鋼纖維混凝土在不同制備條件下的性能研究

徐鳳雷

（中交二航局第三工程有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

混凝土是現(xiàn)代建筑中的關(guān)鍵建筑材料，在實際的工程施工中，混凝土一般是作為建筑整體的關(guān)鍵承重材料，但是隨著目前建筑形式的不斷變化和施工要求的不斷提高，單一的混凝土由于自身特性的限制有時無法完全滿足承載力需求[1]。因此，在建筑行業(yè)快速發(fā)展和不斷更新的時代，需要一種具有更高抗彎拉強度、脆性更小、延展性更優(yōu)的材料來彌補傳統(tǒng)混凝土材料的不足。鋼纖維混凝土由于具有更加優(yōu)異的性能被逐漸推廣。

鋼纖維混凝土一般是指將鋼纖維材料均勻、亂向分布在混凝土中所構(gòu)成的能夠滿足澆筑、噴射成型要求的一種新型復(fù)合混凝土材料，要求鋼纖維材料長度較短且不連續(xù)。普通的鋼纖維混凝土，鋼纖維摻入體積率一般控制在1%～2%之間，與傳統(tǒng)的普通混凝土相比，其抗拉強度可以提升40%～80%，抗彎強度可以提升60%～120%。鋼纖維能夠增強混凝土抗壓性能，提升其韌性，并且可以在一定程度上滿足阻裂性能要求[2]。

普通強度的混凝土在界面黏結(jié)方面容易失效，導(dǎo)致承載力不足。而鋼纖維的加入可以改善和提升鋼纖維混凝土在該方面的性能，增強、增韌和阻裂能力也相應(yīng)提高。鋼纖維混凝土不僅具有抗拉、抗彎、抗剪、阻裂等多方面的優(yōu)勢特性，同時能夠滿足耐久性的要求[3]。因此，在現(xiàn)代建筑領(lǐng)域，鋼纖維混凝土具有較高的開發(fā)潛力和重要的應(yīng)用價值?；诖?，文章在總結(jié)分析既有研究的基礎(chǔ)上，對鋼纖維混凝土在不同鋼纖維抗彎拉強度和不同水灰比條件下的性能變化進行分析，為鋼纖維混凝土的制備和應(yīng)用提供參考。

1 鋼纖維混凝土材料及制備

1.1 原材料的選擇

在鋼纖維混凝土制備過程中，需要根據(jù)不同的性能要求選擇不同的材料，進行材料選擇時必須進行相關(guān)參數(shù)的分析和確定，以滿足鋼纖維混凝土的性能要求[4]。該研究選取的原材料基本參數(shù)如下：水泥采用P·Ⅱ52.5 級硅酸鹽水泥，其密度為3.09g/cm3，比表面積為378m2/kg，總堿量為0.60%，28d 抗壓強度為60.1MPa，28d 抗彎拉強度為8.3MPa；聚羧酸系高性能減水劑（液態(tài)）減水率為26%；所采用的天然砂表觀密度為2.74g/cm3，級配區(qū)屬2 區(qū)，細度模數(shù)為2.7；采用的粗骨料為5～25mm 碎石；采用的鋼纖維材料為端鉤形，其纖維長度約為35mm，纖維直徑為0.75mm，纖維的長徑比為46，抗拉強度極限值為1089MPa；拌和用水為自來水。

1.2 鋼纖維混凝土的配合比設(shè)計及制備

1.2.1 鋼纖維混凝土的配合比設(shè)計

在確保原材料選擇合理的前提下，鋼纖維混凝土的配合比設(shè)計需要結(jié)合其性能要求及使用特點進行確定。對鋼纖維混凝土中鋼纖維體積含量不同的情況下其性能的變化情況進行分析，如表1 所示。試件中的鋼纖維摻量（體積分數(shù)）分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%，坍落度控制在180±20mm，相關(guān)性能測試按交通行業(yè)標準《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG 3420—2020）的相關(guān)規(guī)定進行[5]。

表1 不同鋼纖維摻量的鋼纖維混凝土主要原材料配合比

1.2.2 鋼纖維混凝土試件的制備

在鋼纖維混凝土試件的制備過程中，首先需要按照相關(guān)的設(shè)計比例確定水泥、天然砂等原材料的質(zhì)量或體積；其次，將天然砂、碎石、水泥（摻和料）、鋼纖維（加入時應(yīng)充分分散）放置在混凝土攪拌機中進行干拌，干拌時間一般為0.5～1min；最后，加入溶有高性能減水劑的水（為了充分發(fā)揮減水劑的作用，減水劑應(yīng)充分與水攪拌融合），繼續(xù)攪拌3min 左右。以上過程中需要注意合理調(diào)整攪拌機的轉(zhuǎn)速，避免影響試件的制備效果。

此外，抗壓強度試件按照（150×150×150）mm 規(guī)格進行制作，抗彎拉強度試件按照（150×150×550）mm 規(guī)格進行制作。充分攪拌后，取適量的鋼纖維混凝土裝入試模中振搗成型[6]。

1.2.3 鋼纖維混凝土試件的養(yǎng)護

試件制備成型之后，為了保證試件的相關(guān)性能合格，確保性能檢測的準確性，需要使用濕布覆蓋試件，靜置24h 之后拆模，然后將試件放進溫度為20℃、濕度大于95%的養(yǎng)護室進行28d 的標準養(yǎng)護，最后對試件進行相關(guān)的性能檢測和試驗數(shù)據(jù)分析。

2 鋼纖維混凝土性能分析

在鋼纖維混凝土的性能測試過程中，對混凝土試件抗壓強度采用公式（1）進行定義。

式（1）中：f為抗壓強度（單位：MPa）；P為試件破壞荷載（單位：N）；A為試件承壓面積（單位：mm2）。

對于試件的抗彎拉強度，可以采用式（2）進行定義。

式（2）中：ff表示試件的抗彎拉強度（單位：MPa）；F表示極限荷載（單位：N）；L表示支座間的距離（單位：mm）；b表示試件寬度（單位：mm）；h表示試件高度（單位：mm）。

按照相關(guān)測試標準，對試件A 和試件B 均進行了抗壓強度性能測試，如圖1 所示。試件B 摻入了鋼纖維，其抗壓強度隨鋼纖維含量的增加而不斷提升。鋼纖維摻入體積率為1.5%時，7d、28d 抗壓強度均達到最高，7d 抗壓強度為57.5MPa，較素混凝土提高18.1%；28d 抗壓強度為72.2MPa，較素混凝土提高18.8%；其中鋼纖維摻量為1%～1.5%時28d 抗壓強度差距較小。但當鋼纖維摻入體積率大于2%時，抗壓強度隨鋼纖維摻入體積率的增加而降低[7]。

圖1 不同鋼纖維摻量下混凝土抗壓強度變化情況

從混凝土試件的破壞形態(tài)分析，鋼纖維混凝土立方體抗壓試件在最大負荷下的破壞形態(tài)與素混凝土有明顯不同，尤其是在抗壓強度大于55MPa 時，素混凝土?xí)霈F(xiàn)中間炸裂的情況，即環(huán)箍效應(yīng)。而鋼纖維混凝土由于鋼纖維在其中起到了有效的變形約束作用，所以很少出現(xiàn)中間炸裂的情況，多為豎向裂縫形態(tài)破壞，整體性保持較好。

抗彎拉強度關(guān)系如圖2 所示，在抗彎拉強度測試中，隨著鋼纖維摻入體積率的增加抗彎拉強度表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢。當鋼纖維摻入體積率為1.5%時，7d、28d 抗彎拉強度達到最高，分別為6.5MPa 和8.1MPa，較素混凝土分別提高58.5% 和52.8%；當鋼纖維摻入體積率大于2%時，抗彎拉強度隨鋼纖維摻入體積率的增加而降低。

圖2 不同鋼纖維摻量下混凝土抗彎拉強度變化情況

從抗彎拉強度試件破壞形態(tài)分析，在斷裂面位置有鋼纖維被拉出，數(shù)量隨鋼纖維摻量的增加而增加。該次采用的是端鉤型鋼纖維，長度達到35mm，鋼纖維的兩端端鉤提高了混凝土的握裹能力，有效地發(fā)揮了鋼纖維的高抗拉作用，這也是抗彎拉強度得到顯著提升的關(guān)鍵。

通過對圖1、圖2 的分析可以發(fā)現(xiàn)，鋼纖維混凝土7d 的抗壓強度和抗彎拉強度增長率均高于28d。分析原因，鋼纖維是一種高抗彎拉強度、高彈模材料，具備優(yōu)異的抗拉力學(xué)性能，當混凝土受到外力作用時，鋼纖維在混凝土內(nèi)部均勻分布，與水泥基體結(jié)合起到抑制裂縫發(fā)展的作用，充分約束混凝土變形，能有效提高混凝土的抗壓能力。

3 鋼纖維的生產(chǎn)與使用控制要點

在鋼纖維混凝土制備過程中，需要按照配合比設(shè)計進行，同時需要關(guān)注原材料添加順序和攪拌時間，鋼纖維混凝土復(fù)合材料攪拌成型后，需要按照相關(guān)的測標準進行相關(guān)性能的檢測和分析?；谝陨戏治?，總結(jié)出鋼纖維混凝土的制備及施工過程，如圖3 所示。此外，在鋼纖維混凝土運輸和施工過程中，需要關(guān)注對作業(yè)環(huán)境和作業(yè)設(shè)備的控制，以保障其性能不受影響。施工結(jié)束并按照相關(guān)標準養(yǎng)護完成后，需要對其性能進行檢測和評價，進而為配合比設(shè)計、制備提供優(yōu)化和改進方向。

圖3 鋼纖維混凝土制備及施工基本流程圖

4 結(jié)論

鋼纖維混凝土在工程領(lǐng)域的應(yīng)用較為普遍，為了進一步提高其應(yīng)用效果，需要對其相關(guān)性能參數(shù)進行分析研究，因此不同制備條件下鋼纖維混凝土的性能變化情況成為重點研究內(nèi)容。通過對不同鋼纖維含量的鋼纖維混凝土試件的抗壓強度、抗彎拉強度性能的研究，主要得出以下結(jié)論。

第一，與傳統(tǒng)混凝土試件相比，加入鋼纖維可以提升混凝土的抗壓強度和抗彎拉強度，當鋼纖維摻量小于最佳鋼纖維摻入體積率之前，抗壓強度和抗彎拉強度與摻量呈正相關(guān)變化，在鋼纖維摻量大于最佳鋼纖維摻入體積率時呈負相關(guān)變化。

第二，關(guān)于抗壓強度，鋼纖維摻入體積率為1.5%時為最佳摻量，其7d、28d 抗壓強度較素混凝土分別提高約18.1%和18.8%，增幅較為明顯，其中鋼纖維摻量為1%～1.5%時28d 抗壓強度差距較小。鋼纖維在混凝土中可起到有效的變形約束作用，破壞類型多為豎向裂縫形態(tài)破壞，完整性保持較好。

第三，關(guān)于抗彎拉強度，鋼纖維摻入體積率為1.5%時為最佳摻量，其7d、28d 抗彎拉強度較素混凝土分別提高約58.5%和52.8%，鋼纖維的兩端端鉤能夠提高混凝土的握裹能力，有效發(fā)揮鋼纖維的高抗彎拉作用。