鋼纖維輕骨料混凝土力學性能影響因素研究綜述

于文鳳

摘 要：鋼纖維輕骨料混凝土作為一種質量輕、強度高、韌性好的新型復合材料，在土木工程領域應用廣泛。現如今，各行各業發展都必須堅持綠色、環保、無污染的原則，建筑材料也應該滿足國家對建筑行業發展要求。鋼纖維輕骨料混凝土中的輕骨料是一種節能環保材料，能變廢為寶，實現綠色可持續發展，因此對于鋼纖維輕骨料混凝土的研究和應用越來越多。本文主要對水膠比、輕骨料種類、粉煤灰替代率和鋼纖維摻量等因素對鋼纖維輕骨料混凝土力學性能的影響進行綜述，進一步系統地說明鋼纖維輕骨料混凝土力學性能的變化規律。

關鍵詞：鋼纖維輕骨料混凝土;力學性能;影響因素

中圖分類號：TU528文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）31-0115-03

A Review on the Influence Factors of Mechanical Properties

of Steel Fiber Lightweight Aggregate Concrete

YU Wenfeng

（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： Steel fiber lightweight aggregate concrete， as a new type of composite material with light weight， high strength and good toughness， is very popular in civil engineering field. Nowadays， the development of all walks of life must adhere to the principles of green， environmental protection and pollution-free， and building materials should also meet the national requirements for the development of the construction industry. Light aggregate in SFRLAC is a kind of energy saving and environmental protection material， which can turn waste into treasure and realize green and sustainable development. Therefore， research and application of SFRLAC are increasing. In this paper， the influences of factors such as water-binder ratio， lightweight aggregate type， fly ash replacement rate and steel fiber content on SFRLAC mechanical properties were summarized， and the variation rules of SFRLAC mechanical properties were further explained systematically.

Keywords： steel fiber lightweight aggregate concrete;mechanical properties;influencing factors

混凝土是由水、粗骨料、細骨料和膠凝材料按一定比例配置而成，經過拌制、成型、養護后，具備一定強度的材料。混凝土的力學性能包括抗壓、抗拉、抗折強度和彈性模量等。混凝土的力學性能受很多因素影響，如基體強度、骨料種類、纖維類型、纖維摻量等。混凝土的力學性能會對建筑結構的承載能力產生很大影響，是建筑設計的重要考量指標。普通鋼纖維混凝土由于自重大，在一些高層大跨度等特殊工程中無法使用。鋼纖維輕骨料混凝土（SFRLAC）有效結合了鋼纖維混凝土（SFRC）強度高、韌性好和輕骨料質量輕、保溫隔熱的特點，既能滿足混凝土的力學性能，又能減輕建筑結構本身自重。大量研究表明，鋼纖維對輕骨料混凝土（LAC）的抗拉強度、韌性、耐久性、抗裂性會產生積極作用。鋼纖維摻量不宜過高，過高會影響混凝土的容重，還會影響混凝土的力學性能。因此，鋼纖維摻量以及影響SFRLAC性能的水膠比、粉煤灰替代率、輕骨料種類等因素一直是研究的熱點問題。

1 發展歷史

LAC的研究開始于1950年前后。LAC因輕質、高強、耐久性好等優點得到快速發展，其在發展過程中存在的唯一問題是脆性大，一定程度上限制了工程使用。

為了提高LAC的性能，1980年前后，英國開始對SFRLAC進行研究。英國Sheffield大學對SFRLAC抗沖擊性能和工作性能進行了基礎研究，主要研究了鋼纖維類型、體積率對LAC流動性能的影響。中國在1990年前后開始研究SFRLAC。目前，國內外對SFRLAC的研究主要包括破壞形態、基本力學性能和應力應變關系等方面，研究最多的是基本力學性能方面。從已有研究可知[1-2]，當鋼纖維摻量控制在0%～2.0%時，LAC的劈裂抗拉強度可提高75%～120%，抗彎拉強度可提高90%～95%，抗壓強度可提高20%～30%。由此可見，摻入鋼纖維除了對LAC抗壓強度的影響較小外，對LAC的劈裂抗拉強度和彎拉強度的提高較為明顯。

2 SFRLAC力學性能影響因素

SFRLAC的力學性能包括抗壓、抗彎、抗折、抗沖擊性能等。綜合已有試驗研究結果發現，這些性能與水膠比、骨料種類、粉煤灰替代率和鋼纖維摻量等因素有直接關系。

2.1 水膠比

水膠比等于混凝土用水量與膠凝材料用量的質量之比，其大小直接影響混凝土的工作性能和力學性能。水膠比越小，混凝土的基體強度等級越高，和易性越差;水膠比過大，混凝土容易出現蜂窩麻面，耐久性也會下降。有研究表明，相對于骨料種類和鋼纖維體積率，水膠比對混凝土的力學性能影響更為明顯。因此，水膠比的嚴格控制在混凝土的研究中至關重要。

有關LAC的試驗研究[3]發現，隨著混凝土水膠比的逐漸增大，立方體抗壓強度的降低幅度增大。張穎[4]的研究結果顯示，隨著水膠比的降低，高強LAC抗壓強度逐漸提高。當水膠比從0.32降低到0.30時，高強LAC的抗壓強度可提高4.97%;當水膠比降低到0.28時，高強LAC的抗壓強度可提高16.57%。當水膠比控制在0.28～0.30時，混凝土的抗壓強度較理想。水膠比的增大，提高了混凝土的流動性和密實能力，從而增強了混凝土的密實度，最終提高了混凝土的強度。

2.2 輕骨料種類

按原材料的來源不同，可將輕骨料分為三種，分別是天然輕骨料、工業廢料輕骨料和人造輕骨料。粗骨料在混凝土中主要做骨架結構，粗骨料的強度、吸水率、表面織構直接影響混凝土強度。因此，骨料種類對SFRLAC性能的影響也較為明顯。

Gampione G[5]在其研究中得出，膨脹黏土骨料混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度比浮石骨料混凝土高，增長效果明顯。這充分說明骨料種類也會影響SFRLAC的力學性能。Oktay H[6]的研究發現，當鋼纖維體積率相同時，不同密度等級的膨脹黏土骨料混凝土的抗壓強度有明顯的區別。骨料密度等級越低，抗壓強度的減弱作用越強。張穎[4]的研究結果表明，由于頁巖陶粒有很高的筒壓強度，所以頁巖陶粒配制的LAC比其他LAC的抗壓強度高，粉煤灰陶粒和黏土陶粒配制的輕骨料混凝土抗壓明顯低于頁巖陶粒。

2.3 粉煤灰替代率

粉煤灰作為礦物摻合料，在SFRLAC中摻加粉煤灰可以改善混凝土的工作性能和力學性能。一方面粉煤灰可以緩解輕骨料上浮，填充骨料之間的空隙，使SFRLAC更加密實;另一方面，粉煤灰與水泥進行水化反應，有利于加強水泥漿體的硬化，提升混凝土的后期強度，水化產物還能填充水泥石的毛細孔，提高SFRLAC的耐久性。

沈澤[7]在其研究中發現，用一部分粉煤灰替代水泥，不僅能夠提高混凝土拌和物的工作性能，而且能提高混凝土拌和物的坍落度和坍落擴展度。相比之下，拌和物的坍落擴展度受粉煤灰的影響更大。溫世臣[8]在其試驗中同時摻入鋼纖維和粉煤灰，研究發現在水膠比為0.37、0.35、0.27時，混凝土試件的劈裂抗拉強度均有明顯提高。考慮到建筑材料的綠色可持續發展，摻入一定數量的粉煤灰是可行的，但建議粉煤灰替代率控制在30%以內。

吳振華[9]研究了水灰比為0.37﹑0.35和0.27的試件在摻有0.8%體積率鋼纖維和粉煤灰替代水泥20%的情況下，對應的立方體抗壓強度是未摻鋼纖維和粉煤灰未替代水泥的情況下立方體抗壓強度1.09倍﹑1.07倍和1.06倍。由此可見，在鋼纖維和粉煤灰同時摻入混凝土后，不同水灰比的LAC抗壓強度均有所提高。

2.4 鋼纖維摻量

鋼纖維在LAC中應用廣泛，具有很好的延性。鋼纖維不僅能夠增強基體混凝土強度，而且能夠抑制混凝土的微裂紋在內部擴展，阻礙宏觀裂縫的生成，使混凝土的抗拉、抗彎、抗折和抗疲勞性能得到提高。鋼纖維加入LAC后，會在輕骨料顆粒周圍起到堅固的“套箍”作用，可以使輕骨料初裂滯后;當輕骨料混凝土受壓時，鋼纖維可以阻止混凝土基體橫向膨脹，使破壞過程延遲。即使混凝土中的一些粗骨料受外力開裂后，鋼纖維的阻裂作用也能夠延緩裂紋的繼續發展[10]。

鋼纖維還能起到提高LAC的抗壓和抗拉強度作用，當鋼纖維摻量增大時，混凝土的彈性模量也會增加。朱亞菲[11]的研究發現，混凝土的脆性在摻入鋼纖維后得到很大改善，比強度也有所提高。鋼纖維起到明顯的增強、增韌和阻裂效果。但鋼纖維不宜過多，鋼纖維過多就會使漿體無法完全包裹，容易導致鋼纖維增強、增韌效果不明顯。吳振華[9]在其研究中提出綜合經濟性，在輕骨料混凝土中建議鋼纖維體積率控制在0.8%～1.2%。

趙明爽[12]在其試驗中發現，當鋼纖維摻量增加時，SFRLAC軸壓應力-應變全曲線的下降段斜率逐漸降低，殘余應力有所提高。魏慧[13]的研究發現：LAC破壞特征隨著混凝土強度等級、纖維種類及纖維摻量變化有較明顯的差異，且摻入纖維后混凝土的脆性也得到有效改善。

3 結語

從建筑行業的發展趨勢來看，為滿足建筑結構的特殊要求，建筑材料正逐漸向輕質高強、多功能、高性能材料過渡。SFRLAC作為一種新型功能材料，完全符合國家綠色可持續發展方針政策，具有較好的發展前景。通過本文的研究發現，要想使SFRLAC獲得更好的力學性能，可以將水膠比控制在0.28～0.30以內，可選擇頁巖陶粒作輕骨料，粉煤灰替代率控制在30%以內，鋼纖維摻量控制在0.8%～1.2%。隨著SFRLAC的研究逐漸深入，SFRLAC的應用前景將會更加光明。

參考文獻：

[1]Gao JM，Sun W，Morino K. Mechanical properties of steel fiber-reinforced， high-strength， lightweight concrete[J]. Cement & Concrete Composites， 1997（19）： 307-313.

[2]Campione G， Miraglia N，Papia M.Mechanical properties of steel fibre? reinforced lightweight concrete with pumice stone or expanded clay aggregates[J]. Materials and Structures，2001（34）：201-210.

[3]李長永，錢曉軍，趙順波.FLAC基本力學性能試驗研究[J].混凝土，2010（5）：79-82.

[4]張穎.高強鋼纖維輕骨料混凝土力學性能研究[J].新型建筑材料，2018（2）：29-31.

[5]Campione G，Miraglia N， Papia M. Mechanical properties of steel fibre reinforced lightweight concrete with pumice stone or expanded clay aggregates[J].Materials and Structures，2001（34）：201-210.

[6]Oktay H， Yumrutas R， Akpolat A. Mechanical and thermophysical properties of lightweight aggregate concretes. Construction and Building Materials，2015（96）：217-225.

[7]沈澤.鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土基本力學性能試驗研究[D].鄭州：華北水利水電大學，2015.

[8]溫世臣，韋世益.鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土劈裂抗拉性能試驗研究[J].紅水河，2019（2）：72-73.

[9]吳振華.鋼纖維輕骨料粉煤灰混凝土力學性能試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2019（8）：55-57.

[10]董祥，高建明，吉伯海，等.纖維增強高性能輕集料混凝土的彎曲韌性[C]//第七屆全國輕骨料及輕骨料混凝土學術討論會.2004.

[11]朱亞菲，高建明，王邊，鋼纖維高強輕集料混凝土的試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2001（5）：38-40.

[12]趙明爽.鋼纖維全輕混凝土單軸受壓本構關系試驗研究[D].鄭州：華北水利水電大學，2016.

[13]魏慧，吳濤，楊雪，等.纖維增韌輕骨料混凝土單軸受壓應力-應變全曲線試驗研究[J].工程力學，2019（7）：126.