鋼纖維增韌高強混凝土的制備及性能研究*

任大鵬,于吉鯤,方 迪

(大連海洋大學 應用技術學院，遼寧 大連 116300)

0 引 言

隨著我國城市化的不斷發展，建筑工程及建筑物等越來越高層化、跨度化、耐久化以及高強度化，而混凝土作為土木工程、建筑工程中應用最廣泛、用量最大的建筑材料，其自身的屬性、強度是工程質量的核心所在，因此對混凝土的要求也越來越嚴格[1-5]。未來混凝土的發展趨勢必然是輕質量、高強度、多功能、高耐久等[6]。雖然高強度、高耐久的混凝土能滿足工程需求，但是一般情況下這種混凝土都會存在水膠比較低、前期易開裂、成分復雜等缺點，這也大大影響了工程品質[7-9]。對于如何提高混凝土材料強度的同時，還能保證其韌性、降低脆性等問題已成為混凝土發展的關鍵點[10-11]。常規混凝土的增韌、提高強度的方法有：聚合物改性增韌、納米材料增韌和纖維增韌[12-14]，其中聚合物增韌主要是向水泥材料中加入聚合物，該聚合物能在基體和骨料之間形成良好的粘接膜，提高基體之間的結合能力，達到增韌的效果[15]。納米材料增韌即向基體中引入納米材料，通過發揮納米材料的“小尺寸效應”，以改善水泥基材料的韌性和強度[16]。纖維增韌是通過向水泥基材料中加入纖維后，纖維能與基體產生較強的結合，阻礙裂紋的擴展，在基體受到應力及拉伸時，從脆性斷裂逐漸轉變為韌性斷裂[17]。近年來關于混凝土增韌的研究也越來越多。劉喜等[18]采用碎石型高強頁巖陶粒制備了不同纖維類型和體積分數的LC60級纖維增韌高強輕骨料混凝土，研究了其力學性能，結果表明，高強輕骨料混凝土界面的粘結性能優于普通混凝土，纖維能夠有效阻止高強輕骨料混凝土裂縫的發展，還可適當提高其抗壓強度，并明顯提高其抗折強度和劈裂抗拉強度，起到增強增韌的作用，鋼纖維與水泥漿體的粘結性能良好，碳纖維可在高強輕骨料混凝土中均勻分散且與水泥漿體的粘結性能良好，相同體積分數下，碳纖維的增韌作用優于鋼纖維。桂許蘭等[19]在優化UHPC配合比的基礎上，試驗研究了膠凝材料，骨料級配和鋼纖維摻量等因素對UHPC抗壓強度和韌性的影響，結果表明，250 ℃的高溫養護可以顯著提高混凝土的抗壓強度，總平均值為163.5 MPa，較標準養護下的抗壓強度提高了27%，較熱水養護條件下的抗壓強度提高了10.8%，硅灰的摻量比例為膠凝材料的15%左右時，對UHPC抗壓強度的提升效果最好，在石英砂級配中，粗砂、中砂、細砂的最佳比例為1∶4∶3，可以得到較好的骨料密實度，并有效提高UHPC的抗壓強度，鋼纖維的體積摻量為2.5%左右對UHPC的抗壓強度和韌性提升效率較高。因此本文以高輕度骨料混凝土為基礎，通過引入不同體積比的鋼纖維對混凝土進行改性研究，通過對力學性能、流動性、抗壓抗折等性能分析，研究了鋼纖維摻量對混凝土基體的影響，力求得到高抗壓強度、高抗折強度、高韌性的混凝土體系。

1 實 驗

1.1 實驗原材料

硅酸鹽水泥：P.I 42.5，山東龍晟澤化工科技有限公司；硅灰：密度為200～250 kg/m3，比表面積為20～28 m2/g，平均粒徑約為0.1～0.3 um，山東龍晟澤化工科技有限公司；粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，比表面積為425 m2/kg，山東龍晟澤化工科技有限公司；鋼纖維：長纖維長度為12 mm，短纖維長度為6 mm，直徑為0.2 mm，抗拉強度約為2 500 MPa；減水劑：聚羧酸系減水劑，固含量為18%，減水率>25%，沈陽興正和化工有限公司。硅酸鹽水泥、硅灰和粉煤灰的成分組成如表1所示。

表1 硅酸鹽水泥、硅灰和粉煤灰的成分組成Table 1 Composition of portland cement, silica fume and fly ash

1.2 試樣的配合比設計

本試驗的配合比設計根據預定強度值選擇水膠比固定為0.17，膠砂比固定為1∶1.1，減水劑含量固定為1%，以及硅酸鹽水泥、粗骨料、硅灰和粉煤灰分別固定占比70%，10%，10%和10%，作為基準配比，選取不同體積比的鋼纖維進行試拌，高強混凝土試樣的配合比設計如表2所示。

表2 高強混凝土試樣的配合比設計Table 2 Proportioning design of high-strength concrete sample

1.3 樣品的制備

首先，將硅酸鹽水泥、硅灰和粉煤灰按配合比稱量好后，按順序倒入青島迪凱機械設備有限公司生產的行星式水泥膠砂攪拌機中，干拌3～5 min；其次，加入粗骨料、水和減水劑進行濕拌6～8 min；接著，到混合料開始結塊時，勻速加入不同體積比的鋼纖維，濕拌2～4 min；然后，通過壓力成型的方式將拌合物填入試模中成型；最后，對試件進行標準養護48 h，再90 ℃熱養護12 h。

1.4 樣品的性能測試試驗

流動度試驗：按照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》對上述制備的高強混凝土的流動度進行測試，將鋼纖維摻雜的混凝土分兩層裝入模具中，第一層裝1/2高度后，用插搗棒插搗15次，裝好剩余1/2后插搗15次，隨后向上提起試模，啟動跳桌，頻率為1次/s，進行25次跳動后停止，測量其直徑并取平均值。

抗壓試驗：制備40 mm×40 mm×160 mm的試樣，抗壓強度按照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢測方法》進行測試，采用壓力試驗機對不同含量鋼纖維增韌混凝土試樣的抗壓強度進行了測試，給定加載機的加荷速率為2.4 kN/s，每組測試5個樣品，取平均值。

抗折試驗：采用微機控制電子萬能試驗機對不同含量鋼纖維增韌混凝土試樣的抗折強度進行了測試，軟件加載速率為1 mm/min，載荷達到極限值，試件破壞后停止儀器，記錄數據，取3組試樣的抗折強度平均值作為試驗結果。

沖擊壓縮試驗：制備直徑為75 mm，高度為45 mm的圓柱樣品，采用霍普金森壓桿試驗裝置進行測試沖擊壓縮性能，每組測試樣10個，在測試過程中分成3個應變率對試樣進行加載。

2 結果與討論

2.1 試樣的流動度分析

圖1為鋼纖維增韌混凝土的流動度測試曲線。從圖1可以看出，未摻雜鋼纖維的混凝土的流動度為198 mm，隨著鋼纖維的摻入，混凝土的流動度逐漸降低，從198 mm降至144 mm，這是因為鋼纖維相比起骨料，其尺寸更為細長，比表面積較大，鋼纖維引入后在混凝土基體中起到了支撐框架的作用，并且可以與基體產生較強的粘接效果，增大骨料之間的摩擦力，當鋼纖維含量較多時，甚至會形成纖維團，降低了整體的流動度[20]。

圖1 鋼纖維增韌混凝土試樣的流動度Fig 1 Fluidity of steel fiber toughened concrete specimens

2.2 試樣的抗壓強度分析

圖2為3，7和28 d下鋼纖維增韌混凝土試樣的抗壓強度曲線。從圖2可以看出，鋼纖維的摻入對基體的抗壓強度有了明顯的改善，隨著鋼纖維含量的增加，試樣的抗壓強度逐漸升高，當鋼纖維含量為3%(體積分數)時，試樣的抗壓強度達到最大值，在3，7和28 d的抗壓強度分別為112.4，129.1和135.7 MPa。對比齡期相同情況下，鋼纖維含量越多，試樣的抗壓強度越高，7與3 d相比抗壓強度增加了14.86%，28與7 d相比抗壓強度增加了5.11%；當鋼纖維含量為2%(體積分數)時，試樣在3，7和28 d的抗壓強度分別為105.9，118.4和130.2 MPa，7與3 d相比抗壓強度增加了11.8%，28與7 d相比抗壓強度增加了9.97%；當鋼纖維含量為1%(體積分數)時，試樣在3，7和28 d的抗壓強度分別為98.3，117.5和126.3 MPa，7與3d相比抗壓強度增加了19.5%，28與7 d相比抗壓強度增加了7.49%。綜合上述分析可知，隨著鋼纖維含量的增加，試樣的抗壓強度逐漸升高，但升高趨勢呈現出前期增幅快，后期增幅慢的特點。

圖2 鋼纖維增韌混凝土試樣的抗壓強度Fig 2 Compressive strength of steel fiber toughened concrete specimens

2.3 試樣的抗折強度分析

圖3為3，7和28 d下鋼纖維增韌混凝土試樣的抗折強度曲線。從圖3可以看出，隨著鋼纖維的摻入，試樣的抗折強度呈現出逐漸升高的趨勢，當鋼纖維含量為3%(體積分數)時，試樣的抗折強度達到最大值，對比齡期相同情況下，鋼纖維含量越多，試樣的抗折強度越高。當鋼纖維含量為3%(體積分數)時，試件在3，7和28 d的抗折強度分別為26.9，35.4和41.8 MPa，7與3 d相比強度增加了31.6%，28與7 d相比強度增加了18.08%；當鋼纖維含量為2%(體積分數)時，試件在3，7和28 d的抗折強度分別為21.1，29.3和33.1 MPa，7與3 d相比強度增加了38.86%，28與7 d相比強度增加了12.97%；當鋼纖維含量為1%(體積分數)時，試件在3，7和28 d的抗折強度分別為15.2，20.4和26.7 MPa，7與3 d相比強度增加了34.2%，28與7 d相比強度增加了30.88%。綜合上述分析可知，隨著鋼纖維含量的增加，試樣的抗折強度逐漸升高，但升高趨勢呈現出前期增幅快，后期增幅稍慢的特點。表3為鋼纖維增韌混凝土試樣的各項性能測試數據。

圖3 鋼纖維增韌混凝土試樣的抗折強度Fig 3 Flexural strength of steel fiber toughened concrete specimens

表3 鋼纖維增韌混凝土試樣的各項性能測試數據Table 3 Various performance test data of steel fiber toughened concrete specimens

2.4 試樣的SEM分析

圖4為鋼纖維和鋼纖維增韌混凝土試樣的SEM圖。從圖4(a)可以看出，鋼纖維的直徑約為200 μm左右，表面無凹坑，比較光滑。從圖4(b)-(e)可以看出，鋼纖維和漿體的結合比較緊密，沒有產出空槽斷面。圖4(c)和(d)中的黑線是裂紋，從圖4(c)可以明顯看出，第一條裂紋穿過了鋼纖維，第二條裂紋擴展到鋼纖維處已并無延伸，說明鋼纖維的引入可以有效阻礙裂紋的擴展。從圖4(d)可以看出，當試樣受力進行拉伸時，在鋼纖維附近會產生一圈裂紋，這是因為鋼纖維的引入，導致應力很難傳導，裂紋的產生阻礙了斷裂行為，鋼纖維與基體之間具有較強的結合力，從而導致整體韌性的增強，避免了脆性斷裂的產生。

圖4 鋼纖維和鋼纖維增韌混凝土試樣的SEM圖Fig 4 SEM image of steel fiber and steel fiber toughened concrete specimens

2.5 試樣的沖擊壓縮性能分析

圖5為鋼纖維增韌混凝土試樣的沖擊壓縮應力-應變曲線。對應力-應變曲線的積分即為沖擊壓縮能，面積大小直接反映出沖擊壓縮的好壞。從圖5可以看出，在未引入鋼纖維的基體中，沖擊壓縮曲線圍成的面積最小，這說明未摻雜鋼纖維的基體沖擊壓縮性能最差，隨著鋼纖維的摻入，試樣的沖擊壓縮性能均得到了明顯改善，整體表現出鋼纖維摻量越多，沖擊壓縮性能越好。這主要是因為鋼纖維摻入后，在基體中以網狀結構分布，起著連接結合基體與阻礙裂紋擴展的作用，鋼纖維量越多，連接作用越強，裂紋擴展越困難，從而提高了基體的抗壓抗折強度。

圖5 鋼纖維增韌混凝土試樣的沖擊壓縮曲線Fig 5 Impact compression curve of steel fiber toughened concrete specimens

3 結 論

以高輕度骨料混凝土為基礎，通過引入不同體積比(0，1%，2%和3%)的鋼纖維對混凝土進行改性，制備出了鋼纖維增韌高強混凝土試樣。通過對流動性、抗壓抗折、沖擊壓縮等性能分析，研究了鋼纖維摻量對混凝土基體的影響，結論如下：隨著鋼纖維含量的增加，試樣的流動度逐漸降低，從198 mm降至144 mm；而試樣的抗壓強度和抗折強度均逐漸升高，當鋼纖維含量為3%時，試樣的抗壓強度和抗折強度達到最大值，對比齡期相同情況下，鋼纖維含量越多，試樣的抗壓和抗折強度越高，試樣的強度上升趨勢呈現出前期強度增幅快，后期增幅慢的特點；SEM分析發現，鋼纖維的直徑約為200 μm左右，表面無凹坑，比較光滑，鋼纖維和漿體的結合比較緊密，沒有產出空槽斷面，鋼纖維的摻入可以有效阻礙裂紋的擴展，纖維與基體之間具有較強的結合力，整體韌性得到了有效增強，避免了脆性斷裂的產生；對混凝土沖擊壓縮應力-應變分析發現，未摻雜鋼纖維的基體沖擊壓縮性能最差，隨著鋼纖維含量的增加，試樣的沖擊壓縮性能均得到了明顯改善，整體表現出鋼纖維摻量越多，沖擊壓縮性能越好。