鋼纖維增強砼力學(xué)及耐久性能研究

梁志成

(山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司， 山西 太原 030032)

砼具有較高的抗壓強度，被應(yīng)用于各行業(yè)工程項目中。隨著現(xiàn)代化建設(shè)水平的提高，對砼的性能提出了新的要求。伴隨著砼強度的提升，其耐久性能會呈現(xiàn)一定程度劣化和結(jié)構(gòu)破壞。中國沿海地區(qū)建筑物病害調(diào)研結(jié)果表明，砼保護層會受環(huán)境影響而出現(xiàn)脫落，砼的耐久性與密實程度有直接關(guān)聯(lián)。因此，研究高強和高耐久性的砼對應(yīng)對特殊地區(qū)建筑需求尤為重要。

鋼纖維是通過對廢舊或邊角鋼材進行高溫熔爐和拉絲制備得到的纖維，具有較高抗拉強度和極限延伸率。將鋼纖維應(yīng)用到砼中可加強界面粘結(jié)應(yīng)力，提升砼的綜合性能。高丹盈等的研究表明鋼纖維的摻入可提高砼的抗壓強度和抗拉強度；閆長旺等的研究表明鋼纖維的摻入可在一定程度上增強其抗碳化能力。但相關(guān)研究對于砼中鋼纖維的適宜摻量并未給出統(tǒng)一說法。該文通過改變鋼纖維的摻量，對比鋼纖維砼的力學(xué)性能和耐久性能，確定砼中鋼纖維使用范圍，提升砼的綜合性能。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

(1) 水泥。砼等級為C40，采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其技術(shù)性能指標(biāo)見表1。

(2) 粗骨料。采用5～30 mm碎石，其篩分結(jié)果見表2。

(3) 細骨料。采用中粗砂，細度模數(shù)為2.65，其篩分結(jié)果見表3。

(4) 粉煤灰。粉煤灰是超細顆粒礦料，在水泥砼拌和中可替代部分水泥，填補砼中的微孔結(jié)構(gòu)，增強砼的和易性和工作性能。所用粉煤灰的技術(shù)指標(biāo)見表4。

表1 P.O42.5普通硅酸鹽水泥的技術(shù)性能指標(biāo)

表2 粗集料的篩分結(jié)果

表3 細集料的篩分結(jié)果

(5) 鋼纖維。采用高強鑄鋼纖維，內(nèi)弧面粗糙，外弧面光滑，分散均勻，不結(jié)團，其技術(shù)指標(biāo)見表5。

(6) 減水劑。選用高效減水劑，減水率為33%，減水劑用量為1.6%，與砼的結(jié)合性較好。

表4 粉煤灰的技術(shù)指標(biāo)

表5 鋼纖維的技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗方案

以體積摻量為基準(zhǔn)進行鋼纖維外摻，摻量分別為0、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%、2.4%。對1、3、7、14、28 d鋼纖維砼進行力學(xué)性能和耐久性試驗，分析不同鋼纖維摻量對不同齡期砼性能的影響。相關(guān)試驗及測試指標(biāo)見表6。

表6 試驗方案

2 配合比設(shè)計

鋼纖維砼的配合比設(shè)計參照普通纖維砼配合比設(shè)計流程，攪拌順序見圖1，不同纖維摻量下鋼纖維砼的配合比設(shè)計結(jié)果見表7。

圖1 鋼纖維砼的攪拌順序

表7 鋼纖維砼的配合比

3 性能試驗結(jié)果與分析

3.1 立方體抗壓強度

立方體抗壓試驗按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行。不同摻量纖維砼在不同齡期下的立方體抗壓試驗結(jié)果見圖2、圖3。

由圖2和圖3可知：隨著養(yǎng)護齡期的增加，鋼纖維砼立方體抗壓強度增大。鋼纖維摻量為0～0.8%時，砼立方體抗壓強度增幅明顯；纖維摻量大于1.2%時，砼立方體抗壓強度增長速度減弱。28 d齡期時，鋼纖維摻量為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%時，立方體抗壓強度比不摻加鋼纖維時分別增長10.12%、20.24%、23.57%、25.61%、29.16%。鋼纖維的摻入促使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)更緊密，加上砼中使用減水劑，使鋼纖維和砼基體的截面粘結(jié)強度提升，從而阻止砼內(nèi)部裂縫的發(fā)生和擴展，在一定程度上改善了砼的受力特性和結(jié)構(gòu)完整性。但是當(dāng)鋼纖維摻量達到一定量時，纖維交錯會使砼內(nèi)部存在一定孔隙，降低砼的密實程度，使砼立方體抗壓強度提升速率降低。

圖2 立方體抗壓強度與纖維摻量的關(guān)系

圖3 立方體抗壓強度與齡期的關(guān)系

3.2 軸心抗壓強度

制作150 mm×150 mm×300 mm不同鋼纖維摻量、不同齡期砼長方體試件進行軸心抗壓試驗，試驗結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 軸心抗壓強度與纖維摻量的關(guān)系

由圖4、圖5可知：隨著鋼纖維摻量的提升，鋼纖維砼的軸心抗壓強度逐漸提高，且隨著齡期的增長，軸心抗壓強度逐漸提高。28 d齡期時，鋼纖維摻量為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%時的軸心抗壓強度比不摻鋼纖維時分別增長4.41%、11.39%、20.37%、23.71%、24.97%。纖維摻量超過1.2%時，隨鋼纖維摻量提升，砼軸心抗壓強度增長速度有所減緩。軸心抗壓強度與立方體抗壓強度發(fā)展趨勢基本一致。

圖5 軸心抗壓強度與齡期的關(guān)系

3.3 劈裂抗拉強度

制作150 mm×150 mm×150 mm不同鋼纖維摻量、不同齡期砼立方體試件進行劈裂抗拉試驗，試驗結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 劈裂抗拉強度與纖維摻量的關(guān)系

圖7 劈裂抗拉強度與齡期的關(guān)系

由圖6、圖7可知：隨著鋼纖維摻量的提升，鋼纖維砼的劈裂抗拉強度逐漸提高，且隨齡期的增長，劈裂抗拉強度逐漸提高。28 d齡期時，鋼纖維摻量為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%時的劈裂抗拉強度比不摻鋼纖維時分別增長5.13%、13.76%、18.69%、26.08%、27.93%。纖維摻量為0.4%時，砼的劈裂抗拉強度增長幅度較??；纖維摻量在1.6%以上時，砼的劈裂抗拉強度漲幅不明顯。鋼纖維屬于剛性纖維，在砼中起到阻止裂縫擴展的作用，產(chǎn)生增韌阻裂功能。因此，鋼纖維的摻入能使砼的劈裂抗拉強度得到提升。

3.4 抗折強度

采用150 mm×150 mm×550 mm不同鋼纖維摻量、不同齡期砼標(biāo)準(zhǔn)試件進行抗折試驗，試驗結(jié)果見圖8、圖9。

圖8 抗折強度與纖維摻量的關(guān)系

圖9 抗折強度與齡期的關(guān)系

由圖8、圖9可知：隨著鋼纖維摻量的提升，鋼纖維砼的抗折強度逐漸提高，且隨著齡期的增長，抗折強度逐漸提高。28 d齡期時，鋼纖維摻量為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%時的抗折強度比不摻鋼纖維時分別增長5.91%、20.35%、32.87%、44.70%、46.78%。纖維摻量達到1.6%以上時，砼抗折強度增長速度放緩。鋼纖維的摻入使砼的破壞模式有所改變，在一定程度上提升了砼的延性。

3.5 彈性模量

按實驗室標(biāo)準(zhǔn)制備成型不同鋼纖維摻量、不同齡期砼試塊，養(yǎng)護后進行彈性模量試驗，試驗結(jié)果見圖10、圖11。

圖10 彈性模量與纖維摻量的關(guān)系

圖11 彈性模量與齡期的關(guān)系

由圖10、圖11可知：隨著鋼纖維摻量的提升，鋼纖維砼的彈性模量逐漸提高，且隨著齡期的增長，彈性模量逐漸提高。28 d齡期時，鋼纖維摻量為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%時的彈性模量比不摻鋼纖維時分別增長13.06%、15.49%、23.96%、24.79%、25.74%。隨著齡期的增長，砼內(nèi)部水泥發(fā)生水化反應(yīng)，使砼硬化更充分，水泥膠結(jié)作用促進骨料和砂漿粘結(jié)強度增加。鋼纖維在砼中均勻分布，使砼密實度增加，砼在外部荷載作用下變形幅度減小，砼的彈性模量增加。

3.6 抗?jié)B性能試驗

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》對不同鋼纖維摻量、不同齡期砼進行水壓滲透試驗，試驗結(jié)果見圖12、圖13。

圖12 纖維摻量對滲水高度的影響

圖13 纖維摻量對抗?jié)B性能的影響

由圖12、圖13可知：隨著鋼纖維摻量的提高，鋼纖維砼的滲水高度逐漸降低，鋼纖維摻量為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%時的滲水高度比不摻鋼纖維時分別下降8.97%、33.33%、48.72%、55.13%、60.26%。較少摻量的鋼纖維對砼的抗?jié)B性能影響不大，纖維摻量過多時，纖維的交錯分布使砼內(nèi)部結(jié)構(gòu)粘結(jié)性增強，但滲水高度下降速率降低?？偟膩碚f，鋼纖維摻入對砼的抗?jié)B水有明顯作用。鋼纖維本身具有增韌阻裂的作用，可消減砼裂縫的發(fā)生和拓展，纖維的交錯分布容易在砼中形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于協(xié)調(diào)砼中骨料分布的均勻性，使砼表面離析現(xiàn)象減弱，阻斷砼中水分子的流通。

3.7 抗碳化性能

砼的碳化對砼結(jié)構(gòu)的安全和耐久性有直接影響。砼的碳化一般是砼中的堿性物質(zhì)與CO2、水綜合產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)。制備不同鋼纖維摻量、不同齡期標(biāo)準(zhǔn)砼試塊，在0.03%CO2潮濕環(huán)境中進行碳化試驗，結(jié)果見圖14、圖15。

由圖14、圖15可知：隨著鋼纖維摻量的提高，鋼纖維砼的碳化深度逐漸降低，且隨著齡期的增長，碳化深度逐漸降低。28 d齡期時，鋼纖維摻量為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%時的碳化深度比不摻鋼纖維時分別下降12.74%、28.05%、39.19%、45.72%、47.86%。鋼纖維的加入能有效抵抗砼的碳化影響，鋼纖維的均勻分布能在砼中形成有效空間立體結(jié)構(gòu)，在增強砼內(nèi)部密實程度的同時，對砼內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，延緩砼裂縫的產(chǎn)生，使砼內(nèi)部空洞數(shù)量大大減少，阻斷碳氧化合物對砼的影響。

圖14 碳化深度與纖維摻量的關(guān)系

圖15 碳化深度與齡期的關(guān)系

4 結(jié)論

(1) 鋼纖維的加入能提高砼的抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度和彈性模量，其中砼抗折強度的提升效果最顯著。纖維摻量為0～0.8%時砼力學(xué)性能提升明顯，纖維摻量大于1.2%時砼力學(xué)性能提升效果減弱，砼中鋼纖維的合適摻量為0.8%～1.2%。

(2) 隨著纖維摻量的增加，砼的滲水高度和碳化深度不斷降低，纖維摻量為0.8%～1.2%時，砼的抗?jié)B等級和碳化深度較好。

(3)鋼纖維的均勻摻入能在砼中形成有效的空間網(wǎng)絡(luò)分布，對砼起到增韌阻裂的作用，延緩裂縫的發(fā)生，增加結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，具有較強的力學(xué)性能表現(xiàn)，應(yīng)用前景較廣闊。