鋼纖維定向增強水泥基材料力學性能試驗研究

楊小燕 王子儀 李修磊 王曉康 蔣達鑫 王 民

（1.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074；2.重慶交通大學材料科學與工程學院，重慶400074；3.重慶交通大學河海學院，重慶 400074；4.重慶智翔鋪道技術工程有限公司，重慶 400074）

0 引言

以混凝土為代表的水泥基材料因其優良的力學性能成為目前土木工程領域中用途最廣、用量最大的工程材料［1］。但其與生俱來的高脆性與低韌性使之在環境與荷載作用下極易開裂，混凝土力學性能的衰退直到最終退出工作均與脆性開裂特征有關［2-4］。近年來自然災害頻發，在復雜惡劣環境下服役的混凝土構筑物日益增加，基礎設施老化等問題使混凝土材料面臨新的挑戰。為了減少混凝土材料因脆性開裂失效引發的工程事故，須改變混凝土脆性、易裂的缺點，而摻入纖維材料是有效手段之一，其中鋼纖維具有強度大、模量高及拌和易分散等優點，使其在制備高韌性土時得到廣泛應用。

在實際工程中，大多數混凝土構筑物所受荷載具有方向性。目前，常規鋼纖維混凝土多通過機械共混的方式將鋼纖維與水泥基體拌和，鋼纖維亂向排布。有研究表明，在雜亂無序的鋼纖維混凝土中能起到增強、增韌效果的鋼纖維數量僅占總量的40%左右［5-6］。針對這一問題，有學者根據混凝土結構的受力狀態，通過調控鋼纖維方向能夠極大地提高其對混凝土結構增強、增韌的效率，并在理論上給予了證明［7-8］。慕儒等［9］討論了鋼纖維取向及摻量對抗壓強度的影響，研究結果表明在鋼纖維摻量為0.9%、1.2%、1.5%時，定向鋼纖維混凝土較亂向鋼纖維混凝土的抗壓強度分別提高10.9%、7.8%及7.5%。

隨著對鋼纖維水泥基材料研究的不斷深入，發現鋼纖維水泥基復合材料力學性質復雜多變，力學參數測值浮動大，規律不明顯，且對鋼纖維水泥基材料尺寸效應研究較少，因此本研究對不同高度的鋼纖維水泥基材料試樣進行單軸壓縮試驗，分析試樣不同的破壞形態，考慮不同高度、鋼纖維摻量及取向共同影響試樣強度，進行尺寸效應研究，得到抗壓強度與試件高度、鋼纖維摻量及取向較好的擬合關系，并開展彎曲抗拉試驗研究分析鋼纖維定向對強度和韌性的影響規律，為高性能鋼纖維水泥基復合材料的研發提供思路。

1 試驗概況

1.1 原材料與制備方法

試驗材料采用P.O42.5 普通硅酸鹽水泥、細度模數為2.7 的ISO 標準砂、清水和鋼纖維。鋼纖維的直徑為0.21 mm，模量為200 GPa。配合比設計按照水泥∶標準砂∶水=1.0∶3.0∶0.53 的比例制備水泥砂漿試件。為分析鋼纖維長度對水泥砂漿力學性能的影響，制備試件時摻入3 種長徑比分別為67、80 和100 的鋼纖維，體積摻量分別為0.5%和1.5%。

首先，按照上述水泥砂漿的配合比并摻入定量鋼纖維加以拌和均勻；再將拌和均勻的水泥砂漿裝入試模內進行振搗密實；然后，將振搗后的試模放置勻強磁場中2 min，對試件內的鋼纖維分布沿軸向進行定向；最后將試件放置在95%相對濕度、溫度為20 ℃的條件下養護至28 d。同時在相同試驗條件下制備亂向試件，并同樣在標準養護條件下養護至28 d。水泥砂漿試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。將放置勻強磁場中對鋼纖維進行定向的試件稱為定向分布試件，未放置勻強磁場中的試件稱為亂向分布試件。

1.2 試驗方案

1.2.1 單軸抗壓試驗。選取摻入體積摻量分別為0.5%、1.5%的鋼纖維水泥砂漿試件，所有試件鋼纖維的長徑比均為80。將養護好的試件切割成高度分別為40 mm、80 mm、100 mm 和120 mm 的棱柱體，并將切割后試件的端部打磨平整。試驗儀器采用100 kN 電伺服萬能試驗機，加載速率設為0.2 mm/min。

1.2.2 彎曲試驗。選取摻入長徑比分別為67、80 和100，體積摻量分別為0.5%、1.5%的鋼纖維水泥砂漿試件，試件的尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。每一種長徑比和鋼纖維摻量的水泥砂漿試件，均包括定向和亂向兩種分布類型。試驗儀器同樣采用100 kN 電伺服萬能試驗機，加載速率設為0.1 mm/min。

參照《纖維混凝土彎曲性能的標準試驗方法》（ASTM C1609）［10］，計算試件的初裂彎拉強度和極限彎拉強度，再根據日本 JCI SFRC 委員會［11］提出的彎曲韌性指數ET 的概念，綜合評價給定條件下混凝土韌性的各項指標，其實質是在給定變形范圍內折算獲得的平均抗折強度。計算表達式如式（1）。

式中：Tb表示撓度為δtb時荷載撓度曲線下的面積，即韌度，N?mm；δtb表示撓度值，mm，通常取L/150。

2 試驗結果分析與討論

2.1 單軸抗壓試驗結果分析

不同高度、不同鋼纖維摻量的水泥砂漿試件的應力—應變關系如圖1 所示。亂向40 表示亂向試樣的高度為40 mm；可以看出，荷載作用下，水泥砂漿試件的整個破壞過程大致劃分為5 個階段，即初始壓密階段、線性增長階段、屈服階段、軟化階段和完全破壞階段。當試件處于初始壓密階段時，試件內部的微裂紋和微孔洞等初始缺陷在荷載作用下開始閉合，從而產生瞬間的壓縮變形；彈性階段時，試件的瞬時壓縮變形轉變為基體的彈性變形，此時，應力與應變呈線性增長；塑性階段的出現主要是由于隨著載荷的增加，纖維與基體開始共同抵御外力作用。試件達到峰值后，進入軟化階段，由于橋接在基體之間、橫跨裂縫的纖維承擔應力，隨著纖維不斷拔出，試件所能承受的黏聚力隨裂紋寬度的增大而減小，直至最后破壞。

圖1 兩種鋼纖維摻量不同高度、不同定向水泥砂漿試件應力—應變曲線

由圖2 可以看出，隨著試件高度的增加，鋼纖維摻量為0.5%和1.5%的試件的抗壓強度總體呈下降的趨勢，表現出一定的尺寸效應。說明尺寸越小的試件內部存在的缺陷越少，而破壞通常是由這些局部嚴重的缺陷所導致，小尺寸試件不容易在裂紋的擴展作用下匯聚成宏觀裂縫，因而使其抗壓強度最大。另外，在試件高度相同時，定向組及亂向組試件的抗壓強度隨鋼纖維摻量的增加而增加，在亂向組試件高度為40 mm 時提升更為明顯。這是由于鋼纖維的摻入約束了試件受壓時的橫向膨脹，延緩了破壞過程，從而提高了抗壓強度。

圖2 兩種鋼纖維定向不同鋼纖維摻量水泥砂漿試件抗壓強度與試件高度的關系

與其他學者研究不同（鋼纖維方向垂直于荷載方向）的是［12］，當鋼纖維方向平行于荷載方向，且保持鋼纖維摻量、試件高度不變時，其定向組試件抗壓強度值均比亂向組試件低（見圖3），這是由于可能斷裂機理發生改變，說明如果對鋼纖維與荷載的方向調節不當，可能起到負作用。

圖3 兩種鋼纖維摻量不同鋼纖維定向水泥砂漿試件抗壓強度與試件高度的關系

由于在試件尺寸、鋼纖維定向相同，僅變化鋼纖維摻量時，試件的破壞形貌較為相似。故本研究僅列舉在單軸荷載作用下，1.5%鋼纖維摻量不同高度、不同定向鋼纖維水泥砂漿試件破壞后的形貌，如表1 所示。當試件高度為40 mm 時，定向和亂向組試件表面都存在3 條與加載方向近似平行的貫通主裂紋，幾條次生裂紋和幾處塌陷區，破壞形式以劈裂破壞為主。當試件高度為80 mm 時，定向組試件的剪切破壞面近平行于軸向，表面有少許剝落，而亂向組試件沿著弱面剪切破壞。當試件高度為100 mm 時，定向和亂向組試件的剪切破壞面近似與軸向形成45°的夾角；并伴有幾條次生裂紋與軸向近似平行，破壞形式以單斜面剪切破壞為主。當試件高度為120 mm 時，定向和亂向組試件的剪切破壞面與軸向形成一定夾角，破壞形式表現為劈裂破壞與剪切破壞共存。另外，亂向組試件裂縫形貌表現出多而細密的特點，定向組試件則裂縫數量少但裂縫寬度較大。

表1 鋼纖維摻量為1.5%的不同高度、不同定向水泥砂漿試件破壞形貌

由圖2、圖3 可知，隨著試件高度的增加，單軸抗壓強度在減小，根據試驗所測得的數據繪制了抗壓強度與試件高度的散點圖，然后根據散點圖繪制抗壓強度與試件高度的擬合曲線，如圖4所示。

從圖4 的擬合曲線可知，隨著試件高度的增加，亂向組試件的抗壓強度呈指數下降，且鋼纖維摻量越大，其下降越明顯。而定向組試件的抗壓強度呈線性均勻下降，說明定向組試件的抗壓強度與試件高度呈一定比例的下降。

圖4 兩種鋼纖維摻量不同高度鋼纖維水泥砂漿試件抗壓強度擬合曲線

從表2 中的擬合公式可知，單軸抗壓強度與試件尺寸擬合較好，為工程實踐中對其進行定量分析提供了一種手段。

表2 單軸抗壓強度與試件尺寸的擬合關系

2.2 彎曲抗拉強度

圖5 為3 種長徑比、2 種體積摻量下，定向組和亂向組試樣在28 d 齡期的荷載—位移曲線。對比圖6 中的定向組曲線與亂向組曲線可以看出，在相同的鋼纖維摻量下，定向組試樣的峰值荷載均明顯比亂向組的高，且鋼纖維摻量越大，表現更明顯。有學者研究表明，在鋼纖維體積摻量0.8%以下，對水泥基體的增強作用不明顯，與我們的試驗結果相類似［13］。但經過磁場定向的鋼纖維，可以提高鋼纖維的有效利用率，其中在長徑比為80、鋼纖維摻量1.5%時試件上作用更為明顯，定向組峰值荷載較亂向組增加了83.73%。

圖5 3種鋼纖維長徑比、2種鋼纖維摻量不同鋼纖維定向水泥砂漿試件荷載—位移曲線

由圖6和圖7可知，在鋼纖維長徑比相同時，定向組與亂向組的初裂彎拉強度、極限彎拉強度隨鋼纖維摻量的增加而增加。這是由于試件在承受彎曲荷載時，試件底部的水泥砂漿首先開裂，這時橋接在開裂截面的鋼纖維將承擔全部的荷載。此外，在鋼纖維長徑比、鋼纖維摻量相同時，定向組試件的初裂彎拉強度、極限彎拉強度均比亂向組試件高。這說明了定向組試件中能夠起到阻裂作用的鋼纖維數量明顯多于亂向組。

圖6 鋼纖維長徑比與初裂彎拉強度的關系

圖7 鋼纖維長徑比與極限彎拉強度的關系

由此可知，在一定范圍內，提高長徑比可以提高彎曲抗拉強度，但相較于長徑比而言，鋼纖維摻量及定向對初裂彎拉強度、極限彎拉強度的影響更大。另外，也充分顯示了定向分布鋼纖維對水泥砂漿試件的彎曲抗壓強度的顯著改善作用。

2.3 彎曲韌性

各試樣在不同鋼纖維體積摻量下的韌性指數ET 計算結果如圖8 所示，在鋼纖維長徑比相同時，定向組與亂向組試件的彎曲韌性指數表現為鋼纖維摻量越高，提高幅度越大的趨勢；在相同體積摻量、鋼纖維長徑比相同時，定向組試件的彎曲韌性指數大致高于亂向組試件，尤其在鋼纖維長徑比為100，鋼纖維摻量為1.5% 的增強比率提高了58.63%。這是由于水泥基體的增韌作用主要來自鋼纖維在拔出過程中兩方面的耗能：一是克服界面黏結力耗能，二是克服界面摩擦力而耗能［14］。定向分布鋼纖維所產生的界面黏著力和摩擦力耗能增加是其顯著改善水泥基體韌性的重要因素。

圖8 不同試樣的韌性指數

3 結論

①試樣的單軸抗壓強度尺寸效應明顯，隨著試件高度增加其單軸抗壓強度呈總體下降趨勢；在試件高度相同時，試樣的抗壓強度隨鋼纖維摻量的增加而增加，同時在鋼纖維摻量、試件高度相同時，亂向試樣單軸抗壓強度均高于定向試樣。且亂向試樣尺寸效應曲線服從指數分布，定向試樣尺寸效應曲線呈線性分布。

②在一定范圍內，提高長徑比可以提高試件彎曲抗拉強度，但相較于長徑比而言，鋼纖維摻量及定向對試件的初裂彎拉強度、極限彎拉強度的影響更大。

③在鋼纖維長徑比相同時，定向組與亂向組試件的彎曲韌性指數表現為鋼纖維摻量越高，提高幅度越大的趨勢；同時在相同纖維體積摻量及長徑比時，定向組試件的彎曲韌性指數大致高于亂向組試件，尤其在鋼纖維長徑比為100，鋼纖維摻量為1.5%的增強比率提高了58.63%。