钢纤维混凝土抗裂性能试验研究

丁 琳，刘厚晨，柳艳杰，洪皓飞，b

(黑龙江大学 a.建筑工程学院;b.水利电力学院，哈尔滨 150080)

钢纤维混凝土抗裂性能试验研究

丁 琳a，刘厚晨a，柳艳杰a，洪皓飞a，b

(黑龙江大学 a.建筑工程学院;b.水利电力学院，哈尔滨 150080)

钢纤维可用于提高传统水泥基建筑材料的强度和韧性。钢纤维掺量影响水泥基材料性能，研究最佳钢纤维掺量在水泥基中的作用具有重要意义。试验采用相同水胶比进行了5组不同钢纤维掺量(0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%)的混凝土3 d、7 d和28 d抗压强度及抗裂试验。试验研究结果表明，钢纤维掺量0.8%～1.2%的混凝土抗压强度增长幅度最大，钢纤维混凝土7 d和28 d的抗压强度变化规律相近；钢纤维的掺入提高了混凝土的抗裂性能，随着钢纤维掺量增加，试件单位面积的裂缝条数和开裂面积都显著减小。

钢纤维；混凝土；抗压强度；水胶比；抗裂性能

钢纤维混凝土是混凝土中掺入一定量的短钢纤维而形成可浇筑、可喷射成型的一种新型混凝土材料，其优点是性能比素混凝土优良，应用更加广泛。混凝土有抗拉强度低、韧性小、 可靠性差和开裂的裂缝宽度不易控制等缺陷，许多混凝土结构在使用过程中甚至施工过程中出现了许多不同程度、不同形式的裂缝。目前的相关成果表明，为了弥补混凝土的上述缺陷，最有效的方法是在混凝土中添加均匀分布的、密集的、长径比适宜的钢纤维[1]。钢纤维混凝土中不规则散布的钢纤维在混凝土对于非外部的微小裂缝起到一个阻碍效果[2-3]，阻止宏观裂缝的发生和衍化，增强了混凝土的抗拉强度、抗压强度和抗弯扭强度。钢纤维混凝土由于具有良好的性能，其在世界有广泛的应用，特别是土木和水利水电领域，像隧洞衬砌和护坡，路面、桥面和机场跑道，桥梁结构和铁路轨枕，水工建筑物，港口与海洋工程，建筑结构和制品以及耐火工程等[4]。

混凝土是一类非单相复合材料。其组成成分和内部结构的不同明显改变混凝土的宏观力学性能[5]。钢纤维掺入混凝土基后，混凝土的强度不但与这个要素有着密切的关联，还与水泥石、粗细骨料等成分混合强度以及钢纤维掺入后改变混凝土的性能有关[6-7]。钢纤维混凝土中钢纤维的合适掺量为0.4%～1.6%[8]。钢纤维混凝土在受荷的初期，混凝土和钢纤维共同作用，共同承担荷载[6]；当钢纤维混凝土开裂以后，钢纤维跨越裂缝避免了裂缝快速扩展，这充分保障了混凝土的抗拉性能[9]。钢纤维可提高混凝土的抗拉强度、抗弯强度及抗压强度，从而显著改善混凝土的抗裂性能、力学性能及韧性[10]，但是，钢纤维的掺入会降低混凝土的泵送性能。选择钢纤维增强混凝土时，应降低钢纤维对混凝土工作性能的影响[11]。

本试验针对不同掺量的钢纤维混凝土试块进行抗压强度及抗裂性能试验[13-14]，研究钢纤维混凝土的抗压性能，对不同钢纤维掺量混凝土对照分析，并在此基础上探讨不同龄期各钢纤维掺量混凝土的抗压强度变化规律，提出不同钢纤维掺量混凝土的抗压强度及抗裂性能增长的规律。

1 试验材料与方法

1.1 试验原材料及其性能

1)水泥：水泥为哈尔滨天鹅牌32.5复合硅酸盐水泥，其物理力学性能指标见表1。

表1 水泥的物理力学性能指标Table 1 Physical and mechanical properties of cement

2)细骨料：选用的细骨料为天然河砂，其物理力学性能见表2。由表2可见，砂的细度模数为2.79，属于中砂，满足高性能胶结材料和用砂的有关规范要求。

表2 砂试验结果Table 2 Test results of sand

3)粗骨料：新鲜的石灰岩碎石，针状片含量为6%，含水率为0.08%。粗骨料采用最大粒径为20 mm的碎石。

4)水。所用的拌合水来自哈尔滨市自来水公司。

5)高效减水剂(UNF)。黑龙江低温建筑科学研究所生产的粉状萘系高效减水剂，其中Na2SO4含量为2.8%。

6)钢纤维：建筑用波浪形剪切钢纤维，长度为30 mm，当量直径05 mm，长径比为60，抗拉强度为2 850 MPa，截面形状为矩形。

1.2 试验试件的配合比

本次试验总共分为5组，每组做9个试件。配合比为：水泥∶细骨料∶粗骨料∶水∶减水剂=1∶2.16∶1.17∶0.45∶0.01。其中，钢纤维掺量分别为0%，0.4%，0.8%，1.2%，1.6%。按设计配合比拌和混凝土，每个配合比浇筑9个试件。试件浇筑后，振捣密实、抹平，随即在表面覆盖塑料薄膜，保持环境温度(20±1) ℃，2 h后取下塑料膜，送入标准养护室养护。

1.3 强度测量

研究钢纤维掺量对钢纤维混凝土抗压强度的影响，分别对5组试件进行3 d，7 d，28 d龄期强度的测定。分别对3 d，7 d，28 d龄期的试件进行无侧限单轴压缩试验，每组试验有3个试件，取其平均值作为结果。如果每组试件测量的3个值，最大值或最小值与中间值之差超过中间值的15%时，取中间值作为该组试件的强度代表值，采用中间值作为混凝土的抗压强度。检验评定混凝土强度用的混凝土试件，其标准成型方法、标准养护条件及强度试验方法均应符合现行国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》的规定。

本文抗压强度试验是依据立方体试件(150 mm×150 mm×150 mm)测量。

2 试验分析

2.1 数据整理

分别进行无侧限单轴压缩试验，混凝土轴心抗压强度的计算公式为[8]:

fcp=P/A

(1)

式中fcp为混凝土轴心抗压强度，MPa；P为破坏荷载，N;A为试件承压面积，mm2。

通过对以上各组试件的抗压强度试验，得出的试验数据见表3。

2.2 数据分析

首先进行对照组试验，然后依次进行钢纤维掺量0.4%、0.8%、1.2%、1.6%的试验，在室内放置24 h后进行脱模，脱模完成后分别放在养护室养护3 d、7 d和28 d，并分批取出做3 d、7 d和28 d的抗压强度试验。通过试验数据分析画出的不同钢纤维掺量3 d、7 d和28 d的抗压强度折线分别见图1～图3。

表3 3 d，7 d，28 d龄期抗压强度值Table 3 Compressive strength of specimen for 3 d，7 d，28 d

由图1～图3可见，各个龄期抗压强度随着不同的钢纤维掺量的变化规律。在3 d龄期的折线图中，发现钢纤维掺量从0%到0.4%，混凝土抗压强度提高了1.9%；钢纤维掺量从0.4%到0.8%，混凝土抗压强度提高了3.9%；钢纤维掺量0.8%到1.2%，混凝土抗压强度提高了13.8%；钢纤维掺量从1.2%到1.6%，混凝土抗压强度提高了2.8%。7 d龄期折线图中，钢纤维掺量从0%到0.4%，混凝土抗压强度提高了10.5%；钢纤维掺量从0.4%到0.8%，混凝土抗压强度提高了3.0%；钢纤维掺量从0.8%到1.2%，混凝土抗压强度提高了10.3%；钢纤维掺量从1.2%到1.6%，混凝土抗压强度提高了2.3%。28 d龄期折线图中，钢纤维掺量从0%到0.4%，混凝土抗压强度提高了3.8%；钢纤维掺量从0.4%到0.8%，混凝土抗压强度提高了3.0%；钢纤维掺量从0.8%到1.2%，混凝土抗压强度提高了10.4%；钢纤维掺量从1.2%到1.6%，混凝土抗压强度提高了2.4%。钢纤维掺量0.8%～1.2%混凝土抗压强度增长幅度明显高于其他阶段，钢纤维掺量1.2%是最经济的，因为它的抗压强度提高速率最高。掺加钢纤维对于混凝土的抗压强度有所提高，但是增加幅度不高。在实际生产过程中，很少用掺加钢纤维来提高混凝土的抗压强度。

图1 3 d抗压强度Fig.1 Three days compressive strength

图2 7 d抗压强度Fig.2 Seven days compressive strength

图3 28 d抗压强度Fig.3 Twenty-eight days compressive strength

以不同龄期(d)为横坐标，混凝土抗压强度(MPa)为纵坐标，不同钢纤维掺量混凝土所对应龄期的抗压强度见图4。

由图4可见，素混凝土从3 d到7 d阶段，混凝土抗压强度提高9.8%；钢纤维掺量0.4%、0.8%、1.2%和1.6%，对应的钢纤维混凝土抗压强度提高19%、18%、14.4%和13.8%；而从7 d到28 d，钢纤维掺量0%、0.4%、0.8%、1.2%和1.6%的混凝土抗压强度分别提高2.3%、1.4%、1.4%、1.4%和1.6%。得出钢纤维混凝土抗压强度的增长规律与素混凝土抗压强度的增长规律是相似的，钢纤维混凝土的抗压强度是早期增长快而后期增长慢。另外，钢纤维混凝土7 d和28 d所对应的抗压强度是比较接近的。

钢纤维混凝土抗裂试验结果见表4。由表4可见，随着钢纤维体积掺量增加，混凝土抗裂试件的裂缝条数和开裂面积逐渐降低。钢纤维掺量从0%～0.4%，试件的开裂面积降低了 57.2%。钢纤维掺量为1.6%时，试件开裂面积降为112 mm2，与基准配比试件相比降低了83.2%。

图4 不同钢纤维掺量对应龄期的抗压强度图Fig.4 Compressive strength of different steel fiber content corresponding to age

表4 钢纤维混凝土抗裂试验结果Table 4 Result of cracking resistance

钢纤维掺量在混凝土中体积率很小，但是掺入的钢纤维在混凝土基体中均匀分布并形成三维空间网状结构，增加了与混凝土的接触面积，能够有效阻止混凝土的开裂。当混凝土内部应力超出钢纤维所能承受的变形时，混凝土基体出现裂缝，由于裂缝处的钢纤维的桥接作用，阻止了裂缝进一步扩张，进而增强了混凝土的韧性，提高了抗疲劳开裂性能。钢纤维发挥了其抗裂阻裂作用。从微观层面分析，当混凝土在受到外力作用时，粗细骨料产生移动趋势或位移，钢纤维的存在有效阻止了位移，并将应力传递到相邻骨料颗粒，降低了裂缝产生。

3 结 论

本试验分别对钢纤维掺量0%、0.4%、0.8%、1.2%和1.6%的钢纤维混凝土试件进行室内养护并进行了对应的无侧限单轴压缩试验，分析了不同钢纤维掺量对混凝土抗压强度的影响，得出结论：

1)在钢纤维混凝土中，钢纤维掺量0.8%～1.2%混凝土抗压强度增长幅度最高，说明钢纤维混凝土中钢纤维掺量为1.2%在实际生产中是最经济的。

2)在混凝土中掺加钢纤维对于混凝土的抗压强度有所提高，但是增加幅度不高。

3)钢纤维混凝土的抗压强度早期增长快而后期增长慢，这与素混凝土相类似。

4)相比于素混凝土7 d和28 d的抗压强度，钢纤维混凝土7 d和28 d所对应的抗压强度更加接近。

5)钢纤维的掺入显著提高了混凝土的抗裂性能，随着钢纤维体积掺量的增加，抗裂试件单位面积的裂缝条数和开裂面积都逐渐减小，混凝土的抗裂性能均逐渐增强。

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Cracking resistance of steel fiber concrete

DING Lina， LIU Hou-Chena， LIU Yan-Jiea，HONG Hao-Feia，b

(HeilongjiangUniversitya.CollegeofCivilEngineering;b.CollegeofHydraulicandElectricPower，Harbin150080，China)

Steel fiber can be used to improve the strength and bendiness of traditional cement-based building materials.The addition of steel fiber may influence the properties of the cement-based material.It is important to study the influence of the optimum amount of steel fiber in cement base.The compressive strength of concrete， 3 d， 7 d and 28 d of 5 groups of different steel fiber content (0%， 0.4%， 0.8%， 1.2%，1.6%) and cracking resistance with the same water/cement proportion were tested. The results show that the compressive strenth of concrete stage of the growth rate is the highest that steel fiber concrete with steel fiber content is from 0.8% to 1.2%， and the compressive strength of steel fiber reinforced concrete 7 d and 28 d is similar.The addition of steel fibers enhanced the cracking resistance of the concrete. With the increasing of steel fiber， the cracking number in the unit area and cracking area of the specimens decrease gradually.

steel fiber; concrete; compressive strength; water/cement proportion；cracking resistance

10.13524/j.2095-008x.2017.03.032

TU528.572

A

2095-008X(2017)03-0001-05

2017-07-17

清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室开放基金资助项目(sklhse-2017-B-01);国家级大学生创新创业训练计划项目(2016102127247)

丁 琳(1962-)，男，黑龙江密山人，教授，博士，博士研究生导师，研究方向：高性能混凝土及冻土工程，E-mail:1984056@hlju.edu.cn。