低掺量钢纤维对混凝土力学性能的影响

李九阳，王振伟，胡广朝，陈 立，郭金鹏

(长春工程学院，长春 130012)

0 引言

随着混凝土工程应用的快速发展，混凝土材料性能得到了越来越广泛的关注，如何改善混凝土的综合性能是未来混凝土工程应用发展的关键问题。近年来的研究发现，在普通混凝土中添加纤维材料形成纤维混凝土，可以有效提高混凝土的力学性能[1]。其中，钢纤维混凝土就是将钢纤维材料、粗骨料、细骨料、水泥、水按照合理的配合比进行混合搅拌养护得到的。钢纤维的掺量是影响纤维混凝土整体性能的重要因素，掺量过多会导致混凝土的某一性能提高，而其他性能降低；掺量过少则混凝土性能提高不明显。因此，通过不同体积掺量的钢纤维混凝土试验，在综合各项性能后获得钢纤维混凝土的参量阈值具有重要的意义。

1 试验方案

1.1 原材料

1.1.1 水泥

水泥是一种粉末状胶凝材料，与水混合后发生水化反应，具有显著的胶凝黏结作用。水泥和砂子均可以起到连接混凝土各种材料的作用，并且水泥可以有效填补砂子和其他骨料之间的空隙，提高混凝土的结构密实性。本试验采用的水泥为当地某品牌的P.O 42.5级水泥。

1.1.2 碎石

石子作为混凝土的粗骨料对其强度具有重要作用，目前应用较多的是碎石。碎石棱角明显、大小和整体形状都呈现不规则状态，表面粗糙，能够与水泥较好黏结，有利于增加混凝土材料之间的摩擦力。试验用石子的最大粒径不可超过钢纤维长度的2/3，且不超过20 mm。本次试验所用石子的粒径为5～20 mm[2]。

1.1.3 砂子

砂子作为细骨料不仅能有效填充粗骨料颗粒间的空隙，而且能与碎石等粗骨料共同结合起到骨架支撑作用，从而有效提高混凝土的密实性和强度；砂子具有的润滑作用可以有效地改善混凝土的和易性，可以减少水泥的用量。细度模数作为衡量砂粒径的粗细均匀程度及颗粒类别的重要指标，对试验有重要的影响，本次实验采用的细骨料规格为Ⅱ 级中砂。

1.1.4 钢纤维

钢纤维的主要作用是阻碍混凝土微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展，改善并提高混凝土的抗拉、抗剪、抗弯强度[3-4]。本次试验采用的钢纤维是端钩型，长度为35 mm，直径为0.75 mm，长径比l/d=47，抗拉强度为1 000～1 800 MPa。

1.2 配合比

为了研究钢纤维的掺量对混凝土各项性能的影响，本次试验按照C30混凝土设计了4组不同钢纤维掺量和1组对照素混凝土，并掺入0.75%的奈系减水剂。试验混凝土配合比见表1。

表1 钢纤维混凝土配合比

1.3 钢纤维混凝土试块制备

试验准备：首先清洗掉石子上的石灰、泥土等杂质，尽量减少杂质对试验的误差；然后采用4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm的筛孔尺寸组合的方孔筛按着孔径的大小放在振筛机上对砂子进行筛分；同样用9.50 mm、4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm筛孔尺寸组合的方孔筛对石子进行筛分；将筛分完毕后的砂子和石子放入烘干箱，烘干箱温度控制在(100±5)℃，烘干去除水分。筛分后的石子和砂子的曲线结构如图1所示。

(a)石子级配曲线

(b)砂子级配曲线图1 石子、砂子级配曲线

试验要求：每组配合比制作3个试块。按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[5]，用于混凝土抗压强度和劈裂拉抗强度试验的试块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm；用于抗折、抗剪强度试验的试块尺寸为100 mm×100 mm×400 mm；用于轴心抗压强度试验和静压弹性模量试验的试块尺寸为100 mm×100 mm×300 mm。所有试块在室内静置48 h后方可脱模，然后在标准条件下养护28 d。

试验步骤：按照表1中钢纤维混凝土的配合比进行称量材料，采用人工搅拌制备混凝土试块。按照JG/T465—2019《钢纤维混凝土》标准[6]，搅拌时，采用将钢纤维、水泥、砂子、石子先进行干拌，而后加水湿拌的方法。干拌时钢纤维分3次加入，每一次用手均匀散布在粗细骨料上，这样做的目的是防止钢纤维打结成团，影响混凝土试块的强度。钢纤维及其粗细骨料搅拌均匀后再加水湿拌40 s。湿拌完毕后将搅拌好的混合料装到模具中，并放置在振动台上边振动边抹平1～2 min。振动完成后用标签标注好试块编号。

1.4 试验加载

按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[5]的试验方法，测得了钢纤维混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗折强度、抗剪强度、劈裂抗拉强度以及弹性模量。在进行立方体抗压强度测试时，考虑到试块制作时是在水平振动台上进行振捣的，容易造成钢纤维在水平方向和竖直方向上分布有较大差异，所以本次试验以试件成型时的侧面作为承压面测定抗压强度[6]。当试件接近被破坏时，应及时调整试验机的油门，降低加载速度，直至试件被破坏，并及时记录破坏荷载。

立方体试块试验过程如图2所示，可以明显看出：素混凝土破坏时呈典型的楔形，而钢纤维含量在0.6%时，钢纤维混凝土表面裂纹比素混凝土要少，混凝土没有明显的脱落。虽然随着钢纤维含量的增加对混凝土抗压强度的提高程度不大，但是钢纤维约束了混凝土裂缝的产生和发展，加入钢纤维具有明显的抗裂作用[7]。按照JG/T 520—2018《挤压成型混凝土抗压强度试验方法》[8]的强度计算方法，得到了钢纤维混凝土相应的强度值。

图2 破坏后的混凝土试块

2 试验结果与分析

2.1 混凝土强度分析

将试验得到的钢纤维混凝土的各项试验数据与钢纤维的掺量分别设置为纵、横坐标，绘制相关曲线进行分析，并进一步对钢纤维混凝土抗压比、剪压比、折压比、弹强比进行分析，掌握钢纤维掺量对混凝土各项性能的影响规律。

2.1.1 混凝土立方体抗压强度

图3为钢纤维掺量对混凝土立方体抗压强度影响的关系曲线。

由图3可见，钢纤维掺量较小时，其立方体抗压强度略有降低；钢纤维掺量从0.2%增加到0.7%时，混凝土的抗压强度逐渐得到提高；从数据的变化趋势尚可以看出，当钢纤维体积掺量由0.6%逐渐增加到0.7%时，抗压强度增长速率变缓，曲线斜率降低，表明抗压强度的提高速率逐渐减小。总体来说随钢纤维掺量的增加其对应的混凝土抗压强度的变化率约为11%。

图3 钢纤维与立方体抗压强度关系曲线

为了分析混凝土立方体抗压强度与钢纤维掺量更详细的相关性，对图3的数据采用数值分析的方法进行深入分析，以钢纤维掺量为X轴，以抗压强度为Y轴进行曲线拟合。得到了不同掺量钢纤维对混凝土抗压强度影响的线性拟合理论，见式(3)。

fcc= 41.981 8 -30.652 58x+132.077 49x2-108.679 97x3，

(3)

R2= 0.985 12，

式中：fcc为混凝土立方体试件抗压强度(MPa)；x为钢纤维掺入的体积率(%)。

R2的值越接近1，说明回归的拟合程度越好，当误差率<5%时，可以满足工程应用的精度要求。因此该公式可以作为低掺量钢纤维混凝土抗压强度的通用公式，适用范围是钢纤维掺入量≤0.7%。

2.1.2 混凝土轴压强度

为了分析混凝土轴压强度与钢纤维掺量的关系，绘制了钢纤维掺量对混凝土轴心抗压强度影响的关系曲线，如图 4。由图 4 可见，钢纤维掺量较小时，其立方体抗压强度略有降低(同立方体抗压强度的规律)；钢纤维掺量在0.2%～0.7%时，混凝土的轴心抗压强度呈现出明显的先上升后下降的趋势；在钢纤维掺量为0.5%～0.6%时达到轴压强度的最大值，之后，轴压强度下降。总体来说，除掺量为0.2%的钢纤维的小组，其他组混凝土轴心抗压强度均有所增加，轴心抗压强度的提高约为10%[8]。

图4 钢纤维与轴心抗压强度关系曲线

同理，对钢纤维混凝土掺量与轴压强度的相关性进行了数据拟合，得到了以钢纤维掺量为X轴，以轴压强度为Y轴的拟合曲线图。对图4的数据采用数值分析的方法进行深入分析，探究掺入不同量的钢纤维分别对混凝土轴压强度的影响，得到了钢纤维混凝土掺量与轴压强度的相关性公式，见式(4)。

fcp= 40.397 56 -38.884 75x+ 187.678 48x2-188.709 27x3，

(4)

R2= 0.972 67，

式中：fcp为混凝土轴心抗压强度(MPa)；x为钢纤维掺入的体积率(%)。

R2的值越接近1，说明回归的拟合程度越好，当误差率<5%时，可以满足工程应用的精度要求。因此该公式可以作为低掺量钢纤维混凝土轴压强度的通用公式，适用范围是钢纤维掺入量≤0.7%。

2.1.3 混凝土抗拉、剪、折强度

图5是钢纤维掺量对混凝土劈裂抗拉强度、抗剪强度、抗折强度影响的关系曲线，从图中可以看出，随着钢纤维掺量从0%增加至0.7%时，混凝土劈裂抗拉强度、抗剪强度、抗折强度都逐渐有所增加，并且都在钢纤维掺量为0.7%时达到最大增加值。相较于素混凝土，当钢纤维掺量为 0.2%～0.7%时，则劈裂抗拉强度提高程度为12.4%～35.5%，抗折强度提高程度为 5.9%～44%，抗剪强度提高程度为36%～60.6%。受钢纤维掺量的影响，其强度均有大幅度提高。

图5 混凝土抗拉、抗折、抗剪强度

2.1.4 混凝土拉压比、剪压比、折压比

为了分析钢纤维混凝土强度关系，本文进行了拉压比、剪压比、折压比的计算，绘制了以钢纤维掺量为X轴，以拉压比、剪压比、折压比比值为Y轴的折线图。图6是钢纤维掺量对混凝土拉压比、剪压比、折压比影响的关系曲线。拉压比、剪压比、折压比这3个比值分别为混凝土劈裂抗拉强度、抗剪强度、抗折强度与立方体抗压强度之比。由图 6 可见，掺入钢纤维有助于提高混凝土的拉压比、剪压比、折压比。钢纤维掺量为 0.2%～0.7%时，混凝土拉压比提高了12%～19%，混凝土剪压比提高了40%～45%，混凝土折压比提高了11%～24%[9]。可以分析出混凝土的剪压比随着使用钢纤维的掺量增加受到的影响最大。

图6 混凝土拉压比、剪压比、折压比

2.2 混凝土静弹性模量

混凝土静弹性模量是反映混凝土变形性能的主要指标。按照GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准 》[5]规定，本次试验通过测试应力为1/3轴心抗压强度时的荷载以及应力为0.5 MPa时的初始荷载，经过公式计算得到了混凝土的静力弹性模量。图7是钢纤维掺量对混凝土弹性模量影响的关系曲线。由图 7 可见，随着钢纤维掺量从0.2%逐渐增加到0.7%时，对整个混凝土静弹性模量的变化影响不明显，折线没有明显横向起伏程度变化，使得整个混凝土静弹性模量每次变化均没有超过6%。

图7 钢纤维掺量对混凝土静弹性模量的影响

弹强比是直接反映混凝土延性和抗裂性的一种重要指标，它通常是由弹性模量与抗压强度之比计算得到比值。弹强比越小表明混凝土整体抗裂性越好，弹强比越大则反之。图8是用不同弹强比来直接反映出使用不同掺量钢纤维的混凝土的整体抗裂性能。由图8可以看出混凝土弹强比随着钢纤维掺量的不断增加而逐渐降低。钢纤维掺量为0.2%～0.7%时，混凝土弹强比降低了0.2%～16.5%，反之混凝土的抗裂性则提高了0.2%～16.5%。

图8 钢纤维掺量对混凝土弹强比的影响

2.3 结果分析

由于混凝土的抗压强度主要取决于混凝土基体的密实度和骨料表面的黏结强度，因此钢纤维对混凝土抗压强度的提高作用影响没有对拉剪强度的提高显著。本文进一步对比分析了混凝土拉压比、剪压比、折压比，如图9(a)～(c)所示。由图可见，钢纤维掺量在0.4%～0.7%时，钢纤维掺量对混凝土拉压比、剪压比、折压比的影响规律与劈拉强度、抗剪强度、抗折强度基本一致。

由图9d弹性模量曲线提高相关程度曲线分析可以明显看出弹性模量提高程度随图曲线纵向变化均≤5%，钢纤维材料掺量对混凝土的弹性模量基本无直接影响[10]。钢纤维掺量≤0.5%时，对钢纤维混凝土弹强比的影响提高程度均≤8%，钢纤维掺量在0.5%～0.7%时钢纤维混凝土的屈强比与对弹性模量影响趋势大致相同。且随着钢纤维材料掺量的增加对混凝土弹强比变化的影响较小[11]。分析其原因，是因为静力弹性模量与混凝土主要材料性质相关，由于钢纤维掺量较小，对其影响较弱。

3 结语

在混凝土中掺入钢纤维大大提高了混凝土的韧性和抗裂性，荷载作用下，素混凝土达到抗拉强度后即开裂，而钢纤维混凝土中的钢纤维错杂的分布在混凝土裂缝处，因此，掺入钢纤维有助于提高混凝土的抗裂性能，阻碍裂缝的发生和发展，提高混凝土的韧性。且随着钢纤维掺量的增加，在钢纤维桥接裂缝之间钢纤维的分布层数不断增多，大大提高了混凝土的抗裂性能和韧性。具体而言：

1)钢纤维掺量由0.2%增加到0.7%时，混凝土轴压强度曲线的变化均<10%，弹性模量曲线的变化均<5%。混凝土的轴压强度和弹性模量曲线随着钢纤维掺量的不断增加没有明显的变化影响。

(a)

(b)

(c)

(d)图9 钢纤维掺量对混凝土性能提高程度的影响

2)随着钢纤维的增加，混凝土的抗压强度、劈拉强度、抗剪强度、抗折强度以及混凝土拉压比、剪压比和折压比渐渐变大。当钢纤维掺量为0.7%时对其抗压强度的提高程度为15%，抗剪强度提高程度为61%。低掺量钢纤维(≤0.7%)对混凝土抗压强度的变化影响细微，对混凝土劈拉强度、抗折强度、抗剪强度影响显著。

综前所述，通过钢纤维混凝土力学性能的试验研究，发现了钢纤维对混凝土力学性能的具体影响程度，分析了其机理，对纤维混凝土材料的研究与应用具有一定的意义。