硅灰对钢纤维混凝土力学性能及结构特征的影响.pdf

2 0 1 5年第 7期 7月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C ONCRE T E AND CE MEN T P RODUC T S 2 01 5 No 7 J u l y 硅灰对钢纤维混凝土力学性能及结构特征的影响 向 超 ， 梅迎军 ( 重庆交通大学土木建筑学院， 4 0 0 0 7 4 ) 摘要 ： 在 混凝土基 准配合 比相 同的情 况下 ， 掺入 体积掺 量为 0 - 1 2 的钢 纤维 以及取 代水泥质 量为 0 - 1 2 的 硅灰 ， 测试 了标 准养护 2 8 d钢 纤维硅灰混凝 土的抗压、 抗 折及 劈裂强度 ， 并通过 氮吸 附实验测试得到 了混凝 土孔结 构特征参数 。 分析 了硅灰对 钢纤维混凝土 力学性 能及 孔结构特征 的影响。结果表 明， 对 于钢 纤维混凝土 ， 随着硅 灰 的掺入 ， 其抗压 、 抗折及劈裂 强度 显著提 高 ， 且硅 灰掺量越 高， 提 高幅度越 大。在测试与 分析 的基 础上 ， 建立 了混凝 土 2 8 d抗折 强度 与钢 纤维、 硅灰掺量之 间的定量关系， 并预测 了硅灰和钢纤 维对混凝 土 2 8 d抗折强度的影响趋势。 关键词 ： 硅灰 ； 钢纤 维混凝 土： 力学性能 ； 孔 结构特征 A b s t r a c t ： O n t h e s a m e b l a n k mi x p r o p o r t i o n s t e e l fi b e r o f 0 1 2( b y v o l u me c o n t e n t )a n d 0 1 2 o f s i l i c a f u me ( r e p l a c e c e m e n t b y q u a 1 y ) a re m i x e d i n t o c o n c r e t e A n d t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ， b e n d i n g s t r e n gt h ， s l i t t i n g s t r e n gt h o f c o n c r e t e a t t h e a g e o f 2 8 d b y s t a n d a r d c u rin g are t e s t e d At the s a me t i me ， t h e p o r e s t r u c t u r e c h a r a c t e ri s t i c s p ara me t e r s o f c o n c r e t e are t e s t e d b y n i t r o g e n a d s o r p t i o n e x p e ri me n t e r e s u l t o f t h i s p a p e r s h o w t h a t ，t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h ， b e n d i n g s tr e n g t h ，s l i t t i n g s t r e n g t h o f s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d c o n c ret e a re i n c r e a s e d a s t h e a d d i n g o f s i l i c a f u me ，a n d t h e s tre n gth i n c r e a s e d s i g n i fi c a n tl y w i t h i n c r e a s i n g r e p l a c e me n t o f s i l i c a f u me 卟 e q u a n t i t a t i v e r e l a t i o n b e t w e e n 2 8 d fl e x u r a l s t r e n g t h a n d the c o n t e n t of s t e e l fi b e r a n d s i l i c a f u me are e s t a b l i s h e d ， a n d the i mp a c t t r e n d o f s i l i c a fume a n d s t e e l fi b e r o n the fl e x u r a l s t r e n g t h of c o n c r e t e 2 8 d i s p r e d i c t e d Ke y wo r d s ： S i l i c a f u me ； S t e e l fi b e r rei n f o r c e d c o n c r e t e ； Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ； P o r e s t r u c t u r e c h a r a c t e ris t i c s 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 5 ) 0 7 - 5 5 0 3 0前 言 混凝土结构 物主要 用以承受荷载或抵抗 各种 有害物质侵蚀 。 这就需要混凝土有较高的强度和 良 好的抵抗有害物质侵蚀 的耐久性 能 。 如抗渗性 、 抗 冻性等 。混凝土越密实其强度越高 。 刚性 、 抗 渗性 、 抗冻性和抵抗某些有害介质的能力也越强 。但混凝 土强度越高 ， 往往干缩也 比较大 ， 同时较易脆裂 。钢 纤维具有 良好的抗裂性 能 故对混凝土有显著 的阻 裂 、 增强 和增 韧作用 ， 能减少微 裂缝并阻止宏观裂 缝扩张 ， 亦使耐磨性 、 耐空蚀性 、 耐 冲刷性 、 抗冻融 性和抗渗性有不 同程度的提高【 ” 。另外 ， 硅灰 的颗粒 非常微小 ， 大多数 颗粒 的粒径 小于 l p , m。 平均粒径 0 1 1 t , m左 右 ， 仅是水泥颗粒平均直径 的 1 1 0 0 ， 硅灰 的物理性质决定 了其微小颗粒具有高度 的分散性 ， 掺人水泥 中可以充分填充在水泥颗粒之间 ， 提高浆 体硬化后的密实度进而提高混凝土的强度阁 。为此 ， 本文研究 了钢纤维混凝 土的力学性能和孔隙结构 ， 以抗压强度 、 劈裂抗拉强度 、 抗折强度为评价指标 ， 研究 了硅灰对钢纤维混凝土强度的影响情况。 1 原材 料及试 验 方法 1 1 试验 材料 本试验采用 的混凝土基准配合 比为水泥： 砂： 碎 石： 水= 1 ： 1 9 8 ： 2 1 5 ： 0 4 3 ， 水灰 比 0 4 3 ， 砂率 4 8 ， 钢纤 维 体积掺量采 用 0 、 0 6 、 0 9 、 1 2 四个水 平 ， 后 三个水平再复掺硅灰 0 、 3 、 6 、 9 、 1 2 ， 共 1 6组 配合比， 硅灰采用内掺法 。 水泥 ： P 0 4 2 5级普通硅酸盐水泥 ，性能指标 见 表 1 。 表 1 水 泥的各 项性 能指标 细集料 ： 岳 阳洞庭 湖黄砂 ， 细度模数 2 7， 表观 密度 2 6 9 0 k m3 。 基金项 目： 交通运输部 应用基础研究项 目( 2 0 1 3 3 1 9 8 1 4 0 6 0 ) 。 粗集料 ： 重庆产粒径 5 - 2 0 m m的天然碎石 。 表观 密度 2 6 7 2 k g m 。 ， 压碎指标 7 5 。 减水剂 ： 聚羧酸系高效减水剂 。 一 5 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 7期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 1期 硅灰 ： 烧失量 3 ， 比表面积 2 2 0 0 0 mV k g ， 活性指 数 为 l l 8 。 钢纤维 ： 冷拔钢丝切断型钢纤 维 ， 长 3 0 m m， 长 径 比 6 O ， 抗拉强度 9 8 0 MP a 。 水 ： 自来水。 1 2 试验 方法 ( 1 ) 混凝土强度试验 ： 通过 添加 减水剂控制每 组混凝 土坍落度 8 0 l O O m m。钢纤维硅灰混凝土配 合 比中 ， 当硅灰掺量分别 为 3 、 6 、 9 、 1 2 时 ， 对 应减水剂掺量为 0 - 3 、 0 6 、 0 8 、 1 0 ； 按照 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝土力学性能试验方法标准 进行立方体抗压试验 、 劈裂抗拉试验及抗折试验。 ( 2 ) 利用 v s o r b 2 O O 8 p比表面积及孔径分析仪 测试试件孔结构与孑 L 径分布情况 ，吸附质为氮气 ， 样 品取 自标准养护 2 8 d立方体抗压试验 的试块 ， 用 镊 子 挑选 混 凝 土 中心位 置 水 泥石 除去 试 样表 面 的 沙粒 及 其他 杂 质后 放 入无 水 乙醇 直 浸 泡 7 d以 中止 其水化反应 ，然后放人真空干燥箱内 3 5 烘干 ， 烘 干后放人干燥箱待测 ， 待样品冷却至室温后放入分 析仪测试。 2试验 结 果与分 析 2 1 抗 压 强度 表 2为各配合 比混凝土 2 8 d强度试验结果 ， 表 2显示 ： ( 1 ) 相 比于普通混凝土 ， 仅掺 人钢纤维的混凝 土试 件抗 压强 度较 大 。当钢纤 维 的体 积 掺量 为 0 6 、 0 9 、 1 2 时 。其 强度分别是普通混凝土 的 表 2 2 8 d 强 度试验结果汇总 一 5 6 1 2 7 、 1 2 6 、 1 2 7倍 ，这表 明钢 纤 维掺 量 的极值 在 0 6 附近 。因钢 纤维具 有 良好 的增 韧 、 阻 裂效 果 ， 在 受到荷载作用下钢纤维能阻止裂缝 的展开 ， 使得混 凝土仍然保持一定 的强度 ， 提高 了混凝土 的承载能 力 但当钢纤维掺量超过一定值时会结 团并形成较 大的空隙 。 使混凝土强度提高效果不明显 ， 甚 至使 混凝土强度小幅降低。 ( 2 ) 比较 0 6 钢纤维掺量且复掺硅灰 3 、 6 、 9 、 1 2 的混凝 土抗 压 强 度 可知 ，钢 纤 维 硅灰 混凝 土抗压强度随着硅灰掺量增加而逐渐增强 ； 比较另 外两组抗压强度亦随着硅灰掺量增加而增强。这表 明钢纤维混凝土复掺硅灰 ， 其抗压能力可进一步提 高 。这是因为硅灰均匀分布于混凝土水化产物中 ， 具有 良好的微填充效应 ，使钢纤 维混凝土结构密 实 ， 进而显著提高 了抗压强度 引 。 2 2 劈 裂抗 拉强 度 由表 2中各 配合 比混凝土 2 8 d劈 裂抗拉试验 结果 可 知 ： ( 1 ) 相 比普通混凝 土 ， 仅掺入 钢纤维 的混凝 土 劈 裂抗 拉强度 有 显著 的提 升 。钢 纤维 掺 量为 0 6 、 0 9 、 1 2 的 劈 裂 抗 拉 强 度 分 别 为 4 2 4 MP a 、 4 3 7 MP a 、 4 3 4 MP a 相 比普通混凝土提升了混凝土 抗拉性能 1 9 4 、 2 3 1 、 2 2 3 。这表明钢纤维使混 凝土抗拉性能提高了，但 当钢纤维掺量为 1 2 时 ， 钢纤维较多 混凝 土成 型时不易密实 ， 导致混凝 土 抗拉强度有小幅度下降。 ( 2 ) 钢纤维掺量为 0 6 且复掺硅灰 0 、 3 、 6 、 9 、 1 2 试件的劈裂抗拉强度 为 4 2 4 MP a 、 4 3 3 MP a 、 4 5 7 MP a 、 5 1 0 MP a 、 5 2 7 MP a 。比较 另 外两 组 ， 钢纤 维 硅灰增强混凝土劈裂抗拉强度亦随着硅灰掺量增 加而逐渐提高。这表明钢纤维混凝土复掺硅灰 ， 抗 拉性能得到进一步提高。 2 - 3 抗折 强度 由表 2抗折强度试验结果可知 ： ( 1 ) 钢 纤维 的掺 入 可 明显 改 善 混凝 土 的抗 拉性 能 ， 随着钢纤维掺量的提高 ， 钢纤维混凝 土抗 折强 度也随之提高 ， 当钢纤维掺量为 1 2 时 ， 抗折强度 为 6 3 8 MP a ， 相比普通混凝土提高 3 1 4 。因钢纤维 在混 凝 土 中 主要 作 用 是 阻 碍 混 凝 土 内部 微 裂 缝 的 扩 展 和 阻滞宏 观 裂 缝 的发 生 ，尤 其 是 增韧 和 阻裂 ， 限制裂缝的开展 ， 从而提高混凝土的抗拉性能 。 ( 2 ) 当钢纤维掺量 为 0 6 ， 且复掺硅 灰 0 、 3 、 6 、 9 、 1 2 时试件 抗 折强 度 为 5 6 MP a 、 6 2 MP a 、 6 8 7 MP a 、 7 0 2 MP a 、 7 4 8 MP a 。 另外 两 组 同样 表 现 为 抗折强度 随着硅灰掺量增加而呈现增强的趋势 ， 这 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 向 超 ， 梅迎军 硅灰对钢纤维混凝土力学性能及结构特征的影 响 表 明钢纤维混凝 土的抗 折强度随着硅灰掺量 的增 加而显著提高。 2 4 抗折强度数据分析 前述可知 ， 混凝土 2 8 d抗折强度随钢纤维 的掺 量的增加而提高 ， 硅灰掺量的变化也会引起钢纤维 混凝 土 2 8 d抗折 强度 的变 化 。建立 混凝 土 2 8 d抗 折 强度与钢纤维 、 硅灰掺量之间 的定量关系 采用二 元二次线性 回归分析来得到 回归方程进而 预测混 凝土 2 8 d抗折强度随钢纤维 、 硅灰掺量变化而增减 趋势 。数据收集计算后回归方程参数见表 3 。 表 3回归方程参数 由表 3可 知混 凝 土 2 8 d抗 折 强 度 与钢 纤 维 、 硅 灰之间的定量关系 ， 回归分析显著性为 O 0 5的 F检 验结果显示 ： P值均小于 0 0 5 。这表明 回归方程成 立 。 相关性 值接近 1又表明混凝土 2 8 d抗折强度 与钢纤维、 硅灰掺量的相关性 比较显著 。回归方程 通过插值拟合法绘制三维平滑 曲面见图 1 图 1 可 直观显示 复掺硅灰后钢纤维混凝土 2 8 d抗折强度 的增减趋势。 罨 赵 憩 辖 磊 图 l 复 掺硅 灰对 钢 纤 维 混 凝 土 2 8 d抗 折 强 度 增 减 趋 势 图 2 5 微观 孔结 构特 征 根据孔径 大小对混凝土强度 的不 同影响可 以 将混凝土中的孔径分类为无害孔( 孑 L 径 2 0 0 n m) ， 再 根据 经 济效 益 和 混凝 土 力学性能综合考虑7 1 选用钢纤维掺量 为 0 9 作为 样品测试组 比表面积及孔径分析测试结果见表 4 。 测试结果显示 ： 在钢纤维混凝土 中复掺硅灰 的无害 孑 L 和少害孔 比例随着硅灰掺量 的增加而逐渐提高 ， 总孔体积亦随之减少 ，复掺硅灰 3 、 6 、 9 、 1 2 钢纤 维混凝土无 害孔和少 害孔 的比例 为 6 3 1 8 、 6 9 3 2 、 7 3 6 4 、 7 6 4 4 。 而复掺硅灰的多害孔 比例 远少于仅掺钢纤维的比例。这表明硅灰 的掺人改善 了钢纤维混凝土的孑 L 隙结构 ， 细化 了钢纤维混凝土 内部空 隙嘲 。 表 4 混凝 土孔 径分布情 况 3结 论 ( 1 ) 钢纤 维 混凝 土 随 着 硅 灰 掺 量 的增 加 ， 其 抗 压强度 、 劈裂抗拉强度及抗折强度显著提高。 ( 2 ) 建立 了钢纤维混凝土 2 8 d抗 折强度与钢纤 维 、 硅灰掺量之 间的定量关系 并 预测 了硅灰对 钢 纤维混凝土 2 8 d抗折强度的影响趋势。 ( 3 ) 硅灰改 善钢纤维混凝土孔 隙结构 ， 使其 孑 L 隙结构细化 ， 使混凝 土更加密实 。 对提升钢纤 维混 凝 土强度具有显著作用。 参考文献 ： 1 】 王艳 一般大气环境 多因素作 用下钢纤 维混凝土耐久性研 究 D 1 西安： 西安建筑科技大学， 2 0 1 1 2 汪发红，史红瑁 C 7 0新型增密硅灰高强混凝 土性能研究 J 1 混凝土， 2 0 1 3 ( 8 ) ： 1 0 0 1 0 1 ， 1 0 9 【 3 张海洋， 郭 军， 张旭 慧， 等 粉煤 灰和硅粉对高性能 混凝 土抗 压强度的影响 J 】 中外公路， 2 0 1 4 ， 3 4 ( 3 ) ： 3 1 2 3 1 5 4 韦金 峰， 黄 真 混合 纤维混凝 土力学性能试 验研究 【 J 】 混凝 土 2 0 1 0 ( 3 ) ： 6 7 - 7 0 【 5 】 郑智军 ， 赵 吉元 钢纤维 混凝土 路面 的抗折强 度与钢纤 维 掺量的关系【 J 】 公路交通技术， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 2 4 2 5 6 】 王立成， 王海涛， 刘汉勇 钢纤维 轻骨料混凝 土抗 冲击性 能 试 验研 究与统计分析 J 大 连理 工大学学报， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 5 5 7 5 6 3 【 7 】 吴波， 梁悦欢 高温下 混凝土 和钢筋强度 的统计分 析 J 自 然灾害学报， 2 0 1 0 ， 1 9 ( 1 ) ： 1 3 6 1 4 2 【 8 郑克 仁， 蔡 峰 良， 周锡 玲 基 于氮 吸 附的水泥 一 沥青 复合硬 化体孔结构 分析 J 武汉理工大学学报， 2 0 1 3 ， 3 5 ( 2 ) ： 1 5 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 3 1 8 作者简介 ： 向超 ( 1 9 8 7 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 。 通讯地址 ： 重庆交通 大学 土木 建筑 学院 联系电话 ： 1 3 5 2 7 5 1 5 2 6 0 E -ma i l ： 2 7 4 O 4 31 0 5q q c o m 一 57 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m