钢纤维长径比对混凝土力学性能及抗冻性能的影响分析

叶 晟

(广西理工职业技术学院，广西 崇左 532200)

0 引言

混凝土因具有造价低、适用性广、施工简便及耐久性好等优点，已在我国建筑、路桥等工程得到广泛应用[1-2]。但随着工程技术和结构的发展，自重大、抗拉强度低及早期强度不高的普通混凝土已无法满足工程设计要求[3-4]。因此，如何有效改善普通混凝土性能对于工程质量的保证具有重要意义。

目前，国内外学者针对纤维提升混凝土性能的研究已相对成熟，如郭琳等[5]对聚丙烯纤维混凝土进行了抗压性能和劈裂抗拉性能的试验，发现将纤维引入混凝土中，并控制一定的数量，可以防止路面裂缝的扩展，提高混凝土力学性能。张鹏等[6]通过坍落扩展度试验和抗弯拉性能试验，研究了4种不同聚乙烯醇纤维体积掺量对混凝土拌和物流动性及抗弯拉性能的影响。潘书才等[7]认为聚丙烯纤维增强混凝土性能的作用要优于聚乙烯纤维，冻融循环次数的增加会显著降低纤维混凝土的性能。周美容等[8]发现混杂纤维增强混凝土材料的耐久性能的作用优于单纤维。上述研究主要集中在纤维掺量及种类对混凝土性能的影响，而关于纤维长径比对混凝土性能的影响研究还有待进一步完善。基于此，本文以钢纤维为例，针对钢纤维长径比对混凝土力学性能及抗冻性能的影响规律展开了对比分析，并给出了钢纤维长径比的合理取值范围。

1 原材料

(1)水泥：采用普通硅酸盐水泥，其性能指标检测结果如表1所示。

表1 水泥性能检测结果表

(2)纤维：采用冷轧钢波浪剪切型钢纤维，按照《公路水泥混凝土纤维材料钢纤维》(JT/T524-2004)规范要求进行性能检测，结果如表2所示。

表2 钢纤维检测结果表

(3)集料：粗集料采用5～25 mm连续级配碎石，表观密度为2.7 g/cm3，针片状含量为8.2%，压碎指标为9.1%，含泥量为0.7%。细集料采用表观密度为2.63 g/cm3的普通河砂，其细度模数为2.72。

(4)粉煤灰：采用Ⅱ级粉煤灰，密度为2.0 g/cm3，含水量为28%，0.045 mm方孔筛筛余量为15.3%。

(5)减水剂：采用聚羧酸高效减水剂，减水效果≥30%。

(6)水：采用洁净自来水。

2 试验方法及配合比设计

2.1 试验方法

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2016)规范要求，分别制备5组尺寸为100 mm×100 mm×100 mm立方体混凝土试件，针对试件龄期7 d、28 d的抗压强度和劈裂抗拉进行测试，另制备5组尺寸为100 mm×100 mm×400 mm棱柱体混凝土试件，针对试件龄期7 d、28 d的抗折强度进行测试。此外，按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)规范要求，制备5组尺寸为100 mm×100 mm×400 mm棱柱体混凝土试件，分别进行300次冻融循环试验。

2.2 配合比设计

为研究钢纤维长径比对混凝土力学性能和抗冻性能的影响，以未掺钢纤维的混凝土试件为参照组，分别设计了钢纤维长径比为20、40、60、80的混凝土试件为分析组，并针对不同钢纤维长径比的混凝土抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度、质量损失率以及相对动弹性模量进行对比分析，其中混凝土钢纤维掺量均为1%。其配合比设计如表3所示。

表3 钢纤维混凝土配合比设计表

3 结果与分析

3.1 力学性能

为研究钢纤维不同长径比对混凝土力学性能的影响，分别针对钢纤维长径比为0、20、40、60、80的混凝土试件的抗压强度、抗折强度及劈裂抗拉强度变化规律进行对比分析。

3.1.1 抗压强度

对不同钢纤维长径比混凝土试件的抗压强度进行对比分析，其抗压强度变化曲线如图1所示。

图1 抗压强度变化曲线图

根据图1可知，随着钢纤维长径比的增加，龄期为7 d、28 d的混凝土抗压强度呈先增大后减小趋势，且不同钢纤维长径比的抗压强度均要大于未掺钢纤维的混凝土，说明钢纤维的掺入可以增强混凝土的抗压强度。对于龄期为7 d的混凝土而言，钢纤维长径比为40～60的混凝土抗压强度较未掺钢纤维的混凝土而言增幅效果较为显著，增幅可达17.4%～18.7%；对于龄期为28 d的混凝土而言，同样是钢纤维长径比为40～60的混凝土抗压强度增幅效果较为显著，与未掺的相比，增幅可达10.7%～11.9%。由此说明，对于增强混凝土抗压强度来说，钢纤维长径比选择40～60范围相对合理。

3.1.2 抗折强度

对不同钢纤维长径比混凝土试件的抗折强度进行对比分析，其抗折强度变化曲线如图2所示。

图2 抗折强度变化曲线图

根据图2可知，随着钢纤维长径比的增加，龄期为7 d、28 d的混凝土抗折强度呈先增大后减小趋势，且不同钢纤维长径比的抗折强度均要大于未掺钢纤维的混凝土，说明钢纤维的掺入可以增强混凝土的抗折强度。对于龄期为7 d的混凝土而言，钢纤维长径比为40的混凝土抗折强度增幅效果较为显著，与未掺的相比，最大增幅为14.3%；对于龄期为28 d的混凝土而言，钢纤维长径比为60的混凝土抗折强度增幅效果较为显著，与未掺的相比其最大增幅为21.6%。综合来看，钢纤维长径比选择40～60范围对于增强混凝土抗折强度效果较好。

3.1.3 劈裂抗拉强度

对不同钢纤维长径比混凝土试件的劈裂抗拉强度进行对比分析，得到劈裂抗拉强度变化曲线如图3所示。

图3 钢纤维混凝土劈裂抗拉强度变化曲线图

根据图3可知，随着钢纤维长径比的增加，龄期为7 d、28 d的混凝土劈裂抗拉强度先增后减，说明钢纤维的掺入可以增强混凝土的劈裂抗拉强度。当钢纤维长径比<60时，龄期为7 d、28 d的混凝土劈裂抗拉强度均不断增大；当钢纤维长径比>60后，龄期为7 d、28 d的混凝土劈裂抗拉强度则开始逐渐减小；当钢纤维长径比为60时，龄期为7 d、28 d的混凝土劈裂抗拉强度均达到最大值，与未掺时相比，最大增幅分别为62.1%和51.2%，对于增强混凝土劈裂抗拉强度的效果显著。

3.2 抗冻性能

为研究钢纤维不同长径比对混凝土抗冻性能的影响，分别针对钢纤维长径比为0、20、40、60、80的试件进行冻融循环试验，得到混凝土相对动弹性模量及质量损失率变化曲线如图4、图5所示。

图4 钢纤维混凝土质量损失率变化曲线图

根据图4可知，冻融循环次数增加，混凝土的质量损失率会随之增大，在冻融循环50次后，混凝土的质量损失率逐渐达到相对稳定状态。随着钢纤维长径比的增大，混凝土的质量损失率不断减小，说明钢纤维的掺入可有效降低混凝土的质量损失率。在冻融循环300次后，当钢纤维长径比由0增至60时，混凝土的质量损失率减小幅度较大，而钢纤维长径比由60增至80时，混凝土的质量损失率减小幅度有所减小，由此说明钢纤维长径比选择60时，对于降低混凝土的质量损失率效果显著。

图5 钢纤维混凝土相对动弹性模量变化曲线图

根据图5可知，冻融循环次数增加，混凝土试件的相对动弹性模量会随之减小，在冻融循环150次后，混凝土的相对动弹性模量减小趋势较为明显。随着钢纤维长径比的增加，混凝土的质量损失率不断增大，说明钢纤维的掺入可有效增大混凝土的相对动弹性模量，其中钢纤维长径比由0增至60时，混凝土的相对动弹性模量增幅较大，而钢纤维长径比由60增至80时，混凝土的相对动弹性模量增幅有所减小。综合来看，钢纤维长径比选择60的混凝土试件抗冻性能改善效果显著。

4 结语

(1)随着钢纤维长径比的增加，不同龄期的混凝土抗压、抗折及劈裂抗拉强度均呈先增大后减小趋势，但其强度均要大于未掺钢纤维的混凝土，其中钢纤维长径比为40～60的混凝土抗压、抗折强度增幅效果较为显著，钢纤维长径比为60的混凝土劈裂抗拉强度均达到最大值，对于增强混凝土劈裂抗拉强度效果显著。

(2)钢纤维的掺入可有效提升混凝土的抗冻性能。当钢纤维长径比由0增至60时，混凝土的质量损失率大幅降低，相对动弹性模量增幅较大，但钢纤维长径比超过60后，混凝土的质量损失率减小幅度和相对动弹性模量增幅均有所下降。综合来看，钢纤维长径比选择60的混凝土的抗冻性能增幅效果显著。