鋼纖維長徑比對混凝土力學性能及抗凍性能的影響分析

葉 晟

(廣西理工職業技術學院，廣西 崇左 532200)

0 引言

混凝土因具有造價低、適用性廣、施工簡便及耐久性好等優點，已在我國建筑、路橋等工程得到廣泛應用[1-2]。但隨著工程技術和結構的發展，自重大、抗拉強度低及早期強度不高的普通混凝土已無法滿足工程設計要求[3-4]。因此，如何有效改善普通混凝土性能對于工程質量的保證具有重要意義。

目前，國內外學者針對纖維提升混凝土性能的研究已相對成熟，如郭琳等[5]對聚丙烯纖維混凝土進行了抗壓性能和劈裂抗拉性能的試驗，發現將纖維引入混凝土中，并控制一定的數量，可以防止路面裂縫的擴展，提高混凝土力學性能。張鵬等[6]通過坍落擴展度試驗和抗彎拉性能試驗，研究了4種不同聚乙烯醇纖維體積摻量對混凝土拌和物流動性及抗彎拉性能的影響。潘書才等[7]認為聚丙烯纖維增強混凝土性能的作用要優于聚乙烯纖維，凍融循環次數的增加會顯著降低纖維混凝土的性能。周美容等[8]發現混雜纖維增強混凝土材料的耐久性能的作用優于單纖維。上述研究主要集中在纖維摻量及種類對混凝土性能的影響，而關于纖維長徑比對混凝土性能的影響研究還有待進一步完善。基于此，本文以鋼纖維為例，針對鋼纖維長徑比對混凝土力學性能及抗凍性能的影響規律展開了對比分析，并給出了鋼纖維長徑比的合理取值范圍。

1 原材料

(1)水泥：采用普通硅酸鹽水泥，其性能指標檢測結果如表1所示。

表1 水泥性能檢測結果表

(2)纖維：采用冷軋鋼波浪剪切型鋼纖維，按照《公路水泥混凝土纖維材料鋼纖維》(JT/T524-2004)規范要求進行性能檢測，結果如表2所示。

表2 鋼纖維檢測結果表

(3)集料：粗集料采用5～25 mm連續級配碎石，表觀密度為2.7 g/cm3，針片狀含量為8.2%，壓碎指標為9.1%，含泥量為0.7%。細集料采用表觀密度為2.63 g/cm3的普通河砂，其細度模數為2.72。

(4)粉煤灰：采用Ⅱ級粉煤灰，密度為2.0 g/cm3，含水量為28%，0.045 mm方孔篩篩余量為15.3%。

(5)減水劑：采用聚羧酸高效減水劑，減水效果≥30%。

(6)水：采用潔凈自來水。

2 試驗方法及配合比設計

2.1 試驗方法

按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2016)規范要求，分別制備5組尺寸為100 mm×100 mm×100 mm立方體混凝土試件，針對試件齡期7 d、28 d的抗壓強度和劈裂抗拉進行測試，另制備5組尺寸為100 mm×100 mm×400 mm棱柱體混凝土試件，針對試件齡期7 d、28 d的抗折強度進行測試。此外，按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)規范要求，制備5組尺寸為100 mm×100 mm×400 mm棱柱體混凝土試件，分別進行300次凍融循環試驗。

2.2 配合比設計

為研究鋼纖維長徑比對混凝土力學性能和抗凍性能的影響，以未摻鋼纖維的混凝土試件為參照組，分別設計了鋼纖維長徑比為20、40、60、80的混凝土試件為分析組，并針對不同鋼纖維長徑比的混凝土抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度、質量損失率以及相對動彈性模量進行對比分析，其中混凝土鋼纖維摻量均為1%。其配合比設計如表3所示。

表3 鋼纖維混凝土配合比設計表

3 結果與分析

3.1 力學性能

為研究鋼纖維不同長徑比對混凝土力學性能的影響，分別針對鋼纖維長徑比為0、20、40、60、80的混凝土試件的抗壓強度、抗折強度及劈裂抗拉強度變化規律進行對比分析。

3.1.1 抗壓強度

對不同鋼纖維長徑比混凝土試件的抗壓強度進行對比分析，其抗壓強度變化曲線如圖1所示。

圖1 抗壓強度變化曲線圖

根據圖1可知，隨著鋼纖維長徑比的增加，齡期為7 d、28 d的混凝土抗壓強度呈先增大后減小趨勢，且不同鋼纖維長徑比的抗壓強度均要大于未摻鋼纖維的混凝土，說明鋼纖維的摻入可以增強混凝土的抗壓強度。對于齡期為7 d的混凝土而言，鋼纖維長徑比為40～60的混凝土抗壓強度較未摻鋼纖維的混凝土而言增幅效果較為顯著，增幅可達17.4%～18.7%；對于齡期為28 d的混凝土而言，同樣是鋼纖維長徑比為40～60的混凝土抗壓強度增幅效果較為顯著，與未摻的相比，增幅可達10.7%～11.9%。由此說明，對于增強混凝土抗壓強度來說，鋼纖維長徑比選擇40～60范圍相對合理。

3.1.2 抗折強度

對不同鋼纖維長徑比混凝土試件的抗折強度進行對比分析，其抗折強度變化曲線如圖2所示。

圖2 抗折強度變化曲線圖

根據圖2可知，隨著鋼纖維長徑比的增加，齡期為7 d、28 d的混凝土抗折強度呈先增大后減小趨勢，且不同鋼纖維長徑比的抗折強度均要大于未摻鋼纖維的混凝土，說明鋼纖維的摻入可以增強混凝土的抗折強度。對于齡期為7 d的混凝土而言，鋼纖維長徑比為40的混凝土抗折強度增幅效果較為顯著，與未摻的相比，最大增幅為14.3%；對于齡期為28 d的混凝土而言，鋼纖維長徑比為60的混凝土抗折強度增幅效果較為顯著，與未摻的相比其最大增幅為21.6%。綜合來看，鋼纖維長徑比選擇40～60范圍對于增強混凝土抗折強度效果較好。

3.1.3 劈裂抗拉強度

對不同鋼纖維長徑比混凝土試件的劈裂抗拉強度進行對比分析，得到劈裂抗拉強度變化曲線如圖3所示。

圖3 鋼纖維混凝土劈裂抗拉強度變化曲線圖

根據圖3可知，隨著鋼纖維長徑比的增加，齡期為7 d、28 d的混凝土劈裂抗拉強度先增后減，說明鋼纖維的摻入可以增強混凝土的劈裂抗拉強度。當鋼纖維長徑比<60時，齡期為7 d、28 d的混凝土劈裂抗拉強度均不斷增大；當鋼纖維長徑比>60后，齡期為7 d、28 d的混凝土劈裂抗拉強度則開始逐漸減小；當鋼纖維長徑比為60時，齡期為7 d、28 d的混凝土劈裂抗拉強度均達到最大值，與未摻時相比，最大增幅分別為62.1%和51.2%，對于增強混凝土劈裂抗拉強度的效果顯著。

3.2 抗凍性能

為研究鋼纖維不同長徑比對混凝土抗凍性能的影響，分別針對鋼纖維長徑比為0、20、40、60、80的試件進行凍融循環試驗，得到混凝土相對動彈性模量及質量損失率變化曲線如圖4、圖5所示。

圖4 鋼纖維混凝土質量損失率變化曲線圖

根據圖4可知，凍融循環次數增加，混凝土的質量損失率會隨之增大，在凍融循環50次后，混凝土的質量損失率逐漸達到相對穩定狀態。隨著鋼纖維長徑比的增大，混凝土的質量損失率不斷減小，說明鋼纖維的摻入可有效降低混凝土的質量損失率。在凍融循環300次后，當鋼纖維長徑比由0增至60時，混凝土的質量損失率減小幅度較大，而鋼纖維長徑比由60增至80時，混凝土的質量損失率減小幅度有所減小，由此說明鋼纖維長徑比選擇60時，對于降低混凝土的質量損失率效果顯著。

圖5 鋼纖維混凝土相對動彈性模量變化曲線圖

根據圖5可知，凍融循環次數增加，混凝土試件的相對動彈性模量會隨之減小，在凍融循環150次后，混凝土的相對動彈性模量減小趨勢較為明顯。隨著鋼纖維長徑比的增加，混凝土的質量損失率不斷增大，說明鋼纖維的摻入可有效增大混凝土的相對動彈性模量，其中鋼纖維長徑比由0增至60時，混凝土的相對動彈性模量增幅較大，而鋼纖維長徑比由60增至80時，混凝土的相對動彈性模量增幅有所減小。綜合來看，鋼纖維長徑比選擇60的混凝土試件抗凍性能改善效果顯著。

4 結語

(1)隨著鋼纖維長徑比的增加，不同齡期的混凝土抗壓、抗折及劈裂抗拉強度均呈先增大后減小趨勢，但其強度均要大于未摻鋼纖維的混凝土，其中鋼纖維長徑比為40～60的混凝土抗壓、抗折強度增幅效果較為顯著，鋼纖維長徑比為60的混凝土劈裂抗拉強度均達到最大值，對于增強混凝土劈裂抗拉強度效果顯著。

(2)鋼纖維的摻入可有效提升混凝土的抗凍性能。當鋼纖維長徑比由0增至60時，混凝土的質量損失率大幅降低，相對動彈性模量增幅較大，但鋼纖維長徑比超過60后，混凝土的質量損失率減小幅度和相對動彈性模量增幅均有所下降。綜合來看，鋼纖維長徑比選擇60的混凝土的抗凍性能增幅效果顯著。