钢纤维混凝土制备及工作力学性能试验研究

钟润平

（东莞市建生混凝土有限公司，东莞 523960）

1 前言

短钢纤维、水泥、石等原材料按一定比例混合配制，在其凝结硬化后可形成钢纤维混凝土这一复合材料。不同于普通混凝土，钢纤维混凝土在工作力学性能上得到了改善，混凝土的各种性能得以提升，这也意味着混凝土材料迎来了革新发展的契机。因当下人们对建筑的耐久性、安全性有极高的要求，而钢纤维混凝土的工作力学性能较为优越，所以这一材料在我国很多工程项目中得到了广泛运用。

2 钢纤维混凝土的增强机理

普通混凝土材料的成分、结构较为简单，而钢纤维混凝土材料十分复杂，其结构、组成也趋于多向性、不均匀性。基于钢纤维混凝土的增强机理，掺入钢纤维来改善混凝土及其阻裂反应，可以提升混凝土的物理性能、力学性能，还方便钢纤维混凝土的结构设计。对于增强机理而言，本文从复合材料理论与纤维间距理论进行分析。

复合材料理论将诸多单一材料、混合材料作为多相系统，各材料的性能也能多相叠加。钢纤维混凝土为新复合材料，涉及结合面、基相等部分，所以其工作力学性能很容易受到多方因素的影响。通过应用线弹性断裂力学，纤维间距理论可以评估钢纤维在混凝土裂缝中的限制作用。这一理论下，为增强混凝土强度，应适当减少内部缺陷，提升混凝土的韧性。

3 钢纤维混凝土的制备

3.1 工作设备

钢纤维混凝土制备中需要使用搅拌机与振动台设备。搅拌机可以选择JZC250 混凝土搅拌机，其进料容量与出料容量分别是320 升、250 升，生产率可达每小时7立方米左右，而且此设备的提升功率是4.1 千瓦。振动台可以使用HZJ-0.5 型振动台，其规格是500*500（单位：毫米），振动器功率是0.55 千瓦，振动频率可达每分钟2850 次，最大载重是100 千克。

3.2 配合比设计

配合比设计过程中，使用的是表观密度法，合理配制普通混凝土试件、钢纤维混凝土试件，具体设计方案如下表所示。

表1 配合比设计

3.3 钢纤维混凝土制备

为充分体现钢纤维混凝土的优势、工作性能，不仅要合理设计配合比，还要做好制备工艺。由于钢纤维加入混凝土中在拌合期间易结团，所以在其达到规定强度并成型时，钢纤维的分布不均衡，混凝土的性能无法提高，甚至会降低，使用寿命也大幅缩减，如果将此类混凝土应用到工程施工中，只会增加施工的难度。在此背景下，为发挥钢纤维的作用并提高混凝土拌合物性能，需要确保钢纤维在混凝土拌合物中的分布均匀，还要改进其制备流程[1]。本文基于钢纤维混凝土制备规程，对比分析不同钢纤维的混凝土拌合物的搅拌情况，发现将混凝土骨料、钢纤维混合在一起搅拌，可以保证骨料分布均匀，加入胶凝材料进行干拌处理，也能确保骨料完全接触胶凝材料。通过这一搅拌过程，发现钢纤维在混凝土拌合物中的分布十分均匀，且无结团问题。制备工作中，在其试件达到要求强度并不具塑性后，工作人员应开展抹面工作，使用塑料薄膜及时覆盖混凝土表面，并将其静置于常温环境24 小时，随后进行试块拆模与编号标记，再将其放入21 摄氏度的环境内。这一期间，需要保证环境的相对湿度约94%，在养护室内养护26 天—29 天，确保试件表面始终潮湿。

4 钢纤维混凝土的工作力学性能

由于添加适量的钢纤维，钢纤维混凝土能够在遭遇外部影响的情况下避免出现破损，同时也增加其硬度和弹性。相较于普通混凝土，钢纤维混凝土的工作性能得到了显著提升。

4.1 混凝土强度

当下，很多人认为钢纤维混凝土初裂之前，借助钢纤维作用可以约束并避免混凝土裂缝，还能增强其初裂强度。尤其在混凝土初裂后，受到应力集中作用，混凝土微裂缝不断扩展，因钢纤维可以跨越混凝土裂缝，所以可以有效承担基体或纤维传递的应力，在此背景下，混凝土裂缝情况可以缓解，裂缝尺寸也能缩小，还能避免裂缝尖端应力过于集中[2]。此外，在钢纤维的塑性变形过程中，其能吸取大量的能量，也有助于增强混凝土的硬度和弹性。

4.2 变形性能

经试验研究，在弹性阶段，钢纤维混凝土的变形状态和受压弹性模量与普通混凝土大体一致。并且，随着钢纤维体积率的改变，其受拉弹性模量也将有所不同。通常其体积率增加，受拉弹性模量也会小幅度提升。此外，钢纤维的存在还能提高混凝土韧性，构件韧性也能直接反映混凝土的塑性变形能力。在正常钢纤维掺量条件下，通常其体积率在0.6%—2%，钢纤维混凝土的抗压韧性可提高3—6 倍，抗弯韧性也能提高数十倍。

4.3 耐久性能

就目前而言，相较于普通混凝土，加入钢纤维的钢纤维混凝土的力学性能更为显著，在国内外水利、建筑以及海洋等工程中都有应用。然而，针对钢纤维混凝土的腐蚀性的研究却不多，这导致大众对此类材料的腐蚀状态疏于注意。在实际施工过程中，钢纤维混凝土同样易受腐蚀问题的影响，特别是在裂痕区域的钢纤维，由于存在腐蚀物，很容易侵害钢纤维及混凝土，这也进一步削弱了混凝土的整体强度。

5 工作力学性能试验

实际应用中，施工单位通常使用泵送形式浇筑桥梁伸缩锚固区的钢纤维混凝土，这对钢纤维混凝土的工作性能提出了严格要求[3]。配合比合理且制备均匀的钢纤维混凝土的和易性不但能满足混凝土强度要求，在浇筑泵送环节还不易堵管，也可进一步保证浇筑后钢纤维混凝土的平整度、密实度等。在此背景下，工程施工质量可以达到规定标准，还能防止钢纤维混凝土出现早期裂缝，也能尽可能提高混凝土的使用寿命。通过开展钢纤维混凝土、普通混凝土的塌落度、扩展度等试验工作，可以得到下表所示的结果。由此可以看出，在钢纤维的作用下，钢纤维混凝土的塌落度要比普通混凝土少17 毫米，这使纤维混凝土拌合物的振捣难度增加。同时，随着钢纤维的掺入，混凝土的流动性也随之降低，扩展度提高了15 毫米，究其原因，钢纤维在混凝土拌合物中产生了“棚架”效应，所以混凝土的塌落度逐渐下降，其扩展度随之升高。

表2 工作性能对比（毫米）

5.1 抗压力学性能

经试验发现，在混凝土拌合物中加入钢纤维不会过多影响，甚至不影响其抗压强度，并且试块峰值应力相对应的应变也未出现明显变化。究其原因，将钢纤维加入混凝土拌合物中，其骨料比表面积增加，密实度不断下降。虽然钢纤维的抗压性能不太理想，但在抗拉性能上有着极大的优势，所以可以抑制混凝土裂缝的发展，使其在峰值后的应力下降进度十分缓慢，其脆性破坏特征能得到进一步改善[4]。为了更好研究钢纤维混凝土和普通混凝土在轴心抗压荷载作用下的性能差异，还可对两者的比例极限、延性系数等变化进行对比与分析。其中，比例极限主要是混凝土在弹性范围内可以承受的最大应力值，借助延性系数，可以更好研究两种混凝土的延性系数差异，也能进一步得到二者在抗变形性能上的差异。

通常情况下，钢纤维混凝土的比例极限要比普通混凝土高19%左右，同时其应变也增加了13%，由此可见，在混凝土拌合物中掺入钢纤维可使混凝土在弹性阶段承受的最大应力显著提升，对应的应变也随之增加。同时，掺入钢纤维还进一步提高了混凝土的延性系数，也使其抗变形能力不断增强。

5.2 抗折力学性能

经过比较钢纤维混凝土与普通混凝土的抗弯曲特性，观察到，钢纤维能够提升混凝土的抗折强度，一般来说，其强度可以提高17%，并且抗折峰值相关的挠度并未出现明显的波动。当其承受的负荷达到最大值，普通混凝土会出现破损，缺乏足够的弹性。然而，采用钢纤维混凝土就能解决这个问题，同样混凝土的弹性也得到了提升。深挖其根源，把钢纤维加入混凝土的配料中能够显著地阻止混凝土内部的裂纹扩大。在实验过程中，钢纤维混凝土样本经过了弹性变化、产生内部裂纹、裂纹扩大和损毁四个主要步骤。在第一阶段中钢纤维混凝土的挠度会随应力的增加不断增加，且呈现出弹性变形状态，混凝土试块底部没有显著变化且未出现裂缝情况；在第二阶段，荷载的不断提升使得钢纤维混凝土的底部发生裂缝，且有“噼啪”响声，其试件底部出现一些微裂缝；进入第三阶段，钢纤维混凝土表面的裂缝加大，呈联结、交叉态势，由混凝土试块底部不断向上扩展，甚至发展到胶凝体内部，致使部分钢纤维脱离胶凝体，在混凝土表面也出现主裂缝；在最后阶段，钢纤维混凝土的应力会伴随挠度增加而不断减小，其应力减小速率缓慢，因为混凝土内部的钢纤维起到了抗拉作用，但因挠度逐渐增大，钢纤维混凝土的裂缝不断扩展，形成了一系列破坏带。在此情况下，钢纤维和胶凝材料脱黏，破坏带范围不断加大，一旦出现贯穿裂缝，钢纤维混凝土会被彻底破坏。

对比两种混凝土的抗折情况，在加载初期两者没有显著差异，但达到峰值荷载时，普通混凝土因韧性不佳，出现很多裂缝，致使混凝土断裂，从宏观上看，普通混凝土的裂缝发展速度极快。而为进一步确定两种混凝土在抗折荷载作用下的性能差异，还可进一步探究两者的弯曲韧性变化。如计算钢纤维混凝土与普通混凝土的弯曲韧性指数与强度因子，再对比两者的弯曲韧性得出结论，但这一方法过于注重混凝土的初裂挠度与荷载。另一种方法是通过计算荷载—挠度曲线包围面积，确定混凝土断裂能，再综合评价两者的弯曲韧性。这一方法的计算简单、误差较小，但评价指标相对单一[5]。因此，利用前面两项技术对混凝土样本进行独立研究，能够更加精确和有效地评估钢纤维混凝土的弯曲弹性的改变。换句话说，相较于普通的混凝土，钢纤维混凝土的弯曲弹性要好得多。这是由于在钢纤维的影响下，混凝土的黏附力显著增加，从而限制了其微小裂缝的扩散，进而提升了混凝土的弯曲弹性。

6 结论

总而言之，合理制备钢纤维混凝土与普通混凝土，再对比分析两者的工作力学性能差异，可以得出如下结论：首先，将钢纤维掺入混凝土拌合物中可以产生“棚架”效应，不仅能降低混凝土的塌落度，还能进一步提高其扩展度。其次，钢纤维不会较大影响混凝土的抗压强度，但可有效提高比例极限与延性系数，至于钢纤维混凝土的抗变形能力也能显著增强。最后，钢纤维混凝土的抗折强度以及断裂能也远优于普通混凝土，其弯曲韧性显著增强。