鋼纖維增強(qiáng)砼力學(xué)及耐久性能研究

梁志成

(山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司， 山西 太原 030032)

砼具有較高的抗壓強(qiáng)度，被應(yīng)用于各行業(yè)工程項(xiàng)目中。隨著現(xiàn)代化建設(shè)水平的提高，對砼的性能提出了新的要求。伴隨著砼強(qiáng)度的提升，其耐久性能會呈現(xiàn)一定程度劣化和結(jié)構(gòu)破壞。中國沿海地區(qū)建筑物病害調(diào)研結(jié)果表明，砼保護(hù)層會受環(huán)境影響而出現(xiàn)脫落，砼的耐久性與密實(shí)程度有直接關(guān)聯(lián)。因此，研究高強(qiáng)和高耐久性的砼對應(yīng)對特殊地區(qū)建筑需求尤為重要。

鋼纖維是通過對廢舊或邊角鋼材進(jìn)行高溫熔爐和拉絲制備得到的纖維，具有較高抗拉強(qiáng)度和極限延伸率。將鋼纖維應(yīng)用到砼中可加強(qiáng)界面粘結(jié)應(yīng)力，提升砼的綜合性能。高丹盈等的研究表明鋼纖維的摻入可提高砼的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度；閆長旺等的研究表明鋼纖維的摻入可在一定程度上增強(qiáng)其抗碳化能力。但相關(guān)研究對于砼中鋼纖維的適宜摻量并未給出統(tǒng)一說法。該文通過改變鋼纖維的摻量，對比鋼纖維砼的力學(xué)性能和耐久性能，確定砼中鋼纖維使用范圍，提升砼的綜合性能。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

(1) 水泥。砼等級為C40，采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其技術(shù)性能指標(biāo)見表1。

(2) 粗骨料。采用5～30 mm碎石，其篩分結(jié)果見表2。

(3) 細(xì)骨料。采用中粗砂，細(xì)度模數(shù)為2.65，其篩分結(jié)果見表3。

(4) 粉煤灰。粉煤灰是超細(xì)顆粒礦料，在水泥砼拌和中可替代部分水泥，填補(bǔ)砼中的微孔結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)砼的和易性和工作性能。所用粉煤灰的技術(shù)指標(biāo)見表4。

表1 P.O42.5普通硅酸鹽水泥的技術(shù)性能指標(biāo)

表2 粗集料的篩分結(jié)果

表3 細(xì)集料的篩分結(jié)果

(5) 鋼纖維。采用高強(qiáng)鑄鋼纖維，內(nèi)弧面粗糙，外弧面光滑，分散均勻，不結(jié)團(tuán)，其技術(shù)指標(biāo)見表5。

(6) 減水劑。選用高效減水劑，減水率為33%，減水劑用量為1.6%，與砼的結(jié)合性較好。

表4 粉煤灰的技術(shù)指標(biāo)

表5 鋼纖維的技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

以體積摻量為基準(zhǔn)進(jìn)行鋼纖維外摻，摻量分別為0、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%、2.4%。對1、3、7、14、28 d鋼纖維砼進(jìn)行力學(xué)性能和耐久性試驗(yàn)，分析不同鋼纖維摻量對不同齡期砼性能的影響。相關(guān)試驗(yàn)及測試指標(biāo)見表6。

表6 試驗(yàn)方案

2 配合比設(shè)計(jì)

鋼纖維砼的配合比設(shè)計(jì)參照普通纖維砼配合比設(shè)計(jì)流程，攪拌順序見圖1，不同纖維摻量下鋼纖維砼的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見表7。

圖1 鋼纖維砼的攪拌順序

表7 鋼纖維砼的配合比

3 性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 立方體抗壓強(qiáng)度

立方體抗壓試驗(yàn)按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。不同摻量纖維砼在不同齡期下的立方體抗壓試驗(yàn)結(jié)果見圖2、圖3。

由圖2和圖3可知：隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，鋼纖維砼立方體抗壓強(qiáng)度增大。鋼纖維摻量為0～0.8%時(shí)，砼立方體抗壓強(qiáng)度增幅明顯；纖維摻量大于1.2%時(shí)，砼立方體抗壓強(qiáng)度增長速度減弱。28 d齡期時(shí)，鋼纖維摻量為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度比不摻加鋼纖維時(shí)分別增長10.12%、20.24%、23.57%、25.61%、29.16%。鋼纖維的摻入促使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)更緊密，加上砼中使用減水劑，使鋼纖維和砼基體的截面粘結(jié)強(qiáng)度提升，從而阻止砼內(nèi)部裂縫的發(fā)生和擴(kuò)展，在一定程度上改善了砼的受力特性和結(jié)構(gòu)完整性。但是當(dāng)鋼纖維摻量達(dá)到一定量時(shí)，纖維交錯(cuò)會使砼內(nèi)部存在一定孔隙，降低砼的密實(shí)程度，使砼立方體抗壓強(qiáng)度提升速率降低。

圖2 立方體抗壓強(qiáng)度與纖維摻量的關(guān)系

圖3 立方體抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

3.2 軸心抗壓強(qiáng)度

制作150 mm×150 mm×300 mm不同鋼纖維摻量、不同齡期砼長方體試件進(jìn)行軸心抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 軸心抗壓強(qiáng)度與纖維摻量的關(guān)系

由圖4、圖5可知：隨著鋼纖維摻量的提升，鋼纖維砼的軸心抗壓強(qiáng)度逐漸提高，且隨著齡期的增長，軸心抗壓強(qiáng)度逐漸提高。28 d齡期時(shí)，鋼纖維摻量為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%時(shí)的軸心抗壓強(qiáng)度比不摻鋼纖維時(shí)分別增長4.41%、11.39%、20.37%、23.71%、24.97%。纖維摻量超過1.2%時(shí)，隨鋼纖維摻量提升，砼軸心抗壓強(qiáng)度增長速度有所減緩。軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢基本一致。

圖5 軸心抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

3.3 劈裂抗拉強(qiáng)度

制作150 mm×150 mm×150 mm不同鋼纖維摻量、不同齡期砼立方體試件進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 劈裂抗拉強(qiáng)度與纖維摻量的關(guān)系

圖7 劈裂抗拉強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

由圖6、圖7可知：隨著鋼纖維摻量的提升，鋼纖維砼的劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸提高，且隨齡期的增長，劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸提高。28 d齡期時(shí)，鋼纖維摻量為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度比不摻鋼纖維時(shí)分別增長5.13%、13.76%、18.69%、26.08%、27.93%。纖維摻量為0.4%時(shí)，砼的劈裂抗拉強(qiáng)度增長幅度較??；纖維摻量在1.6%以上時(shí)，砼的劈裂抗拉強(qiáng)度漲幅不明顯。鋼纖維屬于剛性纖維，在砼中起到阻止裂縫擴(kuò)展的作用，產(chǎn)生增韌阻裂功能。因此，鋼纖維的摻入能使砼的劈裂抗拉強(qiáng)度得到提升。

3.4 抗折強(qiáng)度

采用150 mm×150 mm×550 mm不同鋼纖維摻量、不同齡期砼標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行抗折試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖8、圖9。

圖8 抗折強(qiáng)度與纖維摻量的關(guān)系

圖9 抗折強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

由圖8、圖9可知：隨著鋼纖維摻量的提升，鋼纖維砼的抗折強(qiáng)度逐漸提高，且隨著齡期的增長，抗折強(qiáng)度逐漸提高。28 d齡期時(shí)，鋼纖維摻量為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%時(shí)的抗折強(qiáng)度比不摻鋼纖維時(shí)分別增長5.91%、20.35%、32.87%、44.70%、46.78%。纖維摻量達(dá)到1.6%以上時(shí)，砼抗折強(qiáng)度增長速度放緩。鋼纖維的摻入使砼的破壞模式有所改變，在一定程度上提升了砼的延性。

3.5 彈性模量

按實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)制備成型不同鋼纖維摻量、不同齡期砼試塊，養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行彈性模量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖10、圖11。

圖10 彈性模量與纖維摻量的關(guān)系

圖11 彈性模量與齡期的關(guān)系

由圖10、圖11可知：隨著鋼纖維摻量的提升，鋼纖維砼的彈性模量逐漸提高，且隨著齡期的增長，彈性模量逐漸提高。28 d齡期時(shí)，鋼纖維摻量為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%時(shí)的彈性模量比不摻鋼纖維時(shí)分別增長13.06%、15.49%、23.96%、24.79%、25.74%。隨著齡期的增長，砼內(nèi)部水泥發(fā)生水化反應(yīng)，使砼硬化更充分，水泥膠結(jié)作用促進(jìn)骨料和砂漿粘結(jié)強(qiáng)度增加。鋼纖維在砼中均勻分布，使砼密實(shí)度增加，砼在外部荷載作用下變形幅度減小，砼的彈性模量增加。

3.6 抗?jié)B性能試驗(yàn)

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對不同鋼纖維摻量、不同齡期砼進(jìn)行水壓滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖12、圖13。

圖12 纖維摻量對滲水高度的影響

圖13 纖維摻量對抗?jié)B性能的影響

由圖12、圖13可知：隨著鋼纖維摻量的提高，鋼纖維砼的滲水高度逐漸降低，鋼纖維摻量為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%時(shí)的滲水高度比不摻鋼纖維時(shí)分別下降8.97%、33.33%、48.72%、55.13%、60.26%。較少摻量的鋼纖維對砼的抗?jié)B性能影響不大，纖維摻量過多時(shí)，纖維的交錯(cuò)分布使砼內(nèi)部結(jié)構(gòu)粘結(jié)性增強(qiáng)，但滲水高度下降速率降低?？偟膩碚f，鋼纖維摻入對砼的抗?jié)B水有明顯作用。鋼纖維本身具有增韌阻裂的作用，可消減砼裂縫的發(fā)生和拓展，纖維的交錯(cuò)分布容易在砼中形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于協(xié)調(diào)砼中骨料分布的均勻性，使砼表面離析現(xiàn)象減弱，阻斷砼中水分子的流通。

3.7 抗碳化性能

砼的碳化對砼結(jié)構(gòu)的安全和耐久性有直接影響。砼的碳化一般是砼中的堿性物質(zhì)與CO2、水綜合產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)。制備不同鋼纖維摻量、不同齡期標(biāo)準(zhǔn)砼試塊，在0.03%CO2潮濕環(huán)境中進(jìn)行碳化試驗(yàn)，結(jié)果見圖14、圖15。

由圖14、圖15可知：隨著鋼纖維摻量的提高，鋼纖維砼的碳化深度逐漸降低，且隨著齡期的增長，碳化深度逐漸降低。28 d齡期時(shí)，鋼纖維摻量為0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%時(shí)的碳化深度比不摻鋼纖維時(shí)分別下降12.74%、28.05%、39.19%、45.72%、47.86%。鋼纖維的加入能有效抵抗砼的碳化影響，鋼纖維的均勻分布能在砼中形成有效空間立體結(jié)構(gòu)，在增強(qiáng)砼內(nèi)部密實(shí)程度的同時(shí)，對砼內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，延緩砼裂縫的產(chǎn)生，使砼內(nèi)部空洞數(shù)量大大減少，阻斷碳氧化合物對砼的影響。

圖14 碳化深度與纖維摻量的關(guān)系

圖15 碳化深度與齡期的關(guān)系

4 結(jié)論

(1) 鋼纖維的加入能提高砼的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彈性模量，其中砼抗折強(qiáng)度的提升效果最顯著。纖維摻量為0～0.8%時(shí)砼力學(xué)性能提升明顯，纖維摻量大于1.2%時(shí)砼力學(xué)性能提升效果減弱，砼中鋼纖維的合適摻量為0.8%～1.2%。

(2) 隨著纖維摻量的增加，砼的滲水高度和碳化深度不斷降低，纖維摻量為0.8%～1.2%時(shí)，砼的抗?jié)B等級和碳化深度較好。

(3)鋼纖維的均勻摻入能在砼中形成有效的空間網(wǎng)絡(luò)分布，對砼起到增韌阻裂的作用，延緩裂縫的發(fā)生，增加結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，具有較強(qiáng)的力學(xué)性能表現(xiàn)，應(yīng)用前景較廣闊。