鋼纖維混凝土試驗(yàn)研究綜述

孫艷秋 曾志興

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程分院，浙江紹興 312000; 2.華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，福建泉州 362021)

0 引言

鋼纖維混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete簡(jiǎn)稱SFRC)是在普通混凝土(Reinforced Concrete簡(jiǎn)稱RC)中摻入適量的鋼纖維而形成的可澆筑、可噴射成型的一種新型復(fù)合材料。與普通混凝土相比，它不僅能改善抗拉、抗剪、抗彎、抗磨和抗裂性能，而且能大大增強(qiáng)混凝土的斷裂韌性和抗沖擊性能，顯著提高結(jié)構(gòu)的疲勞性能及耐久性。鋼纖維混凝土在工程中的實(shí)際應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代，由美國Battele公司開發(fā)的熔抽鋼纖維技術(shù)為鋼纖維混凝土的應(yīng)用提供了條件。此后在加拿大、英國、瑞典、日本等國家也迅速進(jìn)行這方面的應(yīng)用研究。我國是從20世紀(jì)70年代著手對(duì)鋼纖維混凝土進(jìn)行材料力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究，1989年頒布CECS 13∶89鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法。直到1992年頒布了CECS 38∶92鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程，才使鋼纖維混凝土在橋梁工程、道路工程、地下結(jié)構(gòu)及其他特種結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域得到了比較廣泛的應(yīng)用［1］。

目前，我國學(xué)者開展鋼纖維混凝土試驗(yàn)研究的主要依據(jù)是:CECS 13∶89鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法、GB/T 50081-2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)、GB 50152-92混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)、CECS 38∶2004纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程、RilemTC 162-TDF國際材料與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)聯(lián)合會(huì)關(guān)于纖維混凝土的彎曲韌性的實(shí)驗(yàn)方法等。研究重點(diǎn)主要集中在:抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、配合比、工作性、韌性等方面。

1 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究主要集中在纖維體積率、纖維長徑比、纖維形狀、纖維摻入類型、混凝土強(qiáng)度等級(jí)，以及外加劑的加入等因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響情況。焦楚杰等［2］研究表明:SFRHSC的抗壓強(qiáng)度隨著Vf增大而增大，當(dāng)Vf從1%增到3%，SFRHSC立方抗壓強(qiáng)度較基體增長4.48%～30.54%，軸心抗壓強(qiáng)度增長11.76%～40.57%。楊松霖等［4］用端部彎折型、端部扁平型和波浪型3種鋼纖維，纖維體積摻率分別為1.0%，2.0%，2.5%和3.0%配制抗壓強(qiáng)度大于100 MPa的超高性能纖維混凝土，纖維體積摻率為1.0%～3.0%時(shí)，波浪型鋼纖維超高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度最高，但抗彎強(qiáng)度和斷裂性能最低。鄭敬賓等［7］研究表明:對(duì)于單一鋼纖維混凝土，其抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維體積含量的增加而增加;對(duì)于混雜鋼纖維混凝土而言，長徑比大的纖維比長徑比小的纖維發(fā)揮著更為有利的作用;在保持纖維含量不變下，隨著大長徑比纖維含量的增加，鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度變化較小。衛(wèi)明山等［12］研究表明:混雜鋼纖維的摻入對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不大。張慶芳等［13］研究表明:加入減水劑后，抗壓強(qiáng)度增幅降低，即隨著鋼纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增加的幅度很小，一般小于6%。朱海堂等［14］研究結(jié)果表明:耐堿劑的加入對(duì)普通混凝土的抗壓強(qiáng)度幾乎沒有影響，對(duì)鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度的影響在10%以內(nèi)，與未摻加耐堿劑的鋼纖維混凝土相比，摻有耐堿劑的鋼纖維混凝土抗折強(qiáng)度有所提高，且其提高幅度隨基體混凝土抗壓強(qiáng)度的提高而降低，耐堿劑可以有效提高混凝土和鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度比，平均增幅約為8.8%。

2 抗拉強(qiáng)度

抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)研究主要集中在纖維體積率、纖維摻入類型，以及外加劑的加入等因素對(duì)劈拉強(qiáng)度的影響情況。焦楚杰等［2］的研究表明，當(dāng)Vf從1%增到3%，SFRHSC的劈裂抗拉強(qiáng)度較基體增長36.9%～113.2%。衛(wèi)明山等［12］的研究表明混雜鋼纖維的摻入對(duì)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度影響較大，較基體混凝土劈拉強(qiáng)度增長了1倍以上，較單一鋼纖維混凝土對(duì)基體混凝土的增強(qiáng)有明顯的提高。張慶芳等［13］的研究表明:加入減水劑后，抗拉強(qiáng)度增幅有較大增加，如鋼纖維摻量為1.4%時(shí)，增幅最大值達(dá)到33.3%。

3 抗彎、抗剪強(qiáng)度

抗彎和抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究主要集中在纖維體積率不同時(shí)，初裂抗彎強(qiáng)度、最大抗彎強(qiáng)度、純剪強(qiáng)度和壓剪強(qiáng)度等的變化情況。焦楚杰等［2］的研究表明，當(dāng)Vf=2%和3%時(shí)，SFRHSC初裂抗彎強(qiáng)度分別較基體增長44.5%和72.2%，最大抗彎強(qiáng)度增長79.0%和134.8%。衛(wèi)明山等［12］的研究表明混雜鋼纖維的摻入對(duì)混凝土的抗彎強(qiáng)度影響程度較單一鋼纖維混凝土有一定的提高，約為2%～8%。王志亮等［3］利用楔形剪切儀對(duì)纖維體積含量分別為0，1.5%和3.0%，邊長為7.0 cm的立方體試塊開展了壓剪破壞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)接近極限荷載時(shí)，鋼纖維混凝土試件裂而不散、整體性好，而素混凝土試塊立即剪斷為兩部分。王志杰［9］試驗(yàn)研究了不同鋼纖維摻量對(duì)純剪和壓剪強(qiáng)度的影響，研究表明隨著纖維摻量增加，抗剪強(qiáng)度有所提高;隨著軸壓的增加，抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)在逐步減小，當(dāng)軸壓達(dá)一定值時(shí)，抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)增大;純剪狀態(tài)下，適宜的鋼纖維摻量與素混凝土相比，抗剪強(qiáng)度可提高80%以上。

4 彈性模量、泊松比

彈性模量和泊松比的試驗(yàn)研究主要集中在混凝土強(qiáng)度、纖維體積含量，以及水泥漿體含量等對(duì)二者的影響情況。焦楚杰等［2］的研究表明，SFRHSC的彈性模量和泊松比均是不敏感的材料參數(shù)，前者隨材料抗壓強(qiáng)度的提高而緩慢增加，后者隨Vf的加大而略微減小。鄭敬賓等［7］的研究表明，隨鋼纖維體積含量的增加，彈性模量基本不變。高丹盈等［8］的研究表明，彈性模量隨水泥漿體含量的提高有降低的趨勢(shì)，隨鋼纖維的增加基本保持不變。

5 配合比與工作性能

在進(jìn)行基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究的同時(shí)，部分學(xué)者開展了鋼纖維混凝土砂率、流動(dòng)性以及配合比的研究。張慶芳［5］采用常規(guī)工藝配制CF40混凝土，通過對(duì)比法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，確定了CF40混凝土在鋼纖維摻量為1.0%～2.0%時(shí)的合理砂率為45%～48%。楊九俊等［6］研究了鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)大流動(dòng)度超高強(qiáng)鋼纖維混凝土流動(dòng)性、力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明:超高強(qiáng)鋼纖維混凝土的流動(dòng)性隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而顯著降低，當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)不大于0.75%時(shí)，其坍落度可維持在200 mm以上。高丹盈等［8］試驗(yàn)研究了鋼纖維高強(qiáng)混凝土配合比的設(shè)計(jì)方法，研究表明:水泥砂漿含量和鋼纖維體積率均是影響高強(qiáng)混凝土拌合物工作及力學(xué)性能的重要因素，拌合物坍落度與水泥漿體含量成正比，與鋼纖維體積率成反比。陳秀云等［10］結(jié)合有關(guān)混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范和鋼纖維混凝土教程，以實(shí)例介紹了鋼纖維混凝土最優(yōu)配合比的確定。

6 韌性研究

對(duì)鋼纖維混凝土韌性的研究主要是斷裂韌性研究和彎曲韌性研究。

6.1 斷裂韌性

斷裂韌性的試驗(yàn)研究主要集中在研究纖維體積率和相對(duì)切口深度等對(duì)普通混凝土、高強(qiáng)混凝土和二級(jí)配骨料混凝土等斷裂韌度和斷裂性能的影響情況。石國柱等［15］研究表明:鋼纖維的摻入明顯提高了二級(jí)配混凝土的斷裂性能，對(duì)其有較大的增韌效果，與基體混凝土相比，鋼纖維混凝土的斷裂韌度可提高8%～43%，斷裂性能可提高514%～991%。張廷毅等［16］研究表明:隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，鋼纖維高強(qiáng)混凝土斷裂韌度增益比呈線性增加;隨著切口深度的增加，斷裂韌度略有降低;高強(qiáng)混凝土斷裂韌度服從威布爾分布。鄧宗才等［17］研究表明:鋼纖維混凝土的斷裂韌度較普通鋼纖維混凝土增大約30%，隨著試件裂縫相對(duì)深度的增大，斷裂韌度略有增加。

6.2 彎曲韌性

彎曲韌性的試驗(yàn)研究主要集中在研究基體混凝土強(qiáng)度、鋼纖維體積分?jǐn)?shù)、鋼纖維類型、纖維長度、最大骨料粒徑等對(duì)高強(qiáng)鋼纖維混凝土彎曲韌性的影響。朱海堂等［18］根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的荷載撓度曲線，按照我國現(xiàn)行的CECS 13∶89鋼纖維混凝土實(shí)驗(yàn)方法計(jì)算了彎曲韌度指數(shù)和承載能力變化系數(shù)，其計(jì)算值隨著鋼纖維體積率的增大而增大，且大于與初裂點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的理想彈塑性材料的相應(yīng)值。實(shí)驗(yàn)表明:以理想彈塑性體的承載能力變化系數(shù)為基準(zhǔn)來評(píng)定鋼纖維高強(qiáng)混凝土的彎曲韌性是否合適還有待于進(jìn)一步的研究。姚武等［19］研究表明:相比于纖維摻量，纖維長度與最大骨料粒徑之比l/Dmax對(duì)纖維混凝土的增強(qiáng)增韌作用有著同等重要的影響。該參數(shù)直接影響著纖維在混凝土中的三維分布狀況。因而也影響纖維混凝土中諸多因素，如纖維長度有效因子、纖維取向因子、臨界纖維體積等。如果l/Dmax匹配合理，即使較低纖維摻量的長纖維也能達(dá)到較高纖維摻量短纖維的增韌效果。管品武等［20］通過三點(diǎn)彎曲梁韌性試驗(yàn)，分別用 ASTM C1018［21］特征點(diǎn)法和JCI SFRC［22］韌度指數(shù)法計(jì)算了相應(yīng)的彎曲韌性指標(biāo)，同時(shí)依據(jù)CECS 38∶2004纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程計(jì)算相應(yīng)的彎曲韌度比，分析表明:鋼纖維混凝土試件的初裂荷載和抗彎強(qiáng)度都隨基體混凝土強(qiáng)度等級(jí)和鋼纖維體積率的提高而增大;ASTM韌性指數(shù)法計(jì)算表明，鋼纖維混凝土具有良好的塑性性能，但受試驗(yàn)水平限制，很難精確確定初裂點(diǎn)的位置，導(dǎo)致彎曲韌性指數(shù)離散性較大，很難比較不同鋼纖維混凝土試件的彎曲韌性。JCI韌性指數(shù)法計(jì)算表明，基體混凝土等級(jí)一定時(shí)，等效平均彎拉強(qiáng)度隨著鋼纖維體積率提高而明顯增大。當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)一定時(shí)，鋼纖維混凝土的彎曲韌度比Re隨著鋼纖維體積率增大而提高;當(dāng)鋼纖維體積率一定時(shí)，C50的鋼纖維混凝土彎曲韌度比Re小于C40的鋼纖維混凝土。趙順波等［23］研究表明，鋼纖維使高強(qiáng)混凝土的受彎破壞形態(tài)由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性，持荷變形能力隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，彎曲韌性指數(shù)接近理想彈塑性材料值;鋼纖維類型對(duì)高強(qiáng)鋼纖維混凝土彎曲韌性有一定的影響，弓形鋼纖維與混凝土基體有更好的粘結(jié)錨固作用，增強(qiáng)增韌效果明顯;鋼纖維本身的抗拉強(qiáng)度可能是影響其對(duì)高強(qiáng)鋼纖維混凝土增強(qiáng)增韌的一個(gè)主要因素，鋼纖維與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度應(yīng)具有一定的匹配關(guān)系，且是防止鋼纖維被拉斷的關(guān)鍵因素。

7 結(jié)語

鋼纖維混凝土較普通混凝土在很多性能方面有了較大的提高，成為目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)問題，我國學(xué)者開展鋼纖維混凝土試驗(yàn)研究的主要依據(jù)是CECS 13∶89鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法、GB 50152-92混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)、CECS 38∶2004纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程等;主要研究?jī)?nèi)容是:抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、配合比、工作性、韌性等;主要結(jié)論是:隨著鋼纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度提高幅度不大，抗拉、抗彎和抗剪強(qiáng)度提高較大，彈性模量和泊松比基本不變，工作性降低，韌性明顯提高。

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