鋼纖維混凝土抗折強度的影響因素分析

王仁龍，張啟明，朱海堂，高丹盈

（鄭州大學 水利與環境學院，河南 鄭州 450001）

抗折強度是混凝土的主要力學指標之一，在普通混凝土中摻加一定量的鋼纖維形成鋼纖維混凝土（steel fiber reinforced concrete，簡稱SFRC）可以有效改善混凝土的抗折強度、抗拉強度、韌性等力學性能．現行《纖維混凝土結構技術規程》[1]在總結和分析了當時試驗研究成果的基礎上，給出了綜合考慮鋼纖維類型和基體混凝土強度等級影響的鋼纖維對混凝土抗折強度的影響系數值．隨著我國鋼纖維生產水平的不斷提高和生產規模的不斷擴大，鋼纖維產品不斷更新換代，加工方式、產品外表形狀與尺寸等較過去已有較大差異，產品性能較過去也有較大提高，該標準中鋼纖維對混凝土抗折強度的影響系數建議取值已不能適應于當前鋼纖維類型與性能的發展，有必要進行進一步的分析研究．本文基于相關試驗研究成果，分析了基體混凝土強度等級、鋼纖維形狀與長徑比在不同鋼纖維特征值或摻量下對鋼纖維混凝土抗折強度的影響規律，可為鋼纖維混凝土的推廣應用和相關規程的修編提供參考依據．

1 基體混凝土強度等級對鋼纖維混凝土抗折強度的影響分析

1.1 普通強度鋼纖維混凝土圖1a）給出了CF30鋼纖維混凝土[2]和CF40鋼纖維混凝土[3]的抗折強度隨鋼纖維特征參數變化的試驗結果，其中文獻 [2]試驗采用長徑比為47.5的異混形鋼纖維，文獻 [3]試驗采用長徑比為50的異混形鋼纖維，鋼纖維類型及其長徑比基本一致．可以看出，對于異混形鋼纖維，強度等級為CF40的鋼纖維混凝土抗折強度增強效果明顯高于強度等級為 CF30的抗折強度．根據文獻 [2,4-5]研究結果，強度等級為 CF30、CF40、CF50的切斷弓形鋼纖維混凝土抗折強度隨鋼纖維特征參數的變化如圖1b）所示，可見，對于切斷弓形鋼纖維，在CF30～CF50范圍內，隨著混凝土強度等級的提高，鋼纖維對混凝土抗折強度的增強幅度依次增大，與異混形鋼纖維的影響規律是一致的．

1.2 高強鋼纖維混凝土

對文獻[6]給出的其他條件相同、基體強度分別為CF50、CF65、CF80的球痕形鋼纖維混凝土抗折強度隨鋼纖維特征參數變化的試驗結果進行整理如圖2所示，所研究對象的破壞主要由鋼纖維的拉斷和拔出共同引起，3種強度等級下鋼纖維對混凝土抗折強度的增強效果比較接近．文獻 [7]研究結果表明，對于強度等級分別為C50、C60、C70、C80、C90的高強水泥基材與扭曲形鋼纖維復合后，在0-2%的摻量范圍內抗折強度增強效果依次增大，同一強度等級的鋼纖維混凝土抗折強度隨摻量增加呈現出近似線性增長的關系．可以認為，對于高強度鋼纖維混凝土的抗折強度，鋼纖維自身的抗拉強度因素不能忽略，鋼纖維的拉斷會影響其對混凝土抗折強度的改善程度，鋼纖維抗拉強度與基體混凝土強度對混凝土抗折強度的影響具有相關性．

2 鋼纖維形狀及長徑比對鋼纖維混凝土抗折強度的影響分析

2.1 鋼纖維形狀

文獻[8-9]研究了特征參數接近但表面形狀不同的鋼纖維對鋼纖維混凝土抗折強度的增強效果，試驗結果如圖3a）和3b）所示．結果表明，相對于平直型鋼纖維，異形鋼纖維截面、沿長度方向形狀以及端部形狀的改變增加了與混凝土的粘結，改善了對混凝土強度的增強效果．鋼纖維混凝土抗折強度的增強效果由高到低依次為凸痕形、波浪形、異混形、球痕形、平直形，凸痕形和波浪形的增強效果較為接近，異混形和球痕形增強效果較為接近．

文獻[4]對CF40的凸痕形鋼纖維（長徑比51）和啞鈴形鋼纖維（長徑比60）混凝土進行了抗折強度試驗，文獻[8]對CF40的凸痕形鋼纖維（長徑比50）進行了抗折強度試驗，將試驗結果按抗折強度比隨特征參數的變化進行合并整理對比，如圖3c）所示，表明啞鈴形鋼纖維對混凝土抗折強度的增強效果優于凸痕形鋼纖維，但兩篇文獻關于凸痕形鋼纖維對抗折強度增強效果的結果卻有較大差異．同樣，將文獻 [9]所給的CF70波浪形鋼纖維（長徑比為52）混凝土和文獻[12]所給的CF70波浪形鋼纖維（長徑比50）混凝土抗折強度試驗結果合并整理對比，如圖3d）所示，表明兩種波浪形鋼纖維對混凝土抗折強度的增強效果差異較大．分析文獻發現，各文獻試驗所用鋼纖維隨表面形狀相同，但生產廠家不同，配合比設計方法也各異，造成試驗結果有較大差異，再次驗證了前述關于配合比設計、試驗條件、鋼纖維增強效果試驗與評價方法等對研究結果均有一定影響的結論．

2.2 鋼纖維長徑比

對混凝土強度等級為CF30，鋼纖維長徑比分別為44、50、60、67的切斷弓形鋼纖維混凝土抗折強度試驗數據[13]進行整理如圖4a）所示，對長徑比分別為66[3]和97[14]的剪切端鉤形鋼纖維混凝土抗折強度試驗結果進行合并整理，如圖4b）所示．圖4a）表明鋼纖維對混凝土抗折強度的增強效果隨鋼纖維長徑比的增大而提高，長徑比在60以下時，增加長徑比對鋼纖維混凝土抗折強度增強效果的提高明顯，長徑比為67的切斷弓形鋼纖維對混凝土抗折強度的增強效果稍大于長徑比60的鋼纖維增強效果．從圖4b）中也可以得出，長徑比為97的剪切端鉤形鋼纖維對混凝土抗折強度的增強效果較長徑比為66有所提高，但相差不大．綜上可以認為，當鋼纖維長徑比超過60以后，再增加長徑比已不再能顯著改善混凝土抗折強度的增強作用．

圖4 鋼纖維長徑比對抗折強度的影響Fig.4 Influence of steel fiber aspect ratio on flexur alstrength of SFRC

3 結論

1）基體混凝土強度等級對鋼纖維混凝土抗折強度的增強效果具有一定影響．在一定條件下，鋼纖維對混凝土抗折強度的增強作用隨基體混凝土強度等級的增大而有所提高，但其增強效果與鋼纖維類型與特征參數、鋼纖維混凝土配合比以及試驗條件與增強效果評價方法有關．鋼纖維的表面特征及抗拉強度大小對高強鋼纖維混凝土抗折破壞特征及抗折強度增強效果有顯著影響．

2）剪切異形鋼纖維對混凝土抗折強度的增強效果較平直形有所提高．鋼纖維端部局部增大的啞鈴形、凸痕形、異混形剪切鋼纖維對混凝土抗折強度的增強效果優于鋼纖維軸線形狀改變的波浪形剪切鋼纖維，表面形狀變化的球痕形剪切鋼纖維增強效果稍弱．

3）鋼纖維對混凝土抗折強度的增強效果隨長徑比的增加而提高．長徑比在60及以下時，增加長徑比可顯著改善鋼纖維對混凝土抗折強度的增強效果；而當長徑比在60以上時，提高長徑比對混凝土抗折強度增強效果的影響不明顯．

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