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(shí)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(shí)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(shí)代，需要一種具有更高抗彎拉強(qiáng)度、脆性更小、延展性更優(yōu)的材料來彌補(bǔ)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(qiáng)度可以提升40%～80%，抗彎強(qiáng)度可以提升60%～120%。鋼纖維能夠增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)、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(shì)特性，同時(shí)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(jià)值?；诖耍恼略诳偨Y(jié)分析既有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)鋼纖維混凝土在不同鋼纖維抗彎拉強(qiáng)度和不同水灰比條件下的性能變化進(jìn)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(jìn)行材料選擇時(shí)必須進(jìn)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(jí)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(qiáng)度為60.1MPa，28d 抗彎拉強(qiáng)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(jí)配區(qū)屬2 區(qū)，細(xì)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(qiáng)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(jì)及制備

1.2.1 鋼纖維混凝土的配合比設(shè)計(jì)

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(jì)需要結(jié)合其性能要求及使用特點(diǎn)進(jìn)行確定。對(duì)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(jìn)行分析，如表1 所示。試件中的鋼纖維摻量（體積分?jǐn)?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(biāo)準(zhǔn)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3420—2020）的相關(guān)規(guī)定進(jìn)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(jì)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(shí)應(yīng)充分分散）放置在混凝土攪拌機(jī)中進(jìn)行干拌，干拌時(shí)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?dāng)嚢枞诤希^續(xù)攪拌3min 左右。以上過程中需要注意合理調(diào)整攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速，避免影響試件的制備效果。

此外，抗壓強(qiáng)度試件按照（150×150×150）mm 規(guī)格進(jìn)行制作，抗彎拉強(qiáng)度試件按照（150×150×550）mm 規(guī)格進(jìn)行制作。充分?jǐn)嚢韬?，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(hù)

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(zhǔn)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(jìn)溫度為20℃、濕度大于95%的養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行28d 的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，最后對(duì)試件進(jìn)行相關(guān)的性能檢測和試驗(yàn)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(duì)混凝土試件抗壓強(qiáng)度采用公式（1）進(jìn)行定義。

式（1）中：f為抗壓強(qiáng)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(duì)于試件的抗彎拉強(qiáng)度，可以采用式（2）進(jìn)行定義。

式（2）中：ff表示試件的抗彎拉強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)，對(duì)試件A 和試件B 均進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度性能測試，如圖1 所示。試件B 摻入了鋼纖維，其抗壓強(qiáng)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(shí)，7d、28d 抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最高，7d 抗壓強(qiáng)度為57.5MPa，較素混凝土提高18.1%；28d 抗壓強(qiáng)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(shí)28d 抗壓強(qiáng)度差距較小。但當(dāng)鋼纖維摻入體積率大于2%時(shí)，抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(fù)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(qiáng)度大于55MPa 時(shí)，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(qiáng)度關(guān)系如圖2 所示，在抗彎拉強(qiáng)度測試中，隨著鋼纖維摻入體積率的增加抗彎拉強(qiáng)度表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢(shì)。當(dāng)鋼纖維摻入體積率為1.5%時(shí)，7d、28d 抗彎拉強(qiáng)度達(dá)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(dāng)鋼纖維摻入體積率大于2%時(shí)，抗彎拉強(qiáng)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(qiáng)度變化情況

從抗彎拉強(qiáng)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(dá)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(qiáng)度得到顯著提升的關(guān)鍵。

通過對(duì)圖1、圖2 的分析可以發(fā)現(xiàn)，鋼纖維混凝土7d 的抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度增長率均高于28d。分析原因，鋼纖維是一種高抗彎拉強(qiáng)度、高彈模材料，具備優(yōu)異的抗拉力學(xué)性能，當(dāng)混凝土受到外力作用時(shí)，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(diǎn)

在鋼纖維混凝土制備過程中，需要按照配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行，同時(shí)需要關(guān)注原材料添加順序和攪拌時(shí)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相關(guān)性能的檢測和分析?；谝陨戏治觯偨Y(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(yùn)輸和施工過程中，需要關(guān)注對(duì)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)完成后，需要對(duì)其性能進(jìn)行檢測和評(píng)價(jià)，進(jìn)而為配合比設(shè)計(jì)、制備提供優(yōu)化和改進(jìn)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(jìn)一步提高其應(yīng)用效果，需要對(duì)其相關(guān)性能參數(shù)進(jìn)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(diǎn)研究內(nèi)容。通過對(duì)不同鋼纖維含量的鋼纖維混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)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(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度，當(dāng)鋼纖維摻量小于最佳鋼纖維摻入體積率之前，抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)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(shí)呈負(fù)相關(guān)變化。

第二，關(guān)于抗壓強(qiáng)度，鋼纖維摻入體積率為1.5%時(shí)為最佳摻量，其7d、28d 抗壓強(qiáng)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(shí)28d 抗壓強(qiáng)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(qiáng)度，鋼纖維摻入體積率為1.5%時(shí)為最佳摻量，其7d、28d 抗彎拉強(qiáng)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。