镀铜钢纤维高强混凝土力学性能静力试验研究

李　季，石少卿，汪　敏，王　诚

(后勤工程学院 军事土木工程系，重庆　401311)



镀铜钢纤维高强混凝土力学性能静力试验研究

李季，石少卿，汪敏，王诚

(后勤工程学院 军事土木工程系，重庆401311)

摘要：在高强混凝土中分别掺加0.5%、1.0%、1.5%的镀铜钢纤维，通过试验研究不同掺量条件下，镀铜钢纤维对高强混凝土破坏形态的改善作用及对抗压强度、抗折强度等基本力学性能的影响规律；研究表明：镀铜钢纤维的加入有效地改善了混凝土在高荷载下的脆性破坏特征，提高了塑性变形能力；随着钢纤维掺量的增加，抗压强度及抗折强度均得到提高，抗压强度的提高幅度更为显著；为了分析钢纤维掺量更大条件下高强混凝土抗压及抗折强度的变化趋势，分别建立了抗压及抗折强度的预测公式，发现预测值与试验值吻合较好。

关键词：镀铜钢纤维；高强混凝土；抗压强度；抗折强度；折压比

高强混凝土具有密度大、抗压强度高、抗变形能力强等特点，在构件及结构中得到广泛的应用并取得了良好的效果。随着混凝土强度等级的不断提高，其脆性性能愈发明显，在承受极限荷载时，呈现出突发式的爆裂破坏[1]。为了使高强混凝土得到进一步的推广应用，在混凝土中添加钢纤维，从而提高混凝土自身的强度、韧性和抗裂性能，明显改善混凝土的脆性。孔成辉等[2]制备出强度超过100 MPa的钢纤维混凝土，研究了钢纤维对超强混凝土的脆性改善性能，发现随钢纤维掺量的增加，混凝土的弹性模量有所降低，但抗劈拉强度明显提高。陈刚等[3-4]对比研究了基体强度和钢纤维掺量对混凝土力学性能的影响，结果表明，钢纤维掺量的增大，试件的破坏特征得到改善，抗折、抗劈拉强度显著提高。Atis等[5-7]在超高强混凝土中掺入粉煤灰及钢纤维，通过力学实验结果表明，粉煤灰的微集料效应、活性效应及钢纤维的增强增韧效应提高了超高强混凝土的抗压强度、改善了其脆性性能。Nicola等[8-10]研究了钢纤维及合成纤维混凝土在弯曲下的力学性能，分析了混凝土开裂后的行为。

镀铜钢纤维是一种高强度、高弹性模量的钢纤维[11]，属于良好的亲水性材料，表面能够附着游离水，容易与混凝土浆体紧密结合，形成较高的粘结强度。在混凝土中加入镀铜钢纤维后，搅拌不容易出现结团的现象，钢纤维能够均匀地分散在浆体中，使成型的混凝土具有良好的强度和韧性。

1试验基本概况

1.1镀铜钢纤维与传统钢纤维的优势对比

文献[12]对不同类型钢纤维混凝土在同种掺量条件下的力学性能进行了对比试验。试验数据见表1。通过数据，可以得出结论：镀铜钢纤维混凝土的立方体抗压强度值大于其他类型钢纤维混凝土，镀铜钢纤维在混凝土受力过程中发挥了更强的抗拉、抗拔性能；镀铜钢纤维混凝土的平均位移量最大，表明掺加镀铜钢纤维更有利于提高混凝土的吸能耗能能力。因此，本次试验选用镀铜钢纤维是可行的。

1.2试件配合比与制备

本试验配合比中混凝土用水量、粗细骨料用量、水泥及胶凝材料用量之间的比例保持不变，仅有镀铜钢纤维掺量和减水剂用量为变化参数。当钢纤维掺量增大时，需要提高减水剂的用量来保持混凝土良好的流动性能[13]。具体配合比见表2。

表1　不同类型钢纤维混凝土力学性能对比试验

表2　镀铜钢纤维高强混凝土配合比

抗压强度测试采用150 mm×150 mm×150 mm立方体试件，抗折强度测试采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件。按照表2中的配合比，利用小型混凝土搅拌机对不同钢纤维掺量的试件进行制备。首先将称量好的粗细骨料加入并搅拌1 min；待骨料搅拌均匀后，同时加入水泥、粉煤灰、硅灰并搅拌2 min停止；开启搅拌机同时缓慢地将镀铜钢纤维加入，使得钢纤维能均匀地混合在混凝土拌合物中，避免出现纤维结团的现象，持续时间宜为2～3 min；将减水剂融入水中，缓慢均匀地倒入正在进行搅拌的搅拌机，同时观察混凝土是否搅拌充分；待搅拌完毕后，将混凝土浆体浇筑入相应的试件模具中，并放置于振动台上振动1 min至浆体密实；最后用抹刀将模具表面磨平并标号，在一定条件下养护28 d成型[14]。

1.3加载设备与方法

立方体抗压强度试验使用极限压力为2 000 kN的万能压力试验机，试验采用连续加载，加载速度为0.5 MPa/s；抗折强度试验使用极限压力为200 kN的万能压力试验机，同时需要在试验机上安置标准的4点加载设备，试验采用连续加载，加载速度为0.2 MPa/s。

2静力试验结果分析

2.1试件试验结果

试验中对4组共12个100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件进行了抗压试验，通过计算，每组试件的最大值或最小值与中间值的差值均未超过中间值的15%，具体见表3。表明每组试验值是有效可靠的，每组试件测值的算术平均值作为该组试件的强度值。对4组共12个100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件进行了抗折试验，各组试件的断裂面均在集中加载点之间，表明每组试验值是有效可靠的，具体结果见表4，每组试件测值的算术平均值作为该组试件的强度值。

表3　试验试件抗压强度值

表4　试验试件抗折极限荷载值

2.2立方体抗压强度

通过对试验现象的分析发现，未掺加镀铜钢纤维的高强混凝土在受压阶段能够发挥其高强的能力，承受较大荷载，但是裂缝开展路径较为单一。当达到极限荷载时，发生爆裂式破坏，并伴有强烈的崩碎声，试块破坏后为倒锥形，呈现出明显的脆性特征，如图1(a)所示；掺加镀铜钢纤维的高强混凝土具有较多的裂缝开展路径。当加压荷载增大时，连接于裂缝之间的钢纤维通过较强的抗拉韧性阻止裂缝的进一步发展，并伴随着纤维被拔出的“丝丝”声。在达到极限荷载时，混凝土试块能够保持原有的立方体形状，具有较强的塑性特征，如图1(b)所示。试验表明：钢纤维的加入能够改善高强混凝土的脆性性能，提高其抗压韧性。

试验处理结果如图2所示。当纤维掺量为0%时，混凝土强度达到了73.6 MPa，满足本次试验对混凝土基本强度的要求。在基体强度的基础上，随着纤维掺量的增加，抗压强度不断提高，分别为89.9 MPa、96.2 MPa、100.5 MPa。各掺量的混凝土强度提高幅度值分别为22.2%、30.7%、36.5%。通过试验数据发现，随着镀铜钢纤维掺量的提高，高强混凝土抗压强度成正比提高，但是提高幅度有所减缓。分析原因在于，钢纤维掺量的加入能增强高强混凝土的塑性，提高其抗压强度。随着纤维量的增多，能够使混凝土的抗压强度得到显著改善，但是较多的钢纤维使得混凝土在制备过程中出现搅拌不均匀、结团等现象，导致立方体试块各部位的承压能力不一致，因此高强混凝土抗压强度提高幅度下降。

图1　镀铜钢纤维高强混凝土抗压破坏形态对比

图2　镀铜钢纤维高强混凝土抗压强度值

为了更为方便地研究钢纤维高强混凝土，提出了一个基于镀铜钢纤维掺量Vf及对应抗压强度fC的抗压强度预测公式：

为了得到预测模型方程相应的系数值，通过试验所得数据，进行了二次曲线拟合，得到：

通过计算，得到了立方体抗压强度的预测值，与试验值相比较，两者的误差范围在±1.4%之间，吻合较好，具体见表5。表明上述抗压强度预测公式是可行的。

表5　立方体抗压强度试验值与预估值比较

2.3抗折强度

如图3(a)所示，镀铜钢纤维掺量为0%的高强混凝土在承受极限受弯荷载时，裂缝从中线部位迅速开展，并沿开裂段断裂为两块。同时观察其荷载位移曲线发现，随着极限破坏的发生，荷载急剧下降，呈现出明显的脆性破坏特征。图3(b)、(c)、(d)所示，镀铜钢纤维掺量分别为0.5%、1.0%、1.5%的高强混凝土在发生极限破坏时，荷载缓慢下降，裂缝沿中部开展，由于钢纤维连接于裂缝间起到了阻裂拉拔作用，试块均具有延性破坏特征。随着镀铜钢纤维掺量的增加，破坏裂缝越小，单位裂缝长度上的钢纤维数量越多。

图3　不同掺量镀铜钢纤维高强混凝土抗折破坏形态

根据GB50081—2002要求，若进行抗折试验的试件破坏后，断裂位置处于两个集中荷载之间。则抗折强度的计算按照如下公式：

fT为混凝土的抗折强度；f为破坏荷载；L为支座间跨度；B为试件截面高度；H为试件截面宽度。

根据试验测得的破坏荷载以及上述公式的计算，得到掺量0%、0.5%、1.0%、1.5%的高强混凝土对应的抗折强度分别为9.1 MPa、9.3 MPa、9.7 MPa、10.4 MPa，如图4所示。掺加钢纤维的高强混凝土抗折强度提高幅度值分别为2.2%、6.6%、14.3%。通过试验发现，镀铜钢纤维的加入能够提高混凝土的抗折强度，提高幅度随着钢纤维的提高而增大。但是与抗压强度相比，抗折强度的提高不显著。

图4　镀铜钢纤维高强混凝土抗折强度值

同样，为了能够分析掺量更大条件下高强混凝土抗折强度的变化趋势，提出了一个基于镀铜钢纤维掺量Vf及对应抗折强度fT的抗折强度预测公式：

通过与抗压强度预测公式系数求解相同的办法，确定了如下的预测公式：

利用公式以及每一种掺量值，得到了相应掺量条件下抗折强度预测值，并通过与试验值的比较发现，两者的误差在±0.22%的范围，具体见表6。表明抗折强度预测公式是可行的。

表6　抗折强度试验值与预估值比较

2.4折压比

混凝土折压比即为混凝土抗折强度与其抗压强度的比值，其值的大小变化反应了两种强度增减幅度的差异。本次试验所反应的折压比比值见表7。

表7　镀铜钢纤维混凝土抗折强度与抗压强度的比值

如图5所示，当加入镀铜钢纤维后，折压比值急剧下降。表明钢纤维的加入对高强混凝土抗压强度的提高有着显著贡献，抗折强度得到了提高，但是其提高幅度小于抗压强度。而后随着钢纤维掺量的提高，折压比值基本保持不变。表明不同等级的钢纤维掺量，对抗压强度和抗折强度的影响程度是基本一致的。

图5　镀铜钢纤维掺量与折压比的关系

3镀铜钢纤维作用效应机理分析

镀铜钢纤维的使用改善了高强混凝土脆性破坏的特征，提高了抗塑性变形的能力。镀铜钢纤维较其他钢纤维，具有更强的抗拉强度、更高的弹性模量。在制备过程中，具有良好的亲水性，能够均匀紧密地与混凝土浆体结合在一起，形成较高的粘结强度。在受力过程中，基体与纤维共同作用，形成统一的受力整体。当骨料、砂浆之间的粘结面因受力而破坏时，连接于裂缝之间的钢纤维因其与基体良好的锚固关系，起到了阻裂、耗能的作用，使得混凝土能够保持基本力学形态，继续承受压力。

镀铜钢纤维的掺量等级不同也对高强混凝土的力学性能产生了重要影响。当掺量提高时，单位体积混凝土的钢纤维数量相应地提高，能够形成更加密实的三维网状受力体系。在受力破坏时，产生同样宽度与形态的裂缝，需要消耗更大的能量。

4结论

1)镀铜钢纤维的抗拔、阻裂效应有效地改善了混凝土在高荷载下的脆性破坏特征，提高了抗塑性变形能力。随着钢纤维掺量的增加，混凝土抗压强度显著提高，提高幅度范围为22.2%～36.5%；抗折强度也得到提高，提高幅度范围为2.2%～14.3%；

2)本文分别提出了基于镀铜钢纤维掺量Vf的抗压强度和抗折强度预测公式，预测值与试验值吻合较好，误差分别在±1.4%及±0.25%。表明两种预测公式是可信的，并可预测镀铜钢纤维掺量更大的高强混凝土的力学性能值；

3)掺入钢纤维后，折压比随着钢纤维掺量的增加而基本不变。表明不同量的钢纤维掺入，对抗压和抗折强度的贡献是一致的。同时，未掺入钢纤维时的折压比要大于掺入钢纤维后的折压比，表明钢纤维的加入，对抗压强度的提高幅度大于对抗折强度的提高幅度。

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(责任编辑杨继森)

本文引用格式：李季，石少卿，汪敏，等.镀铜钢纤维高强混凝土力学性能静力试验研究[J].兵器装备工程学报，2016(5):153-157.

Citation format:LI Ji,SHI Shao-qing,WANG Min,et al.Static Test Study on Mechanical Properties of Copper Coated Steel Fiber Reinforced High Strength Concrete[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):153-157.

Static Test Study on Mechanical Properties of Copper Coated Steel Fiber Reinforced High Strength Concrete

LI Ji,SHI Shao-qing,WANG Min,WANG Cheng

(Department of Civil Engineering,Logistic Engineering University,Chongqing 401311,China)

Abstract:In high strength concrete,0.5%,1%and 1.5%of copper coated steel fiber were added respectively.The effect of copper coated steel fiber on the failure mode of high strength concrete and its influence on the compressive strength and flexural strength were studied.The research shows that: the addition of steel fiber can change the brittle failure characteristics of concrete under high load and improve the plastic deformation ability.With the increase of steel fiber content,the compressive strength and flexural strength are improved,but the increase of compressive strength is more significant.At the same time,in order to analyze the change trend of the high strength concrete under the condition of higher addition of steel fiber,the prediction formula of the compressive strength and flexural strength were established respectively.The predicted values are in good agreement with the test values.

Key words:copper coated steel fiber; high strength concrete; compressive strength; flexural strength; ratio of flexural and compressive

doi:【基础理论与应用研究】10.11809/scbgxb2016.05.036

收稿日期：2015-09-26；修回日期：2015-11-02

基金项目：国家科技支撑计划项目(2012BAK05B00)

作者简介：李季(1991—)，男，硕士研究生，主要从事土木工程结构研究。

中图分类号：TU528.572

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)05-0153-05