硅灰與再生鋼纖維對(duì)輕質(zhì)混凝土力學(xué)性能的影響研究

摘 要：本文旨在研究礦物摻合料（硅灰）對(duì)鋼纖維輕質(zhì)混凝土力學(xué)性能的影響，并使用火山渣輕質(zhì)骨料作為材料。試驗(yàn)中采用硅灰替代10%的水泥質(zhì)量。鋼纖維添加量為混凝土體積的0.4%與0.8%，其長(zhǎng)度與直徑的比為62.5。本研究對(duì)4種不同配合比輕質(zhì)混凝土試樣力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分別對(duì)其抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、彈性模量進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果顯示，硅灰的最佳摻量為10%，鋼纖維對(duì)輕質(zhì)混凝土的力學(xué)性能有更顯著的提升效果。

關(guān)鍵詞：礦物摻合料；硅灰；鋼纖維；輕質(zhì)混凝土

中圖分類號(hào)：TU 528" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

目前，輕質(zhì)混凝土（Lightweight Concrete，LWC）在建筑施工中的應(yīng)用日益廣泛，尤其在地震多發(fā)地區(qū)，其高抗震性能備受關(guān)注[1]。研究表明，巨大的慣性力和結(jié)構(gòu)耐受荷載能力不足會(huì)導(dǎo)致建筑物破壞。此外，LWC因其質(zhì)量輕，適用于高層建筑、大跨度橋梁等結(jié)構(gòu)，并具有較好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)ACI標(biāo)準(zhǔn)，LWC要求28天抗壓強(qiáng)度為17MPa。使用硅灰（SF）作為火山灰材料可以提高水泥漿的力學(xué)、化學(xué)和耐久性，以此減少水泥的用量，減少碳排放[2]。雖然LWC與普通混凝土一樣具有脆性，但是可采用纖維加固方式克服。學(xué)者研究表明，添加再生鋼纖維可以增強(qiáng)LWC的強(qiáng)度與韌性。王俊顏等[3]發(fā)現(xiàn)，由石粉、10%SF和輕質(zhì)膨脹黏土骨料（LECA）制成的LWC強(qiáng)度高。粉煤灰和硅灰最優(yōu)取代率分別為20%和10%。

當(dāng)前針對(duì)硅灰與鋼纖維對(duì)LWC的復(fù)合增強(qiáng)效用研究較少，在鋼纖維輕質(zhì)混凝土中引入礦物摻合料，有望進(jìn)一步提升其力學(xué)性能和耐久性。本研究在不同配合比鋼纖維輕質(zhì)混凝土中引入硅灰，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)分析，探究硅灰摻量對(duì)鋼纖維輕質(zhì)混凝土性能的影響。研究結(jié)果可為礦物摻合料在新型高性能混凝土中的應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)參考，推動(dòng)混凝土材料的發(fā)展和創(chuàng)新。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

研究中選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，干密度為3150kg/m3，比表面積為2900cm2/g。在不同配合比中添加密度為2120kg/m3的硅灰（SF）作為火山灰材料。水泥和SF的化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。為了保證混凝土的流動(dòng)性，需要使用高性能聚羧酸減水劑。采用從廢舊輪胎中回收的再生鋼纖維，鋼纖維形貌為兩端具有彎鉤，鋼纖維性能指標(biāo)見(jiàn)表2。細(xì)骨料粒徑為0～4.75 mm，選用平均粒徑為9.5mm的火山渣作為輕質(zhì)骨料，飽和表面干密度為與吸水率等指標(biāo)見(jiàn)表3。

1.2 試驗(yàn)方法

在本次研究中，所有設(shè)計(jì)中的水灰比固定為0.3，使用10%的硅灰替代水泥，同時(shí)加入長(zhǎng)度為50mm的鉤狀再生鋼纖維，配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表4。在本研究中，首先，將所有干燥的輕質(zhì)材料與水混合，持續(xù)30min，以便輕質(zhì)骨料（LWA）完全濕潤(rùn)。其次，將水泥和硅灰等水泥基材料加入混合物中，再加入一些水和高效減水劑。最后，將砂子加入攪拌機(jī)，并加入剩余的水和再生鋼纖維，保證在混凝土中分散均勻?；炷粱旌衔镏苽浜煤?，樣品在20°C～25°C的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下養(yǎng)護(hù)24h后，在實(shí)驗(yàn)室溫度下用水養(yǎng)護(hù)脫模的樣品，再根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試[4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 密度與抗壓強(qiáng)度

試樣密度測(cè)試結(jié)果如圖1所示，不同配合比混凝土試樣抗壓強(qiáng)度與密度見(jiàn)表5，由圖1可以看出，加入10%硅灰使試樣密度變小，變小幅度為0.4%；而加入再生鋼纖維使混凝土的密度變大，與SD組相比，密度變大了2%～4%。這主要受到再生鋼纖維自身的密度影響，再生鋼纖維的密度為7850kg/m3。鋼纖維的含量較少（0.4%與0.8%），并未使混凝土密度顯著變大，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，試樣密度均小于2000kg/m3。因此，加入0.4%與0.8%再生鋼纖維制備的混凝土依然滿足輕質(zhì)混凝土的要求。

不同配合比輕質(zhì)混凝土試樣7天與28天抗壓強(qiáng)度如圖2所示。結(jié)果表明，使用10%硅粉（SF）替代水泥可以使7天抗壓強(qiáng)度增加約5MPa，28天抗壓強(qiáng)度增加約7MPa，增幅分別高達(dá)26%與32%，表明加入硅粉可以有效提高混凝土強(qiáng)度，這歸功于硅灰的顆粒填充效應(yīng)與火山灰效應(yīng)的復(fù)合作用，其他研究也表明硅粉對(duì)強(qiáng)度有顯著影響[5]。

從測(cè)試結(jié)果中還可以發(fā)現(xiàn)，加入再生鋼纖維可以進(jìn)一步提高輕質(zhì)混凝土強(qiáng)度。與10%硅灰試樣SF相比，7d強(qiáng)度增加約2MPa，增幅約為8%；28d強(qiáng)度增加約2.5MPa～3.2MPa，增幅約為8.6%～11%。隨著再生鋼纖維摻入量增加，28d強(qiáng)度有所提升，幅度約為2.5%。由于再生鋼纖維可以延緩混凝土中微裂縫擴(kuò)展，使再生鋼纖維輕質(zhì)混凝土在載荷作用下應(yīng)變?cè)黾?，因此抗壓?qiáng)度相應(yīng)提升。此外，另一個(gè)原因可能是鋼纖維比黏結(jié)劑的彈性模量及其約束效應(yīng)更強(qiáng)，也會(huì)使強(qiáng)度提升。

2.2 抗折強(qiáng)度

研究采用三點(diǎn)加載方式對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，試樣抗折強(qiáng)度結(jié)果如圖3所示。

結(jié)果表明，摻加硅灰以及再生纖維提高了試樣的抗折強(qiáng)度。用10%的SF替代水泥使抗折強(qiáng)度提高了0.8MPa，增幅約為26%，摻加再生鋼纖維進(jìn)一步提高了試樣的抗折強(qiáng)度，再生鋼纖維摻量從0.4%增至0.8%，與SF試樣相比，抗折強(qiáng)度提高了1.3MPa～1.9MPa，增幅約為27%～39%。再生鋼纖維可以將初始裂縫緊密相連。這種特性持續(xù)到纖維從基體中斷裂，試樣的抗折強(qiáng)度也得到了顯著提高。其他研究結(jié)果也表明加入硅灰和鋼纖維可以提高混凝土的抗折強(qiáng)度[6]。

圖4為抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。從圖4可以看出抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度之間存在顯著的內(nèi)在聯(lián)系，可以用二次多項(xiàng)式對(duì)其進(jìn)行擬合，相關(guān)系數(shù)R2高達(dá)0.9884?？梢钥闯隹箟簭?qiáng)度和抗折強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)相對(duì)較好，通常來(lái)說(shuō)，抗折強(qiáng)度隨抗壓強(qiáng)度增加而增加，其他研究也發(fā)現(xiàn)了相似的發(fā)展規(guī)律[7]。此外，在現(xiàn)場(chǎng)取圓柱形樣本比取棱柱形芯樣容易，因此確定抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的關(guān)系，并將預(yù)測(cè)抗折強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)非常重要。

2.3 彈性模量

圖5給出了不同配合比試樣彈性模量變化情況。彈性模量會(huì)受到多種因素影響，包括骨料類型、水灰比和膠凝材料用量。通常隨著抗壓強(qiáng)度增加，彈性模量也會(huì)增加。因此，抗壓強(qiáng)度越大，其破壞所需的應(yīng)變?cè)叫　＝Y(jié)果表明，加入硅灰與再生鋼纖維可以提高試樣的彈性模量。加入10%硅灰替代水泥可以使彈性模量增加約1.6MPa，提升幅度達(dá)到14%；加入再生鋼纖維進(jìn)一步提高了彈性模量，并且隨著加入量增加有所增長(zhǎng)，與SF試樣相比，加入4%～8%的再生鋼纖維會(huì)使彈性模量增加0.4MPa～0.6MPa，增幅為3%～4%。

圖6展示了抗壓強(qiáng)度與彈性模量的關(guān)系?？箟簭?qiáng)度與彈性模量呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)關(guān)系，并且相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.9991，表明二者的相關(guān)性非常好，彈性模量隨著抗壓強(qiáng)度增加而增加，這也得到了其他研究成果的印證[1]。

3 結(jié)論

本研究對(duì)輕質(zhì)混凝土（LWC）的力學(xué)性能進(jìn)行研究，特別關(guān)注硅灰（SF）和再生鋼纖維對(duì)其性能的影響，并得出以下結(jié)論。1）加入10% SF使LWC試樣密度略降小（0.4%），而加入再生鋼纖維使密度變大2%～4%，但仍滿足輕質(zhì)混凝土標(biāo)準(zhǔn)。使用SF可以提高7天和28天的抗壓強(qiáng)度，分別提高了26%和32%。而加入再生鋼纖維可以進(jìn)一步提高7天和28天的抗壓強(qiáng)度，分別提高了8%和8.6%～11%。2）SF替代水泥后，抗折強(qiáng)度提高了26%，而加入再生鋼纖維使抗折強(qiáng)度進(jìn)一步提高27%～39%。3）加入SF使彈性模量增加了14%，加入再生鋼纖維使彈性模量進(jìn)一步提高了3%～4%。抗壓強(qiáng)度與彈性模量之間呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9991。

綜上所述，SF和再生鋼纖維的復(fù)合使用顯著提高了LWC的力學(xué)性能，這對(duì)提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。未來(lái)應(yīng)繼續(xù)探索不同礦物摻合料和纖維的復(fù)合效應(yīng)，研究性能更優(yōu)的混凝土材料。

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通信作者：楊敏（1975—），女，漢族，山西臨汾人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字孿生、高等職業(yè)教育。"電子郵箱：yangmin@cdp.edu.cn。

基金項(xiàng)目：四川省教育廳職業(yè)教育人才培養(yǎng)和教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于數(shù)字孿生技術(shù)的校企共建智慧建造實(shí)訓(xùn)基地改革與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號(hào)：GZJG2022-150）；成都職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)科研平臺(tái)“綠色高性能水泥基材料研究中心”（項(xiàng)目編號(hào)：23KYPT01）；成都職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)課題“再生鋼纖維增強(qiáng)水泥基材料研發(fā)與應(yīng)用研究”（項(xiàng)目編號(hào)：23CZYG047）。