鋼纖維水泥砂漿力學行為研究

李 政 宋曉明

(1.南京金海設計工程有限公司，江蘇 南京 210000；2.同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室，中國 上海 201804)

0 引言

鋼纖維水泥基材料 (Steel Fiber Reinforced Cement-based Composites)由水泥、粗細集料和鋼纖維組成。亂向分布的鋼纖維能有效的阻滯裂縫擴展，顯著提高基體的抗拉強度、抗彎強度、抗沖擊耐磨性，并能改善韌性[1-2]。鋼纖維的主要作用是阻礙混凝土內部微裂縫的擴展和阻滯宏觀裂縫的出現和發展，對抗拉強度和由主拉應力控制的抗剪、抗彎強度有明顯的改善作用[3-4]。傳統的纖維增韌水泥基材料不加考慮構件受力情況，直接將纖維亂向均勻分布在構件內部中，結果在高拉應力區域內的纖維被拔出或拉斷時低拉應力區域內的纖維還未發揮出全部能量而造成材料的浪費[5-6]。因此，根據水泥基材料構件的受力情況，采取適宜的工藝使纖維主要分布在水泥基材料主要受拉區域，可以達到既保證其經濟性又能充分發揮纖維增強增韌優勢的目的。本文將鋼纖維分布在砂漿梁中和軸以下受拉區域內，研究局部鋪設增韌鋼纖維砂漿的力學性能。

1 層布鋼纖維增強增韌方法

上下層布式鋼纖維混凝土是在澆注混凝土時，在距混凝土的上下表層約20mm的面內人工均勻撒布一定體積率的鋼纖維。而中間仍為素混凝土的一種新型復合路面材料。這種結構形式的混凝土避免了鋼纖維結團現象，可以提高混凝土的劈裂抗拉強度，彎拉強度，初裂強度，彎曲韌性，增強混凝土斷裂的薄弱環節。為了充分發揮鋼纖維對混凝土的增強增韌作用，纖維的抗拉強度必須要與混凝土基體強度相適應，越高的基體強度則要求摻入越高抗拉強度的鋼纖維。這種結構形式的混凝土性能與整體式鋼纖維混凝土力學性能相近，工程造價大幅降低，施工簡便，具有良好的社會經濟效益和推廣應用前景[7]。

2 原材料與試驗方法

2.1 試驗原材料

本實驗所用水泥為海螺P·O 42.5水泥，各項指標皆符合實驗要求；水為清潔自來水；砂為河砂，細度模數為2.5，級配連續、良好；硅灰由Elken公司提供；外加劑是上海花王萘系中高效減水劑；鋼纖維采用上海貝爾卡特生產的OL13/.20型鋼纖維，長度：13mm；直徑：0.20mm；長徑比：65；彈性模量：210GPa；抗拉強度：2600MPa；密度：7.8g/cm3。

2.2 試驗方法

三組鋼纖維水泥砂漿水灰比分別為0.25、0.35和0.45， 膠砂比為0.667，硅灰摻量為膠凝材料總量的10%。鋼纖維局部摻入即把砂漿試塊在高度方向等分，將纖維摻加在下層砂漿中，其體積摻量從0.5%～2.0%，以0.5%為單位增加；同時，每組水膠比都會有一組素水泥砂漿作為對比控制組。鋼纖維砂漿試件采用機械拌和以及人工用鏟刀輔助拌和，以避免出現鋼纖維結團現象。在成型局部摻入鋼纖維的砂漿試件時，試料分2次入模，同時攪拌2組砂漿，1組為不加纖維的素水泥砂漿，1組為同樣配合比但摻加鋼纖維的砂漿，攪拌均勻后，在試模底部約20mm厚的一層加入拌有鋼纖維的砂漿，上層摻入素水泥砂漿。鋼纖維砂漿試件的尺寸為40mm×40mm×160mm。成型完成后1天后脫模，放入養護室中進行水養護28天，保證溫度控制在20℃左右，相對濕度控制在95%左右。抗彎韌性采用三點彎曲試驗進行測試。測試設備為MTS萬能試驗機，控制模式為等位移加載，試驗荷載由壓力傳感器測試，撓度由位于試件跨中的引伸計測定，試件齡期為28天，每組測定3個試件。

3 試驗結果與分析

通過三點彎曲試驗，測出用OL13/.20鋼纖維對砂漿進行局部鋪設增韌的荷載-撓度曲線。由實驗測出的荷載-撓度曲線，可以得出其極限抗彎荷載和鋼纖維砂漿荷載-撓度曲線在特定撓度下的面積，并進一步計算出OL13/.20鋼纖維水泥砂漿在相應的水膠比下不同體積摻量時的抗彎強度和韌性指數，見表1。

表1 鋼纖維水泥砂漿的力學性能

通過表 1 中的抗彎強度數據，可以很明顯的看出，0.25，0.35，0.45任意一組恒定水膠比下，抗彎強度隨著鋼纖維體積摻量的增加而增大。表1數據明確的說明：雖然鋼纖維的分布方式改變了，鋼纖維數量在試件承載的過程中對于抗彎強度的提高仍然發揮重要作用。計算荷載-撓度曲線與坐標軸之間在特定撓度0mm～2.89mm下包圍的面積，根據韌性指數與前者的比例關系換算出韌性指數用來評價鋼纖維砂漿的平均抗彎強度。在同一水膠比下，鋼纖維砂漿韌性指數隨體積摻量的增加而增大。對于水膠比0.25時，體積摻量從1.5%增大到2.0%時，韌性指數僅僅增加3.9%；水膠比0.45時，體積摻量從1.0%增大到1.5%時，韌性指數僅僅增加6.7%，這可能是纖維分布的不均勻性導致的。采用局部鋪設增韌時，由于纖維主要分布在砂漿梁中和軸以下（砂漿試件約一半厚度20mm下的底部），當體積摻量每提升0.5%，纖維分布區域內的相對體積摻量提高了1.0%，鋼纖維的數量優勢進一步得到發揮。

根據表1中數據，可以說明水膠比OL13/.20局部鋪設增韌鋼纖維砂漿力學性能的影響。從試驗數據可以很明顯的看出，整體上隨水膠比增大，其抗彎強度降低。但在體積摻量為0.5%時，0.35水膠比的OL13/.20局部鋪設增韌鋼纖維砂漿其抗彎強度是0.45水膠比的局部鋪設增韌鋼纖維砂漿抗彎強度的1.03倍；體積摻量為1.0%時，OL13/.20局部鋪設增韌鋼纖維砂漿在水膠比0.25和0.35下的抗彎強度持平，對此解釋為在低摻量下，單位橫截面的鋼纖維根數較少，其分布相對于高摻量的鋼纖維砂漿更不均勻，因而可能在荷載達到極限荷載之前裂縫的擴展階段，斷裂面上的鋼纖維數量不足[8]。對于OL13/.20局部鋪設增韌鋼纖維砂漿韌性指數隨水膠比減小而增大，這與整體摻入鋼纖維時，水膠比對韌性指數的影響趨勢是相同的，所以在某些工程應用中，如果要摻入鋼纖維來提高工程構件的韌性，在控制鋼纖維體積摻量的前提下應該優先選擇水膠比較小的水泥基材料，所以可以在保證工程構件達到質量要求，同時又節約了成本。

4 結論

恒定水膠比下，局部鋪設鋼纖維砂漿抗彎強度隨著鋼纖維體積摻量的增加而增大；鋼纖維砂漿韌性指數隨體積摻量的增加而增大。采用局部鋪設增韌時，由于纖維主要分布在砂漿梁中和軸以下，當體積摻量每提升0.5%，纖維分布區域內的相對體積摻量提高了1.0%，鋼纖維的數量優勢進一步得到發揮。局部鋪設增韌鋼纖維砂漿抗彎強度隨水膠比增大而降低；韌性指數隨水膠比增大而減小。

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［3］趙順波，趙國藩，黃承逵.鋼筋鋼纖維混凝土無腹筋梁的剪切尺寸效應[J].華北水利水電學院學報，1997，Vol.18 （2）：7-12.

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［5］王佶，李成江，徐志紅，等.層布式鋼纖維混凝土的抗折強度的影響因素分析[J].廣西大學學報：自然科學版，2005，Vol.30（4）：283-287.

［6］袁海慶，陳景濤，朱繼東.層布式鋼纖維-聚丙烯腈纖維混凝土力學性能試驗研究[J].武漢理工大學學報，2003，Vol.25（4）：31-34.

［7］程澤和.層布式鋼纖維混凝土力學性能分析[J].國外建材科技，2005，Vol.26（6）：30-32.

［8］J.P.Romualdi.The Structure of Concrete，AE Brooks and K.Newman(eds)，Proc.Int.Conf[J].London：Cement and Concrete Association，1965：190-201.