不同養(yǎng)護(hù)條件下鋼纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

楊心蓮，高佳佳，李振宇，路建國，職偉洋，張浩洋

（1.西南石油大學(xué)土木工程與測繪學(xué)院，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué)教務(wù)處，四川 成都 610500）

0 引 言

混凝土是目前應(yīng)用最廣泛的建筑材料之一，具有價格低廉、施工方便、抗壓性能好、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。但近年來，人們在使用中逐漸發(fā)現(xiàn)單一混凝土的缺點(diǎn)：本身笨重且其力學(xué)強(qiáng)度易受當(dāng)?shù)貧夂蚺c周圍工程環(huán)境影響；抗拉強(qiáng)度較低，結(jié)構(gòu)易開裂，裂縫易被有害物質(zhì)滲透，導(dǎo)致周圍混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)退化[2]。高強(qiáng)度相應(yīng)帶來的高脆性大大限制了混凝土的應(yīng)用。在實(shí)際建筑工程中，單一混凝土作為關(guān)鍵承重材料已經(jīng)不能滿足日益擴(kuò)大的建筑規(guī)模需要。為了克服上述缺陷，增強(qiáng)混凝土材料的應(yīng)用性能，摻入鋼纖維制備增強(qiáng)混凝土是當(dāng)前的主要解決措施之一[3]。有研究表明，加入鋼纖維可有效提高混凝土的抗裂、阻裂及變形能力[4]。在混凝土中亂向分布的鋼纖維，其主要作用是阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展和阻滯宏觀裂縫的發(fā)生和發(fā)展。受荷（拉、彎）初期，水泥基料和纖維成為外力的主要承受者，因此鋼纖維混凝土與普通混凝土相比具有一系列優(yōu)越的物理和力學(xué)性能[5]。為了進(jìn)一步探究鋼纖維增強(qiáng)混凝土在復(fù)雜工程環(huán)境下的性能，分別測定在水和質(zhì)量濃度5%的NaCl 溶液（以下簡稱“5% NaCl 溶液”）2 種養(yǎng)護(hù)條件下，不同鋼纖維摻量（0%、1%、2%）混凝土的力學(xué)特性，分析不同養(yǎng)護(hù)條件和鋼纖維摻量對混凝土各項(xiàng)性能的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用拉法基水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5 級普通硅酸鹽水泥，水泥的物理及力學(xué)性能見表1。細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)2.58，含泥量1.5%，表觀密度2 580 kg/m3的天然河砂。粗骨料選用連續(xù)級配為5～20 mm，表觀密度為2 660 kg/m3的碎石。外加劑選用減水率為24%的聚羧酸型高效減水劑。對于增強(qiáng)型混凝土，鋼纖維長徑比選擇40～60 mm效果較好[6]。為方便控制，試驗(yàn)中均選取長徑比為60 mm 的鋼纖維，所用鋼纖維的形狀及基本性能參數(shù)見表2。

表1 水泥的物理及力學(xué)性能表

表2 鋼纖維的特征參數(shù)表

1.2 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)參照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》設(shè)計(jì)混凝土配合比，目標(biāo)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C30。在普通混凝土配合比基準(zhǔn)上，考慮3 種不同鋼纖維摻量：0 kg/m3（0%）、4.16 kg/m3（1%）、8.32 kg/m3（2%），摻入鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)見表3。為保證試驗(yàn)的可靠性，按照普通混凝土的抗壓強(qiáng)度與水泥強(qiáng)度等級、水灰比的關(guān)系，確定本次試驗(yàn)各組試件水灰比為0.42，同時各組試件粗、細(xì)骨料等條件相同。其中，鋼纖維摻量1%、2%分別記錄為SF1、SF2 組，無鋼纖維摻入的單一混凝土記錄為OPC 組。研究在2 種不同養(yǎng)護(hù)條件下（水，5% NaCl 溶液）不同鋼纖維摻量對混凝土性能的影響。

表3 混凝土試樣配合比表

1.3 樣品制備

為獲得鋼纖維均勻分布的增強(qiáng)混凝土，試驗(yàn)采用帶有布料裝置的纖維混凝土專用攪拌機(jī)[7]，投放材料時先將水泥、骨料和鋼纖維攪拌均勻，再加水?dāng)嚢鑋8]。樣品制備程序見圖1。

圖1 樣品制備程序示意圖

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1.4 單軸壓縮試驗(yàn)

按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求[9]，對試件齡期為3、7、14、21、28 d 的立方體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，采用SHT4106 微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)[10]。養(yǎng)護(hù)條件分別為水和5% NaCl 溶液，試驗(yàn)的控制方式為應(yīng)力控制，控制速度為0.25 MPa/s。

試驗(yàn)測試抗壓強(qiáng)度分別為F1、F2 和F3（F1 ≥F2 ≥F3）。如果值F1（或F3）和F2 之間的誤差超過F2 的±15%，則測試的抗壓強(qiáng)度F1（或F3）將被舍除，取F2 為該組試件的抗壓強(qiáng)度值。如果值F1 和F2 以及值F3 和F2 之間的誤差均超過F2 的±15%，則該組試件的試驗(yàn)結(jié)果無效，將重新采樣進(jìn)行測試。否則，將3 個抗壓強(qiáng)度的算術(shù)平均值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度值，抗壓強(qiáng)度值精確到0.1 MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 養(yǎng)護(hù)條件和養(yǎng)護(hù)齡期的影響

在不同養(yǎng)護(hù)介質(zhì)條件（水、5% NaCl 溶液）下，不同摻量（0%、1%、2%）鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度值見圖2，抗壓強(qiáng)度增長率見圖3。其中，養(yǎng)護(hù)的混凝土在21 d 齡期左右試件強(qiáng)度發(fā)展較為完善，抗壓強(qiáng)度停止或者緩慢發(fā)展。

圖2 不同摻量鋼纖維混凝土樣品的抗壓強(qiáng)度圖

圖3 不同摻量鋼纖維混凝土樣品的抗壓強(qiáng)度增長率圖

由圖2 a）可知，不摻入鋼纖維的單一混凝土（OPC 組），其抗壓強(qiáng)度在5% NaCl 溶液中比在水中養(yǎng)護(hù)發(fā)展較快，但隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加，14 d 之后抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)略降低的趨勢；而在水中養(yǎng)護(hù)的OPC 組，其抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加不斷上升。

由圖2 b）、2 c）可知，SF1 和SF2 組在2 種養(yǎng)護(hù)條件下隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加，抗壓強(qiáng)度不斷上升，21 d 齡期時抗壓強(qiáng)度發(fā)展速度減緩，強(qiáng)度基本穩(wěn)定?？傮w來看，在水中養(yǎng)護(hù)的混凝土抗壓強(qiáng)度較在5% NaCl 溶液中的高，這是由于NaCl 溶液中氯離子對混凝土以及鋼纖維的侵蝕作用，使混凝土的承載能力降低。氯離子通過再生骨料與水泥漿之間的微小裂隙滲透至混凝土內(nèi)部，銹蝕其內(nèi)部的鋼纖維，由于銹蝕產(chǎn)物體積不斷膨脹，骨料之間的裂隙不斷擴(kuò)張，導(dǎo)致氯離子進(jìn)一步侵蝕[11]。

同時，結(jié)合圖2 可以看出，OPC 組單一混凝土的抗壓強(qiáng)度高于2 組鋼纖維混凝土。這是因?yàn)殇摾w維不僅不容易分散，而且會把部分空氣帶入混凝土，減少基體粘結(jié)力的同時也降低了混凝土強(qiáng)度[12]。

抗壓強(qiáng)度增長率是評估混凝土力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，此處定義為：

式（1）中：Δf是抗壓強(qiáng)度增長率，%；F0和Fn分別是混凝土樣品3 d 和7、14、21、28 d 齡期時抗壓強(qiáng)度值，MPa。

由圖3 可知，隨著養(yǎng)護(hù)時間增加，3 種摻量鋼纖維增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度增長率整體呈現(xiàn)上升趨勢。由圖3 a）可知，OPC 組在5% NaCl 溶液中養(yǎng)護(hù)，前期強(qiáng)度增長相比在水中養(yǎng)護(hù)較快，但14 d 后強(qiáng)度增長逐漸變緩；而在水中養(yǎng)護(hù)的混凝土強(qiáng)度增長率一直處于上升狀態(tài)。結(jié)合圖3 b）、3 c），SF1和SF2 組在2 種養(yǎng)護(hù)環(huán)境中的抗壓強(qiáng)度增長率不斷上升，整體在5% NaCl 溶液中的強(qiáng)度增長率大于在水中的強(qiáng)度增長率。

2.2 鋼纖維摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的影響

在水和5% NaCl 溶液養(yǎng)護(hù)條件下，單一混凝土和不同外摻鋼纖維增強(qiáng)混凝土在不同養(yǎng)護(hù)齡期，其抗壓強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度增長率對比見圖4～5，極限承載力下的彈性模量隨養(yǎng)護(hù)齡期變化曲線見圖6。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土樣品的抗壓強(qiáng)度圖

由圖4 可知，加入鋼纖維后，混凝土的抗壓強(qiáng)度降低，這是由于纖維的加入使混凝土的和易性變差，其內(nèi)部界面微裂縫增加，試件中的鋼纖維有團(tuán)聚成球現(xiàn)象發(fā)生，故在其他性能提升的同時，抗壓強(qiáng)度反而有所降低。對于單一混凝土（OPC 組），14 d 齡期時，其強(qiáng)度達(dá)到28 d 齡期強(qiáng)度的70.2%；對于外摻鋼纖維混凝土，14 d 齡期時，其強(qiáng)度分別達(dá)到28 d 齡期強(qiáng)度的82.5%（SF1）和78.1%（SF2）。這說明此時普通混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展速度較外摻鋼纖維混凝土的發(fā)展速度慢。

結(jié)合圖5 a）可知，加入鋼纖維的混凝土在養(yǎng)護(hù)條件為水時，強(qiáng)度增長率總體上大于單一混凝土。有研究表明，摻入鋼纖維可以提高混凝土的密實(shí)度，從而減少氯離子滲入[13]。圖5 b）中，在5% NaCl溶液養(yǎng)護(hù)條件下，摻入鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度增長率后期明顯大于單一混凝土的抗壓強(qiáng)度增長率。

圖5 不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土樣品的抗壓強(qiáng)度增長率圖

彈性模量是表征混凝土力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一。由圖6 a）可見，14 d 養(yǎng)護(hù)齡期之前，外摻鋼纖維4.16 kg/m3時，其彈性模量飛速增長；14 d 后，隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加，外摻鋼纖維混凝土的彈性模量均小于普通混凝土。

圖6 不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土樣品的彈性模量-養(yǎng)護(hù)齡期變化曲線圖

由圖6 b）可見，養(yǎng)護(hù)齡期21 d 前，外摻鋼纖維混凝土的彈性模量均小于普通混凝土。究其原因，可能是鋼纖維摻量較低，沒能有效填充縫隙；此外，還可能因?yàn)殇摾w維的尖端正好處于混凝土水化反應(yīng)過程產(chǎn)生的氣泡中，當(dāng)承受荷載作用時發(fā)生應(yīng)力集中，從而加速混凝土裂縫的貫通，最終導(dǎo)致其變形能力變差[4]。養(yǎng)護(hù)齡期大于21 d 后，鋼纖維摻量小的SF1 組，彈性模量大于普通混凝土的OPC 組，鋼纖維摻量最大的SF2 組彈性模量最小。3 組混凝土的彈性模量值趨于3.5 GPa。

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分析

應(yīng)力-應(yīng)變曲線是混凝土最重要的力學(xué)特性之一，是混凝土材料彈性模量、結(jié)構(gòu)延性和承載力計(jì)算與分析的基本依據(jù)。將力和位移曲線轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力-應(yīng)變曲線，得出試塊分別在鋼纖維摻量為0%、1%、2%，2 種不同養(yǎng)護(hù)條件下（水，5% NaCl 溶液）的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（見圖7）。

圖7 不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土樣品養(yǎng)護(hù)28 d 的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

對混凝土試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行分析，總體來看可以分為5 個階段：初始孔隙壓縮階段、彈性壓縮階段、塑形屈服階段、下降階段和殘余應(yīng)力階段（見圖7）。初始孔隙壓縮階段，隨應(yīng)變增大，試件應(yīng)力的非線性增加，混凝土內(nèi)部孔隙在應(yīng)力作用下逐漸壓縮緊實(shí)；彈性壓縮階段，試件應(yīng)力隨應(yīng)變呈線性增長趨勢，該階段混凝土試件發(fā)生彈性變形；伴隨著應(yīng)力增大，試件逐漸進(jìn)入屈服階段，此階段混凝土發(fā)生塑形變形，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈非線性變化，試樣內(nèi)部裂紋增多；隨著應(yīng)變繼續(xù)增大，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加急劇減小；最后，混凝土試樣進(jìn)入殘余階段，該階段混凝土試樣的應(yīng)變繼續(xù)增大而應(yīng)力保持穩(wěn)定。

從圖7 a）可以看出，養(yǎng)護(hù)條件為水時，普通混凝土和鋼纖維混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在上升階段基本保持一致，峰值應(yīng)變相差不大，但是下降階段的形狀差異比較明顯。對于單一混凝土（OPC 組），應(yīng)力-應(yīng)變曲線的下降段坡度較陡峭，而鋼纖維混凝土（SF1 和SF2 組）的下降段坡度較平緩，表明應(yīng)力變化相同幅度時，變形相對較大，說明鋼纖維可以提高混凝土的延性，增強(qiáng)混凝土的塑性變形能力。對比SF1 組和SF2 組的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)SF1 組的下降段較SF2 組更陡，說明鋼纖維摻量為2%的混凝土比鋼纖維摻量為1%的混凝土延性得到進(jìn)一步提升。從圖7 b）可以看出，養(yǎng)護(hù)條件為5% NaCl 溶液時，單一混凝土和鋼纖維混凝土的峰值應(yīng)力均在35.0 MPa 左右，下坡段坡度同養(yǎng)護(hù)條件為水時基本一致。

由圖7 可知，單一混凝土（OPC 組）的峰值應(yīng)力均高于鋼纖維混凝土，但殘余應(yīng)力低于鋼纖維混凝土。同時，相比OPC 組，鋼纖維混凝土的破壞過程更快，在短時間內(nèi)便能達(dá)到峰值應(yīng)變，SF2的峰值應(yīng)變大于SF1。在趙順波等[14]的研究中，峰值應(yīng)變隨摻入鋼纖維的量呈增大趨勢，且均大于未摻入鋼纖維混凝土的峰值應(yīng)變?；谠囼?yàn)中5%NaCl 溶液養(yǎng)護(hù)條件下，摻加鋼纖維組的峰值應(yīng)變低于未摻鋼纖維組的現(xiàn)象，可能是由于溶液中氯離子對鋼纖維的侵蝕導(dǎo)致性能劣化。峰值應(yīng)力以SF1 組為例，養(yǎng)護(hù)條件為水和5% NaCl 溶液時的峰值應(yīng)力分別為 37.0、35.1 MPa，這比OPC 組分別低21.3%、4.5%；同時，SF1 組的殘余應(yīng)力分別為17.3、9.1 MPa，比OPC 組分別高439.0%、180.6 %。相比OPC 組，鋼纖維混凝土殘余應(yīng)力較高，破壞過程緩慢，這是由于鋼纖維在混凝土內(nèi)部多向分布[15]，這樣能有效阻止混凝土內(nèi)部微小裂縫的擴(kuò)大延伸及大裂縫的生成，韌性和延性得到提升。

3 結(jié) 論

為驗(yàn)證鋼纖維摻入對混凝土性能的影響機(jī)制，制備單一混凝土試件和鋼纖維混凝土試件，并以單一混凝土試件為對比試驗(yàn)組，開展2 種不同養(yǎng)護(hù)條件下（水和5% NaCl 溶液），單一混凝土和鋼纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)特性試驗(yàn)，分析2 種養(yǎng)護(hù)條件下，不同鋼纖維摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響規(guī)律。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析得出如下結(jié)論：

1）在2 種養(yǎng)護(hù)條件下，鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時間增加而增加，但摻入鋼纖維會在提高混凝土延性等性能的同時，損失部分抗壓強(qiáng)度。

2）在2 種養(yǎng)護(hù)條件下，摻加鋼纖維的2 組混凝土，其強(qiáng)度增長率總體上高于單一混凝土組的強(qiáng)度增長率；特別之處是，在5% NaCl 溶液養(yǎng)護(hù)條件下，摻加鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度增長率后期明顯大于單一混凝土的抗壓強(qiáng)度增長率，后續(xù)可進(jìn)一步探究加入鋼纖維對混凝土對抗氯鹽侵蝕能力的影響。

3）不同摻量鋼纖維混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線相似，可分為初始孔隙壓縮階段、彈性壓縮階段、塑形屈服階段、下降階段和殘余應(yīng)力階段共5 個階段。鋼纖維的摻入提高了混凝土的延性，但同時鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度有所下降，因此，鋼纖維摻量不宜過多。