不同類型鋼纖維增強混凝土力學性能研究

應文宗

（重慶交通建設集團，重慶400074）

0 引言

鋼纖維復合材料由于其優異的性能，已在建筑結構、路橋和水利工程等方面得到廣泛的應用。目前用來增強水泥基復合材料的鋼纖維多為低摻量的單一鋼纖維，因此其增強和增韌效果有限。一些研究者對不同類型的纖維混雜摻入混凝土進行了探索研究[1]，將高彈性模量的纖維（如鋼纖維）與低彈性模量的纖維（如聚丙烯纖維）摻入混凝土來制成鋼纖維-聚丙烯纖維增強高強混凝土。結果表明，低彈模的聚丙烯纖維只在小開裂位移條件下對高強混凝土的開裂有約束作用，而鋼纖維在混雜纖維高強混凝土斷裂性能的改善方面起著主導作用。

本研究嘗試將普通鋼纖維和高摻量的超短超細鋼纖維這兩種高彈性模量的鋼纖維混雜在一起對水泥混凝土進行增強和增韌，通過實驗得到混雜鋼纖維增強混凝土的一些性能規律。

1 試驗研究方案與方法

由于水泥基復合材料的抗壓強度和抗折強度基本上可反映其力學性能，本研究主要從混雜鋼纖維增強混凝土的抗壓強度和抗折強度、壓折比及荷載位移曲線等方面探討混雜鋼纖維增強混凝土力學性能。

1.1 試驗內容和配合比

試驗共分三組，如表1所示，試驗材料配合比為：水泥∶粗集料∶細集料∶水=1∶1.91∶1.17∶0.41。其中，除鋼纖維摻量按體積比以外，其他的材料摻量均為質量比。混雜鋼纖維試件的配合比見表2。

表1 試驗內容

表2 混雜鋼纖維試件材料配合比

1.2 試驗原材料

水泥采用重慶產42.5 級普通硅酸鹽水泥。粗集料為碎石灰石，按粒徑大小分為三種：0～5mm∶5～10mm∶10～15mm=1∶5∶4。細集料為普通中粗砂，細度模數為2.8。所用某公司生產的鋼纖維種類及物理力學性能指標如表3所示。

表3 鋼纖維物理力學性能指標

1.3 試件的制備和養護

按《鋼纖維混凝土試驗方法標準》（CECS13：89） 的要求制作試件，抗沖擊試塊的直徑為150mm，高63mm。應注意，粗、細集料和水泥需干拌2min 后再向攪拌機內人工逐漸均勻撒入鋼纖維，待全部投入后再攪拌2min，保證其分散均勻，最后加入水攪拌2～3min 完成。成型后薄膜覆蓋表面，在溫度為20℃±5℃的條件下靜置24h后拆模并編號，放在溫度為20℃±3℃、相對濕度為90%以上的標準養護室中養護28d。

1.4 試驗方法

抗壓強度的試驗在NYL—1000 型200t 壓力試驗機上進行，抗折強度試驗在WE—100 型液壓萬能試驗機上進行，其中抗折試件采用三分點方式荷載控制加載，沖擊試驗參照落錘試驗方法加以改進。

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度

三種類型鋼纖維對混凝土的抗壓強度均有一定程度的增強作用，試驗結果如圖1所示。

圖1 三種類型鋼纖維增強混凝土的抗壓強度

由圖1 可見，當體積摻量不大于1%時，普通鋼纖維對混凝土抗壓強度的增強作用略大于超短超細鋼纖維；當體積摻量大于2%時，隨鋼纖維摻量的增加，超短超細鋼纖維的增強作用越來越優于普通鋼纖維，雜鋼纖維對混凝土抗壓強度的增強作用介于二者之間；當體積摻量為5%時，超短超細鋼纖維混凝土抗壓強度達到70.3MPa，較同批次素混凝土提高了65.8%。

2.2 彎曲抗折強度

三種類型鋼纖維對混凝土的抗折強度增強試驗結果如圖2所示。

圖2 三種類型鋼纖維增強混凝土的抗折強度

由圖2可見，三種類型鋼纖維對混凝土的抗折強度具有不同程度的增強作用：當體積摻量為5%時，混雜鋼纖維增強水泥混凝土的抗折強度由素混凝土的5.4MPa 提高至12.1MPa，提高幅度達124%；普通鋼纖維和超短超細鋼纖維增強水泥混凝土的抗折強度最大提高幅度分別為42.6%和31.5%。

比較三種類型鋼纖維抗折強度曲線可見，同體積摻量情況下，混雜鋼纖維對混凝土的增強作用高于普通鋼纖維和超短超細鋼纖維，且三種類型鋼纖維的增強作用都隨體積摻量的增加而提高，混雜鋼纖維的提高速度和幅度明顯大于超短超細鋼纖維，普通鋼纖維的增強幅度介于二者之間。

2.3 壓折比

壓折比用來表征混凝土的韌性。圖3為三種類型鋼纖維增強水泥混凝土的壓折比試驗結果。

圖3 三種類型鋼纖維增強混凝土的壓折比

由圖3可見，在0～3%體積摻量范圍內，超短超細鋼纖維增強水泥混凝土的壓折比隨體積摻量的增加逐漸由7.9增至9.7，在3%～7%范圍內，其壓折比由9.7逐漸降至8.5；在0～3%范圍內，普通鋼纖維增強水泥混凝土的壓折比只有小幅度波動，并無太大變化；在1%～6% 范圍內，混雜鋼纖維增強水泥混凝土的壓折比由8.1 逐漸降至4.1。對比三條曲線可以明顯看出，混雜鋼纖維對水泥混凝土試件的增韌效果好于單一尺寸鋼纖維。

2.4 荷載-位移曲線

圖4為試驗測得不同體積摻量的普通鋼纖維和混雜鋼纖維試件在達到極限荷載時的荷載-位移曲線。

圖4 三種類型鋼纖維的荷載-位移曲線

圖4 中所示荷載-位移曲線均由兩個階段組成：在開裂前的第一階段荷載較小，跨中位移隨荷載的增大不斷增大，兩者呈線性關系且斜率最大；當試件出現裂縫后，曲線進入第二階段，跨中位移隨荷載的增加而增長速度明顯增大，荷載位移曲線斜率明顯減小；第二階段，加入鋼纖維的混凝土試件在開裂后一定范圍內仍然能夠承受一定量的荷載，即鋼纖維的加入使混凝土試件的破壞由脆性破壞變為延性破壞，增加了試件的變形承載能力。圖中曲線兩階段轉折點即為該曲線開裂荷載，由此可得表4。

表4 開裂及極限荷載對比表

由表4可見，鋼纖維對混凝土試件開裂和極限荷載的提高程度隨鋼纖維體積摻量的增大而增大；相同體積摻量下，混雜鋼纖維對混凝土試件開裂和極限荷載的提高效果明顯優于單一普通鋼纖維；其中，與摻量為1%的普通鋼纖維試件相比，摻量為6%（P1+DX5）的混雜鋼纖維試件的開裂荷載能夠提高109.1%，極限荷載能夠提高92.3%。

2.5 抗沖擊性能

鋼纖維混凝土抗沖擊韌性是其動力特性的重要指標，按標準落錘試驗方法，體積摻量為1%的普通鋼纖維試塊沖擊1 500 次未有明顯開裂痕跡，故參照落錘試驗方法，將落錘重量加至9kg，下落高度改為90cm，其余不變。三種類型鋼纖維沖擊試驗結果見表5。

表5 混凝土抗沖擊試驗結果

由圖示結果可以看出，素混凝土體現出明顯的脆性破壞特性，而鋼纖維能顯著改善混凝土的脆性性質，體現出延性破壞的特征，有效提高材料的斷裂韌性與抗沖擊性能。同體積摻量下，混雜鋼纖維較之單一普通鋼纖維提高效果更明顯。

2.6 試驗結果分析

鋼纖維本身的抗拉強度高，由于其在混凝土內亂向分布，當試件受壓時，亂向分布的鋼纖維對基體混凝土有較大的約束作用，使試件處于近似的三向受壓狀態，從而可以提高材料的強度和韌性。超短超細鋼纖維長度更短，長徑比更小，在混凝土內更容易形成亂向分布態，因此同體積摻量下，超短超細鋼纖維與普通鋼纖維相比，增強作用更明顯。

鋼纖維試件在開裂前整體剛度較大，試件處于彈性階段，鋼纖維與混凝土之間黏結狀況良好，沒有相對滑移，因此在較小荷載作用下其位移增長較慢；曲線進入第二階段后，開裂部位部分混凝土退出工作，導致試件整體性喪失，整體剛度下降，跨中位移在相同荷載作用下增長速度相對加快，而鋼纖維的存在在一定程度上延緩了試件的開裂。由于混凝土多相、多結構、多層次非均質結構特性，混雜鋼纖維中小尺寸鋼纖維可以延緩微裂縫在基體中的擴展，大尺寸鋼纖維被拔出時也需要吸收較大的能量，因而可限制宏觀裂縫的發展，兩種鋼纖維共同作用可以達到逐級阻裂與強化的效果，從而提高混凝土的韌性。

3 結論

（1）普通鋼纖維由于尺寸較大，不易拌和均勻，因此其在混凝土中的摻量較低，通常為0.5%～2%。超短超細鋼纖維由于尺寸及長徑比較小，其在混凝土中的體積摻量能達到8%。

（2）普通鋼纖維摻入混凝土對其抗壓強度有一定影響，但影響程度有限；超短超細鋼纖維能相對較大程度地提高混凝土的抗壓強度，在體積摻量為5%時抗壓強度提高幅度可達65.8%。

（3）混雜鋼纖維相比于單一尺寸鋼纖維能更好地提高混凝土的韌性，在體積摻量為6%范圍內，可將混凝土的抗折強度提高124%。

（4）鋼纖維試件開裂后具有殘余強度，在一定范圍內能繼續承受荷載，這種承載能力隨鋼纖維摻量的增加而增大，且相同摻量下，混雜鋼纖維試件的承載能力更大。

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