關于鋼纖維活性粉末混凝土力學性能試驗的相關研究

李志雙 房其娟 楊國華

山東協和學院 山東 濟南 250109

隨著我國工程事業的不斷發展，在防護工程領域中，針對材料性能要求也在不斷提升。鋼纖維混凝土作為一種典型的防護混凝土材料，主要由鋼纖維、粗骨料、細骨料等材料組成，本身具有較強的抗壓強度與抗折抗裂強度，因此非常適合在防護工程中進行應用。為了進一步推動鋼纖維混凝土材料在防護工程中進行廣泛應用，有必要通過相關試驗，來對摻入鋼纖維活性粉末的混凝土力學性能進行全面深入的分析，促使鋼纖維混凝土優質價值更好的彰顯，提高鋼纖維混凝土在工程領域中的應用率，保障我國工程建設穩定安全發展。

一、鋼纖維活性粉末混凝土特點分析

混凝土作為一種建筑材料，本身具有一定的脆性，尤其是一些經過強化后的混凝土，這種脆性問題變得更加明顯。而鋼纖維活性粉末混凝土，便是在混凝土中加入一些鋼纖維活性粉，從而能夠提高混凝土強度，增強混凝土的人性。并且相較于普通混凝土而言，參與鋼纖維活性粉末的混凝土力學性能更加優秀，本身的抗壓強度能夠達到200mpa以上，抗折強度也因此得到了有效提升，不僅如此，在一些高強混凝土中摻入鋼纖維活性粉末，還能夠有效提高混凝土的韌性與延展性，非常適合在一些對防護要求比較高的工程中進行應用。據相關研究標準，高強混凝土在參與鋼纖維活性粉末后，混凝土本身的斷裂能可高達3x104J/m，而對一般的混凝土而言，斷裂能僅有1304J/m[1]。

二、試驗試件制作分析

與普通混凝土制作相比，在實際制作鋼纖維活性粉末混凝土時，采用的材料配比應具備自己的特征。結合實踐來看，這種配比與砂漿配比比較相似。因此本次試驗在進行材料制作時，基于不同的試驗目的，制作了不同的試驗。在測定鋼纖維活性粉末混凝土抗壓強度時，制作了兩組立方體試件，規格分別為100×100×100mm，40×40×40mm作為對照，上述兩組一個摻入鋼纖維活性粉末，一個沒有摻入。同理，在測定鋼纖維活性粉末混凝土抗折強度時，制作了三組棱柱試件，規格為100×100×400mm。除了用其中兩組進行抗壓抗折對照測試外，還采用一組進行彈性模量的對照測試。除此之外，還制作了2組規格為40×40×160mm的試件，同樣用于抗折抗壓強度測定，兩組均摻入了鋼纖維活性粉末。上述試件的鋼纖維活性粉末摻量均設置為2%，水泥為普通的硅酸鹽水泥。除了水泥外，還采用了減水劑、水、石英砂、硅灰、硅微粉、石英粉、鋼纖維、AEA膨脹劑，上述材料之比1:0.15:0.8:1:0.25:0.16:0.16:0.25:0.15。

在完成試件材料配比確定后，需要進行試件制作。在制作過程中，需要先將石英粉/砂、水泥、硅灰等材料倒入攪拌機中進行攪拌。攪拌時間控制在4min左右，然后再加入減水劑與水，繼續攪拌，攪拌時間控制在5min，最后加入鋼纖維活性粉末材料，攪拌5min左右，即可將攪拌好的材料倒入相應規格的模具中完成試件的制作。以下是針對不同因素對鋼纖維活性粉末混凝土力學性能帶來的影響分析。

三、鋼纖維活性粉末混凝土力學性能影響分析

（一）尺寸效應影響分析

從試驗結果中我們能夠認識到，不同尺寸的試件，自身的強度有著一定差異。如表1所示，在鋼纖維摻量相同的情況下，規格為100×100×100mm試件與規格為40×40×40mm的試件二者在抗壓強度方面有著很大的差異，主要就在于二者受尺寸以及受力條件不同所影響。對于規格為40×40×40mm試件而言，在實際測試抗壓強度時，能夠采用專門的夾具，因此試件中心與壓力機壓板中心相對，從而能夠確保試件不會直接被壓壞。在試件制作階段，受種種因素影響，很難避免試件本身存在一定孔隙以及微裂縫等缺陷，一般試件規格越小，這些缺陷也就越小，因此最終獲得的抗壓強度值也相對更高一些。在抗折強度方面，規格為100×100×100mm試件與規格為40×40×40mm的試件二者整體差異并不大，說明試件自同尺寸大小對自身抗折強度的影響并不大。

表1 抗壓強度與抗折強度試驗結果

（二）鋼纖維摻入影響分析

首先，從抗壓試驗來看對試件的破壞形態，針對沒有摻入鋼纖維活性粉末的試件，整體破壞形態與普通混凝土類似，都表現為混凝土的外表有著嚴重的剝落，試件整體呈現圓柱體形狀。而對摻入鋼纖維活性粉末的試件而言，試件四周混凝土剝落并不嚴重，剝落面積也并不大。試件整體保持比較完整，僅在試件四周，存在輕重不一的裂縫，由此能夠證明，摻入鋼纖維活性粉末的試件強度更高，且起到了一定箍筋作用，能保持混凝土在高壓強下不松不散。

從抗折試驗展現的情況來看，對沒有摻入鋼纖維活性粉末的試件的而言，試件出現的裂縫位置比較松散，且裂縫出現的位置多集中在混凝土缺陷本身所存在的位置。而對摻入鋼纖維活性粉末的試件而言，裂縫出現的位置比較集中，主要集中位置為試件中部區域。從中能夠表明，試件在摻入鋼纖維活性粉末后，能夠有效增強混凝土抗折性能，提高了試件的延展性，彌補了因混凝土自身缺陷導致的應力集中問題，使得試件破壞性質得到有效改善。而對沒有摻入鋼纖維活性粉末的試件而言，自身有著更大的脆性，因此試件破壞性質更差，在實際應用中更容易出現嚴重的事故。

從試件強度比對上來看，從表1 中我們就能直觀地看到，相較于沒有摻入鋼纖維活性粉末的試件，摻入鋼纖維活性粉末的試件無論是在抗壓強度還是在抗折強度方面均更勝一籌，其中兩者抗壓強度之比為1.27，抗折強度之比為1.98，由此能夠說明，摻入鋼纖維活性粉末的試件針對抗折強度上有著更大的提升效果[2]。

（三）彈性模量影響因素

通過對試件1、2、3號進行彈性模量的測試，獲得了實測值，同時運用了高強混凝土換算公式進行了計算，獲得了相應數值，其中規格為40×40×40mm的試件值為4.18，規格為100×100×400mm的試件值為4.07。與此同時，文章還參考了《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）公式進行了計算，獲得了相應計算值，其中規格為40×40×40mm的試件值為6.50，規格為100×100×160mm的試件值為5.74。而1至3號試件的實測值分別為4.43、4、4.25，從中我們能夠了解到，實測值均處于上述兩個公式之間，第一個公式與實測值相差比較小，第二個公式與實測值相差比較大。由此能夠證明，通過在混凝土中加入摻入鋼纖維活性粉末，不僅有利于增強其抗壓強度與抗折強度，還有效提高了混凝土的彈性模量，結合實踐經驗來看，筆者認為選擇公式（1）進行計算更加科學合理，能夠保證整體混凝土構件的安全性。同時，我們可以以規格為40×40×40mm抗壓強度為依據，利用第一個公式進行彈性模量的計算，得出的數值與實測值也比較接近，由此更能夠證明第一個公式的科學合理性，同時也表明加入了鋼纖維活性粉末混凝土與砂漿比較類似，并且尺寸較小的試件，更加與實際情況相符合。

（四）電鏡掃描情況分析

為了對摻入鋼纖維活性粉末的混凝土力學性能有一個更加系統全面了解，文章在試驗中還采用了電子顯微鏡來觀察摻入鋼纖維活性粉末的試件。首先，從試件材料結構上來看，整體結構變得更加緊密，在結構之間，有很多扁平粒子緊緊堆積在一起，這些粒子形狀各異，并不規則，與比較類似，最終堆積形成了致密的石狀體，這也是為什么摻入鋼纖維活性粉末的混凝土試件孔隙率如此低的重要原因，同時也使得試件的抗壓強度也得到了顯著的提升。

通過運用顯微鏡觀察鋼纖維界面與基體，我們能夠發現，在鋼纖維的表面，附著很多的顆粒狀物質，并且在鋼纖維周圍，很多水泥石與纖維本身牢牢粘結在一起。而在摻入鋼纖維活性粉末混凝土試件基體內部，還能夠觀察到水化硅酸鈣凝膠，這種凝膠直接沉積在鋼纖維表面，并且與鋼纖維緊密結合在一起。

通過運用顯微鏡觀察鋼纖維與混凝土試件基體的結合面我們能夠發現，鋼纖維與基體結合的非常緊密，二者結合面之間基本看不到明顯的過渡面。正因如此，才有效提升了參與鋼纖維活性粉末的混凝土試件的延展性，防止裂縫持續延伸，促使混凝土試件抗裂性能得到顯著的增強[3]。

總結

綜上所述，在混凝土中通過加入鋼纖維活性粉末材料，并通過進行相應試驗分析，發現較于普通的混凝土而言，加入鋼纖維活性粉末材料的混凝土有著更強的抗壓強度與抗折強度。這種抗壓強度與抗折強度大小受尺寸效應的影響，一般前者受到的影響大，后者的影響小。在混凝土摻入鋼纖維活性粉末材料后，混凝土本身的脆性缺陷得到了有效改善，混凝土彈性模量也比較安全，通過借助電子掃描顯微鏡來對摻入鋼纖維活性粉末材料的混凝土進行掃描，發現鋼纖維活性粉末與混凝土顆粒結合比較緊密，過渡界面不明顯，說明混凝土材料本身孔隙率下降，密實度提升，由此證明摻入鋼纖維活性粉末材料混凝土抗裂性能更加優良。