钢纤维对C80级高强混凝土静力及冲击韧性影响分析

钱子晗，徐 诺，刘安南，张 祥，张虹宇

(江苏大学土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013)

随着我国城市化进程的发展，土木、交通、水利等领域中的各类工程结构越来越高强度化、耐久化以及低碳化；而混凝土作为应用广泛、用量最大的材料，其性能要求一直是关注的热点问题[1-2]。世界各国使用的混凝土强度在逐步提高，我国C50～C60的混凝土用量也在持续增大，进一步推广C80及以上高强混凝土材料的应用符合我国可持续发展的战略要求，有广阔的应用前景[3-5]。本文以C80高强混凝土为对象，借助抗压、抗折以及抗冲击试验来研究高强混凝土的韧性性能，重点探讨了钢纤维掺量对高强混凝土的静力和冲击韧性的影响，并给出了优化的设计建议。

1 实验概况

1.1 原材料

水泥采用P.Ⅰ42.5硅酸盐水泥；粗骨料采用5 mm～20 mm连续级配碎石，含泥量为0.2%；细骨料采用普通河砂，其细度模数为2.8，含泥量为0.5%；矿物掺合料采用河南恒源新材料有限公司生产的S95级矿粉和96硅灰；减水剂采用聚羧酸系减水剂，减水率大于14%；钢纤维选用端钩钢纤维(长度30 mm，直径0.5 mm)，其抗拉强度为1 100 MPa。

1.2 混凝土配合比设计及试件制备

按C80等级混凝土进行配合比设计，水胶比(质量比)选定为0.25，减水剂掺量为胶凝材料质量的2%；按钢纤维掺量(胶凝材料质量百分比)0，1%和2%设计了三种配合比。

鉴于实验目的，本次试验分别测试试件的抗压强度、抗折强度以及抗冲击韧性等力学性能，具体试件尺寸、测试龄期及数量见表1。试件浇筑完成后，室内放置24 h后脱模；随后定期浇水并用湿毯保持湿度，养护至28 d。

1.3 力学性能测试方法

混凝土立方体抗压强度按GB/T 50081—2019普通混凝土力学性能试验方法标准中的相关方法进行测定，此处不再赘述。这里主要介绍抗折强度试验和抗冲击试验。

表1 试验试件及设计参数

1.3.1 抗折强度试验

参照GB/T 50081—2019普通混凝土力学性能试验方法标准开展不同龄期混凝土抗折强度试验。对于本文采用的C80高强混凝土，试验加载速率采用0.10 MPa/s；当试件接近破坏时，停止调整试验机油门，直至试件破坏，并记录破坏荷载F及试件下边缘断裂位置。

1.3.2 抗冲击试验

参照CECS 13:2009纤维混凝土试验方法标准开展混凝土圆柱体(圆饼)抗冲击试验，实验装置示意图见图1。图1中，钢球质量4.5 kg，冲击高度1 m，为保证钢球落点不偏离试件中心，将钢球提升至预定高度后使其恰好固定于预先设定的凹槽内，凹槽中心与试件中心连线垂直于试件表面。

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度试验

经测定，三类高强混凝土在7 d,14 d和28 d龄期时的立方体抗压强度实测值fcu(三个试件的平均值)中可以看出，对于三类高强混凝土，其抗压强度随养护龄期增大而逐渐提高，且三者的变化趋势相当。在同一龄期下，混凝土抗压强度随钢纤维含量的增大而增大，与未掺钢纤维的HSC-SF0试件相比，掺加1%和2%钢纤维的混凝土抗压强度分别提高约14%和23%。由此可见，掺入钢纤维在提高高强混凝土抗压强度方面仍表现出优越性。

可以认为，在高强混凝土中加入钢纤维，由于钢纤维从基体中拉断时会产生一定的应力，一定程度上可以提高混凝土承受荷载的能力。此外，随着受压荷载的增加，混凝土中会产生一定的裂缝，钢纤维的加入能够阻碍裂缝的进一步发展，从而提高混凝土的整体性和延展性。

2.2 抗折强度试验

对于棱柱体试件，其抗折强度可按式(1)计算。经测定，三类高强混凝土28 d养护后的抗折强度实测值(三个试件的平均值)见表2。

(1)

其中，ff为混凝土抗折强度,MPa；F为试件被破坏荷载,N；L为支座间跨度，此处为300 mm；b为试件截面宽度，b=100 mm；h为试件截面高度，h=100 mm。

表2 高强混凝土试件抗折强度实测结果

由表2可知，混凝土抗折强度同样随钢纤维含量的增大而增大，与未掺钢纤维的HSC-SF0试件相比，掺加1%和2%钢纤维的混凝土抗折强度分别提高13.3%和21.3%。相关文献同样采用钢纤维(含量为0%,0.5%和1%)配置了C80级的高强混凝土，试验得到了钢纤维含量0.5%和1%的混凝土抗折强度比值分别为1.04和1.20，其提高效果与本文相当。由此可见，钢纤维掺量(2%以内)的增大能有效提高高强混凝土的抗折强度，对改善高强混凝土的延性有一定作用。

对于强度等级为C80的高强混凝土，其高强度很可能引起混凝土的韧性不足。这里采用折压比(见式(2))作为混凝土静力韧性指标，分析钢纤维的加入对高强混凝土韧性的影响，相关结果见表2。折压比是衡量混凝土韧性的指标之一，折压比越大，混凝土韧性越好。由表2结果可知，随着钢纤维含量的增大，混凝土折压比呈现缓慢增长趋势，但增长幅度不大。但对比来看，钢纤维的加入对混凝土静力韧性有一定改善作用。

k=ff/fcu

(2)

其中，k为混凝土折压比。

2.3 抗冲击试验

部分圆饼试件的冲击破坏形态中，在冲击试验过程中，未掺加钢纤维的HSC-SF0高强混凝土试件表面一旦出现损伤裂缝，下次冲击时裂缝便快速发展，很快出现破坏，呈现典型的脆性破坏特征；而掺加钢纤维的HSC-SF1和HSC-SF2高强混凝土试件的初裂冲击次数明显增加，试件表面的裂缝发展也较为缓慢，在此过程中可以发现裂缝间的纤维有拉结的现象，破坏过程较为缓慢，属于延性破坏。

此时，对应的抗初裂冲击耗能W1(J)、抗破坏冲击耗能W2(J)可统一按式(3)计算。

W=Nmgh

(3)

其中，N为冲击次数，分别取N1和N2；m为冲击锤的质量，此处取4.5 kg；g为重力加速度，取9.81 m/s2；h为冲击锤下落高度，此处取1 m。

由数据的结果可知，对于未掺钢纤维的试件，其初裂和破坏冲击次数相差不大，且冲击次数较小，能吸收消耗的冲击能量也较小。而掺入钢纤维后，混凝土的冲击次数有明显增大，钢纤维混凝土对于冲击能量的吸收能力也显著提高。当钢纤维含量从0%增大到2%时，试件的初裂和破坏冲击次数呈现先提高后下降的趋势；在钢纤维含量为1%时，试件初裂与破坏冲击次数达到峰值。其主要原因在于，在试件承受荷载后，钢纤维与混凝土的界面首先出现裂缝；而随着裂缝的进一步发展，钢纤维开始承受荷载，与界面相交的钢纤维起到了很好的增韧效果，促进了初裂和破坏冲击次数的增大。参照文献，本文采用延比性β、韧性系数C来评判钢纤维混凝土的冲击韧性，两者的计算公式见式(4)，式(5)；相应的计算结果见表3。

β=(N2-N1)/N1

(4)

C=W2,i/W2,0

(5)

其中，N1,N2分别为初裂、破坏冲击次数；W2,i为试件的抗破坏冲击耗能；W2,0为未掺钢纤维试件的抗破坏冲击耗能。

表3 高强混凝土冲击韧性分析

由表3结果可得，未掺钢纤维混凝土受到冲击荷载时，延比性β非常小(接近于0)，符合试件的脆性破坏特性；当钢纤维含量为1%时，试件的韧性系数C和延比性β均达到最大值，这是因为在裂缝扩展阶段，钢纤维的桥接作用消耗了大量的冲击功，增韧效果明显；当钢纤维含量增至2%时，试件的韧性系数C和延比性β均出现了下降，但仍高于未掺钢纤维混凝土试件；其原因是钢纤维掺入量增加，使得钢纤维表面增加，而混凝土内的水泥浆不足以完全包裹钢纤维，导致界面处的黏结力降低，混凝土内出现较多薄弱区，在冲击荷载作用下，界面的薄弱区产生集中应力，当应力大于黏结力时，钢纤维脱粘被拔出，降低了钢纤维对韧性的增加效果，减少了对冲击能量的吸收。结合相关文献的试验结果，对比分析了钢纤维含量对混凝土韧性系数影响，可以看出，随着钢纤维掺量的增加，混凝土冲击韧性系数均呈现先增大后减小的现象，当钢纤维掺量为1%时，韧性系数均达到最大值。故可以认为，对于C80级高强混凝土，为了取得较好的抗冲击性能和冲击韧性，建议将钢纤维掺量取为1%左右。

3 结论

1)对于C80级高强混凝土，钢纤维的加入(掺量2%以内)能有效提高混凝土的抗压强度。2)高强混凝土的抗折强度也随着钢纤维含量的增大而逐渐提高，但由于抗压强度的提高，试件折压比随钢纤维含量增大的提高幅度不大。3)随着混凝土强度的提高，混凝土脆性问题突出，而钢纤维与高强混凝土的复合效应，能有效改善混凝土的增强、增韧和阻裂效应，从而有效改善混凝土的脆性问题，提高高强混凝土的韧性。对于C80级高强混凝土，当钢纤维掺量取为1%左右时，取得的增韧效果最好。