鋼纖維混凝土制備及工作力學性能試驗研究

鐘潤平

（東莞市建生混凝土有限公司，東莞 523960）

1 前言

短鋼纖維、水泥、石等原材料按一定比例混合配制，在其凝結硬化后可形成鋼纖維混凝土這一復合材料。不同于普通混凝土，鋼纖維混凝土在工作力學性能上得到了改善，混凝土的各種性能得以提升，這也意味著混凝土材料迎來了革新發展的契機。因當下人們對建筑的耐久性、安全性有極高的要求，而鋼纖維混凝土的工作力學性能較為優越，所以這一材料在我國很多工程項目中得到了廣泛運用。

2 鋼纖維混凝土的增強機理

普通混凝土材料的成分、結構較為簡單，而鋼纖維混凝土材料十分復雜，其結構、組成也趨于多向性、不均勻性。基于鋼纖維混凝土的增強機理，摻入鋼纖維來改善混凝土及其阻裂反應，可以提升混凝土的物理性能、力學性能，還方便鋼纖維混凝土的結構設計。對于增強機理而言，本文從復合材料理論與纖維間距理論進行分析。

復合材料理論將諸多單一材料、混合材料作為多相系統，各材料的性能也能多相疊加。鋼纖維混凝土為新復合材料，涉及結合面、基相等部分，所以其工作力學性能很容易受到多方因素的影響。通過應用線彈性斷裂力學，纖維間距理論可以評估鋼纖維在混凝土裂縫中的限制作用。這一理論下，為增強混凝土強度，應適當減少內部缺陷，提升混凝土的韌性。

3 鋼纖維混凝土的制備

3.1 工作設備

鋼纖維混凝土制備中需要使用攪拌機與振動臺設備。攪拌機可以選擇JZC250 混凝土攪拌機，其進料容量與出料容量分別是320 升、250 升，生產率可達每小時7立方米左右，而且此設備的提升功率是4.1 千瓦。振動臺可以使用HZJ-0.5 型振動臺，其規格是500*500（單位：毫米），振動器功率是0.55 千瓦，振動頻率可達每分鐘2850 次，最大載重是100 千克。

3.2 配合比設計

配合比設計過程中，使用的是表觀密度法，合理配制普通混凝土試件、鋼纖維混凝土試件，具體設計方案如下表所示。

表1 配合比設計

3.3 鋼纖維混凝土制備

為充分體現鋼纖維混凝土的優勢、工作性能，不僅要合理設計配合比，還要做好制備工藝。由于鋼纖維加入混凝土中在拌合期間易結團，所以在其達到規定強度并成型時，鋼纖維的分布不均衡，混凝土的性能無法提高，甚至會降低，使用壽命也大幅縮減，如果將此類混凝土應用到工程施工中，只會增加施工的難度。在此背景下，為發揮鋼纖維的作用并提高混凝土拌合物性能，需要確保鋼纖維在混凝土拌合物中的分布均勻，還要改進其制備流程[1]。本文基于鋼纖維混凝土制備規程，對比分析不同鋼纖維的混凝土拌合物的攪拌情況，發現將混凝土骨料、鋼纖維混合在一起攪拌，可以保證骨料分布均勻，加入膠凝材料進行干拌處理，也能確保骨料完全接觸膠凝材料。通過這一攪拌過程，發現鋼纖維在混凝土拌合物中的分布十分均勻，且無結團問題。制備工作中，在其試件達到要求強度并不具塑性后，工作人員應開展抹面工作，使用塑料薄膜及時覆蓋混凝土表面，并將其靜置于常溫環境24 小時，隨后進行試塊拆模與編號標記，再將其放入21 攝氏度的環境內。這一期間，需要保證環境的相對濕度約94%，在養護室內養護26 天—29 天，確保試件表面始終潮濕。

4 鋼纖維混凝土的工作力學性能

由于添加適量的鋼纖維，鋼纖維混凝土能夠在遭遇外部影響的情況下避免出現破損，同時也增加其硬度和彈性。相較于普通混凝土，鋼纖維混凝土的工作性能得到了顯著提升。

4.1 混凝土強度

當下，很多人認為鋼纖維混凝土初裂之前，借助鋼纖維作用可以約束并避免混凝土裂縫，還能增強其初裂強度。尤其在混凝土初裂后，受到應力集中作用，混凝土微裂縫不斷擴展，因鋼纖維可以跨越混凝土裂縫，所以可以有效承擔基體或纖維傳遞的應力，在此背景下，混凝土裂縫情況可以緩解，裂縫尺寸也能縮小，還能避免裂縫尖端應力過于集中[2]。此外，在鋼纖維的塑性變形過程中，其能吸取大量的能量，也有助于增強混凝土的硬度和彈性。

4.2 變形性能

經試驗研究，在彈性階段，鋼纖維混凝土的變形狀態和受壓彈性模量與普通混凝土大體一致。并且，隨著鋼纖維體積率的改變，其受拉彈性模量也將有所不同。通常其體積率增加，受拉彈性模量也會小幅度提升。此外，鋼纖維的存在還能提高混凝土韌性，構件韌性也能直接反映混凝土的塑性變形能力。在正常鋼纖維摻量條件下，通常其體積率在0.6%—2%，鋼纖維混凝土的抗壓韌性可提高3—6 倍，抗彎韌性也能提高數十倍。

4.3 耐久性能

就目前而言，相較于普通混凝土，加入鋼纖維的鋼纖維混凝土的力學性能更為顯著，在國內外水利、建筑以及海洋等工程中都有應用。然而，針對鋼纖維混凝土的腐蝕性的研究卻不多，這導致大眾對此類材料的腐蝕狀態疏于注意。在實際施工過程中，鋼纖維混凝土同樣易受腐蝕問題的影響，特別是在裂痕區域的鋼纖維，由于存在腐蝕物，很容易侵害鋼纖維及混凝土，這也進一步削弱了混凝土的整體強度。

5 工作力學性能試驗

實際應用中，施工單位通常使用泵送形式澆筑橋梁伸縮錨固區的鋼纖維混凝土，這對鋼纖維混凝土的工作性能提出了嚴格要求[3]。配合比合理且制備均勻的鋼纖維混凝土的和易性不但能滿足混凝土強度要求，在澆筑泵送環節還不易堵管，也可進一步保證澆筑后鋼纖維混凝土的平整度、密實度等。在此背景下，工程施工質量可以達到規定標準，還能防止鋼纖維混凝土出現早期裂縫，也能盡可能提高混凝土的使用壽命。通過開展鋼纖維混凝土、普通混凝土的塌落度、擴展度等試驗工作，可以得到下表所示的結果。由此可以看出，在鋼纖維的作用下，鋼纖維混凝土的塌落度要比普通混凝土少17 毫米，這使纖維混凝土拌合物的振搗難度增加。同時，隨著鋼纖維的摻入，混凝土的流動性也隨之降低，擴展度提高了15 毫米，究其原因，鋼纖維在混凝土拌合物中產生了“棚架”效應，所以混凝土的塌落度逐漸下降，其擴展度隨之升高。

表2 工作性能對比（毫米）

5.1 抗壓力學性能

經試驗發現，在混凝土拌合物中加入鋼纖維不會過多影響，甚至不影響其抗壓強度，并且試塊峰值應力相對應的應變也未出現明顯變化。究其原因，將鋼纖維加入混凝土拌合物中，其骨料比表面積增加，密實度不斷下降。雖然鋼纖維的抗壓性能不太理想，但在抗拉性能上有著極大的優勢，所以可以抑制混凝土裂縫的發展，使其在峰值后的應力下降進度十分緩慢，其脆性破壞特征能得到進一步改善[4]。為了更好研究鋼纖維混凝土和普通混凝土在軸心抗壓荷載作用下的性能差異，還可對兩者的比例極限、延性系數等變化進行對比與分析。其中，比例極限主要是混凝土在彈性范圍內可以承受的最大應力值，借助延性系數，可以更好研究兩種混凝土的延性系數差異，也能進一步得到二者在抗變形性能上的差異。

通常情況下，鋼纖維混凝土的比例極限要比普通混凝土高19%左右，同時其應變也增加了13%，由此可見，在混凝土拌合物中摻入鋼纖維可使混凝土在彈性階段承受的最大應力顯著提升，對應的應變也隨之增加。同時，摻入鋼纖維還進一步提高了混凝土的延性系數，也使其抗變形能力不斷增強。

5.2 抗折力學性能

經過比較鋼纖維混凝土與普通混凝土的抗彎曲特性，觀察到，鋼纖維能夠提升混凝土的抗折強度，一般來說，其強度可以提高17%，并且抗折峰值相關的撓度并未出現明顯的波動。當其承受的負荷達到最大值，普通混凝土會出現破損，缺乏足夠的彈性。然而，采用鋼纖維混凝土就能解決這個問題，同樣混凝土的彈性也得到了提升。深挖其根源，把鋼纖維加入混凝土的配料中能夠顯著地阻止混凝土內部的裂紋擴大。在實驗過程中，鋼纖維混凝土樣本經過了彈性變化、產生內部裂紋、裂紋擴大和損毀四個主要步驟。在第一階段中鋼纖維混凝土的撓度會隨應力的增加不斷增加，且呈現出彈性變形狀態，混凝土試塊底部沒有顯著變化且未出現裂縫情況；在第二階段，荷載的不斷提升使得鋼纖維混凝土的底部發生裂縫，且有“噼啪”響聲，其試件底部出現一些微裂縫；進入第三階段，鋼纖維混凝土表面的裂縫加大，呈聯結、交叉態勢，由混凝土試塊底部不斷向上擴展，甚至發展到膠凝體內部，致使部分鋼纖維脫離膠凝體，在混凝土表面也出現主裂縫；在最后階段，鋼纖維混凝土的應力會伴隨撓度增加而不斷減小，其應力減小速率緩慢，因為混凝土內部的鋼纖維起到了抗拉作用，但因撓度逐漸增大，鋼纖維混凝土的裂縫不斷擴展，形成了一系列破壞帶。在此情況下，鋼纖維和膠凝材料脫黏，破壞帶范圍不斷加大，一旦出現貫穿裂縫，鋼纖維混凝土會被徹底破壞。

對比兩種混凝土的抗折情況，在加載初期兩者沒有顯著差異，但達到峰值荷載時，普通混凝土因韌性不佳，出現很多裂縫，致使混凝土斷裂，從宏觀上看，普通混凝土的裂縫發展速度極快。而為進一步確定兩種混凝土在抗折荷載作用下的性能差異，還可進一步探究兩者的彎曲韌性變化。如計算鋼纖維混凝土與普通混凝土的彎曲韌性指數與強度因子，再對比兩者的彎曲韌性得出結論，但這一方法過于注重混凝土的初裂撓度與荷載。另一種方法是通過計算荷載—撓度曲線包圍面積，確定混凝土斷裂能，再綜合評價兩者的彎曲韌性。這一方法的計算簡單、誤差較小，但評價指標相對單一[5]。因此，利用前面兩項技術對混凝土樣本進行獨立研究，能夠更加精確和有效地評估鋼纖維混凝土的彎曲彈性的改變。換句話說，相較于普通的混凝土，鋼纖維混凝土的彎曲彈性要好得多。這是由于在鋼纖維的影響下，混凝土的黏附力顯著增加，從而限制了其微小裂縫的擴散，進而提升了混凝土的彎曲彈性。

6 結論

總而言之，合理制備鋼纖維混凝土與普通混凝土，再對比分析兩者的工作力學性能差異，可以得出如下結論：首先，將鋼纖維摻入混凝土拌合物中可以產生“棚架”效應，不僅能降低混凝土的塌落度，還能進一步提高其擴展度。其次，鋼纖維不會較大影響混凝土的抗壓強度，但可有效提高比例極限與延性系數，至于鋼纖維混凝土的抗變形能力也能顯著增強。最后，鋼纖維混凝土的抗折強度以及斷裂能也遠優于普通混凝土，其彎曲韌性顯著增強。