钢纤维形状对超高性能混凝土力学性能的影响

王 欢

（上海市市政规划设计研究院有限公司，上海市200031）

0 引言

掺有一定比例钢纤维或有机纤维的超高性能混凝土（UHPC）是近年来混凝土发展的重要方向之一，是一种新型纤维增强水泥基复合材料。纤维是提高UHPC性能的关键材料，能使其具有超高强、高韧、高耐久性能，已经在公路工程、桥梁工程等多项领域得到广泛的应用[1-3]。随着UHPC研究的发展，钢纤维的形状种类也逐渐增多，其对混凝土力学性能的影响已成为研究的主要方向。梁兴文等[4]研究了长、短钢纤维对UHPC受弯力学性能的影响，得出长、短钢纤维在一定搭配比例下的UHPC比单一型UHPC的抗折强度高。陈从春等[5]研究了钢纤维掺量对超高性能混凝土力学性能的影响，得出了钢纤维在一定掺量下对混凝土力学性能有很大提高作用的结论。

近年来，也有诸多学者通过对钢纤维进行改性来提高混凝土力学性能。张丽辉等[6]研究了钢纤维在磷酸锌改性下对UHPC力学性能的影响，研究结果表明改性钢纤维能使UHPC的单轴拉伸性能有很大的提高。也有学者通过探寻钢纤维和骨料粒径的关系，来提高混凝土的力学性能[7]。

目前，国内外关于钢纤维对混凝土力学性能的影响已有不少研究成果，但关于钢纤维形状对混凝土力学性能影响方面的研究相对较少。为了进一步分析钢纤维形状对混凝土力学性能的影响，本文选用平直形、扭曲形和弯钩形3种形状的钢纤维进行混凝土抗压、抗折强度的试验研究，以期为超高性能混凝土的力学性能研究发展提供参考。

1 试验材料及方法

1.1 UHPC原材料

UHPC由水泥、硅灰、水、细集料和钢纤维等组成。水泥选用P·O 52.5级水泥，比表面积为373 m2/kg。硅灰中SiO2含量93%，比表面积28 000 m2/kg。细集料选用洁净的河砂，最大粒径为1.25 mm。减水剂采用高性能聚羧酸减水剂，减水率大于30%。钢纤维选用镀铜钢纤维，等效直径0.2 mm，长度13 mm，形状分别是平直形、扭曲形、弯钩形3种。钢纤维外形见图1。试验所用的超高性能混凝土配合比见表1。

试验采用60 L标准卧轴式搅拌机。在最初的试验过程中，采用一次性投料的方式进行混凝土的搅拌，发现钢纤维在试验拌和过程中容易结团，影响混凝土的均匀性和力学性能，所以改变投料方式，先将除钢纤维之外的所有材料加入搅拌机中，等到浆体出现后，采用9 mm的筛网将钢纤维分散投入搅拌机中进行搅拌，搅拌时间5 min以上，出料。

1.2 试件成型

混凝土直接浇筑成型。在浇筑过程中，浇筑的方式和速度应保持一致，以消除钢纤维排布因素的影响。用每种形状的钢纤维各成型10组UHPC试件。成型好的试件在室温下放置24 h后脱模，然后放入标准养护室，养护28 d后进行力学性能测试。抗压强度试件尺寸为100mm×100mm×100mm,抗折强度试件尺寸为100mm×100mm×400mm。

图1 3种钢纤维外形

表1 超高性能混凝土配合比

1.3 力学性能试验

按照 T/CBMF37—2018/TCCPA7—2018[8]的要求，选用YAW4306型微机控制电液伺服压力试验机测试UHPC试件的抗压强度，试验加载速度0.8 MPa/s。抗压试验机及试件外形见图2。

图2 抗压试验机及试件外形

按照GB/T50081—2002[9]的要求，采用YAM-200型微机控制电子万能试验机进行UHPC试件的抗折强度试验，试验加载速率0.1 MPa/s。抗折试验机及试件外形见图3。

2 试验结果与分析

3种形状钢纤维对应的UHPC试件抗压、抗折强度数据见表2。

图3 抗折试验机及试件外形

表2 3种形状钢纤维对应的UHPC试件抗压、抗折强度

2.1 钢纤维形状对超高性能混凝土抗压强度的影响

在抗压试验过程中，从外观看试件的破坏形状呈现一致，侧面都有崩坏性的裂纹，但都没有完全断裂散开，而是由钢纤维相互连接在一起，试件都比较完整。由表2可以看出：3种钢纤维都可使试件抗压强度达到150 MPa左右，其中掺平直形钢纤维试件的表现最好，有80%的试件可以达到150MPa，并且有40%的试件可以突破160MPa；掺扭曲形钢纤维试件的抗压强度有60%可以达到150 MPa，20%可以突破160 MPa；掺弯钩形钢纤维试件只有40%可以达到150 MPa，10%达到160 MPa以上，其中还有10%跌到了130 MPa。可以判断出弯钩形钢纤维对混凝土抗压强度的影响不是很稳定，数据偏差较大。王强的研究[10]表明，不同的浇筑方向会对混凝土的抗拉强度产生较大的影响，而且存在明显的线性关系。那么造成混凝土抗压强度不稳定的因素有可能是钢纤维的外形对混凝土搅拌和浇筑成型过程产生了一定的影响，具体原因需要进一步的研究。但整体而言，掺3种钢纤维试件的抗压强度基本上都可以达到150 MPa，说明钢纤维的外形对于混凝土抗压强度有一定的影响，但从施工需求方面来说影响不是很明显。

2.2 钢纤维形状对超高性能混凝土抗折强度的影响

由表2可以看出，钢纤维的形状对混凝土抗折强度有较大的影响，其中以掺平直形钢纤维试件的表现最差，掺扭曲形钢纤维试件次之，而弯钩形钢纤维对试件抗折强度有显著的提升效果，呈现出明显的递增趋势（见图4）。掺扭曲形和弯钩形钢纤维试件的抗折强度较平长直形钢纤维试件分别高出11%和23%。这主要是因为在整个抗折试验的过程中，混凝土基体未开裂前，钢纤维与混凝土共同处于弯拉阶段，此时主要由钢纤维和混凝土共同提供抗折强度，材料的变形都比较小；在UHPC准备开裂的临界点，起主要作用的是钢纤维与混凝土间的粘结力以及钢纤维的外形在混凝土中所形成的机械阻力；随着UHPC的不断开裂，在这个过程中钢纤维被不断拔出，在拔出时，因钢纤维的外形在混凝土基体中形成了一种机械抗力，提供了一定的抗折强度，从而起到了一定的阻断作用，减缓了混凝土的断裂。而粘结力的形成主要取决于钢纤维掺量，在同样掺量下，弯钩形和扭曲形这种异形钢纤维在混凝土中额外地提供了一定的机械抗力，在整个试验过程中提升了UHPC的抗折强度。

3 结语

（1）3种形状钢纤维对超高性能混凝土的抗压强度都有一定影响，但其影响主要表现在强度的不稳定性上。其中掺弯钩形钢纤维试件的抗压强度偏差最大，其强度保证率较低，而掺平直形钢纤维试件的抗压强度最为稳定。引起差异的原因可能是钢纤维的形状不同，使混凝土在搅拌和浇筑过程中发生了某种变化，故需要开展更加细致的研究。

图4 钢纤维形状对试件抗折强度影响趋势图

（2）在混凝土抗折强度方面，3种形状钢纤维都有较大的影响。在保证相同的掺量下，弯钩形钢纤维在提高混凝土抗折强度上的表现最优，较掺平直形钢纤维试件提升了23%，较掺扭曲形钢纤维试件提升了10%。在施工方面可以根据实际需求选择合适的钢纤维形状。