掺量及分层布设对钢纤维混凝土力学性能的影响研究

邹艳胜

(湖南省交通科学研究院有限公司, 湖南 长沙 410015)

0 引言

混凝土中加入钢纤维主要作用是利用钢纤维的高抗拉强度来抵消混凝土中因外界开裂引起的细裂缝端部应力，从而达到抑制混凝土裂缝发展的目的[1-3]。钢纤维运用到混凝土中同时一定程度上增加了混凝土与钢纤维间的界面粘结力，达到了在钢纤维上转移外力的功效，因而提高了混凝土的综合性能。但不同钢纤维的物理力学性能不同，钢纤维分布层次也不尽相同，需进行相关试验确定最佳钢纤维掺量及钢纤维混凝土的最佳分层结构[4-8]。国内关于钢纤维混凝土的各项性能研究较多，郭光玲[4]进行了钢纤维增强混凝土力学性能试验，结果表明钢纤维混凝土的力学性能显著强于普通混凝土试件。针对钢纤维在混凝土中的分布方式，彭奥等[5]进行了钢纤维的复合式、层布式力学性能研究，结果表明复合式钢纤维混凝土的抗折强度及劈裂强度增长显著，复合式较层布式更能提高钢纤维混凝土的力学性能。尽管国内钢纤维混凝土的研究成果显著，但相对于欧美等国的研究进度和发展程度还有较大差距，且国内现行的钢纤维混凝土技术规程及标准还存在少许与现实工程脱节的地方，受多种复杂因素影响还不能有效地满足所有项目工程要求。所以，为获得最佳使用性能的钢纤维混凝土力学性能及其配比组成，需有针对性地进行试验，通过控制单一变量变化来寻求最优力学性能的钢纤维掺量及分层结构。本文基于钢纤维、水泥等材料，制作多组试件，研究钢纤维掺量及钢纤维混凝土的分层结构对钢纤维混凝土的力学性能影响。

1 原材料

1.1 水泥

采用P·O32.5(普通硅酸盐水泥)，安定性试验满足《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2017)规定要求。

1.2 细骨料

采用中砂，细度模数为2.69，表观密度及堆积密度分别为2.63、1.48 g /cm3，含泥量为1%。筛分试验结果满足级配曲线分区要求。

1.3 粗骨料

采用碎石，表观密度及堆积密度分别为2.82、1.43 g /cm3，含泥量为0.3%。级配为5～16 mm，压碎指标为6%，其性能满足《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2015)。

1.4 钢纤维

采用长30 mm、长度与直径比为60的波浪形钢纤维(重庆泰路科技公司生产)，质量满足钢纤维混凝土相关规范要求。钢纤维截面形状为矩形，抗拉强度大于380 N/mm2，弹性模量为20 000 N /mm2，其性能满足《钢纤维混凝土标准规范》(JGT472—2015)要求。

1.5 减水剂

采用萘系高效减水剂，减水率≥20%，其性能满足《混凝土外加剂》(GB 8076—2008)要求。

2 钢纤维混凝土力学性能研究

2.1 试验设计

2.1.1试件设计

试件按照《钢纤维混凝土结构试验方法标准》(CECS13∶89)要求制作，采用边长为150 mm的立方体试件。考虑到分层结构形式和层高对试件各性能产生的影响，试件可以分为以下5种不同结构形式： ①下层为素混凝土、上层为5 cm厚的钢纤维混凝土，编号为1#；②下层为5 cm厚的钢纤维混凝土、上层为素混凝土，编号为2#；③下层为10 cm厚的钢纤维混凝土、上层为素混凝土，编号为3#；④下层与上层均为5 cm厚的钢纤维混凝土、中层为素混凝土，编号为4#；⑤全掺钢纤维混凝土，编号为5#。混合料中钢钎维的掺加量分为0%、0.5%、0.8%、1.2%、1.5%等5种，每种试件9个，每组编号试件为45个，共计225个试件。

2.1.2配合比设计

与普通混凝土相比，钢钎维混凝土配合比设计还需考虑其抗拉、抗剪、抗弯强度符合相关技术要求，同时要特别注意避免钢钎维在混合料中出现结团现象。根据《钢纤维混凝土结构设计与施工规程》(CECS38∶92)相关规定，钢钎维混合料配合比设计具体情况如表1所示。

表1 不同钢钎维掺量的钢纤维混合料配合比表钢纤维掺量/%水灰比水泥/kg水/kg砂/kg石/kg砂率/%混凝土基体00.4510.451.563.17360.50.4510.451.622.58420.80.4510.451.622.3744C401.20.4510.451.612.18461.50.4510.451.612.0248

2.2 力学性能试验结果

钢纤维混凝土力学性能试验加载方法参照《钢纤维混凝土试验方法》(CECS13∶89)。试件抗压、抗折、抗弯强度的测定根据其发生开裂时对应的最大破坏荷载来评价。试验结论数据见表2～6所示。

表2 1#混凝土试件试验结果钢钎维掺量/%抗压强度/MPa劈裂强度/MPa抗折强度/MPa039.13.144.450.540.33.904.610.840.93.994.601.241.34.185.091.539.94.264.87

表3 2#混凝土试件试验结果钢钎维掺量/%抗压强度/MPa劈裂强度/MPa抗折强度/MPa039.13.144.450.541.23.675.600.842.44.045.821.245.14.546.041.546.94.786.57

表4 3#混凝土试件试验结果钢钎维掺量/%抗压强度/MPa劈裂强度/MPa抗折强度/MPa039.13.144.450.542.74.195.660.843.44.276.121.248.04.326.351.547.14.506.51

表5 4#混凝土试件试验结果钢钎维掺量/%抗压强度/MPa劈裂强度/MPa抗折强度/MPa039.13.144.450.542.63.995.100.843.14.105.621.243.64.286.211.542.74.246.71

表6 5#混凝土试件试验结果钢钎维掺量/%抗压强度/MPa劈裂强度/MPa抗折强度/MPa039.13.144.450.544.34.165.96

续表6钢钎维掺量/%抗压强度/MPa劈裂强度/MPa抗折强度/MPa0.847.64.616.411.250.24.856.771.548.34.716.51

2.3 影响因素分析

2.3.1钢钎维掺量对混凝土的力学性能影响分析

不同的纤维掺量时混凝土力学性能试验结果如图1，由图可知：钢纤维掺量对混凝土抗压强度的影响，呈现先增大后减小趋势，当钢纤维掺量超过1.2%时，混凝土抗压强度反而减小。主要原因是钢纤维大于1.2%时混凝土和易性较差，影响了混凝土的抗压强度。钢纤维掺量对混凝土的劈裂强度和抗折强度影响较小。

图1 不同钢纤维掺量时混凝土的力学性能试验结果

结合图1,可知推导出钢纤维掺量、混凝土抗压强度、钢纤维混凝土强度之间的关系如式(1)所示。

(1)

钢纤维掺量、钢纤维混凝土劈裂抗拉强度、混凝土抗拉强度之间的关系如式(2)所示。

(2)

钢纤维掺量为变量，可以得到不同混凝土强度下抗折强度与钢纤维掺量之间的关系式：

fse，t=(1.05-0.086x+0.335x2)ft

(3)

式(1)～(3)中，x为钢纤维掺量；fse，cu为钢纤维混凝土抗压强度；fcu为混凝土抗压强度；fs，t为钢纤维混凝土劈裂抗拉强度；ft为混凝土抗拉强度；fse，t为钢纤维混凝土抗压强度。

存在一个最佳的钢纤维掺量可使钢纤维混凝土的抗压、抗拉、抗折强度达到最大，由试验结果可知，本试验中的最佳钢纤维掺量为1.2%。

2.3.2试件分层以及层高对试件各性能影响

2.3.2.1 分层以及层高对试件抗压强度影响分析

不同分层结构的钢纤维混凝土抗压强度试验结果如图2所示。

图2 不同分层结构的钢纤维混凝土抗压强度

由图2可知，分层结构影响了整个试件的抗压强度，试件全为钢纤维混凝土时对应的抗压强度值在不同钢纤维掺量下均最大。除4#结构外，同一分层结构下的试件抗压强度值均随着钢纤维掺量增大呈现出了先增大后减小趋势。整体而言，分层结构对试件抗压强度值的影响比钢纤维掺量对其影响大。在试件受压时，钢钎维混合料作为一种复合材料，混合料在凝结硬化过程中内部应力变化复杂，水泥浆凝结硬化过程中存在一定收缩，这种收缩会受到粗骨料和钢钎维限制，容易导致结构物产生裂缝；在外力作用下，裂缝受到进一步破坏，在荷载反复作用下，最终结构物完全破坏。混合料分层结构不同对外力分担各层次的表现不同，从而表现出一定的抗压强度差异。

2.3.2.2 分层以及层高对试件劈裂强度影响分析

不同分层结构的钢纤维混凝土试件的劈裂强度试验结果如图3所示。

图3 不同分层结构的钢纤维混凝土劈裂强度

由图3可知，随着钢钎维掺量增加，不同分层结构的钢纤维混凝土抗压强度均有不同程度增加，相对来看，1#、3#结构比其余3种结构的增长幅度要小，且这2种结构在钢钎维体积率为1.5%时，劈裂强度均达到最大值。随着掺加钢钎维体积率不断增加，某些点会出现劈裂强度下降趋势，这可能是由于混合料拌合施工过程中存在没有完全拌合均匀的部分，导致试件整体劈裂强度有所下降。综合来看，相较于素混凝土，钢钎维混凝土的劈裂强度有明显提高。

2.3.2.3 分层以及层高对试件的抗折强度影响分析

不同分层结构的钢纤维混凝土抗折强度试验结果如图4所示。

图4 不同分层结构的钢纤维混凝土抗折强度

由图4可知，不同分层结构的钢纤维混凝土抗折强度均有不同程度增加，相对来看，1#结构比其余4种结构的增长幅度要小，掺加钢钎维体积率从0%增加至1.5%过程中，1#结构抗折强度增长很小，而其余4种结构的增长幅度都在45%以上，说明试件上层的钢钎维对提高试件抗折强度作用较小。综上可知：当试件下层钢钎维混凝土厚度一致时，钢钎维掺量越大，试件抗折强度越大；当钢钎维掺加量一致时，试件下层钢钎维混凝土厚度(≤40%试件高度)越大，则其抗折强度也越大。

3 结论

1) 混凝土中掺加适量的钢钎维，一定程度上提高了混凝土的力学性能，但钢钎维在混合料中分布不均匀则会降低钢钎维提高混凝土强度的作用效果，因此需确保混合料拌合的均匀性。

2) 钢纤维掺量影响了混凝土的抗拉、劈裂和抗折强度。通过比较不同钢纤维掺量的力学性能指标，确定钢纤维混凝土的最佳钢纤维掺量为1.2%。

3) 分层结构影响试件的抗压、劈裂抗折、强度。试件全为钢纤维混凝土时,所对应的抗压、抗折、劈裂强度值均为最大。分层结构对试件的抗压强度值影响比钢纤维掺量对其影响更显著。试件上层钢钎维对提高试件的抗折强度作用较小，试件下层钢钎维混凝土厚度(≤40%试件高度)越大，其抗折强度越大。