郭光玲

(陜西理工大學 土木工程與建筑學院，陜西 漢中 723000)

0 引 言

混凝土是由凝膠材料、骨料和水按適當比例配置，經(jīng)過一定時間硬化而成的復(fù)合材料，其具有可塑性強、握裹力好、經(jīng)濟效益理想、安全性高、耐火性好、耐久性好以及成本低等優(yōu)點[1]。但單一混凝土存在自重大、抗拉強度低、脆性大、延展性差等缺陷，限制了其廣泛應(yīng)用[2]。為改善混凝土性能，目前較為理想的措施是在混凝土拌合物中加入鋼纖維，以此增強混凝土的力學性能，這種混凝土被稱為鋼纖維增強混凝土。有研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維增強混凝土可以有效地阻止裂縫的擴展，提高混凝土的抗彎性、抗拉強度、韌性以及抗沖擊性等[3-4]。

近年來，很多學者致力于鋼纖維增強混凝土的研究。比如，權(quán)長青等[5]研究了鋼纖維及陶粒摻量對輕質(zhì)混凝土基本力學性能的影響，分析了不同纖維長徑比及摻量條件下混凝土的力學性能指標，結(jié)果表明微鋼纖維用于增韌超高強混凝土時，宜采用適宜的摻量。楊圣飛等[6]研究了再蒸汽固化高強鋼纖維增強混凝土的力學性能，探討了不同水膠比、砂率及不同鋼纖維摻量條件下制備的鋼纖維自密實高強混凝土的力學性能。結(jié)果表明，隨纖維體積率的不斷增加,高強鋼纖維增加混凝土軸心的抗壓能力、立方體的抗壓能力、劈裂抗拉伸能力等均逐漸增加,尤其是劈裂抗拉強度具有顯著的提高。Xu 等[7]通過對60個鋼纖維增強混凝土試樣力學性能試驗數(shù)據(jù)的回歸分析，建立了鋼纖增強維混凝土力學性能模型，利用該模型對鋼纖維增強混凝土的強度進行了預(yù)測，并與已有的試驗數(shù)據(jù)和文獻報道的其它試驗數(shù)據(jù)進行了比較。結(jié)果表明，纖維與基體的相互作用對混凝土力學性能的提高具有顯著的貢獻。趙秋等[8]提出鋼纖維可以在很大程度上增強配筋超高性能混凝土試樣的抗彎和抗裂性能，鋼纖維能夠使混凝土(UHPC)的強度、韌性和延性性能得到更大提高。該研究針對鋼纖維在提升混凝土性能的同時，隨著其摻量的增加，材料的制備成本也隨之升高。實際應(yīng)用中，需要在平衡成本與性能的基礎(chǔ)上，分析鋼纖維摻量的最優(yōu)值[9]。孫舉鵬等[10]以巷道濕噴支護為應(yīng)用對象，選取長直形、彎曲形以及凹凸形的鋼纖維作為試驗樣本，分別分析了鋼纖維0，20，40，60，80和100 kg/m摻量時混凝土的抗拉性能和抗彎強度，進一步研究了摻量鋼纖維的形狀差異對混凝土性能增強效果的影響。

在實際建筑工程中，混凝土為整體關(guān)鍵承重材料，但是隨著建筑規(guī)模的逐漸增大，單一混凝土已經(jīng)無法滿足承重要求[11]。在此背景下，鋼纖維增強混凝土應(yīng)運而生，極大地改善了單一混凝土自重大、抗拉強度低、脆性大、延展性差等缺點帶來的問題[12-13]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，運用表觀密度法進行配合比設(shè)計，采用攪拌機和振動臺等設(shè)備按步驟制備了單一混凝土試件和鋼纖維增強混凝土試件。研究鋼纖維增強混凝土的力學性能，并與一般混凝土的力學性能進行對比，以期為鋼纖維增強混凝土的制備及其力學性能研究奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 實 驗

1.1 實驗原材料

水泥：冀東水泥廠生產(chǎn)的盾石牌P·Ⅱ52.5R硅酸鹽水泥，總堿量為0.72%，燒失量為3.66%，該水泥的化學成分主要為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、SO3、MgO和TiO2，含量分別為62.48%，20.90%，4.56%，3.11%，2.72%，1.67%和0.32%(質(zhì)量分數(shù))；硅灰：?？蠂H貿(mào)易(上海)有限公司生產(chǎn)的微硅粉920 U，單位質(zhì)量表面積為20 000 m2/kg，密度為2.5 g/cm3，松散容重為300 kg /m3，1.90%，化學成分中SiO2含量為95.19%；礦渣：重慶騰輝新型建材有限公司生產(chǎn)的S95級礦渣，單位質(zhì)量表面積為430 m2/kg，密度為2.80 g/cm3，化學成分主要為CaO、SiO2、Al2O3、MgO、Fe2O3和Na2O，含量分別為40.00%，33.36%，12.69%，6.75%，2.80%和1.05%(質(zhì)量分數(shù))；粗集料：選用河北三河5～20 mm非活性有機碎石，表觀密度為2 670 kg/m3，松散空隙率為48.3%，緊密空隙率為44.9%，含泥量為0.7%(質(zhì)量分數(shù))，壓碎指標為11.6%；細集料：選用普通中粗河砂，

最大粒徑為5 mm，細度模數(shù)為3.0，表觀密度為2 690 kg/m3，松散空隙率為41.6%，緊密空隙率為38.4%，含泥量為6.9%(質(zhì)量分數(shù))，洗后含泥量為1.11%；外加劑：選擇HLC- IX 型聚羧酸類高效減水劑，具有超塑化、緩凝、高保溫、適應(yīng)性好等優(yōu)點，外觀為微紅色或淡黃色半透明液體，含固量為20%，堿含量≤10%，氯離子含量≤0.6%，水泥凈漿流動度≥240，減水率≥35%；鋼纖維：天津宏瑞混凝土有限公司生產(chǎn)的端鉤形鋼纖維，其特征參數(shù)如表1所示。

表1 鋼纖維的特征參數(shù)

1.2 樣品制備

1.2.1 主要設(shè)備

攪拌機：選擇JZC250混凝土攪拌機，攪拌機的進料容量為320 L，出料容量為250 L，生產(chǎn)率為6～8 m3/h，攪拌提升功率為4 kW，攪拌筒轉(zhuǎn)速為17 r/min，骨料粒徑為0～60 mm。

振動臺：選擇HZJ-0.5型振動臺，振動臺臺面尺寸為500 mm×500 mm，振動頻率為2 860次/min，振幅為0.3～0.6 mm，振動器功率為0.55 kW，最大載重為100 kg，電壓為220 V。

1.2.2 配合比設(shè)計

實驗采用表觀密度法進行配合比設(shè)計，配制出單一混凝土試件和鋼纖維增強混凝土試件，分貝標記為試件1和試件2，具體的配合比方案如表2所示。

表2 配合比設(shè)計方案

1.2.3 制備方法

首先，制作模具。選用K20強度級別的硬質(zhì)泡沫板按照150 mm×150 mm×150 mm尺寸制作試件模具。

其次，在攪拌機中攪拌。一是，按照配合比稱量水泥、硅灰、礦渣、碎石和中粗河砂，利用攪拌機進行干攪拌3 min，使材料均勻分布；二是，將水和減水劑按照配比加入到干拌好的材料中，利用攪拌機再次攪拌3～5 min；三是，在攪拌好的材料(占比50%)中放入端鉤形鋼纖維，利用攪拌機繼續(xù)攪拌3～5 min，靜置備用。

接著，在振動臺上振搗。將混入鋼纖維后攪拌好的混合物澆筑到模具中，并在振動臺上振搗1 min，以增進密實。靜置凝固1 h后拆模，即可得到實驗樣品。

最后，將實驗樣品在養(yǎng)護室內(nèi)標準養(yǎng)護28 d，研究樣品的抗壓強度、抗折強度、斷裂性能、劈裂抗拉強度和彈性模量等力學性能。

1.3 樣品的性能及表征

采用日立S4800掃描電子顯微鏡觀察試件的斷面形貌；通過X射線衍射(XRD，D/max-rc型，Cu Kα,λ=0.15405 nm,管電壓為35 kV，管電流為50 mA,掃描速率為4°/min)研究試件的元素組成；采用WES-600D數(shù)顯式液壓萬能試驗機對制作好的立方體試件加載壓力，該試驗機采用液壓加荷，傳感器測力，微電腦顯示，數(shù)據(jù)自動處理，可完成各種金屬材料和塑料、混凝土、水泥等非金屬材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切試驗。試驗機測力范圍為2%～100%，變形精度數(shù)值浮動在±5%以內(nèi)，位移精度數(shù)值浮動在±5%以內(nèi)。實驗時采用三分點對稱方式連續(xù)均勻加載，加載速率為8～10 kN/s。

1.3.1 測點布置

測點布置方式為在試件每個面均勻布置9個應(yīng)變片，呈現(xiàn)矩陣形式。應(yīng)變片由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成[14]?；驹恚寒攽?yīng)變片受到外力而產(chǎn)生形變時(拉伸或壓縮)，其電阻值R會隨之增加或降低，借由此特性可以用來測量應(yīng)力e，應(yīng)力e與應(yīng)變片電阻值R的變化量ΔR的關(guān)系如下:

(1)

其中，GF為應(yīng)變系數(shù)。

1.3.2 抗壓強度指標設(shè)定

試件的抗壓強度計算公式

(2)

其中，P為試件的抗壓強度，為A為試件破壞荷載，B為試件承壓面積。

1.3.3 抗折強度指標設(shè)定

試件的抗折強度計算公式

(3)

其中，Y為試件的抗折強度，0.85為尺寸換算系數(shù)，d為支座間跨度，f為試件截面寬度，g為試件截面高度。

1.3.4 劈裂抗拉強度指標設(shè)定

試件的劈裂抗拉強度計算公式

(4)

其中，S為試件的劈裂抗拉強度，Hmax為劈裂抗拉試驗的最大荷載，E為試件劈裂面的面積。

1.3.5 斷裂韌性指標設(shè)定

試件的斷裂韌性計算公式

(5)

其中，K為試件的斷裂韌性，z為形狀因子，l為切口深度，Mmax為由最大荷載和試件自重產(chǎn)生的彎矩之和。

1.3.6 彈性模量指標設(shè)定

試件的彈性模量計算公式如下

(6)

其中，V為試件的彈性模量，t為韌帶厚度，c為試件的初始荷載值，a0為裂縫的初始長度，b為韌帶高度，b0為裝置夾式引伸儀刀口厚度。

1.3.7 抗彎載荷—撓度測試

本文實驗的載荷—撓度測試裝置為英國INSTRON—1346型液壓伺服試驗機系統(tǒng)，抗彎軟件為INSTRON MERLIN軟件包，傳感器為0.05%精度的位移-荷載傳感器。為測試鋼纖維對混凝土的抗彎性能的增強效果，采用連續(xù)穩(wěn)定加載方式，計算機自動采集數(shù)據(jù)，得到荷載一撓度全曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM分析

圖1為單一混凝土試件和鋼纖維增強混凝土試件的SEM圖。從圖1(a)可以看出，單一混凝土試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)粗大散亂，各塊體之間縫隙較大，整體不連貫且比表面積較小，因此從微觀形貌可推測單一混凝土試件的抗拉強度低、延展性差。從圖1(b)可以看出，摻入鋼纖維后，鋼纖維增強混凝土試件的結(jié)構(gòu)均勻且連續(xù)，具有較大的比表面積，試件受力后增大了內(nèi)部鋼纖維表面的摩擦，使得鋼纖維與基體的相互作用提高了混凝土的力學性能。

圖1 單一混凝土試件和鋼纖維增強混凝土試件的SEM圖Fig 1 SEM images of single concrete specimen and steel fiber reinforced concrete specimen

2.2 XRD分析

圖2為單一混凝土試件和鋼纖維增強混凝土試件的XRD圖。從圖2(a)可以看出，單一混凝土試件中沒有較大含量的單一元素，主要成分為化合物，包括43.4%的MgKPO4·6H2O、43.1%的MgO和12.5%的KH2PO4等。由圖2(b)可知，鋼纖維摻入混凝土后，鋼纖維增強混凝土試件中C含量明顯升高，占比達44%，試件的強度等級增大，可知鋼纖維的摻入，有效增強了混凝土試件的力學性能。

圖2 單一混凝土試件和鋼纖維增強混凝土試件的XRD圖Fig 2 XRD patterns of single concrete specimen and steel fiber reinforced concrete specimen

2.3 試件的力學性能分析

2.3.1 抗壓強度

圖3為極限承載力下的單一混凝土試件(1 426 kN)和鋼纖維增強混凝土試件(1 874 kN)的抗壓強度，其中單一混凝土試件為對比試驗組，其抗壓強度的變化與加入鋼纖維的含量無關(guān)，因此在極限承載力下試件的抗壓強度在圖中一直不變，約為64 MPa。從圖3可以看出，鋼纖維增強混凝土試件的抗壓強度始終高于單一混凝土試件，這是因為加入了鋼纖維之后，混凝土整體結(jié)構(gòu)也擁有了鋼纖維的強度特性，改善了單一混凝土結(jié)構(gòu)的高脆性；另外，隨著鋼纖維摻入量的提高，鋼纖維增強混凝土試件的抗壓強度先增大后降低，當鋼纖維摻入量為1.2%時，試件的抗壓強度最大約為83 MPa，這是由于鋼纖維摻入量大于1.0%時，試件中的鋼纖維有團聚成球現(xiàn)象發(fā)生, 所以強度有所下降[15]。

圖3 極限承載力下的單一混凝土試件和鋼纖維增強混凝土試件的抗壓強度Fig 3 Compressive strength of single concrete specimen and steel fiber reinforced concrete specimen under ultimate bearing capacity

2.3.2 抗折強度

圖4為極限承載力下的單一混凝土試件(16 kN)和鋼纖維增強混凝土試件(28 kN)的抗折強度，其中單一混凝土試件為對比試驗組，其抗折強度的變化與加入鋼纖維的含量無關(guān)，因此在極限承載力下試件的抗折強度在圖中一直不變，約為5.9 MPa。從圖4可以看出，隨著鋼纖維摻入量的提高，鋼纖維增強混凝土試件的抗折強度不斷增大，當鋼纖維摻入量為1.5%時，加入鋼纖維的混凝土試件比單一混凝土試件的抗折強度高出約66%，約為9.8 MPa，這是因為試件中鋼纖維摻入量越多，鋼纖維體積率越大，纖維間距不斷縮小，利用纖維的阻裂作用，增強了混凝土試件的抗折性能[16]。

2.3.3 劈裂抗拉強度

圖5為極限承載力下的單一混凝土試件(2.7 kN)和鋼纖維增強混凝土試件(5.5 kN)的劈裂抗拉強度，其中單一混凝土試件為對比試驗組，其劈裂抗拉強度的變化與加入鋼纖維的含量無關(guān)，因此在極限承載力下試件的劈裂抗拉強度在圖中一直不變，約為2.2 MPa。從圖5可以看出，隨著鋼纖維摻入量的提高，鋼纖維增強混凝土試件的劈裂抗拉強度緩慢增大，當鋼纖維摻入量>1.2%時，試件的劈裂抗拉強度增長逐步放緩；當鋼纖維摻入量為1.5%時，試件的劈裂抗拉強度最大約為4.4 MPa。這是因為隨著鋼纖維的加入，混凝土試件被增強增韌了，但若持續(xù)增大荷載，試件裂縫的開裂速度放緩，試件的劈裂抗拉強度也隨之平穩(wěn)下降[17]。

圖4 極限承載力下的單一混凝土試件和鋼纖維增強混凝土試件的抗折強度Fig 4 Flexural strength of single concrete specimen and steel fiber reinforced concrete specimen under ultimate bearing capacity

圖5 極限承載力下的單一混凝土試件和鋼纖維增強混凝土試件的劈裂抗拉強度Fig 5 Splitting tensile strength of single concrete specimen and steel fiber reinforced concrete specimen under ultimate bearing capacity

2.3.4 斷裂韌性

圖6 為極限承載力下的單一混凝土試件(10.4 kN)和鋼纖維增強混凝土試件(13.7 kN)的斷裂韌性，其中單一混凝土試件為對比試驗組，其斷裂韌性的變化與加入鋼纖維的含量無關(guān)，因此在極限承載力下試件的斷裂韌性在圖中一直不變，約為0.26。從圖6可以看出，鋼纖維增強混凝土試件的斷裂韌性指數(shù)始終大于單一混凝土試件；隨著鋼纖維摻入量的提高，鋼纖維增強混凝土試件的斷裂韌性指數(shù)緩慢增大，當鋼纖維摻入量>1.2%時，試件的斷裂韌性增長逐步放緩；當鋼纖維摻入量為1.5%時，試件的斷裂韌性指數(shù)最大約為0.34。這是因為鋼纖維的加入改善了混凝土試件的脆性和變形能力，基材受力出現(xiàn)裂縫后,仍可繼續(xù)承受一定的荷載。但當荷載持續(xù)增大時，鋼纖維增強混凝土會被破壞，只是破壞形態(tài)由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性破壞。

圖6 極限承載力下的單一混凝土試件和鋼纖維增強混凝土試件的斷裂韌性Fig 6 Fracture toughness of single concrete specimen and steel fiber reinforced concrete specimen under ultimate bearing capacity

2.3.5 彈性模量

圖7為極限承載力下的單一混凝土試件(1 426 kN)和鋼纖維增強混凝土試件(1 874 kN)的彈性模量，其中單一混凝土試件為對比試驗組，其彈性模量的變化與加入鋼纖維的含量無關(guān)，因此在極限承載力下試件的彈性模量在圖中一直不變，約為49。由圖7可知，鋼纖維增強混凝土試件的彈性模量始終大于單一混凝土試件；隨著鋼纖維摻入量的提高，鋼纖維增強混凝土試件的彈性模量緩慢增大，當鋼纖維摻入量>1.2%時，試件的彈性模量增長基本停止，此時試件的彈性模量約為65。這因為鋼纖維的加入，起著阻裂與約束側(cè)向膨脹的作用，在一定程度上提高了試件的彈性模量[18]。

圖7 極限承載力下的單一混凝土試件和鋼纖維增強混凝土試件的彈性模量Fig 7 Elastic modulus of single concrete specimen and steel fiber reinforced concrete specimen under ultimate bearing capacity

2.3.6 抗彎載荷—撓度曲線

圖8為單一混凝土試件和鋼纖維增強混凝土試件的載荷—撓度曲線。從圖8可以看出，單一混凝土試件和鋼纖維增強混凝土試件的抗彎達峰值后，試件承載力瞬間降至2 000 N，但隨著外加荷載增加，兩個試件的承載力再次小幅度升高，且后續(xù)的抗彎曲線有小幅度波動。相比單一混凝土試件，鋼纖維增強混凝土試件的撓度曲線持續(xù)更長，該過程的實際現(xiàn)場現(xiàn)象為：試件起初在荷載作用下出現(xiàn)斷裂，且可以聽到“嘭”的沉悶斷裂聲，承載力即刻下降，后來又有所上升，隨著荷載的增加，還會發(fā)生內(nèi)部纖維斷裂，承載力降低，而后再次小幅度上升，此過程多次反復(fù)，持續(xù)時間較長，直至試件完全喪失承載力。整個破壞過程鋼纖維的橋接作用非常明顯。

圖8 單一混凝土試件和鋼纖維增強混凝土試件的載荷-撓度曲線Fig 8 Load deflection curves of single concrete specimens and steel fiber reinforced concrete specimens

3 結(jié) 論

為了驗證鋼纖維摻入混凝土對其性能的優(yōu)化作用，制備了單一混凝土試件和鋼纖維增強混凝土試件，并以單一混凝土試件為對比試驗組，研究了試件的斷面形貌、元素組成、抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度、斷裂韌性和彈性模量等，得到如下結(jié)論：

(1)SEM分析表明，摻入鋼纖維后，鋼纖維增強混凝土試件的結(jié)構(gòu)均勻且連續(xù)，具有較大的比表面積，試件受力后增大了內(nèi)部鋼纖維表面的摩擦，使得鋼纖維與基體的相互作用提高了混凝土的力學性能。

(2)XRD分析表明，鋼纖維增強混凝土試件中C含量明顯升高，占比達44%，試件的強度等級增大。

(3)隨著鋼纖維摻入量的提高，鋼纖維增強混凝土試件的抗壓強度先增大后降低，當鋼纖維摻入量為1.2%時，試件的抗壓強度最大約為83 MPa；隨著鋼纖維摻入量的提高，鋼纖維增強混凝土試件的抗折強度不斷增大，當鋼纖維摻入量為1.5%時，加入鋼纖維的混凝土試件比單一混凝土試件的抗折強度高出約66%，約為9.8 MPa；隨著鋼纖維摻入量的提高，鋼纖維增強混凝土試件的劈裂抗拉強度緩慢增大，當鋼纖維摻入量為1.5%時，試件的劈裂抗拉強度最大約為4.4 MPa；隨著鋼纖維摻入量的提高，鋼纖維增強混凝土試件的斷裂韌性指數(shù)緩慢增大，當鋼纖維摻入量為1.5%時，試件的斷裂韌性指數(shù)最大約為0.34；隨著鋼纖維摻入量的提高，鋼纖維增強混凝土試件的彈性模量緩慢增大，當鋼纖維摻入量>1.2%時，試件的彈性模量增長基本停止，此時試件的彈性模量約為65。

(4)隨外加荷載增加，鋼纖維增強混凝土試件的承載力先減小后小幅度升高，此過程多次反復(fù)，持續(xù)時間較長，直至試件完全喪失承載力，整個破壞過程鋼纖維的橋接作用非常明顯。說明鋼纖維的摻入在提高基體混凝土抗彎強度的同時極大地改善了混凝土的抗彎韌性。