不同类型钢纤维增强混凝土力学性能研究

应文宗

（重庆交通建设集团，重庆400074）

0 引言

钢纤维复合材料由于其优异的性能，已在建筑结构、路桥和水利工程等方面得到广泛的应用。目前用来增强水泥基复合材料的钢纤维多为低掺量的单一钢纤维，因此其增强和增韧效果有限。一些研究者对不同类型的纤维混杂掺入混凝土进行了探索研究[1]，将高弹性模量的纤维（如钢纤维）与低弹性模量的纤维（如聚丙烯纤维）掺入混凝土来制成钢纤维-聚丙烯纤维增强高强混凝土。结果表明，低弹模的聚丙烯纤维只在小开裂位移条件下对高强混凝土的开裂有约束作用，而钢纤维在混杂纤维高强混凝土断裂性能的改善方面起着主导作用。

本研究尝试将普通钢纤维和高掺量的超短超细钢纤维这两种高弹性模量的钢纤维混杂在一起对水泥混凝土进行增强和增韧，通过实验得到混杂钢纤维增强混凝土的一些性能规律。

1 试验研究方案与方法

由于水泥基复合材料的抗压强度和抗折强度基本上可反映其力学性能，本研究主要从混杂钢纤维增强混凝土的抗压强度和抗折强度、压折比及荷载位移曲线等方面探讨混杂钢纤维增强混凝土力学性能。

1.1 试验内容和配合比

试验共分三组，如表1所示，试验材料配合比为：水泥∶粗集料∶细集料∶水=1∶1.91∶1.17∶0.41。其中，除钢纤维掺量按体积比以外，其他的材料掺量均为质量比。混杂钢纤维试件的配合比见表2。

表1 试验内容

表2 混杂钢纤维试件材料配合比

1.2 试验原材料

水泥采用重庆产42.5 级普通硅酸盐水泥。粗集料为碎石灰石，按粒径大小分为三种：0～5mm∶5～10mm∶10～15mm=1∶5∶4。细集料为普通中粗砂，细度模数为2.8。所用某公司生产的钢纤维种类及物理力学性能指标如表3所示。

表3 钢纤维物理力学性能指标

1.3 试件的制备和养护

按《钢纤维混凝土试验方法标准》（CECS13：89） 的要求制作试件，抗冲击试块的直径为150mm，高63mm。应注意，粗、细集料和水泥需干拌2min 后再向搅拌机内人工逐渐均匀撒入钢纤维，待全部投入后再搅拌2min，保证其分散均匀，最后加入水搅拌2～3min 完成。成型后薄膜覆盖表面，在温度为20℃±5℃的条件下静置24h后拆模并编号，放在温度为20℃±3℃、相对湿度为90%以上的标准养护室中养护28d。

1.4 试验方法

抗压强度的试验在NYL—1000 型200t 压力试验机上进行，抗折强度试验在WE—100 型液压万能试验机上进行，其中抗折试件采用三分点方式荷载控制加载，冲击试验参照落锤试验方法加以改进。

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

三种类型钢纤维对混凝土的抗压强度均有一定程度的增强作用，试验结果如图1所示。

图1 三种类型钢纤维增强混凝土的抗压强度

由图1 可见，当体积掺量不大于1%时，普通钢纤维对混凝土抗压强度的增强作用略大于超短超细钢纤维；当体积掺量大于2%时，随钢纤维掺量的增加，超短超细钢纤维的增强作用越来越优于普通钢纤维，杂钢纤维对混凝土抗压强度的增强作用介于二者之间；当体积掺量为5%时，超短超细钢纤维混凝土抗压强度达到70.3MPa，较同批次素混凝土提高了65.8%。

2.2 弯曲抗折强度

三种类型钢纤维对混凝土的抗折强度增强试验结果如图2所示。

图2 三种类型钢纤维增强混凝土的抗折强度

由图2可见，三种类型钢纤维对混凝土的抗折强度具有不同程度的增强作用：当体积掺量为5%时，混杂钢纤维增强水泥混凝土的抗折强度由素混凝土的5.4MPa 提高至12.1MPa，提高幅度达124%；普通钢纤维和超短超细钢纤维增强水泥混凝土的抗折强度最大提高幅度分别为42.6%和31.5%。

比较三种类型钢纤维抗折强度曲线可见，同体积掺量情况下，混杂钢纤维对混凝土的增强作用高于普通钢纤维和超短超细钢纤维，且三种类型钢纤维的增强作用都随体积掺量的增加而提高，混杂钢纤维的提高速度和幅度明显大于超短超细钢纤维，普通钢纤维的增强幅度介于二者之间。

2.3 压折比

压折比用来表征混凝土的韧性。图3为三种类型钢纤维增强水泥混凝土的压折比试验结果。

图3 三种类型钢纤维增强混凝土的压折比

由图3可见，在0～3%体积掺量范围内，超短超细钢纤维增强水泥混凝土的压折比随体积掺量的增加逐渐由7.9增至9.7，在3%～7%范围内，其压折比由9.7逐渐降至8.5；在0～3%范围内，普通钢纤维增强水泥混凝土的压折比只有小幅度波动，并无太大变化；在1%～6% 范围内，混杂钢纤维增强水泥混凝土的压折比由8.1 逐渐降至4.1。对比三条曲线可以明显看出，混杂钢纤维对水泥混凝土试件的增韧效果好于单一尺寸钢纤维。

2.4 荷载-位移曲线

图4为试验测得不同体积掺量的普通钢纤维和混杂钢纤维试件在达到极限荷载时的荷载-位移曲线。

图4 三种类型钢纤维的荷载-位移曲线

图4 中所示荷载-位移曲线均由两个阶段组成：在开裂前的第一阶段荷载较小，跨中位移随荷载的增大不断增大，两者呈线性关系且斜率最大；当试件出现裂缝后，曲线进入第二阶段，跨中位移随荷载的增加而增长速度明显增大，荷载位移曲线斜率明显减小；第二阶段，加入钢纤维的混凝土试件在开裂后一定范围内仍然能够承受一定量的荷载，即钢纤维的加入使混凝土试件的破坏由脆性破坏变为延性破坏，增加了试件的变形承载能力。图中曲线两阶段转折点即为该曲线开裂荷载，由此可得表4。

表4 开裂及极限荷载对比表

由表4可见，钢纤维对混凝土试件开裂和极限荷载的提高程度随钢纤维体积掺量的增大而增大；相同体积掺量下，混杂钢纤维对混凝土试件开裂和极限荷载的提高效果明显优于单一普通钢纤维；其中，与掺量为1%的普通钢纤维试件相比，掺量为6%（P1+DX5）的混杂钢纤维试件的开裂荷载能够提高109.1%，极限荷载能够提高92.3%。

2.5 抗冲击性能

钢纤维混凝土抗冲击韧性是其动力特性的重要指标，按标准落锤试验方法，体积掺量为1%的普通钢纤维试块冲击1 500 次未有明显开裂痕迹，故参照落锤试验方法，将落锤重量加至9kg，下落高度改为90cm，其余不变。三种类型钢纤维冲击试验结果见表5。

表5 混凝土抗冲击试验结果

由图示结果可以看出，素混凝土体现出明显的脆性破坏特性，而钢纤维能显著改善混凝土的脆性性质，体现出延性破坏的特征，有效提高材料的断裂韧性与抗冲击性能。同体积掺量下，混杂钢纤维较之单一普通钢纤维提高效果更明显。

2.6 试验结果分析

钢纤维本身的抗拉强度高，由于其在混凝土内乱向分布，当试件受压时，乱向分布的钢纤维对基体混凝土有较大的约束作用，使试件处于近似的三向受压状态，从而可以提高材料的强度和韧性。超短超细钢纤维长度更短，长径比更小，在混凝土内更容易形成乱向分布态，因此同体积掺量下，超短超细钢纤维与普通钢纤维相比，增强作用更明显。

钢纤维试件在开裂前整体刚度较大，试件处于弹性阶段，钢纤维与混凝土之间黏结状况良好，没有相对滑移，因此在较小荷载作用下其位移增长较慢；曲线进入第二阶段后，开裂部位部分混凝土退出工作，导致试件整体性丧失，整体刚度下降，跨中位移在相同荷载作用下增长速度相对加快，而钢纤维的存在在一定程度上延缓了试件的开裂。由于混凝土多相、多结构、多层次非均质结构特性，混杂钢纤维中小尺寸钢纤维可以延缓微裂缝在基体中的扩展，大尺寸钢纤维被拔出时也需要吸收较大的能量，因而可限制宏观裂缝的发展，两种钢纤维共同作用可以达到逐级阻裂与强化的效果，从而提高混凝土的韧性。

3 结论

（1）普通钢纤维由于尺寸较大，不易拌和均匀，因此其在混凝土中的掺量较低，通常为0.5%～2%。超短超细钢纤维由于尺寸及长径比较小，其在混凝土中的体积掺量能达到8%。

（2）普通钢纤维掺入混凝土对其抗压强度有一定影响，但影响程度有限；超短超细钢纤维能相对较大程度地提高混凝土的抗压强度，在体积掺量为5%时抗压强度提高幅度可达65.8%。

（3）混杂钢纤维相比于单一尺寸钢纤维能更好地提高混凝土的韧性，在体积掺量为6%范围内，可将混凝土的抗折强度提高124%。

（4）钢纤维试件开裂后具有残余强度，在一定范围内能继续承受荷载，这种承载能力随钢纤维掺量的增加而增大，且相同掺量下，混杂钢纤维试件的承载能力更大。

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