鋼纖維對混凝土強度和韌性的影響

趙亮平，高丹盈，朱海堂

(鄭州大學教育部纖維復合建筑材料與結構工程研究中心，河南鄭州450002)

鋼纖維加入混凝土中能夠延緩混凝土內(nèi)部微裂縫的擴展，阻滯宏觀裂縫的發(fā)生和發(fā)展，有效提高混凝土的抗拉強度和變形能力，改善混凝土的韌性和延性，避免混凝土結構無征兆的脆性破壞.因此鋼纖維混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete，SFRC)越來越廣泛地應用于工程建設的各個領域.目前，國內(nèi)外對SFRC的強度和韌性的研究大多是針對某一個方面，或考慮的因素比較單一，主要側重于中高摻量鋼纖維和中高強度混凝土的研究［1－3］.筆者通過大量試驗，系統(tǒng)研究了鋼纖維類型、體積分數(shù)、長徑比和混凝土基體強度對SFRC強度和韌性的影響，并歸納出各因素對SFRC的增強、增韌規(guī)律.

1 試驗概況

采用32.5(僅用于配制C20混凝土)和42.5普通硅酸鹽水泥;粒徑0.15～5 mm，級配良好的中砂;粒徑5～20 mm，連續(xù)級配的碎石;JKH－1型粉狀高效減水劑，減水率18% ～25%;拌合水為普通自來水.鋼纖維共有6種，主要特征參數(shù)見表1.

試驗按 C20，C30，C40，C50，C60，C70 6 個強度等級進行配合比設計，基體混凝土配合比見表2.

抗壓和劈拉試驗主要考慮混凝土基體強度等級和鋼纖維體積分數(shù)的影響，試件尺寸為150 mm×150 mm ×150 mm.C20，C40，C60，C70 4 個強度等級混凝土中均摻入體積分數(shù)為0.4%和1.0%的D型鋼纖維;C30 摻入體積分數(shù)為 0.2%，0.4%，0.5%，0.7%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0% 的 D 型鋼纖維;C50摻入體積分數(shù)為 0.2%，0.4%，0.5%，0.7%，1.0%，1.5%，2.0%的 D 型鋼纖維.

表1 鋼纖維特征參數(shù)表

彎曲韌性試驗主要考慮鋼纖維類型、體積分數(shù)和長徑比的影響，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm.以C30混凝土為基本組，分別摻入B型、C型、E型、F型鋼纖維，摻入體積分數(shù)均為0.4%和1.0%兩種;摻入 D型鋼纖維體積分數(shù)為0.2%，0.4%，0.5%，0.7%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%.比較摻入 D型鋼纖維不同體積分數(shù)下的SFRC荷載–撓度曲線，研究體積分數(shù)對彎曲韌性的影響;比較摻入D型、E型和F型鋼纖維(3種類型摻入體積分數(shù)均為0.4%和1.0%)下的SFRC荷載–撓度曲線，研究鋼纖維類型對彎曲韌性的影響;比較摻入B型、C型和D型鋼纖維(3種類型摻入體積分數(shù)均為0.4%和1.0%)下的SFRC荷載–撓度曲線，研究鋼纖維長徑比對彎曲韌性的影響.

各組SFRC試件的抗壓、劈拉和彎曲韌性試驗均按照 CECS 13∶2009［4］規(guī)定的方法進行.其中，抗壓和劈拉試驗均采用普通試驗機.對于彎曲韌性試驗設備，在普通試驗機上進行混凝土彎曲韌性試驗時，若試件變形超過荷載峰值點變形，試件往往會突然崩潰，很難測得混凝土應力–應變曲線或試件荷載–撓度曲線的下降段.為了避免這種突然破壞，采用增設剛性組件的辦法來增大試驗機的剛度，裝置如圖1所示.當試件荷載超過其最大承載力時，剛性組件就負擔起部分或更多的荷載，以減緩試驗機釋放彈性能的速度，從而測得混凝土試件荷載–變形全曲線.

表2 混凝土配合比

圖1 彎曲韌性試驗裝置

2 鋼纖維混凝土抗壓與劈拉強度

2.1 抗壓強度

SFRC抗壓強度與鋼纖維體積分數(shù)的關系如圖2所示.從圖2可以看出，隨鋼纖維體積分數(shù)增大，CF30和CF50混凝土的抗壓強度總體呈上升趨勢，但提升幅度不大.這是因為混凝土的抗壓強度主要取決于混凝土基體的密實度，而影響混凝土密實度的最主要因素是水灰比及澆注過程中的人為因素，因此，鋼纖維的增強作用不太明顯.且加入鋼纖維后，盡管可以阻止裂縫發(fā)展起到增強作用，但同時會降低混凝土的密實度，使基體內(nèi)部缺陷增多，削弱了鋼纖維的增強效果，甚至會導致SFRC抗壓強度略有下降.

圖2 不同鋼纖維體積分數(shù)下SFRC抗壓強度

鋼纖維的加入可以顯著改善試件的破壞形態(tài).普通混凝土受壓破壞時表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征，試件嚴重剝落，呈楔形破壞，甚至壓碎，如圖3(a)所示.高強混凝土破壞時的脆性特征更為明顯，破壞時突然產(chǎn)生巨大的響聲，并且碎塊向四周飛濺，破壞形態(tài)為正倒分離的不明顯的四角錐形，如圖3(b)所示.SFRC試件破壞時具有一定的塑性，先聽到嘈雜和撕裂的聲音，隨著一聲沉重的悶響而最終破壞，試件基本保持完整，只在表面有細微裂紋或者近表面處有輕微剝落，如圖3(c)和(d)所示.

圖3 混凝土受壓破壞形態(tài)

2.2 劈拉強度

SFRC劈拉強度與鋼纖維體積分數(shù)的關系如圖4所示.從圖4可以看出，隨鋼纖維體積分數(shù)增大，2種混凝土的劈拉強度均不斷提高.對CF30混凝土來說，鋼纖維摻入體積分數(shù)為0.2%和3.0%時，SFRC劈拉強度相對素纖維分別提高了12%和112%.對 CF50混凝土，鋼纖維摻入體積分數(shù)為0.2%和2.0%時，SFRC劈拉強度相對素纖維分別提高了16%和95%.鋼纖維體積分數(shù)是影響混凝土劈拉強度的重要因素，且較低摻量的鋼纖維就可顯著改善混凝土的劈拉強度，在實際工程中可以通過在受拉區(qū)摻入鋼纖維來改善混凝土抗拉強度.

圖4 不同鋼纖維體積分數(shù)下SFRC劈拉強度

2.3 劈拉強度與抗壓強度的關系

CF20—CF70混凝土的實測抗壓強度及其相應的劈拉強度如圖5所示.隨混凝土強度等級的提高，普通混凝土和SFRC的劈拉強度均不斷提高，且劈拉強度與抗壓強度有著良好的線性關系.對普通混凝土，二者相關系數(shù)R2=0.919 3;鋼纖維摻入體積分數(shù)為0.4%時，相關系數(shù)R2=0.957 6;鋼纖維摻入體積分數(shù)為1.0%時，相關系數(shù) R2=0.919 6.同時，圖5還反映出鋼纖維的加入能顯著提高各強度等級混凝土的劈拉強度，隨鋼纖維體積分數(shù)的增大，混凝土劈拉強度相對于抗壓強度提高的幅度越來越大，表現(xiàn)為由圖示公式回歸所得直線的斜率越來越大.說明鋼纖維對以主拉應力控制的破壞模式具有更顯著的改善效果.

圖5 SFRC劈拉強度與抗壓強度的關系

3 鋼纖維混凝土彎曲韌性

3.1 鋼纖維體積分數(shù)對SFRC彎曲韌性的影響

不同鋼纖維體積分數(shù)下SFRC小梁的荷載–撓度曲線如圖6所示.SFRC荷載峰值隨著纖維體積分數(shù)的增大而提高，荷載撓度曲線隨著鋼纖維體積分數(shù)的增大而愈加豐滿.這是因為:隨荷載作用增大，混凝土內(nèi)部微裂縫穩(wěn)定擴展成為宏觀裂縫，在這一過程中，跨越裂縫的鋼纖維通過與混凝土基體的黏結橫貫裂縫傳遞應力，使SFRC表現(xiàn)出較好的韌性，鋼纖維體積分數(shù)越大，這一特征越明顯.峰值荷載后，鋼纖維與混凝土基體間界面黏結逐步達到極限，越來越多的鋼纖維被拔出或拉斷，隨鋼纖維體積分數(shù)增大，SFRC軟化段下降速率逐漸變緩，甚至沒有明顯的下降段，并呈現(xiàn)出裂而不斷的特征.值得注意的是，圖6中鋼纖維體積分數(shù)為3.0%不如為2.5%時的增韌效果，說明鋼纖維體積分數(shù)過高時，由于鋼纖維易結團等影響，其對混凝土韌性的改善作用反而會有所降低.

圖6 不同鋼纖維體積分數(shù)下SFRC荷載－撓度曲線

3.2 鋼纖維類型對SFRC彎曲韌性的影響

不同鋼纖維類型下SFRC小梁的荷載–撓度曲線如圖7所示.

圖7 不同鋼纖維類型下SFRC荷載－撓度曲線

在鋼纖維體積分數(shù)相同的情況下，高強鋼絲切斷型鋼纖維的增強效果顯著高于剪切波紋型和銑削型鋼纖維.其中，銑削型鋼纖維的增韌效果最差，體積分數(shù)為1.0%時的增韌效果僅與切斷型鋼纖維體積分數(shù)為0.4%時的增韌效果相近.這可以從鋼纖維本身的特征參數(shù)及其與混凝土的界面黏結性能兩方面來解釋.隨著裂縫的擴展與延伸，試件變形逐漸增大，并逐漸達到其極限承載力.在此受力過程中，切斷型鋼纖維端鉤的錨固作用得到了較好發(fā)揮，混凝土的界面黏結力得到提高，應力集中程度則得以降低，從而延緩了混凝土中的裂縫發(fā)展，提高了SFRC彎曲韌性.并且，當界面黏結強度足夠高時，由于切斷型鋼纖維本身的抗拉強度要高于銑削型和剪切型鋼纖維，故試件破壞時，切斷型鋼纖維基本上是被拔出，而銑削型和剪切型鋼纖維則是部分被拔出，部分被拉斷.鋼纖維在被拉拔直至破壞的過程中，切斷型鋼纖維能做出更大的功，吸收更多的能量，從而產(chǎn)生更好的增強和增韌效果.

3.3 鋼纖維長徑比對SFRC彎曲韌性的影響

不同鋼纖維長徑比下SFRC小梁的荷載－撓度曲線如圖8所示.在鋼纖維類型和體積分數(shù)相同的情況下，長徑比越大，增韌效果越好.長徑比為65的鋼纖維，在體積分數(shù)為0.4%時就有很好的增韌效果，接近于長徑比45的鋼纖維在體積分數(shù)為1.0%時的增韌作用.這是因為:長徑比越大，鋼纖維與混凝土基體的錨固長度也越大.跨越裂縫的鋼纖維能夠傳遞更大應力，更好地抑制了主裂縫的擴展，并影響了次裂縫產(chǎn)生的位置，使受拉區(qū)應力分布更為均勻、合理.同時，由于錨固長度更大，極限狀態(tài)下鋼纖維被拔出所做的功也更大，更多的鋼纖維被拉斷，充分發(fā)揮了鋼纖維增強、增韌效果.

圖8 不同鋼纖維長徑比下SFRC荷載－撓度曲線

4 結語

1)加入鋼纖維對混凝土抗壓強度沒有明顯改善，但卻使試件的破壞形態(tài)從脆性破壞轉變?yōu)樗苄云茐?

2)鋼纖維大幅提高了混凝土的劈拉強度，較低摻量的鋼纖維有明顯的增強作用.

3)加入鋼纖維對混凝土的彎曲韌性有顯著改善，鋼纖維體積分數(shù)為2.5%時的增韌效果最好，超過2.5%以后，增韌效果有所下降.

4)鋼纖維類型是影響混凝土彎曲韌性的重要因素.在相同鋼纖維體積分數(shù)下，高強鋼絲切斷型鋼纖維的增韌效果顯著高于剪切波紋型和銑削型鋼纖維.

5)鋼纖維長徑比對混凝土彎曲韌性有明顯影響.在相同鋼纖維類型和體積分數(shù)下，鋼纖維長徑比越大，增韌效果越好.

［1］黃承逵.纖維混凝士結構［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［2］趙順波，孫曉燕，李長永，等.高強鋼纖維混凝土彎曲韌性試驗研究［J］.建筑材料學報，2003，6(1):95－99.

［3］朱海堂，高丹盈，謝麗，等.鋼纖維高強混凝土彎曲韌性的試驗研究［J］.硅酸鹽學報，2004，32(5):656 －660.

［4］中國工程建設標準化協(xié)會.CECS 13∶2009纖維混凝土試驗方法標準［S］.北京:中國計劃出版社，2010.