掺钢纤维砂浆力学性能及其社会经济效益研究

吴皖兰 杨鹏 冯国琴 余方婷

江苏大学京江学院 江苏 镇江 212100

引言

每生产一吨水泥，就要排放近一吨二氧化碳，在节能减排的号召下，要想减少碳排放量，可以通过使用更高性能的水泥复合基材料延长建筑寿命，从而减少水泥的用量。

在砂浆中掺入一定量的钢纤维，钢纤维在砂浆内部错乱分布从而形成“空间纤维网”，由于其具有稳定的化学性质，不易在砂浆中产生化学反应，且能够大大提高砂浆的力学性能，在建筑材料中得到广泛的应用[1]。在实际工程中，为了满足结构承载要求，常常靠提高钢纤维的掺量来提升砂浆的性能，但是钢纤维的掺量越大，“空间纤维网”结成团的概率也越大，无形之中也提高了生产成本，且不同种类的钢纤维对其影响也不尽相同。

因此，研究钢纤维的种类和掺量对砂浆力学性能和经济效益的影响，具有较强的理论意义和现实意义。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料选材

1.1.1 水泥采用杨春水泥有限公司生产的P.O 52.5硅酸盐水泥；

1.1.2 细骨料采用湖砂中砂；

1.1.3 试验用水为实验室自来水；

1.1.4 钢纤维采用镀铜钢纤维和镀铜微丝钢纤维。

1.2 配合比

为了研究钢纤维掺量对砂浆力学性能的影响，我们配制不含钢纤维的砂浆作为参照组。掺钢纤维砂浆配合比见表1。

表1 掺钢纤维砂浆配合比

1.3 试验方案

根据《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671-1999），抗折强度和抗压强度试验均采用40mm×40mm×160mm试件，每组三块，在同条件下成型。制作前先对砂进行筛选并测定其含水率；用水泥胶砂搅拌机先搅拌除钢纤维外其他材料，再逐步加入钢纤维，避免钢纤维结团影响结果，同时用水润湿模具并涂油；用振动台振动，直到模具表面出浆，抹平后送入标准养护箱（20℃±0.5℃，RH=95%±5%）养护24小时，拆模后放入温度为20℃±2℃的水槽中养护至龄期（养护用水高出试块顶部5mm左右，同一水槽养护同类型试块）。镀铜钢纤维和镀铜微丝钢纤维的掺量均是0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%，以钢纤维掺量0%作为基准试块，每种掺量的试块均做3个龄期（3d、7d、28d），每组3个试块。

比较相同掺量下镀铜钢纤维和镀铜微丝钢纤维对砂浆力学性能提升效果的影响，确定相对较好的钢纤维种类。再细化钢纤维掺量，结合经济效益，分析出经济且力学性能优越的新型砂浆配合比方案。

1.4 试验方法

1.4.1 抗折强度试验方法。根据《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671-1999），采用40mm×40mm×160mm试块进行抗折强度测试，每组配比做三块。将试件长轴垂直于支撑圆柱放置在YEW-300B微机控制水泥压力试验机上加载。加载速度为（50±10）N/s，直至折断；

计算结果由计算机导出，精确至0.1MPa。以三块试件测值的算术平均值作为该组试件的抗折强度值。当三块强度值中有超出平均值±10%时，剔除后再取平均值作为抗折强度试验结果。

1.4.2 抗压强度试验方法。根据《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671-1999），采用抗折强度试验折断的试件做抗压强度试验。将半截试件中心与压力机压板受压中心差控制在±0.5mm内，试件露在压板外的部分约有10mm。加载速度为（2400±200）N/s，直至破坏。

计算结果由计算机导出，精确至0.1MPa。以六块试件测值的算术平均值作为该组试件的抗压强度值。当六块强度值中有超出平均值±10%时，剔除后再取平均值作为抗压强度试验结果。

2 结果分析

2.1 抗折强度分析

2.1.1 同掺量下不同种类钢纤维砂浆抗折强度。

由图1、图2可知，在砂浆中加入镀铜钢纤维和镀铜微丝钢纤维对抗折强度均有提升，但当达到一定掺量后，钢纤维对强度提升效果不大。其中镀铜钢纤维在1.5%～2.5%掺量下提升效果显著，镀铜微丝钢纤维在0.5%～1.5%掺量下提升效果显著，考虑到价格因素，后续试验基于此范围掺量下的镀铜微丝钢纤维进行。

图1 镀铜钢纤维砂浆抗折强度

图2 镀铜微丝钢纤维砂浆抗折强度

2.1.2 镀铜微丝钢纤维砂浆不同掺量下抗折强度。

由图3可知，镀铜微丝钢纤维砂浆从无掺量增加至1.1%时，抗折强度不断提高，在1.1%时抗折强度最大，其值为11.54MPa，较素砂浆提升11.01%。再继续增加钢纤维掺量，从1.1%增加至1.5%时，抗折强度提升效果逐步下降，在掺量为1.5%时抗折强度仅提升8.64%。不难看出，适当掺量的钢纤维可以使砂浆韧性增强，因为钢纤维与砂浆间的黏结力阻止了裂缝的发展，砂浆由脆性破坏变为塑性破坏，从而提高了砂浆抗折强度[2]。考虑到经济效益，试验继续增加钢纤维掺量已无意义。

图3 镀铜微丝钢纤维砂浆抗折强度

2.2 抗压强度分析

由图4可知，添加镀铜微丝钢纤维使混凝土的抗压强度均有提升，当从无掺量增加至1.0%时，抗压强度不断提高，在1.0%时抗压强度最大，其值为43.04MPa。再继续增加钢纤维掺量，从1.0%增加至1.5%时，抗压强度提升效果逐步下降，在掺量为1.5%时抗压强度值仅为39.24MPa。不难看出，当掺量过高时表现为：其一，钢纤维容易结团；其二，钢纤维水泥胶凝物生成量难以完全包裹细骨料和钢纤维，钢纤维和水泥基体界面间的孔隙率增加，钢纤维与水泥基体的界面黏结力降低，因此，钢纤维增强砂浆的力学性能会降低[2]。

图4 镀铜微丝钢纤维砂浆抗压强度

2.3 社会经济效益分析

2.3.1 经济效益分析。对比市场上的钢纤维价格，镀铜微丝钢纤维价格为4900元/吨，镀铜钢纤维价格略高，为6400元/吨。显然镀铜微丝钢纤维的市场价格较低，且购买方便，在实际工程应用中性价比较镀铜钢纤维高。在应用时，钢纤维掺量建议选择0.8%～1.1%之间，砂浆抗压强度和抗折强度提升效果均有显著变化，在1%左右出现峰值。当掺量超过1.1%时，砂浆的成本增加，强度提升效果也开始下降。

2.3.2 社会效益分析。若按1%镀铜微丝钢纤维掺量添加，每吨成本增加不到50元，可以使砂浆抗折强度提高约10%、抗压强度提高约11%，而在实际中，钢纤维砂浆主要应用于路面工程，其主要力学指标为抗折强度，这样不仅减少了路面的维修次数和维修费用，且使车辆行驶舒适，高质量、高强度的路面给交通运输带来的巨大效益也是远大于掺钢纤维的成本的[3]。因此钢纤维砂浆具有可观的社会效益。

3 结束语

通过在砂浆中加入不同的钢纤维，对比抗压强度对于素砂浆的提升率，发现镀铜微丝钢纤维砂浆在掺量1%时的抗压强度提高最多达到11.4%。

镀铜钢纤维砂浆在掺量0%～2%区间内抗折强度不断提高，超过2%后抗折强度开始下降；镀铜微丝钢纤维砂浆在掺量0%～1.1%区间内抗折强度不断提高，超过1.1%后抗折强度开始下降，在掺量0%～1%区间内抗压强度不断提高，超过1%后抗压强度开始下降。

随着钢纤维掺量的不断增加，钢纤维容易结团，且与水泥基体的界面黏结力降低，不仅影响其力学性能，也在一定程度上造成钢纤维浪费[4]。

考虑钢纤维砂浆在实际应用中的社会经济效益，对于钢纤维掺量可选择0.8%～1.1%，选择钢纤维类型为镀铜微丝钢纤维更佳。