28，并摻入膠凝材料總質(zhì)量9% 的硅灰。硅灰的摻入，除可提高水泥石基體強(qiáng)度外，還可以協(xié)同提高鋼纖維的增強(qiáng)效應(yīng)[4]。

注：未摻鋼纖維和膨脹劑時(shí)混凝土的表觀密度為實(shí)測(cè)值，其余為計(jì)算值。

　　膨脹劑摻量為內(nèi)摻10% 、15% 和20% ；鋼纖維摻量為體積摻量1% 和2% 。在計(jì)算及試配的基礎(chǔ)上，得到配合比如表3。

2.2.2 混凝土的拌制

　　混凝土的攪拌及成型：首先把膠凝材料、鋼纖維、細(xì)骨料和粗骨料攪拌約3 分鐘，再加入水和外加劑拌和5 分鐘。將混凝土拌合物裝入鋼模，在振動(dòng)臺(tái)上振搗并壓實(shí)，放入標(biāo)養(yǎng)室?guī)?/P>

標(biāo)養(yǎng)，待7d 或28d 拆模后測(cè)強(qiáng)度。

2.2.3 強(qiáng)度的測(cè)試

　　測(cè)試抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度用100m m ×100m m ×100m m 試件；測(cè)試抗折強(qiáng)度用100m m ×100m m ×400m m 試件。在不同齡期分別測(cè)試抗壓、抗折和劈裂抗拉強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值乘以0.95 折算，抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值乘以0.85 折算。

2.3 膨脹劑和鋼纖維對(duì)混凝土增強(qiáng)效果

2.3.1 膨脹劑對(duì)混凝土的增強(qiáng)效果

　　在參照膨脹劑試驗(yàn)方法的情況下，按表3 中的配比（不加輕粗骨料和鋼纖維），不同摻量下的膨脹率見表4。

　　從表4 可見，膨脹劑的膨脹效應(yīng)在7d 已經(jīng)基本達(dá)到，28d的膨脹率增幅很??；膨脹劑的摻量增大，膠砂試件膨脹率增大，但膨脹劑摻量20% 時(shí)的膨脹率較摻量15% 時(shí)膨脹率增幅較小。

　　在配制出的高強(qiáng)輕骨料混凝土中內(nèi)摻入10% 、15% 和20% 的膨脹劑，混凝土不同齡期的抗壓、抗折和劈裂抗拉強(qiáng)度值及膨脹劑的增強(qiáng)效果如表5 所示。

　　從表5 中可見，膨脹劑除在20% 摻量時(shí)，對(duì)該輕骨料混凝土的7d 抗壓強(qiáng)度有負(fù)面影響外，在10% ～20% 摻量范圍內(nèi)，對(duì)強(qiáng)度均有小幅的增強(qiáng)效果；且在15% 摻量下效果最好，在10%時(shí)次之，在20% 時(shí)最小。這主要是膨脹劑與水泥發(fā)生水化反應(yīng)生成膨脹性的鈣礬石，在帶模的約束養(yǎng)護(hù)下，使混凝土內(nèi)部更加致密，也可能提高了水泥石/ 骨料的界面強(qiáng)度。這種增強(qiáng)效果在0% ～15% 范圍內(nèi)，隨膨脹劑摻量增大而效果提高。但是，因?yàn)楦邚?qiáng)輕骨料混凝土的強(qiáng)度主要取決于粗輕骨料的強(qiáng)度，所以，膨脹劑對(duì)混凝土的增強(qiáng)效果并不顯著；又因?yàn)?，在膨脹劑?nèi)摻20% 情況下，水泥和硅灰的份額減少，所以致使內(nèi)摻膨脹劑20% 時(shí)混凝土的強(qiáng)度較15% 時(shí)有一定的降低。

2.3.2 鋼纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)效果

　　在高強(qiáng)輕骨料混凝土中摻入1% 和2% (體積摻量) 的鋼纖維，對(duì)混凝土不同齡期的抗壓、抗折和劈裂抗拉強(qiáng)度值均有不同程度的提高，如表6 所示。從表6 可見，體積摻量1% 和2% 的弓形鋼纖維可以使混凝土的28d 的抗壓強(qiáng)度提高了6% 和18% ，抗折強(qiáng)度提高了33% 和63% ，劈裂抗拉強(qiáng)度提高了58% 和102% ，增強(qiáng)效果顯著。

　　鋼纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果，表現(xiàn)在在抗壓過程中可以阻止裂縫的發(fā)展，從而增強(qiáng)混凝土的極限抗壓強(qiáng)度。在鋼纖維小于2% 的體積摻量范圍內(nèi)，混凝土抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的增加而增加。但是增長率一般在20% 以內(nèi)，并不能大幅度使抗壓強(qiáng)度得以提高。

　　對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果，主要是源于鋼纖維接受基體通過界面粘結(jié)力傳遞的荷載，可以約束裂縫的延伸和橫貫裂縫傳遞內(nèi)力，這時(shí)鋼纖維與基體作為整體共同承擔(dān)荷載，使承載能力顯著提高。當(dāng)鋼纖維與混凝土基體之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到極限時(shí)，此時(shí)鋼纖維從纖維錨固最短、受力最大的裂縫處開始，依次從基體中拔出，鋼纖維混凝土的承載能力逐漸減少直至破壞。因此，鋼纖維的摻量越大，對(duì)裂縫的約束作用和傳遞內(nèi)力的作用越強(qiáng)，且破壞時(shí)由于纖維拔出所消耗的能量也越大，所以增強(qiáng)效果越好。而且，鋼纖維對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果要優(yōu)于對(duì)抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)效果。

2.3.3 膨脹劑與鋼纖維對(duì)混凝土的協(xié)同增強(qiáng)效果

　　膨脹劑和鋼纖維單獨(dú)摻入高強(qiáng)輕骨料混凝土中均能起到增強(qiáng)效果，而在混凝土中同時(shí)摻入膨脹劑和鋼纖維時(shí)，產(chǎn)生了更加顯著的協(xié)同增強(qiáng)效果，

　　詳見表7 和表8。由表7 可見，由于膨脹劑和鋼纖維的同時(shí)摻入，使增強(qiáng)效果更加顯著，如28d 齡期時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度最大可達(dá)82.7M Pa，抗折強(qiáng)度可達(dá)14.0 M Pa，劈裂抗拉強(qiáng)度可達(dá)11.0 M Pa，與基準(zhǔn)的相應(yīng)對(duì)比率為128% 、187% 和244% 。

　　由表8 可見，膨脹劑和鋼纖維產(chǎn)生的協(xié)同增強(qiáng)效果較理論情況（見注釋）有了更大的提高，產(chǎn)生了明顯的協(xié)同作用。這主要是因?yàn)榛炷林械匿摾w維可以限制基體的變形，包括干縮或膨脹[5]。在摻入膨脹劑后，混凝土基體會(huì)產(chǎn)生一定量的膨脹，而帶模養(yǎng)護(hù)和鋼纖維的摻入約束了這種膨脹，致使混凝土更加密實(shí)，使水泥石與粗骨料界面、鋼纖維與基體界面的強(qiáng)度都可能得到了增強(qiáng)，因此表現(xiàn)出明顯的協(xié)同增強(qiáng)效果。

3 結(jié)論

　?。?）在帶模養(yǎng)護(hù)條件下，一定量的膨脹劑和鋼纖維單獨(dú)摻

入高強(qiáng)輕骨料混凝土?xí)r，均能起到一定的增強(qiáng)效果，其中膨脹劑的增強(qiáng)效果較小，而鋼纖維增強(qiáng)效果較大，且隨體積摻量的增大，效果顯著。

　?。?）膨脹劑和鋼纖維同時(shí)摻入到高強(qiáng)輕骨料混凝土?xí)r，由于帶模養(yǎng)護(hù)和鋼纖維的摻入約束了混凝土基體的膨脹變形，而起到了協(xié)同增強(qiáng)的效果，使混凝土的強(qiáng)度得到了進(jìn)一步的提高。

[參考文獻(xiàn)]

[1]秦國新.CL50高強(qiáng)度輕骨料混凝土大跨度現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].混凝土與水泥制品,2000,(5).

[2]戴競.輕骨料混凝土橋的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].公路，2002,(12).

[3]張曉峰.鋼纖維對(duì)輕骨料混凝土剪力墻抗震性能的影響[J].建筑技術(shù)開發(fā),1998,(12).

[4]HandongYan,W eiSunand HuisuChen.Theeffectofsilicafum eand steelfiber on the dynam ic m echanicalperform ance of high-strengthconcrete[J].Cem entandConcreteResearch,1999,29(3):423-426

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[作者簡介] 李國新(1975-)，男，講師，在讀博士研究生，主要研究方向?yàn)榻ú牟牧稀?/P>

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[收稿日期] 2005-08-03