不同类型钢纤维混凝土力学性能室内试验分析

2015-12-21姬小祥邵景干

水利与建筑工程学报 2015年5期

姬小祥，张帆，邵景干

(1.河南交院公路工程技术有限公司，河南郑州451460;2.福建省高速公路达通检测有限公司，福建福州350000;3.河南交通职业技术学院，河南郑州451460)

钢纤维混凝土是由细骨料、粗骨料、水泥以及乱向分布的钢纤维组成的一种多相非均质复合材料，由于钢纤维的阻裂、增强效应，使得钢纤维混凝土的抗拉、抗剪、抗扭等性能得到大幅度提高[1－3]。国内外的学者对钢纤维混凝土的力学性能已进行了一定程度的研究，并取得了不少的研究成果。罗章等[4－5]人采用改进的材料试验机对钢纤维体积掺量为1%～4%的钢纤维混凝土梁进行了弯曲和劈拉试验，结果表明钢纤维混凝土的抗拉强度与钢纤维的体积掺量大致成线性关系;郝维钫、王仁龙等[6－9]人认为不同类型的纤维，对纤维混凝土的增韧机理不同，产生的增韧效果也有差异，长径比越大对钢纤维混凝土的增韧效果越明显。国内外的研究主要集中在钢纤维混凝土的力学性能及微观机理的分析上，而对不同种类钢纤维所浇筑的混凝土的性能研究较少。

某高速公路工程全长106 km，其桥面后浇带采用钢纤维混凝土浇筑的形式，混凝土强度等级要求达到C50以上。依托高速公路实际工程，对不同类型的钢纤维混凝土的坍落度、密度、力学强度等指标进行室内试验分析与对比，以期为实际工程提供指导，并为类似工程提供一定的借鉴。

1 原材料性质

(1)水泥选用坚固P·O 52.5水泥，其主要性能指标见表1。

(2)粉煤灰主要选用洛阳热电厂生产的Ⅰ级和Ⅱ级粉煤灰，主要性能指标见表2。

(3)粗集料采用偃师碎石5 mm～10 mm，10 mm～20 mm连续级配的石灰岩碎石，其主要性能指标见表3。

表1 水泥性能指标

表2 洛阳热电厂粉煤灰性能指标

表3 偃师碎石主要性能指标

(4)细骨料选用宜阳天然河砂，其主要性能指标见表4。

(5)外加剂采用的是HSP－GJS聚羧酸高性能减水剂，其匀质性能指标见表5。

表4 宜阳天然河砂主要性能指标

表5 聚羧酸高性能减水剂匀质性指标

2 钢纤维混凝土配合比的确定

2.1 钢纤维混凝土配合比设计原则

按照《普通混凝土配合比设计规程》[10](JGJ 55－2011)、《纤维混凝土应用技术规程》[11](JGJ/T221－2010)和《纤维混凝土结构技术规程》[12](CECS38－2004)的相关技术要求，并根据现场实际的需求，得出钢纤维混凝土配合比设计要求:

(1)钢纤维混凝土水胶比为0.28～0.32，砂率为41% ～45%;

(2)钢纤维长径比 lf/df=50～70，纤维体积掺量宜为0.5% ～2.0%，钢纤维表面需有防腐涂层，可采用铣削、端钩、压痕等类型的钢纤维，钢纤维抗拉强度应达到600 MPa以上;

(3)若钢纤维混凝土为新拌制的，则其坍落度应大于120 mm;

(4)水泥型号应尽可能采用强度高、抗磨损性好，干缩性能及抗冻性均较好的普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥，以保证混凝土的力学性能;

(5)砂子的细度模数应保证2.6＜μ＜3.0，要求颗粒坚硬耐磨、级配良好、表面粗糙有棱角;石子不宜采用石灰岩碎石，最大粒径不宜大于20 mm和钢纤维长度的1/2;

(6)减水剂宜采用聚羧酸高性能减水剂，掺量为胶凝材料用量的0.5% ～1.5%;

(7)各种原材料除满足上述要求外，还应满足相关规范、规程和标准的要求。

而根据《普通混凝土配合比设计规程》[10](JGJ 55 －2011)和《纤维混凝土应用技术规程》[11](JGJ/T221－2010)要求，得出钢纤维混凝土配合比设计要求如下:

(1)钢纤维混凝土水胶比为 0.30，砂率为43%，减水剂掺量为1.2% ～1.5%;

(2)掺入混凝土中的钢纤维规格为:直径0.75 mm，长 40 mm，体积掺量为 0.8%;

(3)若钢纤维混凝土为新拌制的，则其坍落度应在100 mm～120 mm之间;

(4)砂子的细度模数应保证2.6＜μ＜2.8，碎石粒径在5 mm～20 mm之间。

2.2 钢纤维掺量的确定

纤维临界体积率是混凝土破坏形式的突变点:当纤维掺量小于纤维临界体积率时，基体开裂后，纤维不能承担基体开裂而转移的荷载，会在基体开裂后破坏混凝土的结构形式;当纤维掺量大于纤维临界体积率时，当基体开裂后，纤维能承担基体转移的荷载，甚至使承载能力提高一定的幅度[13－17]。

文献[18]给出了乱向非连续纤维复合材料的纤维临界体积率公式，并根据经验对纤维的掺量进行确定[18]:

式中:fmu为纤维混凝土基体极限抗拉强度，MPa;ffu为纤维的极限抗拉强度，MPa;εmu为纤维混凝土基体极限抗拉应变;ηf为纤维的方向有效系数;Ef为纤维的弹性模量，GPa。

对于一般的 C50混凝土而言:fmu=4.11 MPa，εmu=100 ×10－6;对于钢纤维来说，ffu=1 450 MPa，Ef=210 GPa;ηf=0.5，代入式(1)中计算得钢纤维的临界体积率为0.57%。在参阅大量资料和试验数据的基础上，考虑到现场的施工成本、混凝土设计要求等的影响，最终确定钢纤维的体积掺量均为0.6%。

2.3 钢纤维混凝土配合比方案

钢纤维混凝土配合比方案中选用铣削型、端钩型、压痕型三种钢纤维形状，如图1所示。依托某高速公路现场施工路段，该现场施工中的桥面混凝土强度等级为C50，且混凝土的3 d抗压强度须达到设计强度的50%以上，根据钢纤维混凝土配合比设计基本原则及钢纤维混凝土配合比的设计要求，配合比方案参数设计见表6。

表6 钢纤维混凝土配合比单位:kg/m3

图1 不同类型钢纤维形貌

3 室内试验结果分析

3.1 钢纤维混凝土的工作性能

分别对端钩型、铣削型、压痕型三种形状的钢纤维混凝土的工作性能(坍落度、坍落拓展度、抗离析指标、密度和30 min坍落度损失)进行室内试验，依照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[19](GB/T 50080－2002)和《Specification and Guidelines for Self－Compacting Concrete》[20]的有关规定对相关的工作性能指标进行测试，试验结果见表7。

表7 钢纤维混凝土试验结果

由表7中的试验结果可以看出，铣削型、端钩型、压痕型的钢纤维混凝土的坍落度分别为190 mm、175 mm、175 mm，均在 175 mm 以上，表明其流动性较同强度等级的普通混凝土有一定的损失。三种结构形式的混凝土抗离析指标分别为10.4%、9.8%、11.7%，能够满足欧洲规范《Specification and Guidelines for Self－ Compacting Concrete》[20]中不超过15%的要求;三种结构形式的钢纤维混凝土30min坍落度损失均在4%以内，完全能够满足现场的施工需要。

3.2 钢纤维混凝土的力学强度

分别对端钩型、铣削型、压痕型三种形状的钢纤维混凝土在不同龄期(3 d、7 d、28 d)的抗压强度和劈裂抗拉强度进行室内试验，试验结果如图2所示。

图2 钢纤维混凝土的力学强度

从图2(a)中可以看出，钢纤维混凝土的抗压强度在3 d的时候，三种钢纤维混凝土的强度均在50 MPa以上，已经达到了设计强度的限值;7 d后抗压强度均在60 MPa以上，完全能够满足混凝土强度设计要求，其中3 d～7 d的混凝土强度增长幅度平均为21%，7 d～28 d的平均增长幅度8%，三种结构形式钢纤维混凝土28 d的抗压强度差别不大。从图2(b)中可以看出，劈裂抗拉强度在第3 d时为4.5 MPa左右，3 d～7 d增幅为 48%，7 d～28 d的增幅为22%，其中28 d时，铣削型比端钩型和压痕型的劈裂抗拉强度都大。

混凝土的韧性常以劈裂抗拉强度与抗压强度的比值(拉压比)来衡量，拉压比越大，表明混凝土的韧性越好，三种不同形状的钢纤维混凝土的拉压比如图2(c)所示。随龄期增长，拉压比也逐渐上升，7 d和28 d时的拉压比均是铣削型的最大，表明铣削型形状的钢纤维混凝土韧性最好。普通混凝土的拉压比一般在5%～8%范围内，三种形状的钢纤维混凝土拉压比分别为 13.03%、12.16%、11.28%，均高于普通混凝土，表明钢纤维能较好地改善混凝土的韧性性能。