自密实混凝土(self-compacting concrete,SCC)又称自流平混凝土或免振捣混凝土^[1] 。它是指不需要外加振捣完全依靠重力作用就能充满模板的每一个角落,达到充分密实,且能够保持不离析、不泌水和匀质性的优质混凝土^[2] 。为了达到更好的抗拉、抗渗和抗裂性能,可向SCC基体中掺加纤维,这就出现了纤维自密实混凝土,钢纤维自密实混凝土即为其中的一种,它能够利用纤维的力学性能,从而扩展自密实混凝土的应用范围。钢纤维自密实混凝土在一些国家的实际工程中被大量应用^[3] 。典型的实例有:美国西雅图双联广场、法国的诺尼桥等著名工程^[4,5] 。

近年来,国内外许多学者通过试验研究自密实混凝土的工作性能及力学性能,刘思国等^[6] 综合使用坍落流动度、J-Ring,L-Box和U-Box 4种工作度试验方法,较为全面地评价了纤维自密实混凝土的流动性能、钢筋间距通过性能、自流平能力和抗离析性能。刘运华等^[7] 总结了已有的对自密实混凝土研究成果,分析了自密实混凝土的流变特性、硬化后的性能及其微观结构特征。陶津等^[8] 通过试验分析磨细矿渣含量、胶凝材料总量、砂率、减水剂掺量对自密实混凝土流动性和强度的影响,配制了高工作性能和力学性能的自密实混凝土。

普通混凝土工作性能已有大量研究报道,但对于新型材料纤维自密实混凝土工作性能及抗压强度的研究比较少。本文研究了钢纤维自密实混凝土的配制及搅拌方法,通过坍落流动度试验、J-环试验测试了钢纤维自密实混凝土的工作性能,在满足自密实混凝土工作性能指标要求的基础上,进一步研究了不同钢纤维掺量对28d自密实混凝土立方体抗压强度的影响,可为钢纤维自密实混凝土在实际工程中的应用提供一定的参考。

水泥为普通硅酸盐水泥(P·O42.5),具体性质如表1所示;粗骨料采用搅拌站的粉碎型碎石,最大粒径不超过20mm,针片状骨料含量<10%,空隙率<40%;砂子采用级配合格、含泥量<1%本地区河砂;活性掺和料采用一级粉煤灰;减水剂为聚羧酸高效减水剂,减水率在20%以上;钢纤维采用弓字切断型,长度为35mm,直径为0.8mm。

钢纤维自密实混凝土配合比设计方法比普通混凝土更为复杂,且对工作性能要求较高,必须采用严格的技术方法,对自密实混凝土进行准确设计,确定各组成材料的合理比例^[9] 。本文试验配合比设计采用固定砂石体积含量方法^[10] ,经过多次计算及试配,最终确定本试验钢纤维自密实混凝土的配合比如表2所示。

钢纤维自密实混凝土中由于钢纤维的掺入,特别是钢纤维掺量较大时,若搅拌过程中控制不当,就会影响钢纤维的分散性,出现钢纤维抱团成球的现象。试验采用了30L的强制式搅拌机,具体搅拌过程如下:(1)将细骨料、水泥和粉煤灰投入搅拌机内大约拌制30s;(2)加入粗骨料和水搅拌1min以上;(3)将减水剂均匀倒入,并搅拌1min;(4)最后将钢纤维撒入拌合物中继续搅拌3min左右后出料。

新拌自密实混凝土的流变性能随时间而变化,传统的静态方法(如坍落度试验)无法描述其动态特性及流变性能(如黏度以及钢纤维混凝土流经钢筋时的阻塞情况),本文采用坍落流动度试验、J-环试验综合评价钢纤维自密实混凝土拌合物的工作性能。

在坍落流动度试验中,主要仪器有坍落度筒、硬质不吸水的光滑正方形平板(边长为1 000mm,最大挠度<3mm,在平板表面标出坍落度筒的中心位置和直径分别为500,600,700,800,900mm的同心圆)、铲子、钢尺、秒表等。试验步骤^[11] 为:润湿底板和坍落度筒,底板放在坚实的水平地面上,把坍落度筒放在标出的底板中心,用脚踩住两边的脚踏板准备装料。在装料时,每次用铲子加入量应为筒体的1/3,中间间隔30s,不用振捣。加满后用抹刀抹平,清除盘底多余混凝土。然后垂直平稳地提起坍落度筒(此过程应在5s内完成),使混凝土自由流出。从开始装料到提起坍落度筒开始立即用秒表记录时间,直到混凝土扩展至500mm圆圈为止,这个时间为T500流动时间,此方法可用以评价拌合物的黏度。拌合物停止流动后,测出拌合物的最大扩展直径D₁及与之垂直的直径D₂,计算平均值,即为坍落扩展度。评价钢纤维自密实混凝土拌合物的填充性能和自流平性能^[6] 。

在J-环试验中,主要仪器有:J环仪、坍落度筒、硬质不吸水平板。首先将平板放在坚实的水平地面上,用水润湿坍落度筒及底板,并保证坍落度筒内壁及底板上无明水,将坍落度筒放在J-环中央并一起置于平板的中心位置,具体操作步骤同坍落流动度试验。最后用钢尺测量混凝土扩展后相互垂直方向上的两个最终直径并计算平均值,从不同的方向测量J-环内外混凝土的高度并作差。以此评价钢纤维自密实混凝土拌合物流经钢筋的间隙通过性^[12] 。

钢纤维自密实混凝土的抗压强度试验采用边长100mm的立方体试块,试件的制作及试验按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081—2002进行,测试掺钢纤维的自密实混凝土28d的抗压强度(所有值均由原始值乘以0.95所得)。

由表3可以得到,混凝土强度等级相同时,随着钢纤维掺量的增加,其T500流出时间也增加,说明钢纤维的掺入,影响了自密实混凝土的黏度,降低了其流动性。钢纤维掺量为0.6%时,强度等级为C30,C50的混凝土,比不掺纤维的基准组T500流出时间均提高1s,而强度等级为C40的混凝土,比基准组T500流出时间提高2s。说明强度等级过高或过低,钢纤维对黏度的影响不明显,此时水灰比对其影响起主导作用。

由图1可以看出,随着钢纤维掺量的增加,强度等级为C30,C40,C50混凝土坍落扩展度均近似呈线性下降趋势,下降幅度分别为7.8%,7.3%,7.1%。说明钢纤维的掺入降低了自密实混凝土的填充性能及自流平性能。基体强度越低,钢纤维掺量对其性能影响越明显。

由表3、图1还可以发现,当纤维掺量一定时,随着基体强度的增加,T500流动时间增加,坍落扩展度呈下降趋势。因为混凝土强度等级越高,水灰比越小,从而使得混凝土的流动性越低。

由图2可以看出,混凝土强度等级相同时,J-环试验测得值随钢纤维掺量的增加而增大,其增量随混凝土强度等级的增加而减小,按强度等级的增加其增幅分别为25%,14%,6.7%。说明钢纤维的掺入降低了自密实混凝土拌合物的间隙通过性能,自密实混凝土强度越低,钢纤维掺量对其性能影响越明显。这是由于钢纤维的掺入改变了新拌自密实混凝土的流变学性能,增加了流动时的内应力,流经受限制截面时甚至导致流动堵塞^[6] 。

由图2还可以得到,钢纤维掺量一定时,混凝土强度等级越低,J-环试验值越大,主要原因是混凝土强度等级越高,水灰比越小,从而使得混凝土拌合物的间隙通过性能越差。

从以上分析可以看出,钢纤维的掺入的确降低了自密实混凝土的工作性能,且掺量越高,工作性能越差。但是,通过分析数据可以得到,在坍落流动度试验中,虽纤维掺量为0.6%的C50混凝土的工作性能最差,但其坍落扩展度及T500流动时间均符合自密实混凝土指标要求。同样,J-环试验中,最大内外差为8mm,也在自密实混凝土工作性能指标要求之内。所以,试验所配制的钢纤维自密实混凝土具有优良的工作性能,满足工程施工要求。

钢纤维掺量对试件最终破坏形态影响较大,普通自密实混凝土在受压破坏时表现出的是先开裂再沿裂缝坍落、破碎的现象,但钢纤维自密实混凝土在受压破坏时因为有钢纤维的桥接作用,最后的破坏形态是裂而不散,混凝土受压破坏特征:(1)钢纤维掺量0产生不规则的竖向裂缝,并贯穿试件,受压面被压碎,如图3a所示;(2)钢纤维掺量0.2%

侧面出现明显45°斜裂缝,混凝土沿其裂缝剥落,如图3b所示;(3)钢纤维掺量0.4%侧面有轻微45°斜裂缝,混凝土无明显剥落,如图3c所示;(4)钢纤维掺量0.6%无明显的45°斜裂缝剪切破坏面,破坏后试件仍有较好的整体性,如图3d所示。

由表4可知,同一强度等级混凝土中随着钢纤维掺量的增大,试件的抗压强度均有小幅增加,这主要是因为钢纤维掺量越大,钢纤维和混凝土基体的拉接作用就越强,在受压时抵抗横向膨胀的作用也越强,最终使得抗压强度有相应地增加。

由表4还可以看出,纤维掺量为0.2%时,按混凝土强度等级增大,其抗压强度较基准混凝土增幅分别为0.6%,1.3%,1.6%。说明钢纤维掺量的大小对高强度混凝土的影响大于低强度混凝土,这是因为钢纤维对混凝土抗压强度的影响主要取决于钢纤维-水泥及界面黏结状态和界面黏结强度。钢纤维的掺入一方面约束了在受压过程中混凝土的横向膨胀,推迟了破坏过程,对提高抗压强度是有益的^[10] ,另一方面如果混凝土基体强度本身比较低,掺入钢纤维后,使得界面薄弱层增多,钢纤维掺量越大,薄弱层就越多,试件受压时,首先在薄弱界面处引起破坏,导致钢纤维自密实混凝土的强度不能提高,如果混凝土强度本身比较高,那么界面区也会得到强化,抗压强度就会随钢纤维掺量的增加而提高。C30自密实混凝土和C50自密实混凝土相比较,它的基体抗压强度弱,所以试验结果是钢纤维对C50自密实混凝土抗压强度的影响要比C30更明显。

1)钢纤维的掺入能够降低自密实混凝土的工作性能,但选取合理的试验配合比及正确的搅拌方法,同样能够配制出满足施工要求的钢纤维自密实混凝土。坍落流动性试验中,混凝土强度的等级较钢纤维掺量对黏度的影响不明显,此时,水灰比对其性能影响起主导作用。但就其填充性能及自流平性能而言,混凝土强度越低,纤维掺量对其性能影响越明显。J-环试验中,钢纤维的掺入降低了自密实混凝土的间隙通过性能,混凝土强度等级越低,掺量影响越明显。

2)钢纤维的掺入虽然对自密实混凝土的抗压强度影响不大,但还是可以看出由于钢纤维的掺入,混凝土立方体抗压强度会有小幅增长,而且这种增长会随钢纤维掺量的增加而增加。

3)钢纤维对不同强度等级混凝土的影响效果不同,在钢纤维掺量相同的条件下高强度混凝土比低强度混凝土抗压强度增加的幅度要大,即钢纤维对高强度混凝土抗压强度的提高作用优于低强度混凝土。