钢纤维水泥砂浆力学行为研究

李 政 宋晓明

(1.南京金海设计工程有限公司，江苏 南京 210000；2.同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，中国 上海 201804)

0 引言

钢纤维水泥基材料 (Steel Fiber Reinforced Cement-based Composites)由水泥、粗细集料和钢纤维组成。乱向分布的钢纤维能有效的阻滞裂缝扩展，显著提高基体的抗拉强度、抗弯强度、抗冲击耐磨性，并能改善韧性[1-2]。钢纤维的主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的出现和发展，对抗拉强度和由主拉应力控制的抗剪、抗弯强度有明显的改善作用[3-4]。传统的纤维增韧水泥基材料不加考虑构件受力情况，直接将纤维乱向均匀分布在构件内部中，结果在高拉应力区域内的纤维被拔出或拉断时低拉应力区域内的纤维还未发挥出全部能量而造成材料的浪费[5-6]。因此，根据水泥基材料构件的受力情况，采取适宜的工艺使纤维主要分布在水泥基材料主要受拉区域，可以达到既保证其经济性又能充分发挥纤维增强增韧优势的目的。本文将钢纤维分布在砂浆梁中和轴以下受拉区域内，研究局部铺设增韧钢纤维砂浆的力学性能。

1 层布钢纤维增强增韧方法

上下层布式钢纤维混凝土是在浇注混凝土时，在距混凝土的上下表层约20mm的面内人工均匀撒布一定体积率的钢纤维。而中间仍为素混凝土的一种新型复合路面材料。这种结构形式的混凝土避免了钢纤维结团现象，可以提高混凝土的劈裂抗拉强度，弯拉强度，初裂强度，弯曲韧性，增强混凝土断裂的薄弱环节。为了充分发挥钢纤维对混凝土的增强增韧作用，纤维的抗拉强度必须要与混凝土基体强度相适应，越高的基体强度则要求掺入越高抗拉强度的钢纤维。这种结构形式的混凝土性能与整体式钢纤维混凝土力学性能相近，工程造价大幅降低，施工简便，具有良好的社会经济效益和推广应用前景[7]。

2 原材料与试验方法

2.1 试验原材料

本实验所用水泥为海螺P·O 42.5水泥，各项指标皆符合实验要求；水为清洁自来水；砂为河砂，细度模数为2.5，级配连续、良好；硅灰由Elken公司提供；外加剂是上海花王萘系中高效减水剂；钢纤维采用上海贝尔卡特生产的OL13/.20型钢纤维，长度：13mm；直径：0.20mm；长径比：65；弹性模量：210GPa；抗拉强度：2600MPa；密度：7.8g/cm3。

2.2 试验方法

三组钢纤维水泥砂浆水灰比分别为0.25、0.35和0.45， 胶砂比为0.667，硅灰掺量为胶凝材料总量的10%。钢纤维局部掺入即把砂浆试块在高度方向等分，将纤维掺加在下层砂浆中，其体积掺量从0.5%～2.0%，以0.5%为单位增加；同时，每组水胶比都会有一组素水泥砂浆作为对比控制组。钢纤维砂浆试件采用机械拌和以及人工用铲刀辅助拌和，以避免出现钢纤维结团现象。在成型局部掺入钢纤维的砂浆试件时，试料分2次入模，同时搅拌2组砂浆，1组为不加纤维的素水泥砂浆，1组为同样配合比但掺加钢纤维的砂浆，搅拌均匀后，在试模底部约20mm厚的一层加入拌有钢纤维的砂浆，上层掺入素水泥砂浆。钢纤维砂浆试件的尺寸为40mm×40mm×160mm。成型完成后1天后脱模，放入养护室中进行水养护28天，保证温度控制在20℃左右，相对湿度控制在95%左右。抗弯韧性采用三点弯曲试验进行测试。测试设备为MTS万能试验机，控制模式为等位移加载，试验荷载由压力传感器测试，挠度由位于试件跨中的引伸计测定，试件龄期为28天，每组测定3个试件。

3 试验结果与分析

通过三点弯曲试验，测出用OL13/.20钢纤维对砂浆进行局部铺设增韧的荷载-挠度曲线。由实验测出的荷载-挠度曲线，可以得出其极限抗弯荷载和钢纤维砂浆荷载-挠度曲线在特定挠度下的面积，并进一步计算出OL13/.20钢纤维水泥砂浆在相应的水胶比下不同体积掺量时的抗弯强度和韧性指数，见表1。

表1 钢纤维水泥砂浆的力学性能

通过表 1 中的抗弯强度数据，可以很明显的看出，0.25，0.35，0.45任意一组恒定水胶比下，抗弯强度随着钢纤维体积掺量的增加而增大。表1数据明确的说明：虽然钢纤维的分布方式改变了，钢纤维数量在试件承载的过程中对于抗弯强度的提高仍然发挥重要作用。计算荷载-挠度曲线与坐标轴之间在特定挠度0mm～2.89mm下包围的面积，根据韧性指数与前者的比例关系换算出韧性指数用来评价钢纤维砂浆的平均抗弯强度。在同一水胶比下，钢纤维砂浆韧性指数随体积掺量的增加而增大。对于水胶比0.25时，体积掺量从1.5%增大到2.0%时，韧性指数仅仅增加3.9%；水胶比0.45时，体积掺量从1.0%增大到1.5%时，韧性指数仅仅增加6.7%，这可能是纤维分布的不均匀性导致的。采用局部铺设增韧时，由于纤维主要分布在砂浆梁中和轴以下（砂浆试件约一半厚度20mm下的底部），当体积掺量每提升0.5%，纤维分布区域内的相对体积掺量提高了1.0%，钢纤维的数量优势进一步得到发挥。

根据表1中数据，可以说明水胶比OL13/.20局部铺设增韧钢纤维砂浆力学性能的影响。从试验数据可以很明显的看出，整体上随水胶比增大，其抗弯强度降低。但在体积掺量为0.5%时，0.35水胶比的OL13/.20局部铺设增韧钢纤维砂浆其抗弯强度是0.45水胶比的局部铺设增韧钢纤维砂浆抗弯强度的1.03倍；体积掺量为1.0%时，OL13/.20局部铺设增韧钢纤维砂浆在水胶比0.25和0.35下的抗弯强度持平，对此解释为在低掺量下，单位横截面的钢纤维根数较少，其分布相对于高掺量的钢纤维砂浆更不均匀，因而可能在荷载达到极限荷载之前裂缝的扩展阶段，断裂面上的钢纤维数量不足[8]。对于OL13/.20局部铺设增韧钢纤维砂浆韧性指数随水胶比减小而增大，这与整体掺入钢纤维时，水胶比对韧性指数的影响趋势是相同的，所以在某些工程应用中，如果要掺入钢纤维来提高工程构件的韧性，在控制钢纤维体积掺量的前提下应该优先选择水胶比较小的水泥基材料，所以可以在保证工程构件达到质量要求，同时又节约了成本。

4 结论

恒定水胶比下，局部铺设钢纤维砂浆抗弯强度随着钢纤维体积掺量的增加而增大；钢纤维砂浆韧性指数随体积掺量的增加而增大。采用局部铺设增韧时，由于纤维主要分布在砂浆梁中和轴以下，当体积掺量每提升0.5%，纤维分布区域内的相对体积掺量提高了1.0%，钢纤维的数量优势进一步得到发挥。局部铺设增韧钢纤维砂浆抗弯强度随水胶比增大而降低；韧性指数随水胶比增大而减小。

［1］J.P.Romualdi，Mandel JA.Tensile strength of concrete affected by uniformly distributed and closely spaced short lengths of wire reinforcement[J].ACI Journal Proceedings，1964，Vol.6 l（6）：657-671.

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［3］赵顺波，赵国藩，黄承逵.钢筋钢纤维混凝土无腹筋梁的剪切尺寸效应[J].华北水利水电学院学报，1997，Vol.18 （2）：7-12.

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［5］王佶，李成江，徐志红，等.层布式钢纤维混凝土的抗折强度的影响因素分析[J].广西大学学报：自然科学版，2005，Vol.30（4）：283-287.

［6］袁海庆，陈景涛，朱继东.层布式钢纤维-聚丙烯腈纤维混凝土力学性能试验研究[J].武汉理工大学学报，2003，Vol.25（4）：31-34.

［7］程泽和.层布式钢纤维混凝土力学性能分析[J].国外建材科技，2005，Vol.26（6）：30-32.

［8］J.P.Romualdi.The Structure of Concrete，AE Brooks and K.Newman(eds)，Proc.Int.Conf[J].London：Cement and Concrete Association，1965：190-201.