钢纤维轻骨料混凝土力学性能影响因素研究综述

于文凤

摘 要：钢纤维轻骨料混凝土作为一种质量轻、强度高、韧性好的新型复合材料，在土木工程领域应用广泛。现如今，各行各业发展都必须坚持绿色、环保、无污染的原则，建筑材料也应该满足国家对建筑行业发展要求。钢纤维轻骨料混凝土中的轻骨料是一种节能环保材料，能变废为宝，实现绿色可持续发展，因此对于钢纤维轻骨料混凝土的研究和应用越来越多。本文主要对水胶比、轻骨料种类、粉煤灰替代率和钢纤维掺量等因素对钢纤维轻骨料混凝土力学性能的影响进行综述，进一步系统地说明钢纤维轻骨料混凝土力学性能的变化规律。

关键词：钢纤维轻骨料混凝土;力学性能;影响因素

中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）31-0115-03

A Review on the Influence Factors of Mechanical Properties

of Steel Fiber Lightweight Aggregate Concrete

YU Wenfeng

（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： Steel fiber lightweight aggregate concrete， as a new type of composite material with light weight， high strength and good toughness， is very popular in civil engineering field. Nowadays， the development of all walks of life must adhere to the principles of green， environmental protection and pollution-free， and building materials should also meet the national requirements for the development of the construction industry. Light aggregate in SFRLAC is a kind of energy saving and environmental protection material， which can turn waste into treasure and realize green and sustainable development. Therefore， research and application of SFRLAC are increasing. In this paper， the influences of factors such as water-binder ratio， lightweight aggregate type， fly ash replacement rate and steel fiber content on SFRLAC mechanical properties were summarized， and the variation rules of SFRLAC mechanical properties were further explained systematically.

Keywords： steel fiber lightweight aggregate concrete;mechanical properties;influencing factors

混凝土是由水、粗骨料、細骨料和胶凝材料按一定比例配置而成，经过拌制、成型、养护后，具备一定强度的材料。混凝土的力学性能包括抗压、抗拉、抗折强度和弹性模量等。混凝土的力学性能受很多因素影响，如基体强度、骨料种类、纤维类型、纤维掺量等。混凝土的力学性能会对建筑结构的承载能力产生很大影响，是建筑设计的重要考量指标。普通钢纤维混凝土由于自重大，在一些高层大跨度等特殊工程中无法使用。钢纤维轻骨料混凝土（SFRLAC）有效结合了钢纤维混凝土（SFRC）强度高、韧性好和轻骨料质量轻、保温隔热的特点，既能满足混凝土的力学性能，又能减轻建筑结构本身自重。大量研究表明，钢纤维对轻骨料混凝土（LAC）的抗拉强度、韧性、耐久性、抗裂性会产生积极作用。钢纤维掺量不宜过高，过高会影响混凝土的容重，还会影响混凝土的力学性能。因此，钢纤维掺量以及影响SFRLAC性能的水胶比、粉煤灰替代率、轻骨料种类等因素一直是研究的热点问题。

1 发展历史

LAC的研究开始于1950年前后。LAC因轻质、高强、耐久性好等优点得到快速发展，其在发展过程中存在的唯一问题是脆性大，一定程度上限制了工程使用。

为了提高LAC的性能，1980年前后，英国开始对SFRLAC进行研究。英国Sheffield大学对SFRLAC抗冲击性能和工作性能进行了基础研究，主要研究了钢纤维类型、体积率对LAC流动性能的影响。中国在1990年前后开始研究SFRLAC。目前，国内外对SFRLAC的研究主要包括破坏形态、基本力学性能和应力应变关系等方面，研究最多的是基本力学性能方面。从已有研究可知[1-2]，当钢纤维掺量控制在0%～2.0%时，LAC的劈裂抗拉强度可提高75%～120%，抗弯拉强度可提高90%～95%，抗压强度可提高20%～30%。由此可见，掺入钢纤维除了对LAC抗压强度的影响较小外，对LAC的劈裂抗拉强度和弯拉强度的提高较为明显。

2 SFRLAC力学性能影响因素

SFRLAC的力学性能包括抗压、抗弯、抗折、抗冲击性能等。综合已有试验研究结果发现，这些性能与水胶比、骨料种类、粉煤灰替代率和钢纤维掺量等因素有直接关系。

2.1 水胶比

水胶比等于混凝土用水量与胶凝材料用量的质量之比，其大小直接影响混凝土的工作性能和力学性能。水胶比越小，混凝土的基体强度等级越高，和易性越差;水胶比过大，混凝土容易出现蜂窝麻面，耐久性也会下降。有研究表明，相对于骨料种类和钢纤维体积率，水胶比对混凝土的力学性能影响更为明显。因此，水胶比的严格控制在混凝土的研究中至关重要。

有关LAC的试验研究[3]发现，随着混凝土水胶比的逐渐增大，立方体抗压强度的降低幅度增大。张颖[4]的研究结果显示，随着水胶比的降低，高强LAC抗压强度逐渐提高。当水胶比从0.32降低到0.30时，高强LAC的抗压强度可提高4.97%;当水胶比降低到0.28时，高强LAC的抗压强度可提高16.57%。当水胶比控制在0.28～0.30时，混凝土的抗压强度较理想。水胶比的增大，提高了混凝土的流动性和密实能力，从而增强了混凝土的密实度，最终提高了混凝土的强度。

2.2 轻骨料种类

按原材料的来源不同，可将轻骨料分为三种，分别是天然轻骨料、工业废料轻骨料和人造轻骨料。粗骨料在混凝土中主要做骨架结构，粗骨料的强度、吸水率、表面织构直接影响混凝土强度。因此，骨料种类对SFRLAC性能的影响也较为明显。

Gampione G[5]在其研究中得出，膨胀黏土骨料混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度比浮石骨料混凝土高，增长效果明显。这充分说明骨料种类也会影响SFRLAC的力学性能。Oktay H[6]的研究发现，当钢纤维体积率相同时，不同密度等级的膨胀黏土骨料混凝土的抗压强度有明显的区别。骨料密度等级越低，抗压强度的减弱作用越强。张颖[4]的研究结果表明，由于页岩陶粒有很高的筒压强度，所以页岩陶粒配制的LAC比其他LAC的抗压强度高，粉煤灰陶粒和黏土陶粒配制的轻骨料混凝土抗压明显低于页岩陶粒。

2.3 粉煤灰替代率

粉煤灰作为矿物掺合料，在SFRLAC中掺加粉煤灰可以改善混凝土的工作性能和力学性能。一方面粉煤灰可以缓解轻骨料上浮，填充骨料之间的空隙，使SFRLAC更加密实;另一方面，粉煤灰与水泥进行水化反应，有利于加强水泥浆体的硬化，提升混凝土的后期强度，水化产物还能填充水泥石的毛细孔，提高SFRLAC的耐久性。

沈泽[7]在其研究中发现，用一部分粉煤灰替代水泥，不仅能够提高混凝土拌和物的工作性能，而且能提高混凝土拌和物的坍落度和坍落扩展度。相比之下，拌和物的坍落擴展度受粉煤灰的影响更大。温世臣[8]在其试验中同时掺入钢纤维和粉煤灰，研究发现在水胶比为0.37、0.35、0.27时，混凝土试件的劈裂抗拉强度均有明显提高。考虑到建筑材料的绿色可持续发展，掺入一定数量的粉煤灰是可行的，但建议粉煤灰替代率控制在30%以内。

吴振华[9]研究了水灰比为0.37﹑0.35和0.27的试件在掺有0.8%体积率钢纤维和粉煤灰替代水泥20%的情况下，对应的立方体抗压强度是未掺钢纤维和粉煤灰未替代水泥的情况下立方体抗压强度1.09倍﹑1.07倍和1.06倍。由此可见，在钢纤维和粉煤灰同时掺入混凝土后，不同水灰比的LAC抗压强度均有所提高。

2.4 钢纤维掺量

钢纤维在LAC中应用广泛，具有很好的延性。钢纤维不仅能够增强基体混凝土强度，而且能够抑制混凝土的微裂纹在内部扩展，阻碍宏观裂缝的生成，使混凝土的抗拉、抗弯、抗折和抗疲劳性能得到提高。钢纤维加入LAC后，会在轻骨料颗粒周围起到坚固的“套箍”作用，可以使轻骨料初裂滞后;当轻骨料混凝土受压时，钢纤维可以阻止混凝土基体横向膨胀，使破坏过程延迟。即使混凝土中的一些粗骨料受外力开裂后，钢纤维的阻裂作用也能够延缓裂纹的继续发展[10]。

钢纤维还能起到提高LAC的抗压和抗拉强度作用，当钢纤维掺量增大时，混凝土的弹性模量也会增加。朱亚菲[11]的研究发现，混凝土的脆性在掺入钢纤维后得到很大改善，比强度也有所提高。钢纤维起到明显的增强、增韧和阻裂效果。但钢纤维不宜过多，钢纤维过多就会使浆体无法完全包裹，容易导致钢纤维增强、增韧效果不明显。吴振华[9]在其研究中提出综合经济性，在轻骨料混凝土中建议钢纤维体积率控制在0.8%～1.2%。

赵明爽[12]在其试验中发现，当钢纤维掺量增加时，SFRLAC轴压应力-应变全曲线的下降段斜率逐渐降低，残余应力有所提高。魏慧[13]的研究发现：LAC破坏特征随着混凝土强度等级、纤维种类及纤维掺量变化有较明显的差异，且掺入纤维后混凝土的脆性也得到有效改善。

3 结语

从建筑行业的发展趋势来看，为满足建筑结构的特殊要求，建筑材料正逐渐向轻质高强、多功能、高性能材料过渡。SFRLAC作为一种新型功能材料，完全符合国家绿色可持续发展方针政策，具有较好的发展前景。通过本文的研究发现，要想使SFRLAC获得更好的力学性能，可以将水胶比控制在0.28～0.30以内，可选择页岩陶粒作轻骨料，粉煤灰替代率控制在30%以内，钢纤维掺量控制在0.8%～1.2%。随着SFRLAC的研究逐渐深入，SFRLAC的应用前景将会更加光明。

参考文献：

[1]Gao JM，Sun W，Morino K. Mechanical properties of steel fiber-reinforced， high-strength， lightweight concrete[J]. Cement & Concrete Composites， 1997（19）： 307-313.

[2]Campione G， Miraglia N，Papia M.Mechanical properties of steel fibre  reinforced lightweight concrete with pumice stone or expanded clay aggregates[J]. Materials and Structures，2001（34）：201-210.

[3]李长永，钱晓军，赵顺波.FLAC基本力学性能试验研究[J].混凝土，2010（5）：79-82.

[4]张颖.高强钢纤维轻骨料混凝土力学性能研究[J].新型建筑材料，2018（2）：29-31.

[5]Campione G，Miraglia N， Papia M. Mechanical properties of steel fibre reinforced lightweight concrete with pumice stone or expanded clay aggregates[J].Materials and Structures，2001（34）：201-210.

[6]Oktay H， Yumrutas R， Akpolat A. Mechanical and thermophysical properties of lightweight aggregate concretes. Construction and Building Materials，2015（96）：217-225.

[7]沈泽.钢纤维轻骨料粉煤灰混凝土基本力学性能试验研究[D].郑州：华北水利水电大学，2015.

[8]温世臣，韦世益.钢纤维轻骨料粉煤灰混凝土劈裂抗拉性能试验研究[J].红水河，2019（2）：72-73.

[9]吴振华.钢纤维轻骨料粉煤灰混凝土力学性能试验研究[J].混凝土与水泥制品，2019（8）：55-57.

[10]董祥，高建明，吉伯海，等.纤维增强高性能轻集料混凝土的弯曲韧性[C]//第七届全国轻骨料及轻骨料混凝土学术讨论会.2004.

[11]朱亚菲，高建明，王边，钢纤维高强轻集料混凝土的试验研究[J].混凝土与水泥制品，2001（5）：38-40.

[12]赵明爽.钢纤维全轻混凝土单轴受压本构关系试验研究[D].郑州：华北水利水电大学，2016.

[13]魏慧，吴涛，杨雪，等.纤维增韧轻骨料混凝土单轴受压应力-应变全曲线试验研究[J].工程力学，2019（7）：126.