钢纤维混凝土基本力学性能试验研究

张 仓

(1.南京理工大学土木工程系，江苏 南京 210094； 2.盐城幼儿师范高等专科学校，江苏 盐城 224000)

0 引言

混凝土结构是土木工程中常见的一种建筑形式，混凝土材料即是混凝土结构体系中的基础组成部分，广泛应用于土木，航空，水利等领域[1-3]，为我国的基建作出了卓越的贡献。国内外针对混凝土性能特性展开了大量有益的研究，研究成果主要集中在室内试验，数值模拟和理论研究方面。室内试验方面：苏有彪等[4]对混凝土碳化—冻融循环下的性能变化进行了室内试验；古丽娜等[5]对全级配水工混凝土的抗裂特性进行了系统测试；刘红森等[6]对胶凝砂砾石混凝土的抗冻性进行了试验研究。数值模拟方面：朱万成等[7]利用RFPA软件对混凝土的脆性断裂过程进行了模拟研究；孙其然等[8]利用LS-DYNA软件，基于HJC损伤模型对钢筋混凝土的侵蚀进行了模拟；宿辉等[9]利用PFC离散元软件对混凝土的细观破坏机理进行了研究。理论方面：吴瑶[10]提出了混凝土的双K断裂准则；王璀瑾等[11]对混凝土不同的Ⅰ型断裂准则进行了比较；许斌等[12]对混凝土的Ⅰ-Ⅱ型复合断裂准则进行了研究。

钢纤维混凝土由于其优异的性能逐渐被广泛地应用于混凝土结构中，由其组成的结构构件承担着结构绝大多数的荷载，当材料力学性能发生改变时，结构的抗震性能及服役性能也将发生相应改变。为获得钢纤维混凝土的力学性能参数及影响因素，本文设计了钢纤维混凝土力学性能测试试验，对钢纤维混凝土抗压性能、抗劈拉强度进行了测试，并分析研究了钢纤维掺量对混凝土抗压性能的影响。

1 试验材料及试验方案

1.1 试验材料

试验采用水泥、细骨料、粗骨料、水、钢纤维。钢纤维混凝土力学性能试验测试中试件所用水泥材料为盘固水泥集团有限公司生产的P.O42.5级水泥；细骨料采用产自湖南洞庭湖的天然中砂；试验中粗骨料是东方希望重庆水泥有限公司生产的碎石，最大直径10 mm，最小直径5 mm；拌合水选用自来水；钢纤维选用江苏苏博特新型材料有限公司生产的压痕型钢纤维。

根据中国工程建设标准化协会标准CECS 13∶89钢纤维混凝土试验方法进行钢纤维混凝土试件的制作，试件制作时，先将钢纤维与粗骨料加入搅拌机搅拌，使钢纤维分散在石子中，搅拌以防止团簇现象发生，再将砂子和水泥加入搅拌机干搅拌至材料分散均匀，后在转动的搅拌机中加水。搅拌完成后，将混凝土拌合物倒入尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的铸铁模具中，将表面磨平，用塑料薄膜封闭，然后室温条件下24 h后脱膜，养护28 d后即可进行力学性能的测试。

1.2 试验仪器

试验仪器采用微机屏显示液晶压力机，该系统拥有位移以及应力两种加载模式，力值最大加载为600 kN，位移控制范围为0 mm～200 mm，本次试验采用力值加载控制方式，加载速率为0.5 kN/s。

1.3 试验方案

试验方案中BZ表示空白试验组，SFRC-XX表示不同钢纤维掺量条件下的钢纤维混凝土试件，SFRC-WC-XX表示相同钢纤维体积率条件下的钢纤维混凝土试件，SFRC-FC-XX表示相同配合比、不同混凝土强度条件下的钢纤维混凝土试件，见表1。混凝土材料配合比为水∶水泥∶砂∶石子=0.45∶1∶1.5∶2.8，共计54个试件。

2 不同钢纤维体积率下混凝土的力学性能

为获得钢纤维掺量与钢纤维混凝土抗压强度之间的关系，在本章节试验中设计了4种不同钢纤维掺量的钢纤维混凝土立方体试件，每组包含3个试件，以进行力学性能的测试，其中钢纤维掺量分别为0%，0.5%，1%，1.5%。

2.1 抗压强度

根据中华人民共和国国家标准规范，混凝土立方体抗压强度的计算方法可用式(1)表示：

(1)

式中：F——立方体试件破坏时试验机的加载力,N；

A——混凝土试件截面面积,mm2。

不同钢纤维掺量条件下混凝土立方体的抗压强度试验测试结果如表1,表2所示。

表1 立方体抗压强度试验结果 MPa

表2 不同钢纤维掺量时混凝土试件抗压强度

表1，表2给出了不同钢纤维掺量情况下混凝土抗压强度值，从图1中可以看出，在混凝土中添加钢纤维后，混凝土试件的抗压强度有所提升，且钢纤维的掺量越大，混凝土抗压强度百分比增加越多，但增加量不大，当钢纤维掺量为1.5%时混凝土强度增加百分比不超过7%。由此可以看出，在混凝土中添加钢纤维，对混凝土抗压性能提升不明显。

2.2 劈裂抗拉强度

根据规范，钢纤维混凝土立方体试件的劈裂抗拉强度按式(2)计算：

(2)

其中，fts为钢纤维混凝土立方体试件的劈裂抗压强度。

不同钢纤维掺量条件下混凝土立方体的劈裂抗拉强度试验测试结果如表3所示。

表3 不同钢纤维掺量时混凝土试件劈裂抗拉强度

由表3及图2可以看出，在混凝土中添加钢纤维后，混凝土的劈裂抗压强度均有明显的提高，在钢纤维添加体积率为0.5%和1%时，混凝土劈裂抗拉强度分别提升了14%和27%，几乎是按照线性关系增加的，而钢纤维添加体积率为1.5%时，强度不再呈线性增长，仅提升了33%，由此可以看出，在混凝土中添加钢纤维后，存在一个增强效果的极大值点，若钢纤维掺量小于这个极大值，则钢纤维对混凝土劈裂抗拉强度的提升非常显著，基本呈线性增强，而钢纤维掺量大于这个极大值掺量点时，继续在混凝土中增加钢纤维的掺量，虽依然有一定的提升效果，但提升效果不再那么明显。

2.3 弹性模量

混凝土结构设计国家规范中混凝土弹性模量Ec计算公式为：

(3)

式中:Fa——应力为1/3抗压强度时的荷载，N；

F0——应力为0.5 MPa时的初始荷载，N；

A——试件承压面面积，mm2；

L——测量标距；

Δn按式(4)计算：

Δn=εa-ε0

(4)

式中：Δn——最后一次从F0加荷至Fa时试件两侧变形的平均值，mm；

εa——受力为Fa时试件两侧变形的平均值,mm；

ε0——受力为F0时试件两侧变形的平均值,mm。

同时规范规定了混凝土受压弹性模量计算精确至100 MPa。综上可将式(3)及式(4)归结为下式：

(5)

将各个试件所测得的数据值按照式(5)进行计算，获得不同钢纤维掺量时混凝土的弹性模量数值，各组试件取平均值后获得的试验数据如表4所示。不同钢纤维掺量弹性模量分布见图3。

表4 不同钢纤维掺量时混凝土试件弹性模量

根据表4给出的不同钢纤维掺量时混凝土试件弹性模量试验数据值，在混凝土中添加钢纤维后，混凝土的弹性模量有所增加，但提升的效果不是非常显著，例如，混凝土中钢纤维掺量达到1.5%时，混凝土的弹性模量提升百分比不超过10%，而混凝土中的钢纤维掺量较小时，对其弹性模量值影响较小，例如，混凝土中钢纤维掺量0.5%时，混凝土的弹性模量提升百分比仅1.72%，且钢纤维掺量从1%增加到1.5%时，弹性模量增加百分比较从0.5%增加到1%时的增量百分比明显减小，由此，可以看出，当混凝土中钢纤维的掺量较小时，对混凝土弹性模量值影响较小，而随着钢纤维掺量的增加，混凝土的弹性模量有一定的提升，但效果不是特别显著。

3 结论

1)开展了不同钢纤维掺量条件下混凝土试件的抗压强度、劈拉强度等力学性能试验，得到了钢纤维掺量对混凝土力学性能的影响规律，并对相同钢纤维掺量、不同强度等级混凝土基体的钢纤维混凝土进行了抗压强度、劈拉强度等力学性能参数的测试。

2)混凝土基体强度等级不同时，钢纤维混凝土力学性能的变化情况不同，强度等级较高时，混凝土中钢纤维越能发挥其作用，相应的钢纤维混凝土试件抗压强度、抗拉强度等力学性能表现越佳。