钢纤维增韧高强混凝土的制备及性能研究*

任大鹏,于吉鲲,方 迪

(大连海洋大学 应用技术学院，辽宁 大连 116300)

0 引 言

随着我国城市化的不断发展，建筑工程及建筑物等越来越高层化、跨度化、耐久化以及高强度化，而混凝土作为土木工程、建筑工程中应用最广泛、用量最大的建筑材料，其自身的属性、强度是工程质量的核心所在，因此对混凝土的要求也越来越严格[1-5]。未来混凝土的发展趋势必然是轻质量、高强度、多功能、高耐久等[6]。虽然高强度、高耐久的混凝土能满足工程需求，但是一般情况下这种混凝土都会存在水胶比较低、前期易开裂、成分复杂等缺点，这也大大影响了工程品质[7-9]。对于如何提高混凝土材料强度的同时，还能保证其韧性、降低脆性等问题已成为混凝土发展的关键点[10-11]。常规混凝土的增韧、提高强度的方法有：聚合物改性增韧、纳米材料增韧和纤维增韧[12-14]，其中聚合物增韧主要是向水泥材料中加入聚合物，该聚合物能在基体和骨料之间形成良好的粘接膜，提高基体之间的结合能力，达到增韧的效果[15]。纳米材料增韧即向基体中引入纳米材料，通过发挥纳米材料的“小尺寸效应”，以改善水泥基材料的韧性和强度[16]。纤维增韧是通过向水泥基材料中加入纤维后，纤维能与基体产生较强的结合，阻碍裂纹的扩展，在基体受到应力及拉伸时，从脆性断裂逐渐转变为韧性断裂[17]。近年来关于混凝土增韧的研究也越来越多。刘喜等[18]采用碎石型高强页岩陶粒制备了不同纤维类型和体积分数的LC60级纤维增韧高强轻骨料混凝土，研究了其力学性能，结果表明，高强轻骨料混凝土界面的粘结性能优于普通混凝土，纤维能够有效阻止高强轻骨料混凝土裂缝的发展，还可适当提高其抗压强度，并明显提高其抗折强度和劈裂抗拉强度，起到增强增韧的作用，钢纤维与水泥浆体的粘结性能良好，碳纤维可在高强轻骨料混凝土中均匀分散且与水泥浆体的粘结性能良好，相同体积分数下，碳纤维的增韧作用优于钢纤维。桂许兰等[19]在优化UHPC配合比的基础上，试验研究了胶凝材料，骨料级配和钢纤维掺量等因素对UHPC抗压强度和韧性的影响，结果表明，250 ℃的高温养护可以显著提高混凝土的抗压强度，总平均值为163.5 MPa，较标准养护下的抗压强度提高了27%，较热水养护条件下的抗压强度提高了10.8%，硅灰的掺量比例为胶凝材料的15%左右时，对UHPC抗压强度的提升效果最好，在石英砂级配中，粗砂、中砂、细砂的最佳比例为1∶4∶3，可以得到较好的骨料密实度，并有效提高UHPC的抗压强度，钢纤维的体积掺量为2.5%左右对UHPC的抗压强度和韧性提升效率较高。因此本文以高轻度骨料混凝土为基础，通过引入不同体积比的钢纤维对混凝土进行改性研究，通过对力学性能、流动性、抗压抗折等性能分析，研究了钢纤维掺量对混凝土基体的影响，力求得到高抗压强度、高抗折强度、高韧性的混凝土体系。

1 实 验

1.1 实验原材料

硅酸盐水泥：P.I 42.5，山东龙晟泽化工科技有限公司；硅灰：密度为200～250 kg/m3，比表面积为20～28 m2/g，平均粒径约为0.1～0.3 um，山东龙晟泽化工科技有限公司；粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，比表面积为425 m2/kg，山东龙晟泽化工科技有限公司；钢纤维：长纤维长度为12 mm，短纤维长度为6 mm，直径为0.2 mm，抗拉强度约为2 500 MPa；减水剂：聚羧酸系减水剂，固含量为18%，减水率>25%，沈阳兴正和化工有限公司。硅酸盐水泥、硅灰和粉煤灰的成分组成如表1所示。

表1 硅酸盐水泥、硅灰和粉煤灰的成分组成Table 1 Composition of portland cement, silica fume and fly ash

1.2 试样的配合比设计

本试验的配合比设计根据预定强度值选择水胶比固定为0.17，胶砂比固定为1∶1.1，减水剂含量固定为1%，以及硅酸盐水泥、粗骨料、硅灰和粉煤灰分别固定占比70%，10%，10%和10%，作为基准配比，选取不同体积比的钢纤维进行试拌，高强混凝土试样的配合比设计如表2所示。

表2 高强混凝土试样的配合比设计Table 2 Proportioning design of high-strength concrete sample

1.3 样品的制备

首先，将硅酸盐水泥、硅灰和粉煤灰按配合比称量好后，按顺序倒入青岛迪凯机械设备有限公司生产的行星式水泥胶砂搅拌机中，干拌3～5 min；其次，加入粗骨料、水和减水剂进行湿拌6～8 min；接着，到混合料开始结块时，匀速加入不同体积比的钢纤维，湿拌2～4 min；然后，通过压力成型的方式将拌合物填入试模中成型；最后，对试件进行标准养护48 h，再90 ℃热养护12 h。

1.4 样品的性能测试试验

流动度试验：按照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》对上述制备的高强混凝土的流动度进行测试，将钢纤维掺杂的混凝土分两层装入模具中，第一层装1/2高度后，用插捣棒插捣15次，装好剩余1/2后插捣15次，随后向上提起试模，启动跳桌，频率为1次/s，进行25次跳动后停止，测量其直径并取平均值。

抗压试验：制备40 mm×40 mm×160 mm的试样，抗压强度按照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检测方法》进行测试，采用压力试验机对不同含量钢纤维增韧混凝土试样的抗压强度进行了测试，给定加载机的加荷速率为2.4 kN/s，每组测试5个样品，取平均值。

抗折试验：采用微机控制电子万能试验机对不同含量钢纤维增韧混凝土试样的抗折强度进行了测试，软件加载速率为1 mm/min，载荷达到极限值，试件破坏后停止仪器，记录数据，取3组试样的抗折强度平均值作为试验结果。

冲击压缩试验：制备直径为75 mm，高度为45 mm的圆柱样品，采用霍普金森压杆试验装置进行测试冲击压缩性能，每组测试样10个，在测试过程中分成3个应变率对试样进行加载。

2 结果与讨论

2.1 试样的流动度分析

图1为钢纤维增韧混凝土的流动度测试曲线。从图1可以看出，未掺杂钢纤维的混凝土的流动度为198 mm，随着钢纤维的掺入，混凝土的流动度逐渐降低，从198 mm降至144 mm，这是因为钢纤维相比起骨料，其尺寸更为细长，比表面积较大，钢纤维引入后在混凝土基体中起到了支撑框架的作用，并且可以与基体产生较强的粘接效果，增大骨料之间的摩擦力，当钢纤维含量较多时，甚至会形成纤维团，降低了整体的流动度[20]。

图1 钢纤维增韧混凝土试样的流动度Fig 1 Fluidity of steel fiber toughened concrete specimens

2.2 试样的抗压强度分析

图2为3，7和28 d下钢纤维增韧混凝土试样的抗压强度曲线。从图2可以看出，钢纤维的掺入对基体的抗压强度有了明显的改善，随着钢纤维含量的增加，试样的抗压强度逐渐升高，当钢纤维含量为3%(体积分数)时，试样的抗压强度达到最大值，在3，7和28 d的抗压强度分别为112.4，129.1和135.7 MPa。对比龄期相同情况下，钢纤维含量越多，试样的抗压强度越高，7与3 d相比抗压强度增加了14.86%，28与7 d相比抗压强度增加了5.11%；当钢纤维含量为2%(体积分数)时，试样在3，7和28 d的抗压强度分别为105.9，118.4和130.2 MPa，7与3 d相比抗压强度增加了11.8%，28与7 d相比抗压强度增加了9.97%；当钢纤维含量为1%(体积分数)时，试样在3，7和28 d的抗压强度分别为98.3，117.5和126.3 MPa，7与3d相比抗压强度增加了19.5%，28与7 d相比抗压强度增加了7.49%。综合上述分析可知，随着钢纤维含量的增加，试样的抗压强度逐渐升高，但升高趋势呈现出前期增幅快，后期增幅慢的特点。

图2 钢纤维增韧混凝土试样的抗压强度Fig 2 Compressive strength of steel fiber toughened concrete specimens

2.3 试样的抗折强度分析

图3为3，7和28 d下钢纤维增韧混凝土试样的抗折强度曲线。从图3可以看出，随着钢纤维的掺入，试样的抗折强度呈现出逐渐升高的趋势，当钢纤维含量为3%(体积分数)时，试样的抗折强度达到最大值，对比龄期相同情况下，钢纤维含量越多，试样的抗折强度越高。当钢纤维含量为3%(体积分数)时，试件在3，7和28 d的抗折强度分别为26.9，35.4和41.8 MPa，7与3 d相比强度增加了31.6%，28与7 d相比强度增加了18.08%；当钢纤维含量为2%(体积分数)时，试件在3，7和28 d的抗折强度分别为21.1，29.3和33.1 MPa，7与3 d相比强度增加了38.86%，28与7 d相比强度增加了12.97%；当钢纤维含量为1%(体积分数)时，试件在3，7和28 d的抗折强度分别为15.2，20.4和26.7 MPa，7与3 d相比强度增加了34.2%，28与7 d相比强度增加了30.88%。综合上述分析可知，随着钢纤维含量的增加，试样的抗折强度逐渐升高，但升高趋势呈现出前期增幅快，后期增幅稍慢的特点。表3为钢纤维增韧混凝土试样的各项性能测试数据。

图3 钢纤维增韧混凝土试样的抗折强度Fig 3 Flexural strength of steel fiber toughened concrete specimens

表3 钢纤维增韧混凝土试样的各项性能测试数据Table 3 Various performance test data of steel fiber toughened concrete specimens

2.4 试样的SEM分析

图4为钢纤维和钢纤维增韧混凝土试样的SEM图。从图4(a)可以看出，钢纤维的直径约为200 μm左右，表面无凹坑，比较光滑。从图4(b)-(e)可以看出，钢纤维和浆体的结合比较紧密，没有产出空槽断面。图4(c)和(d)中的黑线是裂纹，从图4(c)可以明显看出，第一条裂纹穿过了钢纤维，第二条裂纹扩展到钢纤维处已并无延伸，说明钢纤维的引入可以有效阻碍裂纹的扩展。从图4(d)可以看出，当试样受力进行拉伸时，在钢纤维附近会产生一圈裂纹，这是因为钢纤维的引入，导致应力很难传导，裂纹的产生阻碍了断裂行为，钢纤维与基体之间具有较强的结合力，从而导致整体韧性的增强，避免了脆性断裂的产生。

图4 钢纤维和钢纤维增韧混凝土试样的SEM图Fig 4 SEM image of steel fiber and steel fiber toughened concrete specimens

2.5 试样的冲击压缩性能分析

图5为钢纤维增韧混凝土试样的冲击压缩应力-应变曲线。对应力-应变曲线的积分即为冲击压缩能，面积大小直接反映出冲击压缩的好坏。从图5可以看出，在未引入钢纤维的基体中，冲击压缩曲线围成的面积最小，这说明未掺杂钢纤维的基体冲击压缩性能最差，随着钢纤维的掺入，试样的冲击压缩性能均得到了明显改善，整体表现出钢纤维掺量越多，冲击压缩性能越好。这主要是因为钢纤维掺入后，在基体中以网状结构分布，起着连接结合基体与阻碍裂纹扩展的作用，钢纤维量越多，连接作用越强，裂纹扩展越困难，从而提高了基体的抗压抗折强度。

图5 钢纤维增韧混凝土试样的冲击压缩曲线Fig 5 Impact compression curve of steel fiber toughened concrete specimens

3 结 论

以高轻度骨料混凝土为基础，通过引入不同体积比(0，1%，2%和3%)的钢纤维对混凝土进行改性，制备出了钢纤维增韧高强混凝土试样。通过对流动性、抗压抗折、冲击压缩等性能分析，研究了钢纤维掺量对混凝土基体的影响，结论如下：随着钢纤维含量的增加，试样的流动度逐渐降低，从198 mm降至144 mm；而试样的抗压强度和抗折强度均逐渐升高，当钢纤维含量为3%时，试样的抗压强度和抗折强度达到最大值，对比龄期相同情况下，钢纤维含量越多，试样的抗压和抗折强度越高，试样的强度上升趋势呈现出前期强度增幅快，后期增幅慢的特点；SEM分析发现，钢纤维的直径约为200 μm左右，表面无凹坑，比较光滑，钢纤维和浆体的结合比较紧密，没有产出空槽断面，钢纤维的掺入可以有效阻碍裂纹的扩展，纤维与基体之间具有较强的结合力，整体韧性得到了有效增强，避免了脆性断裂的产生；对混凝土冲击压缩应力-应变分析发现，未掺杂钢纤维的基体冲击压缩性能最差，随着钢纤维含量的增加，试样的冲击压缩性能均得到了明显改善，整体表现出钢纤维掺量越多，冲击压缩性能越好。