鋼纖維混凝土抗裂性能試驗研究

丁 琳，劉厚晨，柳艷杰，洪皓飛，b

(黑龍江大學(xué) a.建筑工程學(xué)院;b.水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080)

鋼纖維混凝土抗裂性能試驗研究

丁 琳a，劉厚晨a，柳艷杰a，洪皓飛a，b

(黑龍江大學(xué) a.建筑工程學(xué)院;b.水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080)

鋼纖維可用于提高傳統(tǒng)水泥基建筑材料的強度和韌性。鋼纖維摻量影響水泥基材料性能，研究最佳鋼纖維摻量在水泥基中的作用具有重要意義。試驗采用相同水膠比進行了5組不同鋼纖維摻量(0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%)的混凝土3 d、7 d和28 d抗壓強度及抗裂試驗。試驗研究結(jié)果表明，鋼纖維摻量0.8%～1.2%的混凝土抗壓強度增長幅度最大，鋼纖維混凝土7 d和28 d的抗壓強度變化規(guī)律相近；鋼纖維的摻入提高了混凝土的抗裂性能，隨著鋼纖維摻量增加，試件單位面積的裂縫條數(shù)和開裂面積都顯著減小。

鋼纖維；混凝土；抗壓強度；水膠比；抗裂性能

鋼纖維混凝土是混凝土中摻入一定量的短鋼纖維而形成可澆筑、可噴射成型的一種新型混凝土材料，其優(yōu)點是性能比素混凝土優(yōu)良，應(yīng)用更加廣泛?；炷劣锌估瓘姸鹊?、韌性小、 可靠性差和開裂的裂縫寬度不易控制等缺陷，許多混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中甚至施工過程中出現(xiàn)了許多不同程度、不同形式的裂縫。目前的相關(guān)成果表明，為了彌補混凝土的上述缺陷，最有效的方法是在混凝土中添加均勻分布的、密集的、長徑比適宜的鋼纖維[1]。鋼纖維混凝土中不規(guī)則散布的鋼纖維在混凝土對于非外部的微小裂縫起到一個阻礙效果[2-3]，阻止宏觀裂縫的發(fā)生和衍化，增強了混凝土的抗拉強度、抗壓強度和抗彎扭強度。鋼纖維混凝土由于具有良好的性能，其在世界有廣泛的應(yīng)用，特別是土木和水利水電領(lǐng)域，像隧洞襯砌和護坡，路面、橋面和機場跑道，橋梁結(jié)構(gòu)和鐵路軌枕，水工建筑物，港口與海洋工程，建筑結(jié)構(gòu)和制品以及耐火工程等[4]。

混凝土是一類非單相復(fù)合材料。其組成成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同明顯改變混凝土的宏觀力學(xué)性能[5]。鋼纖維摻入混凝土基后，混凝土的強度不但與這個要素有著密切的關(guān)聯(lián)，還與水泥石、粗細(xì)骨料等成分混合強度以及鋼纖維摻入后改變混凝土的性能有關(guān)[6-7]。鋼纖維混凝土中鋼纖維的合適摻量為0.4%～1.6%[8]。鋼纖維混凝土在受荷的初期，混凝土和鋼纖維共同作用，共同承擔(dān)荷載[6]；當(dāng)鋼纖維混凝土開裂以后，鋼纖維跨越裂縫避免了裂縫快速擴展，這充分保障了混凝土的抗拉性能[9]。鋼纖維可提高混凝土的抗拉強度、抗彎強度及抗壓強度，從而顯著改善混凝土的抗裂性能、力學(xué)性能及韌性[10]，但是，鋼纖維的摻入會降低混凝土的泵送性能。選擇鋼纖維增強混凝土?xí)r，應(yīng)降低鋼纖維對混凝土工作性能的影響[11]。

本試驗針對不同摻量的鋼纖維混凝土試塊進行抗壓強度及抗裂性能試驗[13-14]，研究鋼纖維混凝土的抗壓性能，對不同鋼纖維摻量混凝土對照分析，并在此基礎(chǔ)上探討不同齡期各鋼纖維摻量混凝土的抗壓強度變化規(guī)律，提出不同鋼纖維摻量混凝土的抗壓強度及抗裂性能增長的規(guī)律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原材料及其性能

1)水泥：水泥為哈爾濱天鵝牌32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical properties of cement

2)細(xì)骨料：選用的細(xì)骨料為天然河砂，其物理力學(xué)性能見表2。由表2可見，砂的細(xì)度模數(shù)為2.79，屬于中砂，滿足高性能膠結(jié)材料和用砂的有關(guān)規(guī)范要求。

表2 砂試驗結(jié)果Table 2 Test results of sand

3)粗骨料：新鮮的石灰?guī)r碎石，針狀片含量為6%，含水率為0.08%。粗骨料采用最大粒徑為20 mm的碎石。

4)水。所用的拌合水來自哈爾濱市自來水公司。

5)高效減水劑(UNF)。黑龍江低溫建筑科學(xué)研究所生產(chǎn)的粉狀萘系高效減水劑，其中Na2SO4含量為2.8%。

6)鋼纖維：建筑用波浪形剪切鋼纖維，長度為30 mm，當(dāng)量直徑05 mm，長徑比為60，抗拉強度為2 850 MPa，截面形狀為矩形。

1.2 試驗試件的配合比

本次試驗總共分為5組，每組做9個試件。配合比為：水泥∶細(xì)骨料∶粗骨料∶水∶減水劑=1∶2.16∶1.17∶0.45∶0.01。其中，鋼纖維摻量分別為0%，0.4%，0.8%，1.2%，1.6%。按設(shè)計配合比拌和混凝土，每個配合比澆筑9個試件。試件澆筑后，振搗密實、抹平，隨即在表面覆蓋塑料薄膜，保持環(huán)境溫度(20±1) ℃，2 h后取下塑料膜，送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護。

1.3 強度測量

研究鋼纖維摻量對鋼纖維混凝土抗壓強度的影響，分別對5組試件進行3 d，7 d，28 d齡期強度的測定。分別對3 d，7 d，28 d齡期的試件進行無側(cè)限單軸壓縮試驗，每組試驗有3個試件，取其平均值作為結(jié)果。如果每組試件測量的3個值，最大值或最小值與中間值之差超過中間值的15%時，取中間值作為該組試件的強度代表值，采用中間值作為混凝土的抗壓強度。檢驗評定混凝土強度用的混凝土試件，其標(biāo)準(zhǔn)成型方法、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件及強度試驗方法均應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》的規(guī)定。

本文抗壓強度試驗是依據(jù)立方體試件(150 mm×150 mm×150 mm)測量。

2 試驗分析

2.1 數(shù)據(jù)整理

分別進行無側(cè)限單軸壓縮試驗，混凝土軸心抗壓強度的計算公式為[8]:

fcp=P/A

(1)

式中fcp為混凝土軸心抗壓強度，MPa；P為破壞荷載，N;A為試件承壓面積，mm2。

通過對以上各組試件的抗壓強度試驗，得出的試驗數(shù)據(jù)見表3。

2.2 數(shù)據(jù)分析

首先進行對照組試驗，然后依次進行鋼纖維摻量0.4%、0.8%、1.2%、1.6%的試驗，在室內(nèi)放置24 h后進行脫模，脫模完成后分別放在養(yǎng)護室養(yǎng)護3 d、7 d和28 d，并分批取出做3 d、7 d和28 d的抗壓強度試驗。通過試驗數(shù)據(jù)分析畫出的不同鋼纖維摻量3 d、7 d和28 d的抗壓強度折線分別見圖1～圖3。

表3 3 d，7 d，28 d齡期抗壓強度值Table 3 Compressive strength of specimen for 3 d，7 d，28 d

由圖1～圖3可見，各個齡期抗壓強度隨著不同的鋼纖維摻量的變化規(guī)律。在3 d齡期的折線圖中，發(fā)現(xiàn)鋼纖維摻量從0%到0.4%，混凝土抗壓強度提高了1.9%；鋼纖維摻量從0.4%到0.8%，混凝土抗壓強度提高了3.9%；鋼纖維摻量0.8%到1.2%，混凝土抗壓強度提高了13.8%；鋼纖維摻量從1.2%到1.6%，混凝土抗壓強度提高了2.8%。7 d齡期折線圖中，鋼纖維摻量從0%到0.4%，混凝土抗壓強度提高了10.5%；鋼纖維摻量從0.4%到0.8%，混凝土抗壓強度提高了3.0%；鋼纖維摻量從0.8%到1.2%，混凝土抗壓強度提高了10.3%；鋼纖維摻量從1.2%到1.6%，混凝土抗壓強度提高了2.3%。28 d齡期折線圖中，鋼纖維摻量從0%到0.4%，混凝土抗壓強度提高了3.8%；鋼纖維摻量從0.4%到0.8%，混凝土抗壓強度提高了3.0%；鋼纖維摻量從0.8%到1.2%，混凝土抗壓強度提高了10.4%；鋼纖維摻量從1.2%到1.6%，混凝土抗壓強度提高了2.4%。鋼纖維摻量0.8%～1.2%混凝土抗壓強度增長幅度明顯高于其他階段，鋼纖維摻量1.2%是最經(jīng)濟的，因為它的抗壓強度提高速率最高。摻加鋼纖維對于混凝土的抗壓強度有所提高，但是增加幅度不高。在實際生產(chǎn)過程中，很少用摻加鋼纖維來提高混凝土的抗壓強度。

圖1 3 d抗壓強度Fig.1 Three days compressive strength

圖2 7 d抗壓強度Fig.2 Seven days compressive strength

圖3 28 d抗壓強度Fig.3 Twenty-eight days compressive strength

以不同齡期(d)為橫坐標(biāo)，混凝土抗壓強度(MPa)為縱坐標(biāo)，不同鋼纖維摻量混凝土所對應(yīng)齡期的抗壓強度見圖4。

由圖4可見，素混凝土從3 d到7 d階段，混凝土抗壓強度提高9.8%；鋼纖維摻量0.4%、0.8%、1.2%和1.6%，對應(yīng)的鋼纖維混凝土抗壓強度提高19%、18%、14.4%和13.8%；而從7 d到28 d，鋼纖維摻量0%、0.4%、0.8%、1.2%和1.6%的混凝土抗壓強度分別提高2.3%、1.4%、1.4%、1.4%和1.6%。得出鋼纖維混凝土抗壓強度的增長規(guī)律與素混凝土抗壓強度的增長規(guī)律是相似的，鋼纖維混凝土的抗壓強度是早期增長快而后期增長慢。另外，鋼纖維混凝土7 d和28 d所對應(yīng)的抗壓強度是比較接近的。

鋼纖維混凝土抗裂試驗結(jié)果見表4。由表4可見，隨著鋼纖維體積摻量增加，混凝土抗裂試件的裂縫條數(shù)和開裂面積逐漸降低。鋼纖維摻量從0%～0.4%，試件的開裂面積降低了 57.2%。鋼纖維摻量為1.6%時，試件開裂面積降為112 mm2，與基準(zhǔn)配比試件相比降低了83.2%。

圖4 不同鋼纖維摻量對應(yīng)齡期的抗壓強度圖Fig.4 Compressive strength of different steel fiber content corresponding to age

表4 鋼纖維混凝土抗裂試驗結(jié)果Table 4 Result of cracking resistance

鋼纖維摻量在混凝土中體積率很小，但是摻入的鋼纖維在混凝土基體中均勻分布并形成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加了與混凝土的接觸面積，能夠有效阻止混凝土的開裂。當(dāng)混凝土內(nèi)部應(yīng)力超出鋼纖維所能承受的變形時，混凝土基體出現(xiàn)裂縫，由于裂縫處的鋼纖維的橋接作用，阻止了裂縫進一步擴張，進而增強了混凝土的韌性，提高了抗疲勞開裂性能。鋼纖維發(fā)揮了其抗裂阻裂作用。從微觀層面分析，當(dāng)混凝土在受到外力作用時，粗細(xì)骨料產(chǎn)生移動趨勢或位移，鋼纖維的存在有效阻止了位移，并將應(yīng)力傳遞到相鄰骨料顆粒，降低了裂縫產(chǎn)生。

3 結(jié) 論

本試驗分別對鋼纖維摻量0%、0.4%、0.8%、1.2%和1.6%的鋼纖維混凝土試件進行室內(nèi)養(yǎng)護并進行了對應(yīng)的無側(cè)限單軸壓縮試驗，分析了不同鋼纖維摻量對混凝土抗壓強度的影響，得出結(jié)論：

1)在鋼纖維混凝土中，鋼纖維摻量0.8%～1.2%混凝土抗壓強度增長幅度最高，說明鋼纖維混凝土中鋼纖維摻量為1.2%在實際生產(chǎn)中是最經(jīng)濟的。

2)在混凝土中摻加鋼纖維對于混凝土的抗壓強度有所提高，但是增加幅度不高。

3)鋼纖維混凝土的抗壓強度早期增長快而后期增長慢，這與素混凝土相類似。

4)相比于素混凝土7 d和28 d的抗壓強度，鋼纖維混凝土7 d和28 d所對應(yīng)的抗壓強度更加接近。

5)鋼纖維的摻入顯著提高了混凝土的抗裂性能，隨著鋼纖維體積摻量的增加，抗裂試件單位面積的裂縫條數(shù)和開裂面積都逐漸減小，混凝土的抗裂性能均逐漸增強。

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Cracking resistance of steel fiber concrete

DING Lina， LIU Hou-Chena， LIU Yan-Jiea，HONG Hao-Feia，b

(HeilongjiangUniversitya.CollegeofCivilEngineering;b.CollegeofHydraulicandElectricPower，Harbin150080，China)

Steel fiber can be used to improve the strength and bendiness of traditional cement-based building materials.The addition of steel fiber may influence the properties of the cement-based material.It is important to study the influence of the optimum amount of steel fiber in cement base.The compressive strength of concrete， 3 d， 7 d and 28 d of 5 groups of different steel fiber content (0%， 0.4%， 0.8%， 1.2%，1.6%) and cracking resistance with the same water/cement proportion were tested. The results show that the compressive strenth of concrete stage of the growth rate is the highest that steel fiber concrete with steel fiber content is from 0.8% to 1.2%， and the compressive strength of steel fiber reinforced concrete 7 d and 28 d is similar.The addition of steel fibers enhanced the cracking resistance of the concrete. With the increasing of steel fiber， the cracking number in the unit area and cracking area of the specimens decrease gradually.

steel fiber; concrete; compressive strength; water/cement proportion；cracking resistance

10.13524/j.2095-008x.2017.03.032

TU528.572

A

2095-008X(2017)03-0001-05

2017-07-17

清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室開放基金資助項目(sklhse-2017-B-01);國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(2016102127247)

丁 琳(1962-)，男，黑龍江密山人，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師，研究方向：高性能混凝土及凍土工程，E-mail:1984056@hlju.edu.cn。