钢纤维增强混凝土的制备及力学性能研究*

郭光玲

(陕西理工大学 土木工程与建筑学院，陕西 汉中 723000)

0 引 言

混凝土是由凝胶材料、骨料和水按适当比例配置，经过一定时间硬化而成的复合材料，其具有可塑性强、握裹力好、经济效益理想、安全性高、耐火性好、耐久性好以及成本低等优点[1]。但单一混凝土存在自重大、抗拉强度低、脆性大、延展性差等缺陷，限制了其广泛应用[2]。为改善混凝土性能，目前较为理想的措施是在混凝土拌合物中加入钢纤维，以此增强混凝土的力学性能，这种混凝土被称为钢纤维增强混凝土。有研究发现，钢纤维增强混凝土可以有效地阻止裂缝的扩展，提高混凝土的抗弯性、抗拉强度、韧性以及抗冲击性等[3-4]。

近年来，很多学者致力于钢纤维增强混凝土的研究。比如，权长青等[5]研究了钢纤维及陶粒掺量对轻质混凝土基本力学性能的影响，分析了不同纤维长径比及掺量条件下混凝土的力学性能指标，结果表明微钢纤维用于增韧超高强混凝土时，宜采用适宜的掺量。杨圣飞等[6]研究了再蒸汽固化高强钢纤维增强混凝土的力学性能，探讨了不同水胶比、砂率及不同钢纤维掺量条件下制备的钢纤维自密实高强混凝土的力学性能。结果表明，随纤维体积率的不断增加,高强钢纤维增加混凝土轴心的抗压能力、立方体的抗压能力、劈裂抗拉伸能力等均逐渐增加,尤其是劈裂抗拉强度具有显著的提高。Xu 等[7]通过对60个钢纤维增强混凝土试样力学性能试验数据的回归分析，建立了钢纤增强维混凝土力学性能模型，利用该模型对钢纤维增强混凝土的强度进行了预测，并与已有的试验数据和文献报道的其它试验数据进行了比较。结果表明，纤维与基体的相互作用对混凝土力学性能的提高具有显著的贡献。赵秋等[8]提出钢纤维可以在很大程度上增强配筋超高性能混凝土试样的抗弯和抗裂性能，钢纤维能够使混凝土(UHPC)的强度、韧性和延性性能得到更大提高。该研究针对钢纤维在提升混凝土性能的同时，随着其掺量的增加，材料的制备成本也随之升高。实际应用中，需要在平衡成本与性能的基础上，分析钢纤维掺量的最优值[9]。孙举鹏等[10]以巷道湿喷支护为应用对象，选取长直形、弯曲形以及凹凸形的钢纤维作为试验样本，分别分析了钢纤维0，20，40，60，80和100 kg/m掺量时混凝土的抗拉性能和抗弯强度，进一步研究了掺量钢纤维的形状差异对混凝土性能增强效果的影响。

在实际建筑工程中，混凝土为整体关键承重材料，但是随着建筑规模的逐渐增大，单一混凝土已经无法满足承重要求[11]。在此背景下，钢纤维增强混凝土应运而生，极大地改善了单一混凝土自重大、抗拉强度低、脆性大、延展性差等缺点带来的问题[12-13]。本文在前人研究的基础上，运用表观密度法进行配合比设计，采用搅拌机和振动台等设备按步骤制备了单一混凝土试件和钢纤维增强混凝土试件。研究钢纤维增强混凝土的力学性能，并与一般混凝土的力学性能进行对比，以期为钢纤维增强混凝土的制备及其力学性能研究奠定一定的理论基础。

1 实 验

1.1 实验原材料

水泥：冀东水泥厂生产的盾石牌P·Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，总碱量为0.72%，烧失量为3.66%，该水泥的化学成分主要为CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、SO3、MgO和TiO2，含量分别为62.48%，20.90%，4.56%，3.11%，2.72%，1.67%和0.32%(质量分数)；硅灰：埃肯国际贸易(上海)有限公司生产的微硅粉920 U，单位质量表面积为20 000 m2/kg，密度为2.5 g/cm3，松散容重为300 kg /m3，1.90%，化学成分中SiO2含量为95.19%；矿渣：重庆腾辉新型建材有限公司生产的S95级矿渣，单位质量表面积为430 m2/kg，密度为2.80 g/cm3，化学成分主要为CaO、SiO2、Al2O3、MgO、Fe2O3和Na2O，含量分别为40.00%，33.36%，12.69%，6.75%，2.80%和1.05%(质量分数)；粗集料：选用河北三河5～20 mm非活性有机碎石，表观密度为2 670 kg/m3，松散空隙率为48.3%，紧密空隙率为44.9%，含泥量为0.7%(质量分数)，压碎指标为11.6%；细集料：选用普通中粗河砂，

最大粒径为5 mm，细度模数为3.0，表观密度为2 690 kg/m3，松散空隙率为41.6%，紧密空隙率为38.4%，含泥量为6.9%(质量分数)，洗后含泥量为1.11%；外加剂：选择HLC- IX 型聚羧酸类高效减水剂，具有超塑化、缓凝、高保温、适应性好等优点，外观为微红色或淡黄色半透明液体，含固量为20%，碱含量≤10%，氯离子含量≤0.6%，水泥净浆流动度≥240，减水率≥35%；钢纤维：天津宏瑞混凝土有限公司生产的端钩形钢纤维，其特征参数如表1所示。

表1 钢纤维的特征参数

1.2 样品制备

1.2.1 主要设备

搅拌机：选择JZC250混凝土搅拌机，搅拌机的进料容量为320 L，出料容量为250 L，生产率为6～8 m3/h，搅拌提升功率为4 kW，搅拌筒转速为17 r/min，骨料粒径为0～60 mm。

振动台：选择HZJ-0.5型振动台，振动台台面尺寸为500 mm×500 mm，振动频率为2 860次/min，振幅为0.3～0.6 mm，振动器功率为0.55 kW，最大载重为100 kg，电压为220 V。

1.2.2 配合比设计

实验采用表观密度法进行配合比设计，配制出单一混凝土试件和钢纤维增强混凝土试件，分贝标记为试件1和试件2，具体的配合比方案如表2所示。

表2 配合比设计方案

1.2.3 制备方法

首先，制作模具。选用K20强度级别的硬质泡沫板按照150 mm×150 mm×150 mm尺寸制作试件模具。

其次，在搅拌机中搅拌。一是，按照配合比称量水泥、硅灰、矿渣、碎石和中粗河砂，利用搅拌机进行干搅拌3 min，使材料均匀分布；二是，将水和减水剂按照配比加入到干拌好的材料中，利用搅拌机再次搅拌3～5 min；三是，在搅拌好的材料(占比50%)中放入端钩形钢纤维，利用搅拌机继续搅拌3～5 min，静置备用。

接着，在振动台上振捣。将混入钢纤维后搅拌好的混合物浇筑到模具中，并在振动台上振捣1 min，以增进密实。静置凝固1 h后拆模，即可得到实验样品。

最后，将实验样品在养护室内标准养护28 d，研究样品的抗压强度、抗折强度、断裂性能、劈裂抗拉强度和弹性模量等力学性能。

1.3 样品的性能及表征

采用日立S4800扫描电子显微镜观察试件的断面形貌；通过X射线衍射(XRD，D/max-rc型，Cu Kα,λ=0.15405 nm,管电压为35 kV，管电流为50 mA,扫描速率为4°/min)研究试件的元素组成；采用WES-600D数显式液压万能试验机对制作好的立方体试件加载压力，该试验机采用液压加荷，传感器测力，微电脑显示，数据自动处理，可完成各种金属材料和塑料、混凝土、水泥等非金属材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切试验。试验机测力范围为2%～100%，变形精度数值浮动在±5%以内，位移精度数值浮动在±5%以内。实验时采用三分点对称方式连续均匀加载，加载速率为8～10 kN/s。

1.3.1 测点布置

测点布置方式为在试件每个面均匀布置9个应变片，呈现矩阵形式。应变片由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成[14]。基本原理：当应变片受到外力而产生形变时(拉伸或压缩)，其电阻值R会随之增加或降低，借由此特性可以用来测量应力e，应力e与应变片电阻值R的变化量ΔR的关系如下:

(1)

其中，GF为应变系数。

1.3.2 抗压强度指标设定

试件的抗压强度计算公式

(2)

其中，P为试件的抗压强度，为A为试件破坏荷载，B为试件承压面积。

1.3.3 抗折强度指标设定

试件的抗折强度计算公式

(3)

其中，Y为试件的抗折强度，0.85为尺寸换算系数，d为支座间跨度，f为试件截面宽度，g为试件截面高度。

1.3.4 劈裂抗拉强度指标设定

试件的劈裂抗拉强度计算公式

(4)

其中，S为试件的劈裂抗拉强度，Hmax为劈裂抗拉试验的最大荷载，E为试件劈裂面的面积。

1.3.5 断裂韧性指标设定

试件的断裂韧性计算公式

(5)

其中，K为试件的断裂韧性，z为形状因子，l为切口深度，Mmax为由最大荷载和试件自重产生的弯矩之和。

1.3.6 弹性模量指标设定

试件的弹性模量计算公式如下

(6)

其中，V为试件的弹性模量，t为韧带厚度，c为试件的初始荷载值，a0为裂缝的初始长度，b为韧带高度，b0为装置夹式引伸仪刀口厚度。

1.3.7 抗弯载荷—挠度测试

本文实验的载荷—挠度测试装置为英国INSTRON—1346型液压伺服试验机系统，抗弯软件为INSTRON MERLIN软件包，传感器为0.05%精度的位移-荷载传感器。为测试钢纤维对混凝土的抗弯性能的增强效果，采用连续稳定加载方式，计算机自动采集数据，得到荷载一挠度全曲线。

2 结果与讨论

2.1 SEM分析

图1为单一混凝土试件和钢纤维增强混凝土试件的SEM图。从图1(a)可以看出，单一混凝土试件的内部结构粗大散乱，各块体之间缝隙较大，整体不连贯且比表面积较小，因此从微观形貌可推测单一混凝土试件的抗拉强度低、延展性差。从图1(b)可以看出，掺入钢纤维后，钢纤维增强混凝土试件的结构均匀且连续，具有较大的比表面积，试件受力后增大了内部钢纤维表面的摩擦，使得钢纤维与基体的相互作用提高了混凝土的力学性能。

图1 单一混凝土试件和钢纤维增强混凝土试件的SEM图Fig 1 SEM images of single concrete specimen and steel fiber reinforced concrete specimen

2.2 XRD分析

图2为单一混凝土试件和钢纤维增强混凝土试件的XRD图。从图2(a)可以看出，单一混凝土试件中没有较大含量的单一元素，主要成分为化合物，包括43.4%的MgKPO4·6H2O、43.1%的MgO和12.5%的KH2PO4等。由图2(b)可知，钢纤维掺入混凝土后，钢纤维增强混凝土试件中C含量明显升高，占比达44%，试件的强度等级增大，可知钢纤维的掺入，有效增强了混凝土试件的力学性能。

图2 单一混凝土试件和钢纤维增强混凝土试件的XRD图Fig 2 XRD patterns of single concrete specimen and steel fiber reinforced concrete specimen

2.3 试件的力学性能分析

2.3.1 抗压强度

图3为极限承载力下的单一混凝土试件(1 426 kN)和钢纤维增强混凝土试件(1 874 kN)的抗压强度，其中单一混凝土试件为对比试验组，其抗压强度的变化与加入钢纤维的含量无关，因此在极限承载力下试件的抗压强度在图中一直不变，约为64 MPa。从图3可以看出，钢纤维增强混凝土试件的抗压强度始终高于单一混凝土试件，这是因为加入了钢纤维之后，混凝土整体结构也拥有了钢纤维的强度特性，改善了单一混凝土结构的高脆性；另外，随着钢纤维掺入量的提高，钢纤维增强混凝土试件的抗压强度先增大后降低，当钢纤维掺入量为1.2%时，试件的抗压强度最大约为83 MPa，这是由于钢纤维掺入量大于1.0%时，试件中的钢纤维有团聚成球现象发生, 所以强度有所下降[15]。

图3 极限承载力下的单一混凝土试件和钢纤维增强混凝土试件的抗压强度Fig 3 Compressive strength of single concrete specimen and steel fiber reinforced concrete specimen under ultimate bearing capacity

2.3.2 抗折强度

图4为极限承载力下的单一混凝土试件(16 kN)和钢纤维增强混凝土试件(28 kN)的抗折强度，其中单一混凝土试件为对比试验组，其抗折强度的变化与加入钢纤维的含量无关，因此在极限承载力下试件的抗折强度在图中一直不变，约为5.9 MPa。从图4可以看出，随着钢纤维掺入量的提高，钢纤维增强混凝土试件的抗折强度不断增大，当钢纤维掺入量为1.5%时，加入钢纤维的混凝土试件比单一混凝土试件的抗折强度高出约66%，约为9.8 MPa，这是因为试件中钢纤维掺入量越多，钢纤维体积率越大，纤维间距不断缩小，利用纤维的阻裂作用，增强了混凝土试件的抗折性能[16]。

2.3.3 劈裂抗拉强度

图5为极限承载力下的单一混凝土试件(2.7 kN)和钢纤维增强混凝土试件(5.5 kN)的劈裂抗拉强度，其中单一混凝土试件为对比试验组，其劈裂抗拉强度的变化与加入钢纤维的含量无关，因此在极限承载力下试件的劈裂抗拉强度在图中一直不变，约为2.2 MPa。从图5可以看出，随着钢纤维掺入量的提高，钢纤维增强混凝土试件的劈裂抗拉强度缓慢增大，当钢纤维掺入量>1.2%时，试件的劈裂抗拉强度增长逐步放缓；当钢纤维掺入量为1.5%时，试件的劈裂抗拉强度最大约为4.4 MPa。这是因为随着钢纤维的加入，混凝土试件被增强增韧了，但若持续增大荷载，试件裂缝的开裂速度放缓，试件的劈裂抗拉强度也随之平稳下降[17]。

图4 极限承载力下的单一混凝土试件和钢纤维增强混凝土试件的抗折强度Fig 4 Flexural strength of single concrete specimen and steel fiber reinforced concrete specimen under ultimate bearing capacity

图5 极限承载力下的单一混凝土试件和钢纤维增强混凝土试件的劈裂抗拉强度Fig 5 Splitting tensile strength of single concrete specimen and steel fiber reinforced concrete specimen under ultimate bearing capacity

2.3.4 断裂韧性

图6 为极限承载力下的单一混凝土试件(10.4 kN)和钢纤维增强混凝土试件(13.7 kN)的断裂韧性，其中单一混凝土试件为对比试验组，其断裂韧性的变化与加入钢纤维的含量无关，因此在极限承载力下试件的断裂韧性在图中一直不变，约为0.26。从图6可以看出，钢纤维增强混凝土试件的断裂韧性指数始终大于单一混凝土试件；随着钢纤维掺入量的提高，钢纤维增强混凝土试件的断裂韧性指数缓慢增大，当钢纤维掺入量>1.2%时，试件的断裂韧性增长逐步放缓；当钢纤维掺入量为1.5%时，试件的断裂韧性指数最大约为0.34。这是因为钢纤维的加入改善了混凝土试件的脆性和变形能力，基材受力出现裂缝后,仍可继续承受一定的荷载。但当荷载持续增大时，钢纤维增强混凝土会被破坏，只是破坏形态由脆性破坏转变为韧性破坏。

图6 极限承载力下的单一混凝土试件和钢纤维增强混凝土试件的断裂韧性Fig 6 Fracture toughness of single concrete specimen and steel fiber reinforced concrete specimen under ultimate bearing capacity

2.3.5 弹性模量

图7为极限承载力下的单一混凝土试件(1 426 kN)和钢纤维增强混凝土试件(1 874 kN)的弹性模量，其中单一混凝土试件为对比试验组，其弹性模量的变化与加入钢纤维的含量无关，因此在极限承载力下试件的弹性模量在图中一直不变，约为49。由图7可知，钢纤维增强混凝土试件的弹性模量始终大于单一混凝土试件；随着钢纤维掺入量的提高，钢纤维增强混凝土试件的弹性模量缓慢增大，当钢纤维掺入量>1.2%时，试件的弹性模量增长基本停止，此时试件的弹性模量约为65。这因为钢纤维的加入，起着阻裂与约束侧向膨胀的作用，在一定程度上提高了试件的弹性模量[18]。

图7 极限承载力下的单一混凝土试件和钢纤维增强混凝土试件的弹性模量Fig 7 Elastic modulus of single concrete specimen and steel fiber reinforced concrete specimen under ultimate bearing capacity

2.3.6 抗弯载荷—挠度曲线

图8为单一混凝土试件和钢纤维增强混凝土试件的载荷—挠度曲线。从图8可以看出，单一混凝土试件和钢纤维增强混凝土试件的抗弯达峰值后，试件承载力瞬间降至2 000 N，但随着外加荷载增加，两个试件的承载力再次小幅度升高，且后续的抗弯曲线有小幅度波动。相比单一混凝土试件，钢纤维增强混凝土试件的挠度曲线持续更长，该过程的实际现场现象为：试件起初在荷载作用下出现断裂，且可以听到“嘭”的沉闷断裂声，承载力即刻下降，后来又有所上升，随着荷载的增加，还会发生内部纤维断裂，承载力降低，而后再次小幅度上升，此过程多次反复，持续时间较长，直至试件完全丧失承载力。整个破坏过程钢纤维的桥接作用非常明显。

图8 单一混凝土试件和钢纤维增强混凝土试件的载荷-挠度曲线Fig 8 Load deflection curves of single concrete specimens and steel fiber reinforced concrete specimens

3 结 论

为了验证钢纤维掺入混凝土对其性能的优化作用，制备了单一混凝土试件和钢纤维增强混凝土试件，并以单一混凝土试件为对比试验组，研究了试件的断面形貌、元素组成、抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度、断裂韧性和弹性模量等，得到如下结论：

(1)SEM分析表明，掺入钢纤维后，钢纤维增强混凝土试件的结构均匀且连续，具有较大的比表面积，试件受力后增大了内部钢纤维表面的摩擦，使得钢纤维与基体的相互作用提高了混凝土的力学性能。

(2)XRD分析表明，钢纤维增强混凝土试件中C含量明显升高，占比达44%，试件的强度等级增大。

(3)随着钢纤维掺入量的提高，钢纤维增强混凝土试件的抗压强度先增大后降低，当钢纤维掺入量为1.2%时，试件的抗压强度最大约为83 MPa；随着钢纤维掺入量的提高，钢纤维增强混凝土试件的抗折强度不断增大，当钢纤维掺入量为1.5%时，加入钢纤维的混凝土试件比单一混凝土试件的抗折强度高出约66%，约为9.8 MPa；随着钢纤维掺入量的提高，钢纤维增强混凝土试件的劈裂抗拉强度缓慢增大，当钢纤维掺入量为1.5%时，试件的劈裂抗拉强度最大约为4.4 MPa；随着钢纤维掺入量的提高，钢纤维增强混凝土试件的断裂韧性指数缓慢增大，当钢纤维掺入量为1.5%时，试件的断裂韧性指数最大约为0.34；随着钢纤维掺入量的提高，钢纤维增强混凝土试件的弹性模量缓慢增大，当钢纤维掺入量>1.2%时，试件的弹性模量增长基本停止，此时试件的弹性模量约为65。

(4)随外加荷载增加，钢纤维增强混凝土试件的承载力先减小后小幅度升高，此过程多次反复，持续时间较长，直至试件完全丧失承载力，整个破坏过程钢纤维的桥接作用非常明显。说明钢纤维的掺入在提高基体混凝土抗弯强度的同时极大地改善了混凝土的抗弯韧性。