DOI： 10.11817/j.issn.1672-7207.2020.01.003

振动搅拌工艺制备轻质高强钢纤维混凝土

罗为,熊光启,熊晨晨,郑亚林,王冲

（重庆大学 材料科学与工程学院，重庆，400030）

摘要:通过一种新型的振动搅拌方式制备轻质高强钢纤维混凝土(SFHSLC)，设置5组钢纤维体积掺量，并与普通强制搅拌方式对比，探讨不同搅拌方式对SFHSLC坍落度、干表观密度、抗压强度、劈裂抗拉强度和弯曲韧性的影响。研究结果表明：与普通搅拌相比，振动搅拌下纤维混凝土坍落度增加10 mm以上，混凝土干表观密度增加明显；钢纤维掺量从0增加至2.0%时，普通搅拌制备的SFHSLC抗压强度在纤维掺量为1.0%时达到最大，而振动搅拌制备的SFHSLC抗压强度随纤维掺量增加持续增长；2种搅拌方式制备的SFHSLC劈裂抗拉强度都随纤维掺量增加而提高，但不同掺量条件下的劈裂抗拉强度都是振动搅拌比普通搅拌的大。在相同钢纤维掺量下，振动搅拌可以明显提高SFHSLC的抗弯强度和裂后韧性。振动搅拌方式可以改善钢纤维的分布状况，比普通搅拌更适合用于SFHSLC的制备。

关键词:振动搅拌工艺；轻质高强钢纤维混凝土；弯曲韧性；纤维分散

中图分类号:TU528.572          文献标志码:A

文章编号:1672-7207（2020）01-0014-09

Preparation of steel fiber reinforced high strength lightweight concrete using vibration mixing technology

LUO　Wei, XIONG　Guangqi, XIONG　Chenchen, ZHENG　Yalin, WANG　Chong

(School of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China)

Abstract: A new type of vibration mixing method was used to prepare steel fiber reinforced high strength lightweight concrete(SFHSLC), and five groups of steel fiber contents were considered. Compared with ordinary mixing method, the effects of different mixing method on slump, dry density, compressive strength, splitting tensile strength and flexural toughness of SFHSLC were investigated. The results show that compared with the ordinary mixing, the slump of the fiber concrete is increased by more than 10 mm during vibration and the dry density of the concrete is increased significantly; when the steel fiber content is increased from 0 to 2.0%, the compressive strength of SFHSLC prepared with ordinary mixing reaches the maximum with a fiber content of 1.0% while the compressive strength of SFHSLC prepared by vibration mixing continues to increase with the increase of fiber content. The splitting tensile strength of SFHSLC prepared by the two mixing methods both increase with the increase of fiber content. However, the splitting tensile strength prepared with vibration mixing is higher at each fiber content. At the same steel fiber content, vibration mixing significantly improves the flexuralstrength and post-cracking toughness of SFHSLC. The vibration mixing method improves the distribution of steel fiber, which is more suitable for the preparation of SFHSLC than ordinary mixing.

Key words: vibration mixing technology; steel fiber reinforced high strength lightweight concrete; flexural toughness; fiber dispersion

现代建筑逐渐向高层化、轻量化、大跨化方向发展，轻质高强混凝土(HSLC)在满足结构要求的同时，大幅降低了自重，已被广泛应用于土木工程中。它同时也具备优异的隔热、吸声、防火和抗冻等性能^[1]。但是由于HSLC的高脆性，即在达到峰值荷载后会突然毫无征兆的断裂，限制了它的大规模工程应用。在HSLC中加入纤维是一种有效的增韧阻裂方法，一直是国内外学者的研究热点。IQBAL等^[2]发现，在自密实轻质高强混凝土中掺入一定量的钢纤维，可以有效地提高劈裂抗拉强度和弯曲强度，并且能产生应变强化行为。GAO等^[3]研究发现，相比于不掺纤维的HSLC，钢纤维体积分数在1.0%以上的SFHSLC劈裂抗拉强度有较为显著的提升。然而，WANG等^[4]发现钢纤维掺量从1.5%增加至2.0%时，SFHSLC的劈裂抗拉强度提升幅度并不大。此外，HUANG等^[5]的研究也表明，当钢纤维掺量从1.5%增加至2.0%时，抗压强度反而下降。SOUFEIANI等^[6]指出，当钢纤维掺量超过1.5%时，会出现纤维成团现象，很难通过搅拌使钢纤维分散均匀。BOULEKBACHE等^[7]指出钢纤维的分布和取向对抗弯强度有显著影响，当钢纤维沿着拉应力方向定向分布时，抗弯强度大幅提升，同时能提高混凝土的工作性。MUDADU等^[8]也表示钢纤维的分布和取向是混凝土裂后性能的主要影响因素。因此，为了充分发挥高掺量钢纤维的增韧效果，必须保证钢纤维在搅拌过程中能分散均匀，取向合理。然而，传统的强制式搅拌存在速度梯度区和低效搅拌区^[9]，不能满足高钢纤维掺量下新拌混凝土各组分的分散均匀性。振动搅拌工艺具有优异的物料分散性能，引起了广泛的关注，在一定程度上弥补了传统强制搅拌方式的不足。张良奇^[10]等研究表明，振动搅拌工艺可以借助振动作用打破部分水泥的团聚，使其分散更加均匀，同时还可以改善混凝土的微观结构。闫绍杰等^[11]通过振动搅拌制备大流动性混凝土，发现振动搅拌可以在不降低流动性的情况下改善离析泌水的现象，从而提高混凝土的工作性。王博^[12]通过试验得出与普通强制搅拌相比，振动搅拌可以明显改善水泥石与骨料界面结合处的微观形态，同时改善孔结构，从而提升混凝土的强度以及耐久性。黄天勇等^[13]用一种新型的气动振动搅拌装置也得到了类似的结论。目前，振动搅拌工艺已广泛应用于水泥稳定碎石^[14]、沥青砂浆^[15]和再生混凝土^[16]，但利用振动搅拌工艺制备SFHSLC的研究尚未见报道。本文作者利用振动搅拌工艺制备SFHSLC，设置5种钢纤维掺量，通过与普通强制搅拌工艺对比，系统分析不同搅拌方式对SFHSLC的流动性、干表观密度、抗压强度、劈裂抗拉强度和弯曲韧性的影响。

1 原材料及试验方法

1.1　原材料及其配合比

胶凝材料采用重庆富皇公司生产的P.O 42.5 R水泥和成都亮鉴新材料公司生产的硅灰，水泥化学组成和硅灰性能分别见表1和表2；细集料采用机制砂和陶砂，细度模数分别为2.9和2.1，按体积比9:1复掺；粗集料为湖北宜昌光大陶粒公司生产的碎石型陶粒，筒压强度为6.5 MPa；钢纤维性能见表3；外加剂采用天津冶建公司生产的聚羧酸母液，含固量为41%。

表1　水泥的化学组成(质量分数)

Table 1　Chemical composition of cement       %

为对比不同搅拌方式对SFHSLC性能的影响，设置0，0.5%，1.0%，1.5%和2.0% 5个钢纤维体积掺量， P0~P20代表普通强制式搅拌方式，Z0~Z20代表振动搅拌方式，具体配合比见表4。其中，减水剂按胶凝材料质量分数掺加，钢纤维掺量按混凝土体积分数计，用φ_f表示。

1.2　振动搅拌设备

试验使用的德通许昌双卧轴振动搅拌机的参数见表5，利用搅拌轴和搅拌叶片作为振动活化源，搅拌叶片的排列形式与传统双卧轴搅拌机一样，具有涡旋搅拌特征^[17]。物料在搅拌轴和搅拌叶片的振动和强制搅拌下，很快实现均匀拌和。该装置的最大特点是：搅拌机构与激振器一体化设计，搅拌叶片边搅拌边振动，作用面积和空间大, 振动能量分布均匀，只需较小的振动强度就能达到较好的搅拌效果^[18]。对混凝土拌合物进行振动搅拌，可以使物料颗粒处于颤振状态，物料间的内摩擦力大大降低，便于水泥颗粒分散^[19]。

表2　硅灰的性能

Table 2　Performance of silica fume

表3　钢纤维性能

Table 3　Performance of steel fiber

表4　SFHSLC配合比

Table 4　Mix proportion of SFHSLC

1.3　成型工艺

成型试验分别在搅拌机振动搅拌和普通搅拌2种方式下进行。首先，将水泥、硅灰、粗细集料投入搅拌机中干拌30 s，然后将钢纤维均匀撒入，最后加入水和外加剂继续搅拌90 s直至得到均匀拌合物。卸料后，每组取10 L拌合物进行坍落度测试，剩余浆料迅速入模振捣成型。所有试模置于常温养护1 d，脱模后试件储存在标准养护室内直至测试龄期。

表5　振动搅拌机参数

Table 5　Parameters of vibration mixer

1.4　试验测试方法

1.4.1　坍落度和干表观密度　

坍落度的测试依据GB/T 50080—2016“普通混凝土拌合物性能试验方法标准”进行。

干表观密度的测定依据JGJ51—2002“轻骨料混凝土技术规程”进行，取28 d龄期的长×宽×高为100 mm×100 mm×100 mm立方体试块置于干燥箱中(105 ± 5) ℃，烘至恒质量，用电子天平称量，排水法测定试件体积，计算得到干表观密度。

1.4.2　抗压强度和劈裂抗拉强度　

采用长×宽×高为100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，抗压强度和劈裂抗拉强度的测试依据GB/T 50081—2016“普通混凝土力学性能试验方法标准”进行。

1.4.3　抗弯性能　

采用长×宽×高为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件进行三点弯曲测试，试验依据JG/T 472—2015“钢纤维混凝土”进行。通过新三思CMT5305 (300 kN、精度为0.5级)万能试验机获取荷载-挠度曲线，测试跨度为300 mm，加载速度恒为0.2 mm/min，加载时间为15 min，数据采集工作由计算机完成。

图1　不同搅拌方式下SFHSLC的坍落度

Fig. 1　Slump of SFHSLC in different mixing methods

2 试验结果与讨论

主要的试验结果如表6所示。

表6　试验结果

Table 6　Test results

2.1　坍落度

不同搅拌方式下SFHSLC的坍落度如图1所示。从图1可知：随着钢纤维掺量的增加，SFHSLC的坍落度均呈下降趋势。这是由于钢纤维的掺入在混凝土中形成三维乱向分布体系，相互搭接形成空间网状结构，固定约束轻集料的同时，增大混凝土的黏聚性，以至于钢纤维掺量达1.5%时，坍落度均降为0。然而，当钢纤维掺量为0，0.5%和1.0%时，相比于普通搅拌方式，由振动搅拌方式制备的SFHSLC坍落度明显增大，增加值都在10 mm以上。这是由于振动作用使得混凝土基体各物料分散性增加的同时，在振动搅拌作用下纤维分散更容易趋于均匀^[20]，从而流动性增加。

图2　不同搅拌方式下SFHSLC的干表观密度

Fig. 2　Dry density of SFHSLC in different mixing methods

2.2　干表观密度

图2所示为不同搅拌方式下SFHSLC的干表观密度，随着钢纤维掺量增加，SFHSLC的干表观密度随之增加，但仍满足轻量化工程要求^[21]。同时在相同纤维掺量的配合比下，由振动搅拌方式制备的混凝土干表观密度均比普通强制搅拌的高，这反映出振动搅拌可增加物料分散的均匀性，进一步增大SFHSLC的密实度。

2.3　抗压强度

不同搅拌方式下的SFHSLC的28 d抗压强度如图3所示。从图3可知：当掺入钢纤维后，2种搅拌方式制备的SFHSLC抗压强度均有显著提高，在普通搅拌方式下，SFHSLC抗压强度首先随着钢纤维掺量的增加而提高，当纤维掺量为1.0%时达到最大值，当纤维掺量为1.5%和2.0%时，强度下降，这是由于掺量过高纤维出现团聚成球所致；而在振动搅拌方式下，当纤维掺量从0增加至2.0%时，混凝土抗压强度随着钢纤维掺量的提高而持续增加。

图3　不同搅拌方式下SFHSLC的28 d抗压强度

Fig. 3　28 d compressive strength of SFHSLC in different mixing methods

从图3还可以看出：相对于普通搅拌，振动搅拌制备的钢纤维混凝土强度均有增加。主要原因有：1) 振动搅拌可以增大HSLC的密实度，使得内部孔隙数量减少^[12]；2) 振动搅拌具有的能量可以使水泥颗粒持续处于颤动状态，改善絮凝结构，原本团聚的水泥颗粒均匀分散，增加了水化产物成核位点，使得水化反应的速率加快，明显改善SFHSLC的匀质性和强度；3) 振动搅拌可以有效解决轻集料离析上浮问题，使其分布更加均匀。振动搅拌使得轻集料混凝土基体物料分散均匀性增加(这可以从混凝土表观密度增加得到验证)之外，也可提高纤维分散均匀性。以钢纤维掺量为2.0%为例，不同搅拌方式的SFHSLC断面图片如图4所示。从图4可知：在普通搅拌方式下，钢纤维成团现象明显，造成SFHSLC不完全密实，抗压强度降低；而在振动搅拌方式下，钢纤维均匀分散，避免了纤维成团导致的应力集中，增强了钢纤维与基体在载荷下的协同作用，从而提高了抗压强度。

图4　不同搅拌方式下SFHSLC的断面图

Fig. 4　Cross section of SFHSLC in different mixing methods

2.4　劈裂抗拉强度

不同搅拌方式下SFHSLC的劈裂抗拉强度如图5所示。从图5可知：2种搅拌方式下，随着钢纤维掺量的增加，混凝土的劈裂抗拉强度皆随之增加，这是因为钢纤维能阻碍裂缝的扩展，随着单位区域桥联纤维数变多，更能提高混凝土承受荷载的能力。

对比2种搅拌方式下的SFHSLC劈裂抗拉强度可知：每一种掺量条件下都是振动搅拌时比普通搅拌时的大，增幅为3%~9%。振动搅拌方式下，由于振动作用增强了纤维与浆体之间的摩擦黏结强度^[22]，使得SFHSLC在拉拔过程中消耗更多能量，因此劈裂抗拉强度更高。与抗压强度规律不同的是，普通搅拌方式下劈裂抗拉强度随纤维掺量增加仍持续增长，并没有出现纤维团聚成球情况下的强度下降，这是因为部分成团的纤维导致钢纤维总表面积下降，使得砂浆平均包裹层厚度增加，浆体与轻骨料的结合能力因此提高^[23]，从而阻碍了界面微裂缝的扩展。

图5　不同搅拌方式下SFHSLC的劈裂抗拉强度

Fig. 5　Splitting tensile strength of SFHSLC in different mixing methods

2.5　弯曲韧性

不同搅拌方式下SFHSLC的荷载-挠度曲线见图6。由图6可以看出：未掺钢纤维的HSLC的荷载-挠度曲线的荷载在达到峰值后突降，为脆性断裂，而掺入钢纤维后，SFHSLC展现出显著的裂后韧性特征。在相同掺量下，Z组曲线比P组曲线更加丰满，说明振动搅拌可以提高SFHSLC的韧性。

SFHSLC的弯曲行为可以划分为挠度硬化和挠度软化2种类型，表现为挠度硬化的SFHSLC具有更高的裂后持荷能力^[24]。由图6还可以看出：钢纤维掺量为0.5%时，SFHSLC都呈现出挠度软化特征，而掺量为1.5%和2.0%时，SFHSLC皆呈现出挠度硬化的特征，这说明提高钢纤维掺量可以提高SFRHSLC的裂后持荷能力。而掺量为1.0%时，P10表现为挠度软化，而Z10表现为挠度硬化，弯曲行为发生改变，说明在该掺量下，振动搅拌大幅提高了SFHSLC的裂后韧性。

图6　不同搅拌方式下荷载-挠度曲线

Fig. 6　Load-deflection curve in different mixing methods

SFHSLC弯曲韧性评价方法参考标准JGT472—2015，相关计算结果见表7。其中：f_ftm为抗弯强度；R_e,p为初始弯曲韧度比；R_e,k为对应于跨中挠度为L/k处的弯曲韧度比，L为跨距，k取500，300，250，200和150。由于试验所得荷载-挠度曲线峰值跨中挠度较大，只取k为250，200和150进行计算。从物理意义上来讲，R_e,p 反映了SFRHSLC达到峰值荷载前的弯曲韧性，其值越大，表示在峰值荷载前钢纤维对混凝土增强效果越好；R_e,k 反映了SFHSLC的残余弯曲韧性，其值越大，表示钢纤维对混凝土残余弯曲强度和后续持荷能力的贡献越大^[25]。

从表7可知：SFHSLC的f_ftm随着钢纤维掺量的增加显著增大，且相同掺量时，振动搅拌组的f_ftm明显比普通组的高，在钢纤维掺量为0.5%时增幅高达24%。在相同掺量下，P组与Z组的R_e,p之间的对比情况无明显变化规律，这表明振动搅拌对SFHSLC峰前韧性的改善主要体现在提高强度上。

从表7还可以看出：在相同钢纤维掺量时Z组残余弯曲韧度比大于P组残余弯曲韧度。随跨中挠度增大，残余弯曲韧度比从R_e,250到R_e,150不断降低，说明SFHSLC残余弯曲强度随变形增大而降低。同时，相同掺量下，Z组残余弯曲韧度比降幅普遍比P组的小，说明Z组SFHSLC裂后持荷能力更强，残余弯曲强度较高。P10与Z10相比，虽然裂后韧性较低，但是相同挠度位置的残余弯曲韧度比却更大，这是因为P10弯曲行为为挠度软化，且加载过程中无明显弹塑性变形段。在到达峰值后，受试件脆性影响，荷载发生突降，但纤维的桥联作用使试件仍具有抵抗变形的能力，随位移增大，曲线得到二次上升，产生假挠度硬化现象，因此，R_e,250与R_e,200差异不大。Z10初裂荷载小于峰值荷载，弯曲行为为挠度硬化，此时试件具有良好的持荷能力，裂后曲线缓慢降低，不会出现假挠度硬化现象，因此，Z10的残余弯曲韧度比降低幅度更大。

上述表明，在相同掺量下，振动搅拌相对于普通搅拌可以明显提高SFHSLC的抗弯强度和裂后韧性。这是由于，初裂前，SFHSLC基体与钢纤维共同承担外部荷载，振动搅拌提高了SFHSLC的密实度，进而提高抗弯强度；初裂之后，钢纤维通过黏结力横贯裂缝传递内力，跨越裂缝的纤维将荷载传递给裂缝的两侧面，宏观裂缝扩展的同时钢纤维依次脱粘被拔出。振动搅拌改善了钢纤维的分散均匀性及其与基体间的界面黏结强度，从而提高了SFHSLC的裂后韧性。

表7　弯曲韧性计算结果

Table 7　Calculated results about flexural toughness

3 结论

1) 振动搅拌相比于普通搅拌方式，在未掺钢纤维时，HSLC的干表观密度提高明显，从1 861 kg/m³增长到了1 935 kg/m³，密实度大大提高。

2) 相比于普通搅拌，在振动搅拌条件下，无纤维掺入的素混凝土强度提高了22%；当钢纤维掺量为1.5%和2.0%时，SFHSLC未出现普通搅拌方式下的纤维团聚成球，强度仍有显著提高，分别提高11%和15%。同时，不同掺量的SFHSLC劈裂抗拉强度均有不同程度的提高。

3) 在相同钢纤维掺量下，振动搅拌可以明显提高SFHSLC的抗弯强度和裂后韧性。钢纤维掺量为0.5%时，振动搅拌方式下SFHSLC的抗折强度比普通搅拌方式提高了24%；钢纤维掺量为1.0%时，相比于普通搅拌下的挠度软化，振动搅拌方式下SFHSLC的弯曲行为表现出挠度硬化，初始弯曲韧度比R_e,p从0.33上升到了0.52，增韧效果十分明显。

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（编辑 杨幼平）

收稿日期： 2019 -05 -09; 修回日期： 2019 -09 -18

基金项目(Foundation item)：国家重点研发计划(2017YFB0310003)；国家级大学生创新训练项目(201810611050) (Project(2017YFB0310003) supported by the National Key R&D Program of China; Project(201810611050) supported by the National College Student Innovation Training Program of China)

通信作者：王冲，博士，教授，从事水泥混凝土材料的研究；E-mail：wangchnx@126.com