关于钢纤维活性粉末混凝土力学性能试验的相关研究

李志双 房其娟 杨国华

山东协和学院 山东 济南 250109

随着我国工程事业的不断发展，在防护工程领域中，针对材料性能要求也在不断提升。钢纤维混凝土作为一种典型的防护混凝土材料，主要由钢纤维、粗骨料、细骨料等材料组成，本身具有较强的抗压强度与抗折抗裂强度，因此非常适合在防护工程中进行应用。为了进一步推动钢纤维混凝土材料在防护工程中进行广泛应用，有必要通过相关试验，来对掺入钢纤维活性粉末的混凝土力学性能进行全面深入的分析，促使钢纤维混凝土优质价值更好的彰显，提高钢纤维混凝土在工程领域中的应用率，保障我国工程建设稳定安全发展。

一、钢纤维活性粉末混凝土特点分析

混凝土作为一种建筑材料，本身具有一定的脆性，尤其是一些经过强化后的混凝土，这种脆性问题变得更加明显。而钢纤维活性粉末混凝土，便是在混凝土中加入一些钢纤维活性粉，从而能够提高混凝土强度，增强混凝土的人性。并且相较于普通混凝土而言，参与钢纤维活性粉末的混凝土力学性能更加优秀，本身的抗压强度能够达到200mpa以上，抗折强度也因此得到了有效提升，不仅如此，在一些高强混凝土中掺入钢纤维活性粉末，还能够有效提高混凝土的韧性与延展性，非常适合在一些对防护要求比较高的工程中进行应用。据相关研究标准，高强混凝土在参与钢纤维活性粉末后，混凝土本身的断裂能可高达3x104J/m，而对一般的混凝土而言，断裂能仅有1304J/m[1]。

二、试验试件制作分析

与普通混凝土制作相比，在实际制作钢纤维活性粉末混凝土时，采用的材料配比应具备自己的特征。结合实践来看，这种配比与砂浆配比比较相似。因此本次试验在进行材料制作时，基于不同的试验目的，制作了不同的试验。在测定钢纤维活性粉末混凝土抗压强度时，制作了两组立方体试件，规格分别为100×100×100mm，40×40×40mm作为对照，上述两组一个掺入钢纤维活性粉末，一个没有掺入。同理，在测定钢纤维活性粉末混凝土抗折强度时，制作了三组棱柱试件，规格为100×100×400mm。除了用其中两组进行抗压抗折对照测试外，还采用一组进行弹性模量的对照测试。除此之外，还制作了2组规格为40×40×160mm的试件，同样用于抗折抗压强度测定，两组均掺入了钢纤维活性粉末。上述试件的钢纤维活性粉末掺量均设置为2%，水泥为普通的硅酸盐水泥。除了水泥外，还采用了减水剂、水、石英砂、硅灰、硅微粉、石英粉、钢纤维、AEA膨胀剂，上述材料之比1:0.15:0.8:1:0.25:0.16:0.16:0.25:0.15。

在完成试件材料配比确定后，需要进行试件制作。在制作过程中，需要先将石英粉/砂、水泥、硅灰等材料倒入搅拌机中进行搅拌。搅拌时间控制在4min左右，然后再加入减水剂与水，继续搅拌，搅拌时间控制在5min，最后加入钢纤维活性粉末材料，搅拌5min左右，即可将搅拌好的材料倒入相应规格的模具中完成试件的制作。以下是针对不同因素对钢纤维活性粉末混凝土力学性能带来的影响分析。

三、钢纤维活性粉末混凝土力学性能影响分析

（一）尺寸效应影响分析

从试验结果中我们能够认识到，不同尺寸的试件，自身的强度有着一定差异。如表1所示，在钢纤维掺量相同的情况下，规格为100×100×100mm试件与规格为40×40×40mm的试件二者在抗压强度方面有着很大的差异，主要就在于二者受尺寸以及受力条件不同所影响。对于规格为40×40×40mm试件而言，在实际测试抗压强度时，能够采用专门的夹具，因此试件中心与压力机压板中心相对，从而能够确保试件不会直接被压坏。在试件制作阶段，受种种因素影响，很难避免试件本身存在一定孔隙以及微裂缝等缺陷，一般试件规格越小，这些缺陷也就越小，因此最终获得的抗压强度值也相对更高一些。在抗折强度方面，规格为100×100×100mm试件与规格为40×40×40mm的试件二者整体差异并不大，说明试件自同尺寸大小对自身抗折强度的影响并不大。

表1 抗压强度与抗折强度试验结果

（二）钢纤维掺入影响分析

首先，从抗压试验来看对试件的破坏形态，针对没有掺入钢纤维活性粉末的试件，整体破坏形态与普通混凝土类似，都表现为混凝土的外表有着严重的剥落，试件整体呈现圆柱体形状。而对掺入钢纤维活性粉末的试件而言，试件四周混凝土剥落并不严重，剥落面积也并不大。试件整体保持比较完整，仅在试件四周，存在轻重不一的裂缝，由此能够证明，掺入钢纤维活性粉末的试件强度更高，且起到了一定箍筋作用，能保持混凝土在高压强下不松不散。

从抗折试验展现的情况来看，对没有掺入钢纤维活性粉末的试件的而言，试件出现的裂缝位置比较松散，且裂缝出现的位置多集中在混凝土缺陷本身所存在的位置。而对掺入钢纤维活性粉末的试件而言，裂缝出现的位置比较集中，主要集中位置为试件中部区域。从中能够表明，试件在掺入钢纤维活性粉末后，能够有效增强混凝土抗折性能，提高了试件的延展性，弥补了因混凝土自身缺陷导致的应力集中问题，使得试件破坏性质得到有效改善。而对没有掺入钢纤维活性粉末的试件而言，自身有着更大的脆性，因此试件破坏性质更差，在实际应用中更容易出现严重的事故。

从试件强度比对上来看，从表1 中我们就能直观地看到，相较于没有掺入钢纤维活性粉末的试件，掺入钢纤维活性粉末的试件无论是在抗压强度还是在抗折强度方面均更胜一筹，其中两者抗压强度之比为1.27，抗折强度之比为1.98，由此能够说明，掺入钢纤维活性粉末的试件针对抗折强度上有着更大的提升效果[2]。

（三）弹性模量影响因素

通过对试件1、2、3号进行弹性模量的测试，获得了实测值，同时运用了高强混凝土换算公式进行了计算，获得了相应数值，其中规格为40×40×40mm的试件值为4.18，规格为100×100×400mm的试件值为4.07。与此同时，文章还参考了《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）公式进行了计算，获得了相应计算值，其中规格为40×40×40mm的试件值为6.50，规格为100×100×160mm的试件值为5.74。而1至3号试件的实测值分别为4.43、4、4.25，从中我们能够了解到，实测值均处于上述两个公式之间，第一个公式与实测值相差比较小，第二个公式与实测值相差比较大。由此能够证明，通过在混凝土中加入掺入钢纤维活性粉末，不仅有利于增强其抗压强度与抗折强度，还有效提高了混凝土的弹性模量，结合实践经验来看，笔者认为选择公式（1）进行计算更加科学合理，能够保证整体混凝土构件的安全性。同时，我们可以以规格为40×40×40mm抗压强度为依据，利用第一个公式进行弹性模量的计算，得出的数值与实测值也比较接近，由此更能够证明第一个公式的科学合理性，同时也表明加入了钢纤维活性粉末混凝土与砂浆比较类似，并且尺寸较小的试件，更加与实际情况相符合。

（四）电镜扫描情况分析

为了对掺入钢纤维活性粉末的混凝土力学性能有一个更加系统全面了解，文章在试验中还采用了电子显微镜来观察掺入钢纤维活性粉末的试件。首先，从试件材料结构上来看，整体结构变得更加紧密，在结构之间，有很多扁平粒子紧紧堆积在一起，这些粒子形状各异，并不规则，与比较类似，最终堆积形成了致密的石状体，这也是为什么掺入钢纤维活性粉末的混凝土试件孔隙率如此低的重要原因，同时也使得试件的抗压强度也得到了显著的提升。

通过运用显微镜观察钢纤维界面与基体，我们能够发现，在钢纤维的表面，附着很多的颗粒状物质，并且在钢纤维周围，很多水泥石与纤维本身牢牢粘结在一起。而在掺入钢纤维活性粉末混凝土试件基体内部，还能够观察到水化硅酸钙凝胶，这种凝胶直接沉积在钢纤维表面，并且与钢纤维紧密结合在一起。

通过运用显微镜观察钢纤维与混凝土试件基体的结合面我们能够发现，钢纤维与基体结合的非常紧密，二者结合面之间基本看不到明显的过渡面。正因如此，才有效提升了参与钢纤维活性粉末的混凝土试件的延展性，防止裂缝持续延伸，促使混凝土试件抗裂性能得到显著的增强[3]。

总结

综上所述，在混凝土中通过加入钢纤维活性粉末材料，并通过进行相应试验分析，发现较于普通的混凝土而言，加入钢纤维活性粉末材料的混凝土有着更强的抗压强度与抗折强度。这种抗压强度与抗折强度大小受尺寸效应的影响，一般前者受到的影响大，后者的影响小。在混凝土掺入钢纤维活性粉末材料后，混凝土本身的脆性缺陷得到了有效改善，混凝土弹性模量也比较安全，通过借助电子扫描显微镜来对掺入钢纤维活性粉末材料的混凝土进行扫描，发现钢纤维活性粉末与混凝土颗粒结合比较紧密，过渡界面不明显，说明混凝土材料本身孔隙率下降，密实度提升，由此证明掺入钢纤维活性粉末材料混凝土抗裂性能更加优良。