本文是一篇土木工程论文，本文从 SCLC 配合比的设计优化、工作性能、基本力学性能和收缩性能 4 个方面对纤维增强自密实轻质混凝土展开了理论与试验研究，并对压型钢板-纤维增强 SCLC 组合楼板的受弯性能进行模拟分析，为这种新型压型钢板混凝土组合楼板在装配式结构中的应用提供试验依据及理论支持。
1 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.1.1 课题背景
近些年来，随着社会经济发展和城市化建设进程的加快，建筑业以前所未有的速度向前推进，建筑的高度、跨度和复杂度持续增加，混凝土的消耗量日益庞大，混凝土也朝着高性能方向不断发展[1]。由于混凝土的原材料容易获得、价格低廉，并且可以很好的与钢结构进行结合，利用各自优良的材料性质共同工作，所以被广泛应用于建筑和工程构件中。据了解，如今全世界每年消耗的混凝土多达 60 多亿吨[2]。我国庞大的人口数量也意味着必须要有更加完善的设施及场所以满足人们不同的需求，仅 2008 年北京奥运会的场馆建设成本就高达 205 亿，其中大多数为钢筋混凝土工程[3]。因此，在未来城镇化不断扩大及商业地产持续发展的很长一段时间内，混凝土将会发挥更加举足轻重的作用[4]。
虽然混凝土本身存在抗压强度高等多种优点，但不可避免的是其自重大、韧性不足、抗裂性差等缺点，这些缺点极大的约束了混凝土在复杂结构、大跨度结构以及超高层建筑的发展[5]。此外，随着城市建设节能减排、可持续发展等环保政策的提出，预制装配式建筑施工已逐渐成为建筑产业化的发展趋势。以火神山医院/雷神山医院为例，最近的新型冠状病毒疫情肆虐，受到亿万人关注的这两座医院能在十天内完成建设，绝对离不开装配式模块化建筑的功劳。项目的整个建造过程所需要花费的采购成本、人工成本极大，对产业链的整合能力要求很强，这得益于 2016 年 9 月国务院常务会议鼓励全国城市大力发展钢结构、混凝土等装配式建筑的政策，才有了如此大的模块化建造体量，能在这么短的时间内完成建设实现今日奇迹，离不开国家的提前布局[6]。
值得一提的是混凝土自重大、韧性差的劣势，对装配式预制构件的吊装及运输一直有着很大的限制，并且还会出现混凝土被压碎而钢筋并未能及时发挥作用的韧性不足的现象。装配式结构建筑市场急需一种兼顾轻骨料混凝土、纤维混凝土及自密实混凝土三者共同优势的新型高性能复合材料[7]。
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1.2 自密实轻骨料混凝土研究现状
在现代建筑领域发展进程中，混凝土材料复合化的产物有纤维增强混凝土（简称纤维混凝土）和纤维增强轻骨料混凝土两种[18]。混凝土性能复合化的产物有自密实混凝土和自密实轻骨料混凝土两种。材料和性能是影响结构质量的重要因素，普通材料的混凝土性能已不足以支撑有较高要求的大跨度、超高层建筑体系，为了降低结构自重，提高荷载能力，增加抗拉性能的强度，国内外学者针对高强、高性能的混凝土材料进行了大量试验研究[19]。
自密实轻骨料混凝土兼具自密实混凝土与普通轻骨料混凝土二者的特性，是一种干表观密度小于 1950kg/m3的新型高性能混凝土，其主要用于有较高要求的超高层建筑、复杂建筑结构及大跨度结构等，可以降低结构自重，减轻噪音污染，提高结构的荷载能力和抗震性能[20]。
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2 自密实轻骨料混凝土配合比设计
2.1 原材料
试验中配制纤维增强自密实轻质混凝土的原材料包括：粉煤灰陶粒、页岩陶粒砂、水泥、水、粉煤灰、磨细矿渣粉、高效减水剂、聚乙烯醇纤维、钢纤维和聚丙烯纤维。试验原材料所列举的性能参数除了粗、细骨料自行测定外，其它的均取自各个生产销售商。
2.1.1 粗骨料
按生产原料的不同，陶粒的品种分为粉煤灰陶粒、粘土陶粒、页岩陶粒及淤泥陶粒等。利用工业废弃料生产的陶粒配制轻骨料混凝土，不仅对生态环境的保护有积极意义，而且符合国家可持续发展的政策[46]。
本试验选用粗骨料是来自河南省郑州巩义市金丰陶粒制品厂生产的粉煤灰陶粒，粒径在 5~15mm 之间。颗粒通体圆涩、强度高、密度较小，这些优点使其在工程上更适合配制工作性良好的自密实轻质混凝土。
陶粒外观见图 2-1。
陶粒矿物成分见表 2-1。
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2.2 初始配合比计算
纤维增强 SCLC 以 LC30 的轻骨料混凝土强度等级为计算配合比依据，关键在于确定胶凝材料用量、砂率和粗细骨料用量这三个重要的计算参数[52]。本试验严格按照住房和城乡建设部 2019 年正式发布的第 209 号公告“关于发布行业标准《轻骨料混凝土应用技术标准》的公告”中《轻骨料混凝土应用技术标准》JGJ/T 12-2019[53]以及《自密实混凝土应用技术规程》JGJ/T 283-2012[54]采用固定砂石体积法和绝对体积法进行轻骨料混凝土初始配合比的计算。
2.2.1 配制强度的确定
自密实轻骨料混凝土的工作性能是其一项重要的性能，良好的工作性不仅利于混凝土的施工，对混凝土微观结构的发展及均质性也具有积极意义[55]。因此，在配制试验之前，先做砂浆流动度试验以测试高效减水剂、水泥、细骨料以及矿物掺和料等各组分的性能和相容性。
胶凝材料与外加剂的相容性问题一直是制约外加剂应用的主要问题。由于水泥中含有不同的化学成分，例如含有硬石膏的水泥与含有木质素磺酸盐的减水剂之间相容性就很差，所以本试验参考国内外研究者的经验，进行砂浆跳桌流动度试验。
试验固定水胶比为 0.35，分别测试了减水剂掺量在 0%、0.3%、0.6%、0.8%和 1.0%时的跳桌后流动度，从图 2-5 中可以看出，高效减水剂与本试验选用的同力牌 P·O42.5水泥相容性良好，没有出现流动度下降和极度离析现象，且在掺量为 0.8%时流动度达到理想状态。
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3 纤维增强 SCLC 配合比设计优化..................................31
3.1 SCLC 配合比最优化预测...................................31
3.1.1 响应面优化法 RSM............................. 31
3.1.2 响应面优化法的一般流程..............................32
4 纤维增强 SCLC 的性能研究..............................41
4.1 工作性能...........................41
4.2 干表观密度......................................43
4.3 立方体抗压强度..............................45
5 压型钢板-纤维增强 SCLC 组合楼板的受弯性能数值分析............................... 65
5.1 本构模型....................................65
5.1.1 混凝土的本构关系..............................65
5.1.2 压型钢板的本构关系...............................67
5 压型钢板-纤维增强 SCLC 组合楼板的受弯性能数值分析
5.1 本构模型
5.1.1 混凝土的本构关系
ABAQUS 中的混凝土模型大致分为分散裂缝模型、脆性断裂模型及塑性损伤模型三种。本文模拟的是压型钢板-纤维增强自密实轻质混凝土组合楼板，根据实际情况选择混凝土塑性损伤模型，基于前期各材性试验数据并按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[67]来确定塑性损伤模型参数。
长沙理工大学的王鹏[68]通过对陶粒混凝土物理力学性能进行分析，试验表明轻骨料混凝土的应力-应变规律与普通混凝土基本一致。因此，纤维增强 SCLC 本构关系采用《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)[67]的建议。
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6 结论与展望
6.1 结论
本文从 SCLC 配合比的设计优化、工作性能、基本力学性能和收缩性能 4 个方面对纤维增强自密实轻质混凝土展开了理论与试验研究，并对压型钢板-纤维增强 SCLC 组合楼板的受弯性能进行模拟分析，为这种新型压型钢板混凝土组合楼板在装配式结构中的应用提供试验依据及理论支持。主要结论如下：
（1）利用 Design-Expert10.0 软件中的 BBD 分析通过筛选出的体积砂率、胶凝材料用量及净用水量3个影响因子对自密实全轻混凝土的工作性能与力学性能方面进行试验研究，由获得的线性模型方差分析和交互作用响应面、等高线图找出自密实全轻混凝土配合比最优化预测并试验验证，体积砂率为 45.9%，胶凝材料用量为 518.5kg/m3，净用水量为 183.6kg/m3。
（2）在满足纤维增强自密实轻质混凝土工作性能要求的前提下确定了各纤维最佳掺量与高效减水剂用量为聚乙烯醇纤维掺量0.05%+减水剂用量1.2%、钢纤维掺量0.6%+减水剂用量 0.9%和聚丙烯纤维掺量 0.06%+减水剂用量 1.1%。
（3）通过对基准 SCLC、聚乙烯醇纤维增强 SCLC、钢纤维增强 SCLC 及聚丙烯纤维增强 SCLC 的工作性试验、力学性能试验和收缩试验结果进行对比分析，发现纤维的掺入会明显影响 SCLC 的工作性能，而在保证 SCLC 自密实性能的前提下掺入各纤维后，聚乙烯醇纤维增强 SCLC 与聚丙烯纤维增强 SCLC 的立方体抗压强度分别提高了 1.6%和 1.
