钢纤维类型对混凝土动态力学性能影响试验研究

吕磊，卫振海

（国防大学 联合勤务学院联合后勤保障系，北京 100089）

0 引言

钢纤维混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，SFRC）是在普通混凝土中掺入适量的钢纤维而制成的一种高性能混凝土材料。由于钢纤维对混凝土内部微裂纹演化发展的有效制约，钢纤维混凝土材料较素混凝土而言具有更好的抗冲击强度和韧性，脆性特征得到明显改善，抵抗变形能力增强，近年来已在国内外得到迅猛发展和广泛应用，成为防护工程中最常用的工程材料之一[1-3]。研究不同纤维类型钢纤维混凝土在动态荷载作用下的力学特性，可为防护工程结构设计提供必要的试验支持，具有一定的学术研究和工程应用价值。本文以强度等级C50的钢纤维混凝土为研究对象，设计以水胶比、砂率、钢纤维掺量、钢纤维类型为因素，分4个水平的正交试验方案和以钢纤维类型作为单一变量的单因素试验方案，对试样进行了SHPB冲击压缩试验，重点研究了钢纤维类型对SFRC动态荷载作用下动态力学性能的影响。

1 试验

1.1 试验材料

（1）水泥：采用徐州中盛水泥有限公司生产的P·C42.5水泥，主要性能指标如表1所示。

表1 水泥的主要性能指标

（2）粗集料：徐州当地5～20 mm碎石，表观密度为2715 kg/m3，空隙率35%，粗集料级配见表2。

表2 粗骨料的级配

（3）细集料：中砂，细度模数2.6，颗粒级配属Ⅱ区，如表3所示。

表3 砂的颗粒级配

（4）减水剂：北京科宁聚羧酸减水剂，掺量为水泥质量的1.8%～2.0%。

（5）钢纤维：上海盾坚钢纤维厂生产的平直形、压棱形、波纹形和弓形4种类型钢纤维，性能指标如表4所示。

表4 试验用钢纤维的性能指标

（6）水：自来水。

1.2 试验设备

利用中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室的SHPB岩石动力学试验系统进行不同钢纤维类型的SFRC动态力学性能试验，试验系统如图1所示。

图1 SHPB岩石动力学试验系统

试件采用2套Φ73.5 mm×36.5 mm（每套可制作6个试样）的自制模具制作，试验中的钢纤维掺量为0.75%～2.25%，以求在尽可能避免结团现象的同时充分发挥纤维增强作用[4-5]。试件成型后立即用不透水的薄膜覆盖表面，采用标准养护，在室温下静置24h，然后编号、拆模。拆模后立即放入（20±2）℃、相对湿度为95%以上的标准养护箱内养护28d。养护后采用中国矿业大学理学院的SHM-200型双端面磨石机将试件磨平。

1.3 试验方案

1.3.1 正交试验方案设计

采用正交试验方法，研究水胶比、砂率、钢纤维体积掺量、钢纤维形状对C50钢纤维混凝土动态力学性能的影响规律，正交试验因素水平见表5。正交试验设计（M组）与配合比见表6。

表5 正交试验因素水平

表6 正交试验设计与配合比

1.3.2 单因素试验方案设计

为便于比较，设计单因素对照试验（N组），仅以钢纤维类型作为变量，材料用量（kg/m3）为：m（水泥）∶m（砂）∶m（粗骨料）∶m（钢纤维）∶m（水）∶m（减水剂）=476∶650∶1003∶70∶143∶11。设定N-0组为素混凝土，N-1～N-4组分别掺加0.9%（体积掺量）的平直形、压棱形、弓形和波纹形钢纤维。

2 试验结果与分析

2.1 正交试验结果与分析

对M组钢纤维混凝土试件分别在0.30、0.35.0.40 MPa气压下进行了动态力学性能试验，试验结果见表7。

表7 M组试件SHPB试验数据

2.1.1 各正交因素对钢纤维混凝土动态抗压强度的影响

动态力学性能试验分3个气压进行极差和方差分析，以找出各正交因素与钢纤维混凝土动态抗压强度的关系。下文提到的低、中、高应变率分别对应0.30、0.35、0.40 MPa这3种气压的冲击作用。

（1）极差分析

根据表7的试验结果，3种气压冲击下影响SFRC峰值应力各因素的极差计算见表8。

表8 3种气压冲击下影响SFRC峰值应力各因素的极差计算结果

根据表8中Rj的大小可以比较出3种气压冲击下各因素影响的显著程度，在气压为0.30 MPa时，对SFRC峰值应力影响的显著程度依次为：砂率>钢纤维形状>钢纤维体积掺量>水胶比。在气压为0.35 MPa时，对SFRC峰值应力影响的显著程度依次为：水胶比>钢纤维体积掺量>砂率>钢纤维形状。在气压为0.40 MPa时，对SFRC峰值应力影响的显著程度依次为：水胶比>钢纤维体积掺量>钢纤维形状>砂率。

（2）方差分析

对极差分析的结果作进一步计算，分别求得3种气压冲击下各因素的方差分析数据，如表9所示。

表9 3种气压冲击下各因素的方差分析

综合3种气压下的方差分析结果可以看出，在低、中、高应变率下，影响SFRC动态抗压强度的主次因素分别为：B→D→C→A、A→C→B→D、A→C→D→B，结果与极差分析一致。不难看出，随着应变率的增高，水胶比（因素A）对SFRC动态抗压强度的影响不断增强，在中、高应变率下均为首要影响因素；砂率（因素B）在较低应变率情况下，对试验值影响较大，随着应变率的提高，其影响逐渐减弱；钢纤维掺量（因素C）对试验值的影响在中、高应变率的情况下比较显著，而在低应变率的条件下其影响相对最弱；钢纤维类型（因素D）在低应变率情况下的影响比中、高应变率情况下的影响显著，钢纤维类型的影响随着应变率的提高越来越明显。

2.1.2 最优化分析

为找出试验因素的最优水平和试验范围内的最优组合，对正交试验结果进行最优化分析。从表8可以看出，气压值为0.30 MPa时，水胶比取0.33、砂率37%、钢纤维掺量2.25%、采用波纹形钢纤维试验指标最好，即最优组合为A2B3C4D4；气压值为0.35 MPa时，采用波纹形钢纤维试验指标最好，即最优组合仍然是A2B3C4D4；气压值为0.40 MPa时，采用弓形钢纤维试验指标最好，即最优组合是A2B3C4D3。

综合上述结果可知，水胶比和砂率在试验范围内均不宜过高或过低。钢纤维掺量对试验值的影响有一定波动，钢纤维掺量为1.25%时强度最低，钢纤维掺量为2.25%时，试验指标最优。钢纤维形状方面，弓形钢纤维的增强效果随应变率的提高有显著提升；波纹形钢纤维在中、低应变率情况下增强效果较好，高应变率情况下有所减弱；平直形和压棱形钢纤维的增强效果在3种应变率情况下均比较稳定，压棱形钢纤维的增强效果在高应变率下有所提升，平直形钢纤维对试验值的提升效果随应变率提高而减弱。

2.2 单因素试验结果与分析

对N组钢纤维混凝土试件分别在0.30、0.35和0.40 MPa气压下进行动态力学性能试验，结果见表10。

表10 N组试件SHPB的试验数据

比较表10中不同钢纤维类型钢纤维混凝土和素混凝土的峰值应力，在0.30 MPa和0.35 MPa气压条件下，均为N-4＞N-3＞N-1＞N-2＞N-0，说明试验中波纹形钢纤维对SFRC动态抗压强度的增强效果最为明显，其次分别是弓形、平直形和压棱形钢纤维。不同形状钢纤维在不同应变率情况下的增强作用有所差异：波纹形钢纤维在低、中应变率条件下有明显的增强效果，但在高应变率情况下其增强效果相对减弱；弓形钢纤维在3种应变率情况下均有明显的增强效果，特别是在高应变率条件下，其增幅达到33%；平直形和压棱形钢纤维的增强效果较弱，低、中应变率条件下，平直形优于压棱形，而在高应变率的冲击试验中，压棱形的增强效果显著提升，仅次于弓形钢纤维。3种不同气压下，N组各试样应力-应变曲线分别如图2、图3、图4所示。

图2 0.30 MPa气压下N组SFRC动态抗压应力-应变曲线

图3 0.35 MPa气压下N组SFRC动态抗压应力-应变曲线

图4 0.40 MPa气压下N组SFRC动态抗压应力-应变曲线

从图2～图4可以看出，5组混凝土在荷载作用的初始阶段都属于弹性阶段，且低、中应变率情况下，各组混凝土弹性模量十分相似，较高应变率情况下，4种SFRC的弹性模量与素混凝土显示出差异。由此可见，低、中应变率情况下，钢纤维混凝土试件在弹性阶段主要由混凝土基体承受荷载，钢纤维的增强效果没有得到体现；高应变率条件下，钢纤维能起到一定的阻裂粘结作用。抗冲击韧性方面，不同形状钢纤维对混凝土韧性的提升有所差异，但并不明显，钢纤维混凝土的抗冲击韧性整体优于素混凝土，且在高应变率情况下韧性提升效果更为显著。变形性能方面，随应变率的增加，混凝土的峰值应变有增大的趋势。标志着应变率较高的情况下，钢纤维混凝土能表现出更好的变形性能。

2.3 试件破坏形态分析

各组钢纤维混凝土试件随应变率的提高呈现出4种破坏形态，如图5所示。从边缘开裂到完全破碎的过程，体现了钢纤维均布在混凝土中起到明显的阻裂和粘结作用。

图5 钢纤维混凝土破坏形态

试验中发现，钢纤维含量较低的几组试件冲击破坏时更易被压碎，而含量较高的试件能保留芯部，由此反映出钢纤维掺量的提高更能强化钢纤维的增韧效果，降低试件的脆性。比较不同纤维形状的钢纤维混凝土，弓形钢纤维更有利于保持试件形状，其试件在较高应变率下破坏后，并未出现粉碎现象，往往能保留芯部或者呈体积较大的碎块，充分说明弓形钢纤维与混凝土基体间的握裹更加充分，抵抗变形能力更强。

3 结论

（1）比较了同等条件下钢纤维类型对混凝土动态力学性能的影响。在0.30MPa和0.35MPa气压冲击试验中，4种钢纤维的增强作用从强到弱依次为：波纹形>弓形钢>平直形>压棱形钢纤维；而0.40 MPa气压冲击试验中顺序为：弓形钢>压棱形>波纹形钢>平直形钢纤维。

（2）比较了4种因素对SFRC动态抗压强度的影响程度。在中、高应变率下水胶比为首要影响因素，其影响随应变率的增高而增强；砂率在较低应变率下，对试验值影响较大，随应变率的提高，其影响逐渐减弱；钢纤维掺量对试验值的影响在中、高应变率下比较显著，而在低应变率下，其影响最弱；3种应变率下，钢纤维类型的影响相对较弱，但随着应变率的提高其影响有相对增高的趋势。

（3）根据正交试验结果进行最优化分析，水胶比取0.33、砂率37%、钢纤维掺量2.25%为最优方案。弓形钢纤维和压棱形钢纤维的增强效果随应变率的提高有显著提升；波纹形钢纤维在中、低应变率下增强效果较好，高应变率下有所减弱；平直形钢纤维的增强效果随应变率提高而减弱。

（4）4种钢纤维中，弓形钢纤维对破坏形态的改善效果最好。

[1] 周德喜，侯建国.国内外钢纤维混凝土受力性能研究述评[J].武汉大学学报，2008（7）：57-60

[2] 赵晓宁，何勇.杆弹侵彻钢纤维混凝土试验研究[J].试验力学，2011（4）：216-220.

[3] 王志亮，诸斌.钢纤维混凝土三轴压缩下的强度和韧度特性[J].建筑材料学报，2012，15（3）：301-305，311.

[4] 吕文江，宋彬，杨景.基于正交试验的钢纤维混凝土配合比优化[J].交通标准化，2012，10：56-60.

[5] Bazant Z P，Mhashi H，Okamura H.Multi-fractal scaling law for the nominal strength variation of concrete strength in size effect in concrete structure[J].Cement and Concrete Composities，1994，20：63-65.