钢纤维混凝土路用性能试验研究

顾骥春

（上海市政交通设计研究院有限公司，上海市 200030）

0 引言

随着我国经济的迅速发展，公路交通呈现出大交通量、重荷载的发展趋势，导致混凝土路面的使用寿命下降，弯拉强度、抗冲击力、抗裂性能等路用性能减弱[1-3]。混凝土本身为刚性材料，抗拉强度较低，在重荷载作用下，混凝土板易产生弯拉破坏，使路面产生开裂，当水分从开裂处渗入到路面结构及路基中，将严重影响公路的使用质量，使得养护工作更加繁重，养护费用增加。钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺加乱向分布的钢纤维所形成的多相复合材料，可以有效改善混凝土路面的抗弯拉、抗裂和耐磨性等路用性能[4-8]。本文通过对某重载公路的钢纤维混凝土路面进行试验研究，证明了掺加钢纤维对提高混凝土路面路用性能的有效性，并提出适用于该重载公路的钢纤维掺量，为钢纤维混凝土路面设计和施工提供参考[9-10]。

1 钢纤维混凝土材料及配合比

1.1 钢纤维

所选用钢纤维的密度为7.8 g/cm3，直径为0.5 mm，长度为30 mm，长径比为60，抗拉强度为640 MPa。结合工程实际，选择波浪形剪切钢纤维。

1.2 混凝土

水泥采用Po42.5京兰水泥，钢纤维混凝土单位体积水泥用量较大，一般取为360～450 kg/m3；粗集料最大粒径为20mm；细集料采用Ⅱ区中砂，细度模数为2.63，砂率为40%～50%，随着钢纤维体积率的增加，适当增大砂率，以满足工作和易性；水灰比最大为0.48，以满足耐久性要求；外加剂采用HNW-2萘系高效减水剂；采用普通饮用水进行拌合。

1.3 配合比

以素混凝土配合比为基准配合比，在此基础上掺加不同掺量的钢纤维，并调整水灰比和砂率。根据工程实际和钢纤维混凝土特点，为对比分析不同含量钢纤维的混凝土路用性能，室内试验配合比如表1所示。

2 钢纤维混凝土试验结果及路用性能分析

2.1 抗压强度对比分析

对不同钢纤维掺量的混凝土进行抗压强度试验，制作标准立方体试件，经28 d养护，采用标准试验方法测得抗压强度值，如表2和图1所示。

由表2和图1可知：

（1）钢纤维的掺加，可以提高混凝土的抗压强度，随着钢纤维含量的增加，抗压强度随之增加。同不含钢纤维时的混凝土相比，钢纤维含量为0.5%、1%、1.5%时的混凝土抗压强度分别增加1%、3.7%、4.6%。

（2）在混凝土中掺加钢纤维对混凝土的抗压强度影响较小，这主要是因为混凝土构件主要承受的是压应力，而钢纤维为长条形，且呈乱向分布，对抗压强度贡献较小；同时，如果钢纤维的掺加影响了水泥砂浆同集料的粘结，对钢纤维混凝土的抗压强度增加影响也较小。

（3）抗压强度随钢纤维含量的增加呈现出先慢再快最后缓慢增加的趋势，当钢纤维含量大于1%时，钢纤维混凝土抗压强度增加较少。

2.2 抗弯强度对比分析

对不同含量钢纤维混凝土进行抗弯强度试验，试件为(10～16)mm×120 mm的圆柱体或10 mm×10 mm×120 mm的长方柱体，利用万能材料试验机进行试验，试验结果如表3和图2所示。

表1 混凝土配合比

表2 抗弯强度结果

图1 不同钢纤维含量抗压强度

表3 抗弯强度结果

图2 不同钢纤维含量抗弯强度

由表3和图2可知：

（1）当钢纤维含量从0%增加到1.5%时，钢纤维混凝土的抗弯强度呈现逐渐增加的趋势，钢纤维含量同抗弯强度的回归关系为：y=-1.706 7x3+3.42x2+0.196 7x+5.63，回归系数R2=1，说明回归曲线很好地反映了混凝土中钢纤维的含量同抗弯强度的关系，即：抗弯强度先缓慢增加，在达到一定钢纤维含量后抗弯强度增加较大，最后增加趋势变缓。

（2）钢纤维含量为0.5%、1%和1.5%的混凝土抗弯强度比素混凝土抗弯强度增加幅度分别为13.1%、33.9%和39.6%，钢纤维的掺加显著增加了混凝土的抗弯强度。这说明当钢纤维含量为0%时，即素混凝土，其抗弯性能较差，混凝土试件的底部受弯拉应力的作用产生裂缝后迅速破坏。在混凝土中掺加钢纤维后，钢纤维承担了部分弯拉应力，在钢纤维混凝土试件承受弯拉应力及开裂的过程中，钢纤维有效延缓并阻止裂缝的产生及发展，减少因为荷载因素所引起的应力集中现象，提高了钢纤维混凝土试件的耐久性和使用寿命。

（3）当钢纤维含量大于1%时，其抗弯强度增长趋势变缓，继续增加钢纤维的含量对钢纤维混凝土抗弯强度的影响逐渐减小，且不经济。

2.3 抗冲击性能对比分析

抗冲击性能是混凝土构件抵抗冲击负荷作用的能力，当重载车辆在混凝土路面上行驶时，需要路面具有一定的抗冲击性能，避免路面产生脆性开裂。采用落锤试验对钢纤维混凝土的抗冲击性能进行试验分析，根据美国ACI544委员会推荐方法，落球重4.5 kg，冲击高度为600 mm，试验结果如表4和图3所示。

表4 抗冲击性能结果

图3 不同钢纤维含量抗冲击次数

由表4和图3可知：

（1）钢纤维混凝土的抗冲击性能比素混凝土提高较多，钢纤维含量0.5%时的抗冲击次数是0%时的1.62倍，钢纤维含量1%时的抗冲击次数是0%时的2.92倍，钢纤维含量1.5%时的抗冲击次数是0%时的3.46倍。

（2）钢纤维含量为0%时的混凝土在受到冲击破坏时，一旦出现裂缝，试件即发生断裂。掺加钢纤维后，由于钢纤维在混凝土中混杂分布，使得钢纤维混凝土的韧性增强，延缓内部的裂缝发展，在受到外部冲击荷载的情况下，钢纤维的拉伸作用也可以延缓开裂、阻止过快发生断裂现象。

2.4 耐磨性能对比分析

钢纤维混凝土磨耗试验采用150 mm×150 mm×150 mm的立方体标准试件，在混凝土磨耗试验机上进行试验，在200N负荷下磨30转，记重量m1，然后在200N负荷下磨60转，记重量m2，两个重量的差除以接触面积便计算得出单位面积磨损量，表示耐磨性能。试验结果如表5所示。

表2 耐磨性能结果

由表5可知：

（1）钢纤维混凝土的耐磨性能随钢纤维的掺加及含量增加逐渐提高，钢纤维含量为0.5%～1.5%时磨耗量减少了6.8%～42.6%。

（2）钢纤维提高了钢纤维混凝土的强度、韧性，阻止混凝土内部裂缝的产生并使钢纤维混凝土更好地粘聚成整体，对耐磨性的提高均起到了很好的促进作用。

3 结论

（1）重载道路为了满足日益增长的车流量和车辆荷载，同普通道路相比，其路用性能要求提高较多，因此，对于重载混凝土路面，要求更高的抗压、抗弯、抗冲击等性能，才能提高道路的使用寿命。

（2）钢纤维对混凝土的抗压强度、抗弯强度、抗冲击性能及耐磨性能等路用性能均有影响。当钢纤维掺量为0.5%～1.5%时，抗压强度增加了1%～4.6%，抗弯强度增加了13.1%～39.6%，抗冲击性能增加了1.62～3.46倍，耐磨性能提高了6.8%～42.6%。其中，钢纤维对混凝土抗压性能影响较小，对抗弯、抗冲击和耐磨性能影响较大。

（3）通过对各含量钢纤维的混凝土试件进行试验分析，并且从经济性和该重载公路实际情况的角度考虑，钢纤维含量取1%即满足工程要求，在保证工程费用的条件下提高了该重载公路的路用性能。

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[9]ACI 544.4R-88.，Design Consideration for Steel Fiber Reinforced Concrete[S].

[10]CECS 13：89，钢纤维混凝土试验方法[S].