鋼纖維混凝土制備及工作力學(xué)性能試驗(yàn)研究

鐘潤(rùn)平

（東莞市建生混凝土有限公司，東莞 523960）

1 前言

短鋼纖維、水泥、石等原材料按一定比例混合配制，在其凝結(jié)硬化后可形成鋼纖維混凝土這一復(fù)合材料。不同于普通混凝土，鋼纖維混凝土在工作力學(xué)性能上得到了改善，混凝土的各種性能得以提升，這也意味著混凝土材料迎來(lái)了革新發(fā)展的契機(jī)。因當(dāng)下人們對(duì)建筑的耐久性、安全性有極高的要求，而鋼纖維混凝土的工作力學(xué)性能較為優(yōu)越，所以這一材料在我國(guó)很多工程項(xiàng)目中得到了廣泛運(yùn)用。

2 鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理

普通混凝土材料的成分、結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，而鋼纖維混凝土材料十分復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)、組成也趨于多向性、不均勻性。基于鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理，摻入鋼纖維來(lái)改善混凝土及其阻裂反應(yīng)，可以提升混凝土的物理性能、力學(xué)性能，還方便鋼纖維混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)于增強(qiáng)機(jī)理而言，本文從復(fù)合材料理論與纖維間距理論進(jìn)行分析。

復(fù)合材料理論將諸多單一材料、混合材料作為多相系統(tǒng)，各材料的性能也能多相疊加。鋼纖維混凝土為新復(fù)合材料，涉及結(jié)合面、基相等部分，所以其工作力學(xué)性能很容易受到多方因素的影響。通過(guò)應(yīng)用線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)，纖維間距理論可以評(píng)估鋼纖維在混凝土裂縫中的限制作用。這一理論下，為增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度，應(yīng)適當(dāng)減少內(nèi)部缺陷，提升混凝土的韌性。

3 鋼纖維混凝土的制備

3.1 工作設(shè)備

鋼纖維混凝土制備中需要使用攪拌機(jī)與振動(dòng)臺(tái)設(shè)備。攪拌機(jī)可以選擇JZC250 混凝土攪拌機(jī)，其進(jìn)料容量與出料容量分別是320 升、250 升，生產(chǎn)率可達(dá)每小時(shí)7立方米左右，而且此設(shè)備的提升功率是4.1 千瓦。振動(dòng)臺(tái)可以使用HZJ-0.5 型振動(dòng)臺(tái)，其規(guī)格是500*500（單位：毫米），振動(dòng)器功率是0.55 千瓦，振動(dòng)頻率可達(dá)每分鐘2850 次，最大載重是100 千克。

3.2 配合比設(shè)計(jì)

配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用的是表觀密度法，合理配制普通混凝土試件、鋼纖維混凝土試件，具體設(shè)計(jì)方案如下表所示。

表1 配合比設(shè)計(jì)

3.3 鋼纖維混凝土制備

為充分體現(xiàn)鋼纖維混凝土的優(yōu)勢(shì)、工作性能，不僅要合理設(shè)計(jì)配合比，還要做好制備工藝。由于鋼纖維加入混凝土中在拌合期間易結(jié)團(tuán)，所以在其達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度并成型時(shí)，鋼纖維的分布不均衡，混凝土的性能無(wú)法提高，甚至?xí)档停褂脡勖泊蠓s減，如果將此類(lèi)混凝土應(yīng)用到工程施工中，只會(huì)增加施工的難度。在此背景下，為發(fā)揮鋼纖維的作用并提高混凝土拌合物性能，需要確保鋼纖維在混凝土拌合物中的分布均勻，還要改進(jìn)其制備流程[1]。本文基于鋼纖維混凝土制備規(guī)程，對(duì)比分析不同鋼纖維的混凝土拌合物的攪拌情況，發(fā)現(xiàn)將混凝土骨料、鋼纖維混合在一起攪拌，可以保證骨料分布均勻，加入膠凝材料進(jìn)行干拌處理，也能確保骨料完全接觸膠凝材料。通過(guò)這一攪拌過(guò)程，發(fā)現(xiàn)鋼纖維在混凝土拌合物中的分布十分均勻，且無(wú)結(jié)團(tuán)問(wèn)題。制備工作中，在其試件達(dá)到要求強(qiáng)度并不具塑性后，工作人員應(yīng)開(kāi)展抹面工作，使用塑料薄膜及時(shí)覆蓋混凝土表面，并將其靜置于常溫環(huán)境24 小時(shí)，隨后進(jìn)行試塊拆模與編號(hào)標(biāo)記，再將其放入21 攝氏度的環(huán)境內(nèi)。這一期間，需要保證環(huán)境的相對(duì)濕度約94%，在養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)26 天—29 天，確保試件表面始終潮濕。

4 鋼纖維混凝土的工作力學(xué)性能

由于添加適量的鋼纖維，鋼纖維混凝土能夠在遭遇外部影響的情況下避免出現(xiàn)破損，同時(shí)也增加其硬度和彈性。相較于普通混凝土，鋼纖維混凝土的工作性能得到了顯著提升。

4.1 混凝土強(qiáng)度

當(dāng)下，很多人認(rèn)為鋼纖維混凝土初裂之前，借助鋼纖維作用可以約束并避免混凝土裂縫，還能增強(qiáng)其初裂強(qiáng)度。尤其在混凝土初裂后，受到應(yīng)力集中作用，混凝土微裂縫不斷擴(kuò)展，因鋼纖維可以跨越混凝土裂縫，所以可以有效承擔(dān)基體或纖維傳遞的應(yīng)力，在此背景下，混凝土裂縫情況可以緩解，裂縫尺寸也能縮小，還能避免裂縫尖端應(yīng)力過(guò)于集中[2]。此外，在鋼纖維的塑性變形過(guò)程中，其能吸取大量的能量，也有助于增強(qiáng)混凝土的硬度和彈性。

4.2 變形性能

經(jīng)試驗(yàn)研究，在彈性階段，鋼纖維混凝土的變形狀態(tài)和受壓彈性模量與普通混凝土大體一致。并且，隨著鋼纖維體積率的改變，其受拉彈性模量也將有所不同。通常其體積率增加，受拉彈性模量也會(huì)小幅度提升。此外，鋼纖維的存在還能提高混凝土韌性，構(gòu)件韌性也能直接反映混凝土的塑性變形能力。在正常鋼纖維摻量條件下，通常其體積率在0.6%—2%，鋼纖維混凝土的抗壓韌性可提高3—6 倍，抗彎韌性也能提高數(shù)十倍。

4.3 耐久性能

就目前而言，相較于普通混凝土，加入鋼纖維的鋼纖維混凝土的力學(xué)性能更為顯著，在國(guó)內(nèi)外水利、建筑以及海洋等工程中都有應(yīng)用。然而，針對(duì)鋼纖維混凝土的腐蝕性的研究卻不多，這導(dǎo)致大眾對(duì)此類(lèi)材料的腐蝕狀態(tài)疏于注意。在實(shí)際施工過(guò)程中，鋼纖維混凝土同樣易受腐蝕問(wèn)題的影響，特別是在裂痕區(qū)域的鋼纖維，由于存在腐蝕物，很容易侵害鋼纖維及混凝土，這也進(jìn)一步削弱了混凝土的整體強(qiáng)度。

5 工作力學(xué)性能試驗(yàn)

實(shí)際應(yīng)用中，施工單位通常使用泵送形式澆筑橋梁伸縮錨固區(qū)的鋼纖維混凝土，這對(duì)鋼纖維混凝土的工作性能提出了嚴(yán)格要求[3]。配合比合理且制備均勻的鋼纖維混凝土的和易性不但能滿(mǎn)足混凝土強(qiáng)度要求，在澆筑泵送環(huán)節(jié)還不易堵管，也可進(jìn)一步保證澆筑后鋼纖維混凝土的平整度、密實(shí)度等。在此背景下，工程施工質(zhì)量可以達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，還能防止鋼纖維混凝土出現(xiàn)早期裂縫，也能盡可能提高混凝土的使用壽命。通過(guò)開(kāi)展鋼纖維混凝土、普通混凝土的塌落度、擴(kuò)展度等試驗(yàn)工作，可以得到下表所示的結(jié)果。由此可以看出，在鋼纖維的作用下，鋼纖維混凝土的塌落度要比普通混凝土少17 毫米，這使纖維混凝土拌合物的振搗難度增加。同時(shí)，隨著鋼纖維的摻入，混凝土的流動(dòng)性也隨之降低，擴(kuò)展度提高了15 毫米，究其原因，鋼纖維在混凝土拌合物中產(chǎn)生了“棚架”效應(yīng)，所以混凝土的塌落度逐漸下降，其擴(kuò)展度隨之升高。

表2 工作性能對(duì)比（毫米）

5.1 抗壓力學(xué)性能

經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在混凝土拌合物中加入鋼纖維不會(huì)過(guò)多影響，甚至不影響其抗壓強(qiáng)度，并且試塊峰值應(yīng)力相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變也未出現(xiàn)明顯變化。究其原因，將鋼纖維加入混凝土拌合物中，其骨料比表面積增加，密實(shí)度不斷下降。雖然鋼纖維的抗壓性能不太理想，但在抗拉性能上有著極大的優(yōu)勢(shì)，所以可以抑制混凝土裂縫的發(fā)展，使其在峰值后的應(yīng)力下降進(jìn)度十分緩慢，其脆性破壞特征能得到進(jìn)一步改善[4]。為了更好研究鋼纖維混凝土和普通混凝土在軸心抗壓荷載作用下的性能差異，還可對(duì)兩者的比例極限、延性系數(shù)等變化進(jìn)行對(duì)比與分析。其中，比例極限主要是混凝土在彈性范圍內(nèi)可以承受的最大應(yīng)力值，借助延性系數(shù)，可以更好研究?jī)煞N混凝土的延性系數(shù)差異，也能進(jìn)一步得到二者在抗變形性能上的差異。

通常情況下，鋼纖維混凝土的比例極限要比普通混凝土高19%左右，同時(shí)其應(yīng)變也增加了13%，由此可見(jiàn)，在混凝土拌合物中摻入鋼纖維可使混凝土在彈性階段承受的最大應(yīng)力顯著提升，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變也隨之增加。同時(shí)，摻入鋼纖維還進(jìn)一步提高了混凝土的延性系數(shù)，也使其抗變形能力不斷增強(qiáng)。

5.2 抗折力學(xué)性能

經(jīng)過(guò)比較鋼纖維混凝土與普通混凝土的抗彎曲特性，觀察到，鋼纖維能夠提升混凝土的抗折強(qiáng)度，一般來(lái)說(shuō)，其強(qiáng)度可以提高17%，并且抗折峰值相關(guān)的撓度并未出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。當(dāng)其承受的負(fù)荷達(dá)到最大值，普通混凝土?xí)霈F(xiàn)破損，缺乏足夠的彈性。然而，采用鋼纖維混凝土就能解決這個(gè)問(wèn)題，同樣混凝土的彈性也得到了提升。深挖其根源，把鋼纖維加入混凝土的配料中能夠顯著地阻止混凝土內(nèi)部的裂紋擴(kuò)大。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，鋼纖維混凝土樣本經(jīng)過(guò)了彈性變化、產(chǎn)生內(nèi)部裂紋、裂紋擴(kuò)大和損毀四個(gè)主要步驟。在第一階段中鋼纖維混凝土的撓度會(huì)隨應(yīng)力的增加不斷增加，且呈現(xiàn)出彈性變形狀態(tài)，混凝土試塊底部沒(méi)有顯著變化且未出現(xiàn)裂縫情況；在第二階段，荷載的不斷提升使得鋼纖維混凝土的底部發(fā)生裂縫，且有“噼啪”響聲，其試件底部出現(xiàn)一些微裂縫；進(jìn)入第三階段，鋼纖維混凝土表面的裂縫加大，呈聯(lián)結(jié)、交叉態(tài)勢(shì)，由混凝土試塊底部不斷向上擴(kuò)展，甚至發(fā)展到膠凝體內(nèi)部，致使部分鋼纖維脫離膠凝體，在混凝土表面也出現(xiàn)主裂縫；在最后階段，鋼纖維混凝土的應(yīng)力會(huì)伴隨撓度增加而不斷減小，其應(yīng)力減小速率緩慢，因?yàn)榛炷羶?nèi)部的鋼纖維起到了抗拉作用，但因撓度逐漸增大，鋼纖維混凝土的裂縫不斷擴(kuò)展，形成了一系列破壞帶。在此情況下，鋼纖維和膠凝材料脫黏，破壞帶范圍不斷加大，一旦出現(xiàn)貫穿裂縫，鋼纖維混凝土?xí)粡氐灼茐摹?/p>

對(duì)比兩種混凝土的抗折情況，在加載初期兩者沒(méi)有顯著差異，但達(dá)到峰值荷載時(shí)，普通混凝土因韌性不佳，出現(xiàn)很多裂縫，致使混凝土斷裂，從宏觀上看，普通混凝土的裂縫發(fā)展速度極快。而為進(jìn)一步確定兩種混凝土在抗折荷載作用下的性能差異，還可進(jìn)一步探究?jī)烧叩膹澢g性變化。如計(jì)算鋼纖維混凝土與普通混凝土的彎曲韌性指數(shù)與強(qiáng)度因子，再對(duì)比兩者的彎曲韌性得出結(jié)論，但這一方法過(guò)于注重混凝土的初裂撓度與荷載。另一種方法是通過(guò)計(jì)算荷載—撓度曲線(xiàn)包圍面積，確定混凝土斷裂能，再綜合評(píng)價(jià)兩者的彎曲韌性。這一方法的計(jì)算簡(jiǎn)單、誤差較小，但評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)單一[5]。因此，利用前面兩項(xiàng)技術(shù)對(duì)混凝土樣本進(jìn)行獨(dú)立研究，能夠更加精確和有效地評(píng)估鋼纖維混凝土的彎曲彈性的改變。換句話(huà)說(shuō)，相較于普通的混凝土，鋼纖維混凝土的彎曲彈性要好得多。這是由于在鋼纖維的影響下，混凝土的黏附力顯著增加，從而限制了其微小裂縫的擴(kuò)散，進(jìn)而提升了混凝土的彎曲彈性。

6 結(jié)論

總而言之，合理制備鋼纖維混凝土與普通混凝土，再對(duì)比分析兩者的工作力學(xué)性能差異，可以得出如下結(jié)論：首先，將鋼纖維摻入混凝土拌合物中可以產(chǎn)生“棚架”效應(yīng)，不僅能降低混凝土的塌落度，還能進(jìn)一步提高其擴(kuò)展度。其次，鋼纖維不會(huì)較大影響混凝土的抗壓強(qiáng)度，但可有效提高比例極限與延性系數(shù)，至于鋼纖維混凝土的抗變形能力也能顯著增強(qiáng)。最后，鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度以及斷裂能也遠(yuǎn)優(yōu)于普通混凝土，其彎曲韌性顯著增強(qiáng)。