钢纤维混凝土抗折强度的影响因素分析

王仁龙，张启明，朱海堂，高丹盈

（郑州大学 水利与环境学院，河南 郑州 450001）

抗折强度是混凝土的主要力学指标之一，在普通混凝土中掺加一定量的钢纤维形成钢纤维混凝土（steel fiber reinforced concrete，简称SFRC）可以有效改善混凝土的抗折强度、抗拉强度、韧性等力学性能．现行《纤维混凝土结构技术规程》[1]在总结和分析了当时试验研究成果的基础上，给出了综合考虑钢纤维类型和基体混凝土强度等级影响的钢纤维对混凝土抗折强度的影响系数值．随着我国钢纤维生产水平的不断提高和生产规模的不断扩大，钢纤维产品不断更新换代，加工方式、产品外表形状与尺寸等较过去已有较大差异，产品性能较过去也有较大提高，该标准中钢纤维对混凝土抗折强度的影响系数建议取值已不能适应于当前钢纤维类型与性能的发展，有必要进行进一步的分析研究．本文基于相关试验研究成果，分析了基体混凝土强度等级、钢纤维形状与长径比在不同钢纤维特征值或掺量下对钢纤维混凝土抗折强度的影响规律，可为钢纤维混凝土的推广应用和相关规程的修编提供参考依据．

1 基体混凝土强度等级对钢纤维混凝土抗折强度的影响分析

1.1 普通强度钢纤维混凝土图1a）给出了CF30钢纤维混凝土[2]和CF40钢纤维混凝土[3]的抗折强度随钢纤维特征参数变化的试验结果，其中文献 [2]试验采用长径比为47.5的异混形钢纤维，文献 [3]试验采用长径比为50的异混形钢纤维，钢纤维类型及其长径比基本一致．可以看出，对于异混形钢纤维，强度等级为CF40的钢纤维混凝土抗折强度增强效果明显高于强度等级为 CF30的抗折强度．根据文献 [2,4-5]研究结果，强度等级为 CF30、CF40、CF50的切断弓形钢纤维混凝土抗折强度随钢纤维特征参数的变化如图1b）所示，可见，对于切断弓形钢纤维，在CF30～CF50范围内，随着混凝土强度等级的提高，钢纤维对混凝土抗折强度的增强幅度依次增大，与异混形钢纤维的影响规律是一致的．

1.2 高强钢纤维混凝土

对文献[6]给出的其他条件相同、基体强度分别为CF50、CF65、CF80的球痕形钢纤维混凝土抗折强度随钢纤维特征参数变化的试验结果进行整理如图2所示，所研究对象的破坏主要由钢纤维的拉断和拔出共同引起，3种强度等级下钢纤维对混凝土抗折强度的增强效果比较接近．文献 [7]研究结果表明，对于强度等级分别为C50、C60、C70、C80、C90的高强水泥基材与扭曲形钢纤维复合后，在0-2%的掺量范围内抗折强度增强效果依次增大，同一强度等级的钢纤维混凝土抗折强度随掺量增加呈现出近似线性增长的关系．可以认为，对于高强度钢纤维混凝土的抗折强度，钢纤维自身的抗拉强度因素不能忽略，钢纤维的拉断会影响其对混凝土抗折强度的改善程度，钢纤维抗拉强度与基体混凝土强度对混凝土抗折强度的影响具有相关性．

2 钢纤维形状及长径比对钢纤维混凝土抗折强度的影响分析

2.1 钢纤维形状

文献[8-9]研究了特征参数接近但表面形状不同的钢纤维对钢纤维混凝土抗折强度的增强效果，试验结果如图3a）和3b）所示．结果表明，相对于平直型钢纤维，异形钢纤维截面、沿长度方向形状以及端部形状的改变增加了与混凝土的粘结，改善了对混凝土强度的增强效果．钢纤维混凝土抗折强度的增强效果由高到低依次为凸痕形、波浪形、异混形、球痕形、平直形，凸痕形和波浪形的增强效果较为接近，异混形和球痕形增强效果较为接近．

文献[4]对CF40的凸痕形钢纤维（长径比51）和哑铃形钢纤维（长径比60）混凝土进行了抗折强度试验，文献[8]对CF40的凸痕形钢纤维（长径比50）进行了抗折强度试验，将试验结果按抗折强度比随特征参数的变化进行合并整理对比，如图3c）所示，表明哑铃形钢纤维对混凝土抗折强度的增强效果优于凸痕形钢纤维，但两篇文献关于凸痕形钢纤维对抗折强度增强效果的结果却有较大差异．同样，将文献 [9]所给的CF70波浪形钢纤维（长径比为52）混凝土和文献[12]所给的CF70波浪形钢纤维（长径比50）混凝土抗折强度试验结果合并整理对比，如图3d）所示，表明两种波浪形钢纤维对混凝土抗折强度的增强效果差异较大．分析文献发现，各文献试验所用钢纤维随表面形状相同，但生产厂家不同，配合比设计方法也各异，造成试验结果有较大差异，再次验证了前述关于配合比设计、试验条件、钢纤维增强效果试验与评价方法等对研究结果均有一定影响的结论．

2.2 钢纤维长径比

对混凝土强度等级为CF30，钢纤维长径比分别为44、50、60、67的切断弓形钢纤维混凝土抗折强度试验数据[13]进行整理如图4a）所示，对长径比分别为66[3]和97[14]的剪切端钩形钢纤维混凝土抗折强度试验结果进行合并整理，如图4b）所示．图4a）表明钢纤维对混凝土抗折强度的增强效果随钢纤维长径比的增大而提高，长径比在60以下时，增加长径比对钢纤维混凝土抗折强度增强效果的提高明显，长径比为67的切断弓形钢纤维对混凝土抗折强度的增强效果稍大于长径比60的钢纤维增强效果．从图4b）中也可以得出，长径比为97的剪切端钩形钢纤维对混凝土抗折强度的增强效果较长径比为66有所提高，但相差不大．综上可以认为，当钢纤维长径比超过60以后，再增加长径比已不再能显著改善混凝土抗折强度的增强作用．

图4 钢纤维长径比对抗折强度的影响Fig.4 Influence of steel fiber aspect ratio on flexur alstrength of SFRC

3 结论

1）基体混凝土强度等级对钢纤维混凝土抗折强度的增强效果具有一定影响．在一定条件下，钢纤维对混凝土抗折强度的增强作用随基体混凝土强度等级的增大而有所提高，但其增强效果与钢纤维类型与特征参数、钢纤维混凝土配合比以及试验条件与增强效果评价方法有关．钢纤维的表面特征及抗拉强度大小对高强钢纤维混凝土抗折破坏特征及抗折强度增强效果有显著影响．

2）剪切异形钢纤维对混凝土抗折强度的增强效果较平直形有所提高．钢纤维端部局部增大的哑铃形、凸痕形、异混形剪切钢纤维对混凝土抗折强度的增强效果优于钢纤维轴线形状改变的波浪形剪切钢纤维，表面形状变化的球痕形剪切钢纤维增强效果稍弱．

3）钢纤维对混凝土抗折强度的增强效果随长径比的增加而提高．长径比在60及以下时，增加长径比可显著改善钢纤维对混凝土抗折强度的增强效果；而当长径比在60以上时，提高长径比对混凝土抗折强度增强效果的影响不明显．

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