钢纤维活性粉末混凝土构件的抗裂性能分析

江莉 韩坤 王建宽 刘太康 指导老师：高英

基金项目：山东协和学院实验室开放项目“活性粉末混凝土异形柱耐火性能试验研究（2021SYKF55）

摘要：活性粉末混凝土是通过优化颗粒级配、密实堆积原理配制和高温蒸汽养护制备，具有超高的力学性能、耐久性及整体性、可模性好等优势的新型水泥基复合材料。但是混凝土作为建筑材料，其易脆断、抗裂性能差给实际混凝土工程带来了诸多麻烦。目前，国内外研究者主要专注于如何提高ＲＰＣ基本力学性能，对如何提高ＲＰＣ的抗裂性能的研究还比较少。

关键词：活性粉末混凝土；钢纤维；抗裂性能

引言

混凝土具有抗压强度高、可塑性好和价格低廉等优点，是土木工程建设中广泛应用的工程材料。但混凝土也存在抗拉强度低、韧性低、易开裂等问题，影响其结构的耐久性和安全性。混凝土的宏观性能与微观结构息息相关，可以通过改善材料的微观结构进而增强其宏观性能。研究发现，纳米级纤维可在微观层面改善水泥基材料的微缺陷和裂缝，进而提高材料的韧性。

1实验

1.1材料

水泥为海螺牌P∙Ⅱ52.5硅酸盐水泥，水泥的化学组成如表1所示。MWCNTs采用中科院成都有机化学有限公司生产的多壁碳纳米管浆料，是一种含有MWCNTs的水性分散液，由88%(质量分数)的去离子水、10%的MWCNTs和2%的分散剂TNWDIS组成。MWCNTs的纯度大于95%，外径为30~80nm，长度为5~10μm，比表面积大于60m2/g，透射电子显微镜照片如图1。碳纳米管分散剂TNWDIS是一种不含APEO，含有芳香基团的非离子表面活性剂液体，活性物质含量100%。细骨料采用天然河砂，细度模数为2.6。粗骨料(5~16mm)采用连续级配的石灰岩碎石。试验用水为自来水。

表1水泥的化学组成

(a)Beforethedispersion

图1MWCNTs的透射电镜照片Fig.1TEMimagesofMWCNTs

1.2　配合比设计

本文配合比设计采用《自密实混凝土应用技术规程》中的绝对体积法，并结合国外自密实混凝土配合比设计方法，先确定固定砂石体积含量，用水量使用全计算法中用水量计算公式，将传统的水胶比定则与砂浆浆体体积联系起来，对自密实混凝土的基准配合比的各项参数定量计算，然后通过试拌确定Ｃ６０钢纤维自密实混凝土配合比，详见表４编号ＦＳＣＣ６０组，其中钢纤维体积掺配率为０．３％．矿物掺合料体积掺量为胶凝材料总量的３０％，粉煤灰和矿渣粉以１∶１的比例进行掺配，聚羧酸高效减水剂掺量为０．４０％．

1.3试验方法

实验拟配置抗压强度为C25的干硬性混凝土，实验室制备试件的过程如下：首先将粗细骨料和水泥在搅拌机中搅拌5min，加入合适量的水搅拌5min；然后在加入减水剂搅拌2min，将混合好的料放在实验机上边的模具上，用实验机压制振动成型。将压制好的试块在养护室养护到不同的龄期后，用取芯机在预制块上取芯，试件的尺寸为：底面直径为100mm，高为100mm的圆柱体。然后在1000kN电液式压力试验机上做抗压实验，加载时采用应力控制，应力控制取0.2MPa/s。每组做三个试样，以三个试块抗压强度均值作为该组实验结果，若其中最大或最小值与中值的差大于中值的15%，则取中间值作为混凝土抗压强度值，若最大值、最小值两者和中值差距大于中值的15%，则该值试验无效，重新试验。

2结果

2.1机制砂掺率对抗滑性能的影响

本研究测试了机制砂掺率对混凝土抗滑性能和强度的影响关系。随着机制砂取代河砂掺量的提升，混凝土强度升高但BPN值逐渐下降。说明机制砂试件的抗滑性能低于河砂，这主要是因为机制砂中的石粉会产生辊珠效应。石粉在混凝土内部起到改善流变性能的作用，在混凝土表面时则会产生微滚动作用降低混凝土表面摩擦力。100%机制砂，50%机制砂+50%河砂、100%河砂表面纹理放大30倍后的微观构造图，可以看出机制砂试件表面有较多浮浆，机制砂与河砂复掺试件浮浆较少并且可以观察到部分细骨料纹理，河砂试件可以清晰看到内部砂浆纹理。混凝土表面纹理随着机制砂掺率的增加而趋于光滑，这主要是因为机制砂塑性黏度低于河砂，容易产生微离析现象。

2.2低温抗裂性能

直接压缩拉伸Braham等设计了寒冷地区28种沥青混合料，研究了集料种类、试验温度、沥青用量和空隙率等4个参数对直接压缩拉伸试验断裂能试验结果的影响，研究结果表明，断裂能对温度具有敏感性，当试验温度为低温等级+22℃时，断裂能对沥青用量、集料类型和试验温度敏感，且随着沥青用量的增加，呈现先增后减的趋势;但当试验温度为低温等级－2℃和低温等级+10℃时，断裂能对沥青用量和空隙率不敏感。1)试验温度对断裂能的影响显著，当试验温度在低温等级以上时，随着试验温度的增加，断裂能增加，且增加的幅度与胶结料、空隙率相关;2)随着空隙率增加，断裂能显著增加;3)多数混合料老化后，断裂能变化很小，其研究采用的9种沥青混合料中，仅SBS+PPA复合改性沥青混合料和普通沥青混合料断裂能变化较大，其中SBS+PPA复合改性沥青混合料长期老化后断裂能降低了26．5%。

2.3石粉含量对抗滑性能的影响

随着石粉掺量的升高，混凝土表面浮浆层逐渐增厚。同时抗滑性能随着石粉含量的增加不断下降。当石粉掺率为20%时BPN值仅为20，相比掺率3.6%时下降1/3。过量的石粉不仅会造成级配紊乱，影响混凝土的综合性能;还会上浮至混凝土表层，削弱砂浆本身的微观结构。试验结果证明现行规范《公路水泥混凝土路面施工技术细则》(JTG/TF30—2014)要求石粉含量最高不超过5%～7%是合理的。当石粉含量由7%增加至10%时，BPN值下降14.3%。

3结论

（１）钢纤维ＲＰＣ的劈裂抗拉强度破坏形态与普通混凝土试件全部散碎不同，钢纤维可以改善ＲＰＣ破坏特征，具有阻裂作用。（２）钢纤维可以起到桥接裂缝、阻碍裂缝发展的作用；在一定范围内，随钢纤维掺量的增加，抗拉强度提高，但钢纤维掺量过高，抗拉强度不但不增加，反而有下降的趋势。（３）未掺钢纤维无腹筋ＲＰＣ简支梁的破坏形态与普通混凝土相似，一旦出现斜裂缝，裂缝宽度迅速发展，开裂荷载与极限荷载相近，表现为斜拉破坏；掺入一定量钢纤维的ＲＰＣ简支梁出现斜裂缝后，裂缝宽度发展较为缓慢，破坏时，斜裂缝分布均匀，开裂荷载和极限荷载相差甚远，表现为剪压破坏。

结束语

通过对混凝土微结构的观测发现，MWCNTs在混凝土内具有一定的桥接作用。MWCNTs能和水泥水化产物很好的结合在一起，桥接混凝土里的微裂缝和改善骨料界面过渡区，在微裂缝间形成一定的黏连结构，延缓微裂缝的扩展，进而改善混凝土的断裂性能。

参考文献

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