钢纤维定向增强水泥基材料力学性能试验研究

杨小燕 王子仪 李修磊 王晓康 蒋达鑫 王 民

（1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学材料科学与工程学院，重庆400074；3.重庆交通大学河海学院，重庆 400074；4.重庆智翔铺道技术工程有限公司，重庆 400074）

0 引言

以混凝土为代表的水泥基材料因其优良的力学性能成为目前土木工程领域中用途最广、用量最大的工程材料［1］。但其与生俱来的高脆性与低韧性使之在环境与荷载作用下极易开裂，混凝土力学性能的衰退直到最终退出工作均与脆性开裂特征有关［2-4］。近年来自然灾害频发，在复杂恶劣环境下服役的混凝土构筑物日益增加，基础设施老化等问题使混凝土材料面临新的挑战。为了减少混凝土材料因脆性开裂失效引发的工程事故，须改变混凝土脆性、易裂的缺点，而掺入纤维材料是有效手段之一，其中钢纤维具有强度大、模量高及拌和易分散等优点，使其在制备高韧性土时得到广泛应用。

在实际工程中，大多数混凝土构筑物所受荷载具有方向性。目前，常规钢纤维混凝土多通过机械共混的方式将钢纤维与水泥基体拌和，钢纤维乱向排布。有研究表明，在杂乱无序的钢纤维混凝土中能起到增强、增韧效果的钢纤维数量仅占总量的40%左右［5-6］。针对这一问题，有学者根据混凝土结构的受力状态，通过调控钢纤维方向能够极大地提高其对混凝土结构增强、增韧的效率，并在理论上给予了证明［7-8］。慕儒等［9］讨论了钢纤维取向及掺量对抗压强度的影响，研究结果表明在钢纤维掺量为0.9%、1.2%、1.5%时，定向钢纤维混凝土较乱向钢纤维混凝土的抗压强度分别提高10.9%、7.8%及7.5%。

随着对钢纤维水泥基材料研究的不断深入，发现钢纤维水泥基复合材料力学性质复杂多变，力学参数测值浮动大，规律不明显，且对钢纤维水泥基材料尺寸效应研究较少，因此本研究对不同高度的钢纤维水泥基材料试样进行单轴压缩试验，分析试样不同的破坏形态，考虑不同高度、钢纤维掺量及取向共同影响试样强度，进行尺寸效应研究，得到抗压强度与试件高度、钢纤维掺量及取向较好的拟合关系，并开展弯曲抗拉试验研究分析钢纤维定向对强度和韧性的影响规律，为高性能钢纤维水泥基复合材料的研发提供思路。

1 试验概况

1.1 原材料与制备方法

试验材料采用P.O42.5 普通硅酸盐水泥、细度模数为2.7 的ISO 标准砂、清水和钢纤维。钢纤维的直径为0.21 mm，模量为200 GPa。配合比设计按照水泥∶标准砂∶水=1.0∶3.0∶0.53 的比例制备水泥砂浆试件。为分析钢纤维长度对水泥砂浆力学性能的影响，制备试件时掺入3 种长径比分别为67、80 和100 的钢纤维，体积掺量分别为0.5%和1.5%。

首先，按照上述水泥砂浆的配合比并掺入定量钢纤维加以拌和均匀；再将拌和均匀的水泥砂浆装入试模内进行振捣密实；然后，将振捣后的试模放置匀强磁场中2 min，对试件内的钢纤维分布沿轴向进行定向；最后将试件放置在95%相对湿度、温度为20 ℃的条件下养护至28 d。同时在相同试验条件下制备乱向试件，并同样在标准养护条件下养护至28 d。水泥砂浆试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。将放置匀强磁场中对钢纤维进行定向的试件称为定向分布试件，未放置匀强磁场中的试件称为乱向分布试件。

1.2 试验方案

1.2.1 单轴抗压试验。选取掺入体积掺量分别为0.5%、1.5%的钢纤维水泥砂浆试件，所有试件钢纤维的长径比均为80。将养护好的试件切割成高度分别为40 mm、80 mm、100 mm 和120 mm 的棱柱体，并将切割后试件的端部打磨平整。试验仪器采用100 kN 电伺服万能试验机，加载速率设为0.2 mm/min。

1.2.2 弯曲试验。选取掺入长径比分别为67、80 和100，体积掺量分别为0.5%、1.5%的钢纤维水泥砂浆试件，试件的尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。每一种长径比和钢纤维掺量的水泥砂浆试件，均包括定向和乱向两种分布类型。试验仪器同样采用100 kN 电伺服万能试验机，加载速率设为0.1 mm/min。

参照《纤维混凝土弯曲性能的标准试验方法》（ASTM C1609）［10］，计算试件的初裂弯拉强度和极限弯拉强度，再根据日本 JCI SFRC 委员会［11］提出的弯曲韧性指数ET 的概念，综合评价给定条件下混凝土韧性的各项指标，其实质是在给定变形范围内折算获得的平均抗折强度。计算表达式如式（1）。

式中：Tb表示挠度为δtb时荷载挠度曲线下的面积，即韧度，N•mm；δtb表示挠度值，mm，通常取L/150。

2 试验结果分析与讨论

2.1 单轴抗压试验结果分析

不同高度、不同钢纤维掺量的水泥砂浆试件的应力—应变关系如图1 所示。乱向40 表示乱向试样的高度为40 mm；可以看出，荷载作用下，水泥砂浆试件的整个破坏过程大致划分为5 个阶段，即初始压密阶段、线性增长阶段、屈服阶段、软化阶段和完全破坏阶段。当试件处于初始压密阶段时，试件内部的微裂纹和微孔洞等初始缺陷在荷载作用下开始闭合，从而产生瞬间的压缩变形；弹性阶段时，试件的瞬时压缩变形转变为基体的弹性变形，此时，应力与应变呈线性增长；塑性阶段的出现主要是由于随着载荷的增加，纤维与基体开始共同抵御外力作用。试件达到峰值后，进入软化阶段，由于桥接在基体之间、横跨裂缝的纤维承担应力，随着纤维不断拔出，试件所能承受的黏聚力随裂纹宽度的增大而减小，直至最后破坏。

图1 两种钢纤维掺量不同高度、不同定向水泥砂浆试件应力—应变曲线

由图2 可以看出，随着试件高度的增加，钢纤维掺量为0.5%和1.5%的试件的抗压强度总体呈下降的趋势，表现出一定的尺寸效应。说明尺寸越小的试件内部存在的缺陷越少，而破坏通常是由这些局部严重的缺陷所导致，小尺寸试件不容易在裂纹的扩展作用下汇聚成宏观裂缝，因而使其抗压强度最大。另外，在试件高度相同时，定向组及乱向组试件的抗压强度随钢纤维掺量的增加而增加，在乱向组试件高度为40 mm 时提升更为明显。这是由于钢纤维的掺入约束了试件受压时的横向膨胀，延缓了破坏过程，从而提高了抗压强度。

图2 两种钢纤维定向不同钢纤维掺量水泥砂浆试件抗压强度与试件高度的关系

与其他学者研究不同（钢纤维方向垂直于荷载方向）的是［12］，当钢纤维方向平行于荷载方向，且保持钢纤维掺量、试件高度不变时，其定向组试件抗压强度值均比乱向组试件低（见图3），这是由于可能断裂机理发生改变，说明如果对钢纤维与荷载的方向调节不当，可能起到负作用。

图3 两种钢纤维掺量不同钢纤维定向水泥砂浆试件抗压强度与试件高度的关系

由于在试件尺寸、钢纤维定向相同，仅变化钢纤维掺量时，试件的破坏形貌较为相似。故本研究仅列举在单轴荷载作用下，1.5%钢纤维掺量不同高度、不同定向钢纤维水泥砂浆试件破坏后的形貌，如表1 所示。当试件高度为40 mm 时，定向和乱向组试件表面都存在3 条与加载方向近似平行的贯通主裂纹，几条次生裂纹和几处塌陷区，破坏形式以劈裂破坏为主。当试件高度为80 mm 时，定向组试件的剪切破坏面近平行于轴向，表面有少许剥落，而乱向组试件沿着弱面剪切破坏。当试件高度为100 mm 时，定向和乱向组试件的剪切破坏面近似与轴向形成45°的夹角；并伴有几条次生裂纹与轴向近似平行，破坏形式以单斜面剪切破坏为主。当试件高度为120 mm 时，定向和乱向组试件的剪切破坏面与轴向形成一定夹角，破坏形式表现为劈裂破坏与剪切破坏共存。另外，乱向组试件裂缝形貌表现出多而细密的特点，定向组试件则裂缝数量少但裂缝宽度较大。

表1 钢纤维掺量为1.5%的不同高度、不同定向水泥砂浆试件破坏形貌

由图2、图3 可知，随着试件高度的增加，单轴抗压强度在减小，根据试验所测得的数据绘制了抗压强度与试件高度的散点图，然后根据散点图绘制抗压强度与试件高度的拟合曲线，如图4所示。

从图4 的拟合曲线可知，随着试件高度的增加，乱向组试件的抗压强度呈指数下降，且钢纤维掺量越大，其下降越明显。而定向组试件的抗压强度呈线性均匀下降，说明定向组试件的抗压强度与试件高度呈一定比例的下降。

图4 两种钢纤维掺量不同高度钢纤维水泥砂浆试件抗压强度拟合曲线

从表2 中的拟合公式可知，单轴抗压强度与试件尺寸拟合较好，为工程实践中对其进行定量分析提供了一种手段。

表2 单轴抗压强度与试件尺寸的拟合关系

2.2 弯曲抗拉强度

图5 为3 种长径比、2 种体积掺量下，定向组和乱向组试样在28 d 龄期的荷载—位移曲线。对比图6 中的定向组曲线与乱向组曲线可以看出，在相同的钢纤维掺量下，定向组试样的峰值荷载均明显比乱向组的高，且钢纤维掺量越大，表现更明显。有学者研究表明，在钢纤维体积掺量0.8%以下，对水泥基体的增强作用不明显，与我们的试验结果相类似［13］。但经过磁场定向的钢纤维，可以提高钢纤维的有效利用率，其中在长径比为80、钢纤维掺量1.5%时试件上作用更为明显，定向组峰值荷载较乱向组增加了83.73%。

图5 3种钢纤维长径比、2种钢纤维掺量不同钢纤维定向水泥砂浆试件荷载—位移曲线

由图6和图7可知，在钢纤维长径比相同时，定向组与乱向组的初裂弯拉强度、极限弯拉强度随钢纤维掺量的增加而增加。这是由于试件在承受弯曲荷载时，试件底部的水泥砂浆首先开裂，这时桥接在开裂截面的钢纤维将承担全部的荷载。此外，在钢纤维长径比、钢纤维掺量相同时，定向组试件的初裂弯拉强度、极限弯拉强度均比乱向组试件高。这说明了定向组试件中能够起到阻裂作用的钢纤维数量明显多于乱向组。

图6 钢纤维长径比与初裂弯拉强度的关系

图7 钢纤维长径比与极限弯拉强度的关系

由此可知，在一定范围内，提高长径比可以提高弯曲抗拉强度，但相较于长径比而言，钢纤维掺量及定向对初裂弯拉强度、极限弯拉强度的影响更大。另外，也充分显示了定向分布钢纤维对水泥砂浆试件的弯曲抗压强度的显著改善作用。

2.3 弯曲韧性

各试样在不同钢纤维体积掺量下的韧性指数ET 计算结果如图8 所示，在钢纤维长径比相同时，定向组与乱向组试件的弯曲韧性指数表现为钢纤维掺量越高，提高幅度越大的趋势；在相同体积掺量、钢纤维长径比相同时，定向组试件的弯曲韧性指数大致高于乱向组试件，尤其在钢纤维长径比为100，钢纤维掺量为1.5% 的增强比率提高了58.63%。这是由于水泥基体的增韧作用主要来自钢纤维在拔出过程中两方面的耗能：一是克服界面黏结力耗能，二是克服界面摩擦力而耗能［14］。定向分布钢纤维所产生的界面黏着力和摩擦力耗能增加是其显著改善水泥基体韧性的重要因素。

图8 不同试样的韧性指数

3 结论

①试样的单轴抗压强度尺寸效应明显，随着试件高度增加其单轴抗压强度呈总体下降趋势；在试件高度相同时，试样的抗压强度随钢纤维掺量的增加而增加，同时在钢纤维掺量、试件高度相同时，乱向试样单轴抗压强度均高于定向试样。且乱向试样尺寸效应曲线服从指数分布，定向试样尺寸效应曲线呈线性分布。

②在一定范围内，提高长径比可以提高试件弯曲抗拉强度，但相较于长径比而言，钢纤维掺量及定向对试件的初裂弯拉强度、极限弯拉强度的影响更大。

③在钢纤维长径比相同时，定向组与乱向组试件的弯曲韧性指数表现为钢纤维掺量越高，提高幅度越大的趋势；同时在相同纤维体积掺量及长径比时，定向组试件的弯曲韧性指数大致高于乱向组试件，尤其在钢纤维长径比为100，钢纤维掺量为1.5%的增强比率提高了58.63%。