钢纤维掺量对混凝土性能的影响

李清信，高存官，孙庆文

（1.青岛青建蓝谷新型材料有限公司，山东 青岛266235；2.临沂市政众信商品混凝土有限公司，山东 临沂276000；3.青岛青建新型材料集团有限公司，山东 青岛266108)

0 引言

自19 世纪波特兰水泥出现以来， 混凝土材料便以其优异的性能应用在土建工程中。 但随着时代的发展，建筑业对建筑材料的要求越来越高。 由于混凝土自身存在易开裂、脆性大等缺点，其应用受到了限制[1]。 钢纤维混凝土（Steel Fiber Reinforced Concerete,简称SFRC）应运而生，受到国内外学者的广泛关注，成为目前混凝土研究中的一个热点。

钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料，它不仅具有普通混凝土的优良特性，还具有抗拉、抗弯、抗冲击和抗裂性能等，能显著提高混凝土结构的抗疲劳性及耐久性[2-3]。

钢纤维按外形分类可分为平直型、 波浪型、弓型、哑铃型、压痕型和扭曲型[4]。其中哑铃型钢纤维所配制的混凝土各项性能最优[5]。

建设中的国家深潜基地项目，将承担“蛟龙号”载人深潜器的日常训练任务，该工程训练水池池壁全部使用C40 钢纤维混凝土进行浇筑。 本文以该工程C40 钢纤维混凝土实际应用为例， 对钢纤维掺量与混凝土性能之间的关系进行初步探讨。

1 原材料的选择

1.1 水泥

选用山东山铝有限公司生产的P·O42.5 型水泥，其物理性能如表1 所示。

1.2 粉煤灰

表1 水泥的物理性能

选用青岛电厂生产的F 类II 级粉煤灰， 细度15%，需水量101 g，其化学成分如表2 所示。

1.3 矿粉

选用青岛电厂生产的S95 级矿渣粉，其物理性能如表3 所示。

表2 粉煤灰的化学成分

1.4 骨料

细骨料选用青岛当地产天然河砂，细度模数为2.8 的II 区中砂，堆积密度为1 540 kg/m3，含泥量为2.3%，泥块含量0.1%，表观密度2 600 kg/m3；粗骨料使用最大粒径为25 mm 的连续级配碎石， 含泥量0.6%，泥块含量0.1%，表观密度为2 700 kg/m3，压碎值指标为11%。 骨料的级配如表4、表5 所示。

1.5 外加剂

表3 矿粉的物理性能

表4 细骨料级配

表5 粗骨料级配

采用大连某公司生产A 型聚羧酸类高性能减水剂，这种减水剂碱含量较少，其含固量为25%，减水率为25%。

1.6 钢纤维

试验中使用青岛某公司生产的哑铃型钢纤维，其长度60 mm，直径0.8 mm，长径比为75，外观如图1 所示。

2 试验方法及配合比设计

图1 哑铃型钢纤维

2.1 试验方法

参照50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》、GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》和CECS13-2009《纤维混凝土试验方法标准》 的规定制备混凝土拌合物， 分别制备150 mm×150 mm×150 mm、600 mm×150 mm×150 mm 混凝土试块，并测定混凝土坍落度及抗压、抗折强度。

为保证钢纤维在混凝土中分布均匀，本次试验采用干湿拌合法：先将粗骨料、细骨料和钢纤维加入搅拌机搅拌均匀， 然后加入胶凝材料进行干拌，最后加入外加剂和水进行湿拌。

2.2 配合比设计

参照JGJ 55-2010 《普通混凝土配合比设计规程》，以混凝土坍落度、抗压强度和抗折强度为指标，结合实际生产需求，在C40 普通混凝土配合比基础上设计钢纤维混凝土配合比。 试验配合比如表6 所示。

3 结果分析

表6 C40 混凝土试验配合比

图2 钢纤维掺量对混凝土坍落度的影响

3.1 钢纤维掺量对混凝土性能的影响

由图2 可知，混凝土的坍落度随着钢纤维掺量的增加而逐渐减小。未掺钢纤维的混凝土坍落度为200 mm，当钢纤维掺量低于16 kg 时，对混凝土的坍落度影响较小，掺量达到32 kg 时，坍落度下降到170 mm，继续增加钢纤维掺量到40 kg 时，混凝土坍落度下降到130 mm。 出现这种现象主要有两点原因：一是钢纤维混凝土拌合物坍落度的大小与掺入钢纤维的总比表面积有关，即钢纤维的总比表面积增大， 需要包裹钢纤维的水泥浆随之增加，起流动作用的水泥浆就相应减少，其坍落度也随之减小。二是钢纤维的“棚架”效应使混凝土的坍落度出现减小现象。

3.2 钢纤维掺量对混凝土抗压强度的影响

由图3 可以看出，随着钢纤维掺量的增加，混凝土3 d、7 d、28 d 的抗压强度都是先增加后减小。当钢纤维掺量增加到32 kg 时， 混凝土抗压强度达到最大，28 d 时达到57 MPa， 同龄期下是普通混凝土抗压强度的1.20 倍。 继续增加钢纤维掺量到40 kg，其混凝土强度略微减小。这是由于混凝土抗压强度主要取决于混凝土本身的密实度。随着钢纤维掺量增加到一定程度， 钢纤维总比表面积也随之增加，混凝土内部缺乏足够的浆体去包裹与充填，使混凝土的密实度下降，导致抗压强度降低。

3.3 钢纤维掺量对混凝土抗折强度的影响

图3 钢纤维掺量对混凝土抗压强度的影响

由图4 可以看出， 随着钢纤维掺量的增加，钢纤维混凝土的抗折强度不断增大，其中钢纤维掺量为40 kg 时的抗折强度达到8.35 MPa，相对于未掺钢纤维的普通混凝土提高了45%， 钢纤维对混凝土的抗折强度改善相当明显。这是由于在弯曲力的作用下，钢纤维混凝土的受拉区开裂，基体中和轴随之发生上移，受拉区钢纤维与基体的粘结力承受大部分拉力，韧性增强，进而提高了混凝土的抗折强度。 试验中发现：在一定范围内，钢纤维掺量越大，混凝土的抗折强度越高，二者具有一定的线性关系：y=0.070 84x+5.83。

图4 钢纤维掺量对混凝土抗压强度的影响

4 结语

（1）钢纤维掺量低于16 kg 时，混凝土坍落度变化不大，继续增加掺量会使混凝土坍落度出现明显的下降。 当掺量达到40 kg 时，混凝土坍落度仅为130 mm。

（2）随着钢纤维掺量的增加，混凝土的抗压强度呈现先增大后减小的现象，钢纤维掺量为32 kg时，抗压强度达到最大值57 MPa，为普通混凝土的1.20 倍。

（3）随着钢纤维掺量的增加，混凝土的抗折强度逐渐增大，掺量为40 kg 时达到最大值8.35 MPa，比普通混凝土提高了45%。 而且钢纤维掺量与混凝土抗折强度有一定的线性关系。

[1] 杜向琴, 刘志龙. 钢纤维混凝土力学性能的试验研究[J]. 丽水学院学报, 2014, 36(2): 56-58.

[2] 朱田路. 低掺量钢纤维混凝土力学性能研究[D]. 郑州：郑州大学, 2011.

[3] Luo X, Sun W, Chen Y N. Steel fiber reinforced high-performance conceret: A sdudy on the mechanical properties and resistance against impact[J].Materials and Structures, 2001, 34(237): 144-149.

[4] 金永泰. 钢纤维形状对混凝土力学性能的影响[J]. 低温建筑技术, 2012，(10): 4-6.

[5] 秦鸿根，刘斯凤，孙伟，等. 钢纤维掺量和类型对混凝土性能的影响[J].建筑材料学报,2003,6(4):364-368.