钢纤维混凝土在不同制备条件下的性能研究

徐凤雷

（中交二航局第三工程有限公司，江苏镇江 212000）

0 引言

混凝土是现代建筑中的关键建筑材料，在实际的工程施工中，混凝土一般是作为建筑整体的关键承重材料，但是随着目前建筑形式的不断变化和施工要求的不断提高，单一的混凝土由于自身特性的限制有时无法完全满足承载力需求[1]。因此，在建筑行业快速发展和不断更新的时代，需要一种具有更高抗弯拉强度、脆性更小、延展性更优的材料来弥补传统混凝土材料的不足。钢纤维混凝土由于具有更加优异的性能被逐渐推广。

钢纤维混凝土一般是指将钢纤维材料均匀、乱向分布在混凝土中所构成的能够满足浇筑、喷射成型要求的一种新型复合混凝土材料，要求钢纤维材料长度较短且不连续。普通的钢纤维混凝土，钢纤维掺入体积率一般控制在1%～2%之间，与传统的普通混凝土相比，其抗拉强度可以提升40%～80%，抗弯强度可以提升60%～120%。钢纤维能够增强混凝土抗压性能，提升其韧性，并且可以在一定程度上满足阻裂性能要求[2]。

普通强度的混凝土在界面黏结方面容易失效，导致承载力不足。而钢纤维的加入可以改善和提升钢纤维混凝土在该方面的性能，增强、增韧和阻裂能力也相应提高。钢纤维混凝土不仅具有抗拉、抗弯、抗剪、阻裂等多方面的优势特性，同时能够满足耐久性的要求[3]。因此，在现代建筑领域，钢纤维混凝土具有较高的开发潜力和重要的应用价值。基于此，文章在总结分析既有研究的基础上，对钢纤维混凝土在不同钢纤维抗弯拉强度和不同水灰比条件下的性能变化进行分析，为钢纤维混凝土的制备和应用提供参考。

1 钢纤维混凝土材料及制备

1.1 原材料的选择

在钢纤维混凝土制备过程中，需要根据不同的性能要求选择不同的材料，进行材料选择时必须进行相关参数的分析和确定，以满足钢纤维混凝土的性能要求[4]。该研究选取的原材料基本参数如下：水泥采用P·Ⅱ52.5 级硅酸盐水泥，其密度为3.09g/cm3，比表面积为378m2/kg，总碱量为0.60%，28d 抗压强度为60.1MPa，28d 抗弯拉强度为8.3MPa；聚羧酸系高性能减水剂（液态）减水率为26%；所采用的天然砂表观密度为2.74g/cm3，级配区属2 区，细度模数为2.7；采用的粗骨料为5～25mm 碎石；采用的钢纤维材料为端钩形，其纤维长度约为35mm，纤维直径为0.75mm，纤维的长径比为46，抗拉强度极限值为1089MPa；拌和用水为自来水。

1.2 钢纤维混凝土的配合比设计及制备

1.2.1 钢纤维混凝土的配合比设计

在确保原材料选择合理的前提下，钢纤维混凝土的配合比设计需要结合其性能要求及使用特点进行确定。对钢纤维混凝土中钢纤维体积含量不同的情况下其性能的变化情况进行分析，如表1 所示。试件中的钢纤维掺量（体积分数）分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%，坍落度控制在180±20mm，相关性能测试按交通行业标准《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG 3420—2020）的相关规定进行[5]。

表1 不同钢纤维掺量的钢纤维混凝土主要原材料配合比

1.2.2 钢纤维混凝土试件的制备

在钢纤维混凝土试件的制备过程中，首先需要按照相关的设计比例确定水泥、天然砂等原材料的质量或体积；其次，将天然砂、碎石、水泥（掺和料）、钢纤维（加入时应充分分散）放置在混凝土搅拌机中进行干拌，干拌时间一般为0.5～1min；最后，加入溶有高性能减水剂的水（为了充分发挥减水剂的作用，减水剂应充分与水搅拌融合），继续搅拌3min 左右。以上过程中需要注意合理调整搅拌机的转速，避免影响试件的制备效果。

此外，抗压强度试件按照（150×150×150）mm 规格进行制作，抗弯拉强度试件按照（150×150×550）mm 规格进行制作。充分搅拌后，取适量的钢纤维混凝土装入试模中振捣成型[6]。

1.2.3 钢纤维混凝土试件的养护

试件制备成型之后，为了保证试件的相关性能合格，确保性能检测的准确性，需要使用湿布覆盖试件，静置24h 之后拆模，然后将试件放进温度为20℃、湿度大于95%的养护室进行28d 的标准养护，最后对试件进行相关的性能检测和试验数据分析。

2 钢纤维混凝土性能分析

在钢纤维混凝土的性能测试过程中，对混凝土试件抗压强度采用公式（1）进行定义。

式（1）中：f为抗压强度（单位：MPa）；P为试件破坏荷载（单位：N）；A为试件承压面积（单位：mm2）。

对于试件的抗弯拉强度，可以采用式（2）进行定义。

式（2）中：ff表示试件的抗弯拉强度（单位：MPa）；F表示极限荷载（单位：N）；L表示支座间的距离（单位：mm）；b表示试件宽度（单位：mm）；h表示试件高度（单位：mm）。

按照相关测试标准，对试件A 和试件B 均进行了抗压强度性能测试，如图1 所示。试件B 掺入了钢纤维，其抗压强度随钢纤维含量的增加而不断提升。钢纤维掺入体积率为1.5%时，7d、28d 抗压强度均达到最高，7d 抗压强度为57.5MPa，较素混凝土提高18.1%；28d 抗压强度为72.2MPa，较素混凝土提高18.8%；其中钢纤维掺量为1%～1.5%时28d 抗压强度差距较小。但当钢纤维掺入体积率大于2%时，抗压强度随钢纤维掺入体积率的增加而降低[7]。

图1 不同钢纤维掺量下混凝土抗压强度变化情况

从混凝土试件的破坏形态分析，钢纤维混凝土立方体抗压试件在最大负荷下的破坏形态与素混凝土有明显不同，尤其是在抗压强度大于55MPa 时，素混凝土会出现中间炸裂的情况，即环箍效应。而钢纤维混凝土由于钢纤维在其中起到了有效的变形约束作用，所以很少出现中间炸裂的情况，多为竖向裂缝形态破坏，整体性保持较好。

抗弯拉强度关系如图2 所示，在抗弯拉强度测试中，随着钢纤维掺入体积率的增加抗弯拉强度表现为先增加后减少的趋势。当钢纤维掺入体积率为1.5%时，7d、28d 抗弯拉强度达到最高，分别为6.5MPa 和8.1MPa，较素混凝土分别提高58.5% 和52.8%；当钢纤维掺入体积率大于2%时，抗弯拉强度随钢纤维掺入体积率的增加而降低。

图2 不同钢纤维掺量下混凝土抗弯拉强度变化情况

从抗弯拉强度试件破坏形态分析，在断裂面位置有钢纤维被拉出，数量随钢纤维掺量的增加而增加。该次采用的是端钩型钢纤维，长度达到35mm，钢纤维的两端端钩提高了混凝土的握裹能力，有效地发挥了钢纤维的高抗拉作用，这也是抗弯拉强度得到显著提升的关键。

通过对图1、图2 的分析可以发现，钢纤维混凝土7d 的抗压强度和抗弯拉强度增长率均高于28d。分析原因，钢纤维是一种高抗弯拉强度、高弹模材料，具备优异的抗拉力学性能，当混凝土受到外力作用时，钢纤维在混凝土内部均匀分布，与水泥基体结合起到抑制裂缝发展的作用，充分约束混凝土变形，能有效提高混凝土的抗压能力。

3 钢纤维的生产与使用控制要点

在钢纤维混凝土制备过程中，需要按照配合比设计进行，同时需要关注原材料添加顺序和搅拌时间，钢纤维混凝土复合材料搅拌成型后，需要按照相关的测标准进行相关性能的检测和分析。基于以上分析，总结出钢纤维混凝土的制备及施工过程，如图3 所示。此外，在钢纤维混凝土运输和施工过程中，需要关注对作业环境和作业设备的控制，以保障其性能不受影响。施工结束并按照相关标准养护完成后，需要对其性能进行检测和评价，进而为配合比设计、制备提供优化和改进方向。

图3 钢纤维混凝土制备及施工基本流程图

4 结论

钢纤维混凝土在工程领域的应用较为普遍，为了进一步提高其应用效果，需要对其相关性能参数进行分析研究，因此不同制备条件下钢纤维混凝土的性能变化情况成为重点研究内容。通过对不同钢纤维含量的钢纤维混凝土试件的抗压强度、抗弯拉强度性能的研究，主要得出以下结论。

第一，与传统混凝土试件相比，加入钢纤维可以提升混凝土的抗压强度和抗弯拉强度，当钢纤维掺量小于最佳钢纤维掺入体积率之前，抗压强度和抗弯拉强度与掺量呈正相关变化，在钢纤维掺量大于最佳钢纤维掺入体积率时呈负相关变化。

第二，关于抗压强度，钢纤维掺入体积率为1.5%时为最佳掺量，其7d、28d 抗压强度较素混凝土分别提高约18.1%和18.8%，增幅较为明显，其中钢纤维掺量为1%～1.5%时28d 抗压强度差距较小。钢纤维在混凝土中可起到有效的变形约束作用，破坏类型多为竖向裂缝形态破坏，完整性保持较好。

第三，关于抗弯拉强度，钢纤维掺入体积率为1.5%时为最佳掺量，其7d、28d 抗弯拉强度较素混凝土分别提高约58.5%和52.8%，钢纤维的两端端钩能够提高混凝土的握裹能力，有效发挥钢纤维的高抗弯拉作用。