鋼纖維摻量對(duì)混凝土性能的影響

李清信，高存官，孫慶文

（1.青島青建藍(lán)谷新型材料有限公司，山東 青島266235；2.臨沂市政眾信商品混凝土有限公司，山東 臨沂276000；3.青島青建新型材料集團(tuán)有限公司，山東 青島266108)

0 引言

自19 世紀(jì)波特蘭水泥出現(xiàn)以來(lái)， 混凝土材料便以其優(yōu)異的性能應(yīng)用在土建工程中。 但隨著時(shí)代的發(fā)展，建筑業(yè)對(duì)建筑材料的要求越來(lái)越高。 由于混凝土自身存在易開裂、脆性大等缺點(diǎn)，其應(yīng)用受到了限制[1]。 鋼纖維混凝土（Steel Fiber Reinforced Concerete,簡(jiǎn)稱SFRC）應(yīng)運(yùn)而生，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，成為目前混凝土研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。

鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型的多相復(fù)合材料，它不僅具有普通混凝土的優(yōu)良特性，還具有抗拉、抗彎、抗沖擊和抗裂性能等，能顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗疲勞性及耐久性[2-3]。

鋼纖維按外形分類可分為平直型、 波浪型、弓型、啞鈴型、壓痕型和扭曲型[4]。其中啞鈴型鋼纖維所配制的混凝土各項(xiàng)性能最優(yōu)[5]。

建設(shè)中的國(guó)家深潛基地項(xiàng)目，將承擔(dān)“蛟龍?zhí)枴陛d人深潛器的日常訓(xùn)練任務(wù)，該工程訓(xùn)練水池池壁全部使用C40 鋼纖維混凝土進(jìn)行澆筑。 本文以該工程C40 鋼纖維混凝土實(shí)際應(yīng)用為例， 對(duì)鋼纖維摻量與混凝土性能之間的關(guān)系進(jìn)行初步探討。

1 原材料的選擇

1.1 水泥

選用山東山鋁有限公司生產(chǎn)的P·O42.5 型水泥，其物理性能如表1 所示。

1.2 粉煤灰

表1 水泥的物理性能

選用青島電廠生產(chǎn)的F 類II 級(jí)粉煤灰， 細(xì)度15%，需水量101 g，其化學(xué)成分如表2 所示。

1.3 礦粉

選用青島電廠生產(chǎn)的S95 級(jí)礦渣粉，其物理性能如表3 所示。

表2 粉煤灰的化學(xué)成分

1.4 骨料

細(xì)骨料選用青島當(dāng)?shù)禺a(chǎn)天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.8 的II 區(qū)中砂，堆積密度為1 540 kg/m3，含泥量為2.3%，泥塊含量0.1%，表觀密度2 600 kg/m3；粗骨料使用最大粒徑為25 mm 的連續(xù)級(jí)配碎石， 含泥量0.6%，泥塊含量0.1%，表觀密度為2 700 kg/m3，壓碎值指標(biāo)為11%。 骨料的級(jí)配如表4、表5 所示。

1.5 外加劑

表3 礦粉的物理性能

表4 細(xì)骨料級(jí)配

表5 粗骨料級(jí)配

采用大連某公司生產(chǎn)A 型聚羧酸類高性能減水劑，這種減水劑堿含量較少，其含固量為25%，減水率為25%。

1.6 鋼纖維

試驗(yàn)中使用青島某公司生產(chǎn)的啞鈴型鋼纖維，其長(zhǎng)度60 mm，直徑0.8 mm，長(zhǎng)徑比為75，外觀如圖1 所示。

2 試驗(yàn)方法及配合比設(shè)計(jì)

圖1 啞鈴型鋼纖維

2.1 試驗(yàn)方法

參照50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和CECS13-2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》 的規(guī)定制備混凝土拌合物， 分別制備150 mm×150 mm×150 mm、600 mm×150 mm×150 mm 混凝土試塊，并測(cè)定混凝土坍落度及抗壓、抗折強(qiáng)度。

為保證鋼纖維在混凝土中分布均勻，本次試驗(yàn)采用干濕拌合法：先將粗骨料、細(xì)骨料和鋼纖維加入攪拌機(jī)攪拌均勻， 然后加入膠凝材料進(jìn)行干拌，最后加入外加劑和水進(jìn)行濕拌。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

參照J(rèn)GJ 55-2010 《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，以混凝土坍落度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度為指標(biāo)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求，在C40 普通混凝土配合比基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)鋼纖維混凝土配合比。 試驗(yàn)配合比如表6 所示。

3 結(jié)果分析

表6 C40 混凝土試驗(yàn)配合比

圖2 鋼纖維摻量對(duì)混凝土坍落度的影響

3.1 鋼纖維摻量對(duì)混凝土性能的影響

由圖2 可知，混凝土的坍落度隨著鋼纖維摻量的增加而逐漸減小。未摻鋼纖維的混凝土坍落度為200 mm，當(dāng)鋼纖維摻量低于16 kg 時(shí)，對(duì)混凝土的坍落度影響較小，摻量達(dá)到32 kg 時(shí)，坍落度下降到170 mm，繼續(xù)增加鋼纖維摻量到40 kg 時(shí)，混凝土坍落度下降到130 mm。 出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要有兩點(diǎn)原因：一是鋼纖維混凝土拌合物坍落度的大小與摻入鋼纖維的總比表面積有關(guān)，即鋼纖維的總比表面積增大， 需要包裹鋼纖維的水泥漿隨之增加，起流動(dòng)作用的水泥漿就相應(yīng)減少，其坍落度也隨之減小。二是鋼纖維的“棚架”效應(yīng)使混凝土的坍落度出現(xiàn)減小現(xiàn)象。

3.2 鋼纖維摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3 可以看出，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土3 d、7 d、28 d 的抗壓強(qiáng)度都是先增加后減小。當(dāng)鋼纖維摻量增加到32 kg 時(shí)， 混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，28 d 時(shí)達(dá)到57 MPa， 同齡期下是普通混凝土抗壓強(qiáng)度的1.20 倍。 繼續(xù)增加鋼纖維摻量到40 kg，其混凝土強(qiáng)度略微減小。這是由于混凝土抗壓強(qiáng)度主要取決于混凝土本身的密實(shí)度。隨著鋼纖維摻量增加到一定程度， 鋼纖維總比表面積也隨之增加，混凝土內(nèi)部缺乏足夠的漿體去包裹與充填，使混凝土的密實(shí)度下降，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。

3.3 鋼纖維摻量對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

圖3 鋼纖維摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4 可以看出， 隨著鋼纖維摻量的增加，鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度不斷增大，其中鋼纖維摻量為40 kg 時(shí)的抗折強(qiáng)度達(dá)到8.35 MPa，相對(duì)于未摻鋼纖維的普通混凝土提高了45%， 鋼纖維對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度改善相當(dāng)明顯。這是由于在彎曲力的作用下，鋼纖維混凝土的受拉區(qū)開裂，基體中和軸隨之發(fā)生上移，受拉區(qū)鋼纖維與基體的粘結(jié)力承受大部分拉力，韌性增強(qiáng)，進(jìn)而提高了混凝土的抗折強(qiáng)度。 試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：在一定范圍內(nèi)，鋼纖維摻量越大，混凝土的抗折強(qiáng)度越高，二者具有一定的線性關(guān)系：y=0.070 84x+5.83。

圖4 鋼纖維摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

4 結(jié)語(yǔ)

（1）鋼纖維摻量低于16 kg 時(shí)，混凝土坍落度變化不大，繼續(xù)增加摻量會(huì)使混凝土坍落度出現(xiàn)明顯的下降。 當(dāng)摻量達(dá)到40 kg 時(shí)，混凝土坍落度僅為130 mm。

（2）隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，鋼纖維摻量為32 kg時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值57 MPa，為普通混凝土的1.20 倍。

（3）隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的抗折強(qiáng)度逐漸增大，摻量為40 kg 時(shí)達(dá)到最大值8.35 MPa，比普通混凝土提高了45%。 而且鋼纖維摻量與混凝土抗折強(qiáng)度有一定的線性關(guān)系。

[1] 杜向琴, 劉志龍. 鋼纖維混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J]. 麗水學(xué)院學(xué)報(bào), 2014, 36(2): 56-58.

[2] 朱田路. 低摻量鋼纖維混凝土力學(xué)性能研究[D]. 鄭州：鄭州大學(xué), 2011.

[3] Luo X, Sun W, Chen Y N. Steel fiber reinforced high-performance conceret: A sdudy on the mechanical properties and resistance against impact[J].Materials and Structures, 2001, 34(237): 144-149.

[4] 金永泰. 鋼纖維形狀對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響[J]. 低溫建筑技術(shù), 2012，(10): 4-6.

[5] 秦鴻根，劉斯鳳，孫偉，等. 鋼纖維摻量和類型對(duì)混凝土性能的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào),2003,6(4):364-368.