钢纤维增强混凝土(简称SFRC).与普通混凝土相比, SFRC 不仅能改善抗拉、抗剪、抗弯、抗磨和抗裂性能, 而且能大大增强混凝土的断裂韧性和抗冲击性能, 显著提高结构的疲劳性能及其耐久性, 加上它施工简便, 且材料性价比好, 因此在道路路面、桥面、混凝土枕轨、机场跑道、抗震抗爆结构等土建工程中应用日益广泛.
SFRC 的基本性能和基础理论研究对其应用具有十分重要的意义, 其中钢纤维的类型及其掺量对SFRC 的抗压、抗折、劈拉和初裂抗弯强度的影响是SFRC 配合比设计中的关键.为此, 本文研究了钢纤维掺量对不同强度等级混凝土的增强、增韧和阻裂效应的影响规律, 同时还分析了不同钢纤维对混凝土力学性能(拉、压、弯、剪强度和弯曲韧性)的影响.
1 原材料与试验方法
采用某牌42 .5 级P·Ⅱ水泥, 江南水泥有限公司生产, 其物理性能如表1 所示;减水剂为JM-Ⅱ型缓凝泵送(粉末状)高效减水剂, 减水率在20 %以上;砂为河砂, 细度模数2 .72 , 表观密度2 610kg/m3 ;石子为玄武岩碎石, 颗粒级配为5 ～ 20 mm , 表观密度为2 840 kg/m3 ;钢纤维的类型有钢板剪切的平直形, 钢丝切断的弓形、哑铃形和波浪形, 其中弓形和哑铃型钢纤维由赣州利发金属制品有限公司生产.试验所用各种钢纤维的参数见表2 .
SFRC 在60 L 强制式搅拌机中拌和, 采用水泥、砂、石先干拌, 同时撒入钢纤维, 搅拌均匀后再加水湿拌的搅拌工艺.维勃稠度均在10 ～ 20 s , SFRC 试件在1 m2 标准振动台上振动成型, 拆模后标养28 d , 再进行性能测试.SFRC 力学性能试验依据CECS 13 :89 进行.
2 试验结果及分析
2 .1 钢纤维掺量对SFRC力学性能的影响
选用哑铃形钢纤维, 纤维掺量分别为0 , 40 , 80 , 120 和160 kg/m3 , 混凝土的强度等级分别为CF30 ,CF50 和CF70 .配合比见表3 .抗压试件尺寸为100 mm ×100 mm ×100 mm;抗折和弯曲韧性试件尺寸为100 ×100 ×400 mm;劈拉试件尺寸为100 mm ×100 mm ×200 mm;抗剪试件尺寸为100 mm ×100 mm ×300 mm.
A 对各种强度的影响
钢纤维掺量对不同强度等级混凝土抗压、抗折强度影响的测试结果见图1 .试验结果表明, 钢纤维对不同强度等级混凝土抗压强度的提高幅度仅在10 %左右;而对抗折强度的提高非常明显, 在一定体积分数范围内(<2 %), 随掺量的提高, 其抗折强度逐渐增加, 当钢纤维体积分数增加至1 %时, 抗折强度已达素混凝土的2 倍.这是由于在弯曲荷载作用下, SFRC 受拉区开裂, 中和轴上移,受拉区钢纤维与基体的粘结力承受拉力, 韧性增加, 从而提高了混凝土的抗折强度.
钢纤维掺量对CF30 ,CF50 ,CF70 混凝土劈拉强度和抗剪强度测试结果如图2 所示.由图2 可见, 各种强度等级的SFRC 的劈拉强度和抗剪强度均随钢纤维掺量的增加而提高, 而且混凝土的强度等级越高, 其抗剪强度增长幅度越大.从图2 可见, 随钢纤维掺量的增加, 抗剪强度的提高幅度高于劈拉强度, 如当钢纤维掺量从0 增加到80 kg/m3 时, CF30 , CF50 , CF70 混凝土的劈拉强度分别提高74 %, 89 %, 92 %, 抗剪强度分别提高90 %, 91 %和92 %;这是由于SFRC 的受剪破坏与普通混凝土完全不同, 普通混凝土受剪后分三段破坏, 而SFRC 在受剪破坏时, 其中的钢纤维阻止了它的剪切变形和裂缝的发展, 使其仍保持整体性, 因而抗剪强度得以提高.
B 对初裂抗弯强度和阻裂系数的影响
初裂抗弯强度反映了SFRC 抵御初期裂纹荷载的能力.不同强度等级混凝土中钢纤维掺量对初裂抗弯强度影响的试验结果如图3(a)所示.可以看出, SFRC 的初裂抗弯强度与基体的强度等级关系不大, 而与钢纤维的掺量有着密切的关系.随着钢纤维掺量的提高, SFRC 的初裂抗弯强度也随之增加.当纤维掺量从0 增加至160 kg/m3 时, SFRC 的初裂抗弯强度提高了1 倍左右.
阻裂系数为混凝土极限抗弯强度和初裂抗弯强度的比值, 表示SFRC 初裂后阻止裂纹开展的能力[ 3] .钢纤维掺量对不同强度等级SFRC 阻裂系数影响的试验结果如图3(b)所示.可见, 普通混凝土的阻裂系数为1 , 即普通混凝土一旦开裂即破坏;而钢纤维掺量在40 ～ 120 kg/m3 时, SFRC 的阻裂系数为1 .25 ～ 1 .5 , 极限抗弯强度比初裂抗弯强度提高25 %～ 50 %, 且阻裂能力随钢纤维掺量的增大而提高.但SFRC 的强度等级对阻裂系数影响不明显.
C 对脆性系数和弯曲韧性的影响
脆性系数为混凝土抗压强度与极限抗弯强度之比值, 用于表示混凝土脆性的大小.不同钢纤维掺量和强度等级SFRC 的脆性系数试验结果见图4(a).可见, 随强度等级提高, 混凝土脆性系数增大, 材料变脆;随钢纤维掺量的增加, 脆性系数明显降低, 钢纤维掺量在0 ～ 120 kg/m3 时, 脆性系数降低幅度较大, 而钢纤维掺量大于120 kg/m3 时, 降低幅度减小.
韧性一般定义为材料或结构在荷载作用下达到破坏或失效时吸收能量的能力, 常用荷载-挠度曲线下的面积来表征.本文选用JSCE-SF4 方法评定SFCR 的韧性, 计算结果见图4(b).由图可见, 混凝土的韧性随钢纤维掺量的提高而呈数量级的增加.这是由于钢纤维的掺入提高了混凝土的极限应变, 在混凝土开裂后, 钢纤维桥接在裂缝之间, 随着荷载的不断增加, 基体中的钢纤维被缓慢拔出, 裂缝开展过程变得缓慢, 因而在宏观上反映出SFRC 塑性变形增加, 韧性增大.
2 .2 钢纤维类型对SFRC力学性能的影响
钢纤维类型对SFRC 性能影响的试验结果如图5 , 6 所示.可见, 4 种钢纤维对混凝土的抗压强度、抗剪强度增强效果差别不大.但哑铃形钢纤维对提高混凝土抗折强度、劈拉强度和弯曲韧性的效果最好, 弓形次之, 这是因为哑铃形钢纤维的两头与基体的锚固效果最好, 中间的有效长度较长;弓形纤维端头呈钩形, 其锚固效果也很好, 但是中间的有效长度较短.波浪形钢纤维对抗折和劈拉强度改善较少, 其原因可能是由于SFRC 试件受拉区在初裂之前纤维局部受力, 以及开裂后纤维被拉伸时的弹簧效应所致.
2 .3 钢纤维掺量对混凝土收缩的影响
混凝土干燥失水造成收缩是引起混凝土结构开裂而直接影响结构服役寿命的主要原因之一.笔者对不同钢纤维掺量与CF50 钢纤维混凝土限缩能力之间的关系进行了研究, 试验结果如图7 所示.可见, 钢纤维能够有效地抑制混凝土收缩, 掺有体积分数1 .5 %钢纤维的SFRC , 其7 , 28 , 和90 d 收缩率分别比普通混凝土减少24 .5 %, 22 .7 %和16 .8 %.钢纤维抑制混凝土收缩的原因主要有以下2 点[ 6] :一是钢纤维在基体中能够形成均匀分布的、间距较小的纤维网络, 所以当基体因失水收缩而引起收缩应力时, 纤维网络起到了抑制收缩的作用, 大大提高了钢纤维混凝土的限缩能力, 同时也避免了收缩裂缝的产生;二是在钢纤维混凝土中, 由于钢纤维的阻裂效应可以减少混凝土结构形成过程中原生裂缝的引发和次生裂缝的扩展, 所以在一定程度上也减小了因毛细管压力而产生的收缩.钢纤维对混凝土的阻裂限缩作用将有利于混凝土耐久性的改善.
》》》》》》》》》》》》》结论《《《《《《《《《《《《
1 .钢纤维体积分数从0 增加到2 .0 %, 混凝土各项力学性能均有不同程度提高.其中, 抗压强度提高幅度不大, 抗折和劈拉强度有明显提高, 而抗剪强度提高最为明显, CF30 , CF50 , CF70 混凝土的抗剪强度分别提高90 %, 91 %, 92 %.
2 .SFRC 的初裂抗弯强度和阻裂系数与基体的强度等级关系不大, 而与钢纤维的体积分数密切相关, 随着钢纤维体积分数的增大, 其初裂抗弯强度和阻裂能力随之增大.
3 .随着钢纤维体积分数的增大, 混凝土的脆性系数明显降低, 弯曲韧性呈数量级增加.
4 .弓形和哑铃形钢纤维的增强效果优于平直形和波浪形钢纤维, 并以哑铃形为最佳.
5 .钢纤维的加入提高了混凝土的阻裂限缩能力, 有效地抑制了混凝土收缩.与普通混凝土相比, 掺钢纤维体积分数1 .5 %的SFRC , 其限缩能力可提高20 %左右.
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