钢纤维对超高性能混凝土施工及力学性能的影响研究

孙 勇

(开封大学，河南 开封 475004)

超高性能混凝土主要由水泥、硅灰、砂、钢纤维等组成，是一种新型绿色水泥基复合建筑材料，因超高性能混凝土具备高流动性、高强度、高韧性以及高耐久性等特征，故在重载和大跨度桥梁结构、高耸建筑结构工程中得到较为广泛的应用[1-2]。近年来，随着超高性能混凝土的不断发展，致使钢纤维的种类繁多且形状多异，因此钢纤维对超高性能混凝土的性能影响逐渐成为当下的重点研究课题[3-5]。

目前，国内外研究者在钢纤维改善超高性能混凝土的性能方面开展了不少研究，如PARK[6]等分别研究了钢纤维体积掺量0～2%和长径比65、90、100对超高性能混凝土抗折强度的影响，研究结果表明抗折强度随着钢纤维掺量的增大呈近似线性增大，而长径比为65时的抗折强度较长径比90、100的有所降低；杨松霖[7]等通过对比研究了“端平”和“端弯”两种不同形状的钢纤维对超高性能混凝土施工性能及力学性能的影响，得出端平形钢纤维的流动性、抗弯强度及断裂能优于前者，而抗压强度和延性则差于后者；张丽辉[8]等探讨了在磷酸锌改性条件下钢纤维对超高性能混凝土力学性能的影响，得出了磷酸锌改性钢纤维能够有效提升超高性能混凝土的单轴拉伸性能；梁兴文[9]通过改变钢纤维在超高性能混凝土混合料中的排列分布取向，研究了不同钢纤维取向角对拉伸强度的影响，得到混凝土的抗拉强度与取向角存在线性相关性。尽管已有较多关于钢纤维改性超高性能混凝土的研究成果，但在不同钢纤维掺量、长径比及形状对超高性能混凝土性能影响方面还需进一步进行系统探讨。基于此，本文首先通过室内试验设计并制备了10组不同钢纤维的超高性能混凝土试件，然后分别展开扩展度、抗压强度及抗折强度测试，系统研究了不同钢纤维掺量、长径比及形状对超高性能混凝土的施工及力学性能的影响，旨为同类混凝土配比设计及现场施工提供技术参考与指导。

1 试验材料及方法

1.1 原材料

a.水泥：海螺牌普通硅酸盐水泥(P.O 52.5)，比表面积为372 m2/kg，其化学成分如表1所示。

b.硅灰：灰白色粉末，SiO2含量≥95%，烧失量≤2.6%，比表面积2.8 m2/g，其化学成分如表1所示。

c.砂：天然河砂，粒径小于1.25 mm。

d.钢纤维：镀铜钢纤维，直径为0.2 mm，密度为7.8 g/cm3，抗拉强度为2 850 MPa，弯曲性能合格。

e.外加剂：聚羧酸高性能减水剂，减水率为30%～40%。

f.水：市政生活用水。

表1 水泥、硅灰化学组分Table 1 Chemical components of cement and silica fume名称不同化学组分比/%SiO2Al2O3Fe2O3MgOCaO水泥20.86.124.731.2165.70硅灰95.50.380.290.660.61

1.2 配合比设计

通过前期试配试验结果发现钢纤维掺量达4%或长径比达100时，纤维容易产生结团，会严重影响超高性能混凝土的施工及力学性能。据此，本次试验设计了10组超高性能混凝土试件，其中钢纤维体积掺量分别为0、1%、2%、3%、4%，长径比选取65、80、90、100，钢纤维形状选取平直形、弯钩形和扭曲形，水胶比取0.21，具体配合比设计如表2所示。

表2 超高性能混凝土配合比设计Table 2 Ultra-high performance concrete mix ratio design编号水泥/(kg·m-3)硅灰/(kg·m-3)砂/(kg·m-3)碎石/(kg·m-3)水/(kg·m-3)减水剂/(kg·m-3)钢纤维掺量/%长径比形状1880140725111521660(0)65平直形29201506981 05522661(78)65平直形39671506751 00023662(156)65平直形41 02015064095824863(234)65平直形51 06915061091025864(312)65平直形69671506751 00023662(156)80平直形79671506751 00023662(156)90平直形89671506751 00023662(156)100平直形99671506751 00023662(156)65扭曲形109671506751 00023662(156)65弯钩形注:( )内为钢纤维用量,单位为kg/m3。

1.3 试件制备

按照混凝土配合比首先将称重好的水泥、硅灰和细砂倒入卧式混凝土搅拌机中干拌3 min，再将水、减水剂加入搅拌机中搅拌5 min，然后在搅拌机低速运行状态下均匀撒入钢纤维，继续搅拌3～5 min，待钢纤维均匀分散于浆体内，出浆测试混合料的坍落度并浇筑模型，在试模制作完成后置于振实台上振动2 min，再置于室温环境下48 h后拆模，随后取出试件送入温度(20±2)℃、相对湿度≥95的标准养护室中养护14 d龄期直至试验[10]。

1.4 试验方法

根据《纤维混凝土试验方法标准(CECS 13：2009)》、《活性粉末混凝土(GB/T 31387-2005)》的相关规定进行力学性能试验，其中抗压强度试件为100 mm×100 mm×100 mm，抗折强度试件100 mm×100 mm×400 mm，每组试验试件为3个，试验结果取测试平均值，测试仪器选用电子万能试验机。

2 结果与讨论

2.1 扩展度

通过对各组超高性能混凝土试件进行扩展度试验，得到混凝土扩展度试验结果如表3所示。

表3 扩展度试验结果Table 3 Expansion test results编号钢纤维掺量/%长径比形状扩展度/mm1065平直形7252165平直形6313265平直形6144365平直形6045465平直形5916280平直形5937290平直形56582100平直形5139265扭曲形60910265弯钩形606

根据表3可知，随着钢纤维掺量的增大，超高性能混凝土的扩展度逐渐减小，其中当钢纤维掺量由0增至1%时，混凝土的扩展度下降幅度较为明显，而当钢纤维掺量继续增至4%时，扩展度降幅则逐渐变缓，原因是钢纤维的掺入增强了其与混合料之间的摩擦力，从而引起流动性变差；随着钢纤维长径比的增大，超高性能混凝土的扩展度也呈逐渐减小变化，其中当长径比小于90时，混凝土的扩展度降幅相对较缓，而当长径比大于90时，扩展度降幅则比较显著，说明长径比增大也会增强纤维与混合料间的摩擦力；在相同钢纤维掺量及长径比条件下，平直形、扭曲形和弯钩形的扩展度分别为614、609、606 mm，说明钢纤维形状对超高性能混凝土的流动性影响较小。

2.2 抗压强度

通过对各组超高性能混凝土试件进行抗压强度试验，分别得到不同钢纤维掺量、长径比和形状条件下的混凝土抗压强度试验结果如图1～图3所示。

a.钢纤维掺量。

在钢纤维长径比及形状相同的条件下，不同钢纤维掺量的超高性能混凝土抗压强度试验结果见图1。

图1 钢纤维掺量对超高性能混凝土抗压强度的影响

由图1可知，当钢纤维掺量由0增至1%，混凝土的抗压强度增幅达28.7%，说明钢纤维的掺入能有效增强超高性能混凝土的抗压强度，而当钢纤维掺量由1%增至4%时，抗压强度增幅则逐渐变缓，其中在钢纤维掺量为3%时，超高性能混凝土的抗压强度达167.2 MPa，而在钢纤维掺量为4%时，抗压强度则达173.5 MPa，较前者仅增大3.8%；超高性能混凝土的抗压强度随着钢纤维掺量的增大逐渐增大，原因是除钢纤维的掺入能够增强了其与混合料之间的摩擦力外，还能在混合料内部形成大量的纤维网状结构，从而有效控制混合料内部微裂缝的产生及发展。

b.钢纤维长径比。

在钢纤维掺量及形状相同条件下，不同钢纤维长径比的超高性能混凝土抗压强度试验结果见图2。

图2 钢纤维长径比对超高性能混凝土抗压强度的影响

由图2可知，钢纤维长径比为65、80、90、100时，超高性能混凝土的抗压强度分别为154.8、158.6、162.3、162.5 MPa，其中当钢纤维长径比由65增至80或由80增至90时，混凝土抗压强度增幅均超过了2.3%，而当钢纤维长径比由90增至100时，抗压强度增幅仅为0.1%，说明钢纤维长径比过大对提升抗压强度的效果并不明显；随着钢纤维长径比的增大，超高性能混凝土的抗压强度整体呈逐渐增大变化，原因是钢纤维的长径比增大能够延长裂缝端部应力在纤维上的传递距离，从而有效抑制裂缝的扩张。

c.钢纤维形状。

在钢纤维掺量及长径比相同条件下，不同钢纤维形状的超高性能混凝土抗压强度试验结果见图3。

图3 钢纤维形状对超高性能混凝土抗压强度的影响

由图3可知，平直形钢纤维超高性能混凝土的抗压强度为154.8 MPa，扭曲形钢纤维超高性能混凝土的抗压强度为147.9 MPa，弯钩钢纤维超高性能混凝土的抗压强度为142.6 MPa，3种钢纤维超高性能混凝土的抗压强度均超过了140 MPa，其中三者的抗压强度最大差幅达8.6%，说明钢纤维的形状对抗压强度存在一定程度的影响，但从施工角度考虑影响较小。

2.3 抗折强度

通过对各组超高性能混凝土试件进行抗折强度试验，分别得到不同钢纤维掺量、长径比和形状条件下的混凝土抗折强度试验结果如图4～图6所示。

a.钢纤维掺量。

在钢纤维长径比及形状相同的条件下，不同钢纤维掺量的超高性能混凝土抗折强度试验结果见图4。

图4 钢纤维掺量对超高性能混凝土抗折强度的影响

由图4可知，当钢纤维掺量由0增至3%时，超高性能混凝土的抗折强度逐渐增大，说明掺入合适量的钢纤维能够提升超高性能混凝土的抗折强度，而当钢纤维掺量由3%增至4%时，混凝土的抗折强度则反呈逐渐减小变化，原因是掺量达4%时钢纤维比较容易发生结团现象，使得混合料的密实度受到破坏，从而形成薄弱区以致影响混凝土的抗折强度。

b.钢纤维长径比。

在钢纤维掺量及形状相同条件下，不同钢纤维长径比的超高性能混凝土抗折强度试验结果见图5。

图5 钢纤维长径比对超高性能混凝土抗折强度的影响

由图5可知，当钢纤维长径比为65、80、90、100时，混凝土的抗折强度分别为37.05、39.83、39.98、43.24 MPa，混凝土的抗折强度也随着钢纤维长径比的增大逐渐增大，其原因是钢纤维长径比增大能够提高其承担裂缝端部应力的几率，同时还能延长裂缝端部应力在纤维上的传递距离，抑制裂缝的扩张，从而有效增强抗折强度。

c.钢纤维形状。

在钢纤维掺量及长径比相同条件下，不同钢纤维形状的超高性能混凝土抗折强度试验结果见图6。

图6 钢纤维形状对超高性能混凝土抗折强度的影响

由图6可知，3种钢纤维超高性能混凝土的抗折强度分别为37.05、39.27、41.87 MPa，其中扭曲形的抗折强度较平直形提高了6%，而弯钩形的抗折强度则较平直形提高了13%，原因是扭曲形和弯钩形钢纤维在混凝土试件开裂过程中额外提供了部分机械抗力，有效抑制了裂缝的产生及发展，从而提升了超高性能混凝土的抗折强度。

3 结论

a.相同钢纤维长径比及形状条件下，超高性能混凝土的扩展度随着钢纤维掺量的增大逐渐减小，抗压强度则随之逐渐增大，而抗折强度则随之呈先增后减变化。

b.相同钢纤维掺量及形状条件下，超高性能混凝土的扩张度随着长径比的增大逐渐减小，抗压强度和抗折强度则随之逐渐增大。

c.相同钢纤维掺量及长径比条件下，平直形钢纤维超高性能混凝土的扩展度和抗折强度最小，抗压强度最大；扭曲形钢纤维超高性能混凝土的扩展度最大，抗压强度和抗折强度居中；弯钩形钢纤维超高性能混凝土的扩展度和抗压强度最小，但抗折强度最大，故钢纤维形状需根据实际施工需求进行选择。