李九陽(yáng)，王振偉，胡廣朝，陳 立，郭金鵬

(長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

0 引言

隨著混凝土工程應(yīng)用的快速發(fā)展，混凝土材料性能得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注，如何改善混凝土的綜合性能是未來(lái)混凝土工程應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，在普通混凝土中添加纖維材料形成纖維混凝土，可以有效提高混凝土的力學(xué)性能[1]。其中，鋼纖維混凝土就是將鋼纖維材料、粗骨料、細(xì)骨料、水泥、水按照合理的配合比進(jìn)行混合攪拌養(yǎng)護(hù)得到的。鋼纖維的摻量是影響纖維混凝土整體性能的重要因素，摻量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致混凝土的某一性能提高，而其他性能降低；摻量過(guò)少則混凝土性能提高不明顯。因此，通過(guò)不同體積摻量的鋼纖維混凝土試驗(yàn)，在綜合各項(xiàng)性能后獲得鋼纖維混凝土的參量閾值具有重要的意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1.1.1 水泥

水泥是一種粉末狀膠凝材料，與水混合后發(fā)生水化反應(yīng)，具有顯著的膠凝黏結(jié)作用。水泥和砂子均可以起到連接混凝土各種材料的作用，并且水泥可以有效填補(bǔ)砂子和其他骨料之間的空隙，提高混凝土的結(jié)構(gòu)密實(shí)性。本試驗(yàn)采用的水泥為當(dāng)?shù)啬称放频腜.O 42.5級(jí)水泥。

1.1.2 碎石

石子作為混凝土的粗骨料對(duì)其強(qiáng)度具有重要作用，目前應(yīng)用較多的是碎石。碎石棱角明顯、大小和整體形狀都呈現(xiàn)不規(guī)則狀態(tài)，表面粗糙，能夠與水泥較好黏結(jié)，有利于增加混凝土材料之間的摩擦力。試驗(yàn)用石子的最大粒徑不可超過(guò)鋼纖維長(zhǎng)度的2/3，且不超過(guò)20 mm。本次試驗(yàn)所用石子的粒徑為5～20 mm[2]。

1.1.3 砂子

砂子作為細(xì)骨料不僅能有效填充粗骨料顆粒間的空隙，而且能與碎石等粗骨料共同結(jié)合起到骨架支撐作用，從而有效提高混凝土的密實(shí)性和強(qiáng)度；砂子具有的潤(rùn)滑作用可以有效地改善混凝土的和易性，可以減少水泥的用量。細(xì)度模數(shù)作為衡量砂粒徑的粗細(xì)均勻程度及顆粒類(lèi)別的重要指標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)有重要的影響，本次實(shí)驗(yàn)采用的細(xì)骨料規(guī)格為Ⅱ 級(jí)中砂。

1.1.4 鋼纖維

鋼纖維的主要作用是阻礙混凝土微裂縫的擴(kuò)展和阻滯宏觀(guān)裂縫的發(fā)生和發(fā)展，改善并提高混凝土的抗拉、抗剪、抗彎強(qiáng)度[3-4]。本次試驗(yàn)采用的鋼纖維是端鉤型，長(zhǎng)度為35 mm，直徑為0.75 mm，長(zhǎng)徑比l/d=47，抗拉強(qiáng)度為1 000～1 800 MPa。

1.2 配合比

為了研究鋼纖維的摻量對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的影響，本次試驗(yàn)按照C30混凝土設(shè)計(jì)了4組不同鋼纖維摻量和1組對(duì)照素混凝土，并摻入0.75%的奈系減水劑。試驗(yàn)混凝土配合比見(jiàn)表1。

表1 鋼纖維混凝土配合比

1.3 鋼纖維混凝土試塊制備

試驗(yàn)準(zhǔn)備：首先清洗掉石子上的石灰、泥土等雜質(zhì)，盡量減少雜質(zhì)對(duì)試驗(yàn)的誤差；然后采用4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm的篩孔尺寸組合的方孔篩按著孔徑的大小放在振篩機(jī)上對(duì)砂子進(jìn)行篩分；同樣用9.50 mm、4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm篩孔尺寸組合的方孔篩對(duì)石子進(jìn)行篩分；將篩分完畢后的砂子和石子放入烘干箱，烘干箱溫度控制在(100±5)℃，烘干去除水分。篩分后的石子和砂子的曲線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a)石子級(jí)配曲線(xiàn)

(b)砂子級(jí)配曲線(xiàn)圖1 石子、砂子級(jí)配曲線(xiàn)

試驗(yàn)要求：每組配合比制作3個(gè)試塊。按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[5]，用于混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂拉抗強(qiáng)度試驗(yàn)的試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm；用于抗折、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)的試塊尺寸為100 mm×100 mm×400 mm；用于軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和靜壓彈性模量試驗(yàn)的試塊尺寸為100 mm×100 mm×300 mm。所有試塊在室內(nèi)靜置48 h后方可脫模，然后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d。

試驗(yàn)步驟：按照表1中鋼纖維混凝土的配合比進(jìn)行稱(chēng)量材料，采用人工攪拌制備混凝土試塊。按照J(rèn)G/T465—2019《鋼纖維混凝土》標(biāo)準(zhǔn)[6]，攪拌時(shí)，采用將鋼纖維、水泥、砂子、石子先進(jìn)行干拌，而后加水濕拌的方法。干拌時(shí)鋼纖維分3次加入，每一次用手均勻散布在粗細(xì)骨料上，這樣做的目的是防止鋼纖維打結(jié)成團(tuán)，影響混凝土試塊的強(qiáng)度。鋼纖維及其粗細(xì)骨料攪拌均勻后再加水濕拌40 s。濕拌完畢后將攪拌好的混合料裝到模具中，并放置在振動(dòng)臺(tái)上邊振動(dòng)邊抹平1～2 min。振動(dòng)完成后用標(biāo)簽標(biāo)注好試塊編號(hào)。

1.4 試驗(yàn)加載

按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[5]的試驗(yàn)方法，測(cè)得了鋼纖維混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度以及彈性模量。在進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，考慮到試塊制作時(shí)是在水平振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振搗的，容易造成鋼纖維在水平方向和豎直方向上分布有較大差異，所以本次試驗(yàn)以試件成型時(shí)的側(cè)面作為承壓面測(cè)定抗壓強(qiáng)度[6]。當(dāng)試件接近被破壞時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整試驗(yàn)機(jī)的油門(mén)，降低加載速度，直至試件被破壞，并及時(shí)記錄破壞荷載。

立方體試塊試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示，可以明顯看出：素混凝土破壞時(shí)呈典型的楔形，而鋼纖維含量在0.6%時(shí)，鋼纖維混凝土表面裂紋比素混凝土要少，混凝土沒(méi)有明顯的脫落。雖然隨著鋼纖維含量的增加對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提高程度不大，但是鋼纖維約束了混凝土裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，加入鋼纖維具有明顯的抗裂作用[7]。按照J(rèn)G/T 520—2018《擠壓成型混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》[8]的強(qiáng)度計(jì)算方法，得到了鋼纖維混凝土相應(yīng)的強(qiáng)度值。

圖2 破壞后的混凝土試塊

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土強(qiáng)度分析

將試驗(yàn)得到的鋼纖維混凝土的各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與鋼纖維的摻量分別設(shè)置為縱、橫坐標(biāo)，繪制相關(guān)曲線(xiàn)進(jìn)行分析，并進(jìn)一步對(duì)鋼纖維混凝土抗壓比、剪壓比、折壓比、彈強(qiáng)比進(jìn)行分析，掌握鋼纖維摻量對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的影響規(guī)律。

2.1.1 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度

圖3為鋼纖維摻量對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度影響的關(guān)系曲線(xiàn)。

由圖3可見(jiàn)，鋼纖維摻量較小時(shí)，其立方體抗壓強(qiáng)度略有降低；鋼纖維摻量從0.2%增加到0.7%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸得到提高；從數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)尚可以看出，當(dāng)鋼纖維體積摻量由0.6%逐漸增加到0.7%時(shí)，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率變緩，曲線(xiàn)斜率降低，表明抗壓強(qiáng)度的提高速率逐漸減小?？傮w來(lái)說(shuō)隨鋼纖維摻量的增加其對(duì)應(yīng)的混凝土抗壓強(qiáng)度的變化率約為11%。

圖3 鋼纖維與立方體抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)

為了分析混凝土立方體抗壓強(qiáng)度與鋼纖維摻量更詳細(xì)的相關(guān)性，對(duì)圖3的數(shù)據(jù)采用數(shù)值分析的方法進(jìn)行深入分析，以鋼纖維摻量為X軸，以抗壓強(qiáng)度為Y軸進(jìn)行曲線(xiàn)擬合。得到了不同摻量鋼纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響的線(xiàn)性擬合理論，見(jiàn)式(3)。

fcc= 41.981 8 -30.652 58x+132.077 49x2-108.679 97x3，

(3)

R2= 0.985 12，

式中：fcc為混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度(MPa)；x為鋼纖維摻入的體積率(%)。

R2的值越接近1，說(shuō)明回歸的擬合程度越好，當(dāng)誤差率<5%時(shí)，可以滿(mǎn)足工程應(yīng)用的精度要求。因此該公式可以作為低摻量鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度的通用公式，適用范圍是鋼纖維摻入量≤0.7%。

2.1.2 混凝土軸壓強(qiáng)度

為了分析混凝土軸壓強(qiáng)度與鋼纖維摻量的關(guān)系，繪制了鋼纖維摻量對(duì)混凝土軸心抗壓強(qiáng)度影響的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖 4。由圖 4 可見(jiàn)，鋼纖維摻量較小時(shí)，其立方體抗壓強(qiáng)度略有降低(同立方體抗壓強(qiáng)度的規(guī)律)；鋼纖維摻量在0.2%～0.7%時(shí)，混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出明顯的先上升后下降的趨勢(shì)；在鋼纖維摻量為0.5%～0.6%時(shí)達(dá)到軸壓強(qiáng)度的最大值，之后，軸壓強(qiáng)度下降?？傮w來(lái)說(shuō)，除摻量為0.2%的鋼纖維的小組，其他組混凝土軸心抗壓強(qiáng)度均有所增加，軸心抗壓強(qiáng)度的提高約為10%[8]。

圖4 鋼纖維與軸心抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)

同理，對(duì)鋼纖維混凝土摻量與軸壓強(qiáng)度的相關(guān)性進(jìn)行了數(shù)據(jù)擬合，得到了以鋼纖維摻量為X軸，以軸壓強(qiáng)度為Y軸的擬合曲線(xiàn)圖。對(duì)圖4的數(shù)據(jù)采用數(shù)值分析的方法進(jìn)行深入分析，探究摻入不同量的鋼纖維分別對(duì)混凝土軸壓強(qiáng)度的影響，得到了鋼纖維混凝土摻量與軸壓強(qiáng)度的相關(guān)性公式，見(jiàn)式(4)。

fcp= 40.397 56 -38.884 75x+ 187.678 48x2-188.709 27x3，

(4)

R2= 0.972 67，

式中：fcp為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度(MPa)；x為鋼纖維摻入的體積率(%)。

R2的值越接近1，說(shuō)明回歸的擬合程度越好，當(dāng)誤差率<5%時(shí)，可以滿(mǎn)足工程應(yīng)用的精度要求。因此該公式可以作為低摻量鋼纖維混凝土軸壓強(qiáng)度的通用公式，適用范圍是鋼纖維摻入量≤0.7%。

2.1.3 混凝土抗拉、剪、折強(qiáng)度

圖5是鋼纖維摻量對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度影響的關(guān)系曲線(xiàn)，從圖中可以看出，隨著鋼纖維摻量從0%增加至0.7%時(shí)，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度都逐漸有所增加，并且都在鋼纖維摻量為0.7%時(shí)達(dá)到最大增加值。相較于素混凝土，當(dāng)鋼纖維摻量為 0.2%～0.7%時(shí)，則劈裂抗拉強(qiáng)度提高程度為12.4%～35.5%，抗折強(qiáng)度提高程度為 5.9%～44%，抗剪強(qiáng)度提高程度為36%～60.6%。受鋼纖維摻量的影響，其強(qiáng)度均有大幅度提高。

圖5 混凝土抗拉、抗折、抗剪強(qiáng)度

2.1.4 混凝土拉壓比、剪壓比、折壓比

為了分析鋼纖維混凝土強(qiáng)度關(guān)系，本文進(jìn)行了拉壓比、剪壓比、折壓比的計(jì)算，繪制了以鋼纖維摻量為X軸，以拉壓比、剪壓比、折壓比比值為Y軸的折線(xiàn)圖。圖6是鋼纖維摻量對(duì)混凝土拉壓比、剪壓比、折壓比影響的關(guān)系曲線(xiàn)。拉壓比、剪壓比、折壓比這3個(gè)比值分別為混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之比。由圖 6 可見(jiàn)，摻入鋼纖維有助于提高混凝土的拉壓比、剪壓比、折壓比。鋼纖維摻量為 0.2%～0.7%時(shí)，混凝土拉壓比提高了12%～19%，混凝土剪壓比提高了40%～45%，混凝土折壓比提高了11%～24%[9]?？梢苑治龀龌炷恋募魤罕入S著使用鋼纖維的摻量增加受到的影響最大。

圖6 混凝土拉壓比、剪壓比、折壓比

2.2 混凝土靜彈性模量

混凝土靜彈性模量是反映混凝土變形性能的主要指標(biāo)。按照GB/T50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn) 》[5]規(guī)定，本次試驗(yàn)通過(guò)測(cè)試應(yīng)力為1/3軸心抗壓強(qiáng)度時(shí)的荷載以及應(yīng)力為0.5 MPa時(shí)的初始荷載，經(jīng)過(guò)公式計(jì)算得到了混凝土的靜力彈性模量。圖7是鋼纖維摻量對(duì)混凝土彈性模量影響的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖 7 可見(jiàn)，隨著鋼纖維摻量從0.2%逐漸增加到0.7%時(shí)，對(duì)整個(gè)混凝土靜彈性模量的變化影響不明顯，折線(xiàn)沒(méi)有明顯橫向起伏程度變化，使得整個(gè)混凝土靜彈性模量每次變化均沒(méi)有超過(guò)6%。

圖7 鋼纖維摻量對(duì)混凝土靜彈性模量的影響

彈強(qiáng)比是直接反映混凝土延性和抗裂性的一種重要指標(biāo)，它通常是由彈性模量與抗壓強(qiáng)度之比計(jì)算得到比值。彈強(qiáng)比越小表明混凝土整體抗裂性越好，彈強(qiáng)比越大則反之。圖8是用不同彈強(qiáng)比來(lái)直接反映出使用不同摻量鋼纖維的混凝土的整體抗裂性能。由圖8可以看出混凝土彈強(qiáng)比隨著鋼纖維摻量的不斷增加而逐漸降低。鋼纖維摻量為0.2%～0.7%時(shí)，混凝土彈強(qiáng)比降低了0.2%～16.5%，反之混凝土的抗裂性則提高了0.2%～16.5%。

圖8 鋼纖維摻量對(duì)混凝土彈強(qiáng)比的影響

2.3 結(jié)果分析

由于混凝土的抗壓強(qiáng)度主要取決于混凝土基體的密實(shí)度和骨料表面的黏結(jié)強(qiáng)度，因此鋼纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提高作用影響沒(méi)有對(duì)拉剪強(qiáng)度的提高顯著。本文進(jìn)一步對(duì)比分析了混凝土拉壓比、剪壓比、折壓比，如圖9(a)～(c)所示。由圖可見(jiàn)，鋼纖維摻量在0.4%～0.7%時(shí)，鋼纖維摻量對(duì)混凝土拉壓比、剪壓比、折壓比的影響規(guī)律與劈拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度基本一致。

由圖9d彈性模量曲線(xiàn)提高相關(guān)程度曲線(xiàn)分析可以明顯看出彈性模量提高程度隨圖曲線(xiàn)縱向變化均≤5%，鋼纖維材料摻量對(duì)混凝土的彈性模量基本無(wú)直接影響[10]。鋼纖維摻量≤0.5%時(shí)，對(duì)鋼纖維混凝土彈強(qiáng)比的影響提高程度均≤8%，鋼纖維摻量在0.5%～0.7%時(shí)鋼纖維混凝土的屈強(qiáng)比與對(duì)彈性模量影響趨勢(shì)大致相同。且隨著鋼纖維材料摻量的增加對(duì)混凝土彈強(qiáng)比變化的影響較小[11]。分析其原因，是因?yàn)殪o力彈性模量與混凝土主要材料性質(zhì)相關(guān)，由于鋼纖維摻量較小，對(duì)其影響較弱。

3 結(jié)語(yǔ)

在混凝土中摻入鋼纖維大大提高了混凝土的韌性和抗裂性，荷載作用下，素混凝土達(dá)到抗拉強(qiáng)度后即開(kāi)裂，而鋼纖維混凝土中的鋼纖維錯(cuò)雜的分布在混凝土裂縫處，因此，摻入鋼纖維有助于提高混凝土的抗裂性能，阻礙裂縫的發(fā)生和發(fā)展，提高混凝土的韌性。且隨著鋼纖維摻量的增加，在鋼纖維橋接裂縫之間鋼纖維的分布層數(shù)不斷增多，大大提高了混凝土的抗裂性能和韌性。具體而言：

1)鋼纖維摻量由0.2%增加到0.7%時(shí)，混凝土軸壓強(qiáng)度曲線(xiàn)的變化均<10%，彈性模量曲線(xiàn)的變化均<5%?；炷恋妮S壓強(qiáng)度和彈性模量曲線(xiàn)隨著鋼纖維摻量的不斷增加沒(méi)有明顯的變化影響。

(a)

(b)

(c)

(d)圖9 鋼纖維摻量對(duì)混凝土性能提高程度的影響

2)隨著鋼纖維的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及混凝土拉壓比、剪壓比和折壓比漸漸變大。當(dāng)鋼纖維摻量為0.7%時(shí)對(duì)其抗壓強(qiáng)度的提高程度為15%，抗剪強(qiáng)度提高程度為61%。低摻量鋼纖維(≤0.7%)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的變化影響細(xì)微，對(duì)混凝土劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度影響顯著。

綜前所述，通過(guò)鋼纖維混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了鋼纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的具體影響程度，分析了其機(jī)理，對(duì)纖維混凝土材料的研究與應(yīng)用具有一定的意義。