钢纤维增强砼力学及耐久性能研究

2020-07-06梁志成

公路与汽运 2020年3期

梁志成

(山西省交通新技术发展有限公司，山西太原 030032)

砼具有较高的抗压强度，被应用于各行业工程项目中。随着现代化建设水平的提高，对砼的性能提出了新的要求。伴随着砼强度的提升，其耐久性能会呈现一定程度劣化和结构破坏。中国沿海地区建筑物病害调研结果表明，砼保护层会受环境影响而出现脱落，砼的耐久性与密实程度有直接关联。因此，研究高强和高耐久性的砼对应对特殊地区建筑需求尤为重要。

钢纤维是通过对废旧或边角钢材进行高温熔炉和拉丝制备得到的纤维，具有较高抗拉强度和极限延伸率。将钢纤维应用到砼中可加强界面粘结应力，提升砼的综合性能。高丹盈等的研究表明钢纤维的掺入可提高砼的抗压强度和抗拉强度；闫长旺等的研究表明钢纤维的掺入可在一定程度上增强其抗碳化能力。但相关研究对于砼中钢纤维的适宜掺量并未给出统一说法。该文通过改变钢纤维的掺量，对比钢纤维砼的力学性能和耐久性能，确定砼中钢纤维使用范围，提升砼的综合性能。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

(1) 水泥。砼等级为C40，采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，其技术性能指标见表1。

(2) 粗骨料。采用5～30 mm碎石，其筛分结果见表2。

(3) 细骨料。采用中粗砂，细度模数为2.65，其筛分结果见表3。

(4) 粉煤灰。粉煤灰是超细颗粒矿料，在水泥砼拌和中可替代部分水泥，填补砼中的微孔结构，增强砼的和易性和工作性能。所用粉煤灰的技术指标见表4。

表1 P.O42.5普通硅酸盐水泥的技术性能指标

表2 粗集料的筛分结果

表3 细集料的筛分结果

(5) 钢纤维。采用高强铸钢纤维，内弧面粗糙，外弧面光滑，分散均匀，不结团，其技术指标见表5。

(6) 减水剂。选用高效减水剂，减水率为33%，减水剂用量为1.6%，与砼的结合性较好。

表4 粉煤灰的技术指标

表5 钢纤维的技术指标

1.2 试验方案

以体积掺量为基准进行钢纤维外掺，掺量分别为0、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%、2.4%。对1、3、7、14、28 d钢纤维砼进行力学性能和耐久性试验，分析不同钢纤维掺量对不同龄期砼性能的影响。相关试验及测试指标见表6。

表6 试验方案

2 配合比设计

钢纤维砼的配合比设计参照普通纤维砼配合比设计流程，搅拌顺序见图1，不同纤维掺量下钢纤维砼的配合比设计结果见表7。

图1 钢纤维砼的搅拌顺序

表7 钢纤维砼的配合比

3 性能试验结果与分析

3.1 立方体抗压强度

立方体抗压试验按《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。不同掺量纤维砼在不同龄期下的立方体抗压试验结果见图2、图3。

由图2和图3可知：随着养护龄期的增加，钢纤维砼立方体抗压强度增大。钢纤维掺量为0～0.8%时，砼立方体抗压强度增幅明显；纤维掺量大于1.2%时，砼立方体抗压强度增长速度减弱。28 d龄期时，钢纤维掺量为0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%时，立方体抗压强度比不掺加钢纤维时分别增长10.12%、20.24%、23.57%、25.61%、29.16%。钢纤维的掺入促使材料内部结构更紧密，加上砼中使用减水剂，使钢纤维和砼基体的截面粘结强度提升，从而阻止砼内部裂缝的发生和扩展，在一定程度上改善了砼的受力特性和结构完整性。但是当钢纤维掺量达到一定量时，纤维交错会使砼内部存在一定孔隙，降低砼的密实程度，使砼立方体抗压强度提升速率降低。

图2 立方体抗压强度与纤维掺量的关系

图3 立方体抗压强度与龄期的关系

3.2 轴心抗压强度

制作150 mm×150 mm×300 mm不同钢纤维掺量、不同龄期砼长方体试件进行轴心抗压试验，试验结果见图4、图5。

图4 轴心抗压强度与纤维掺量的关系

由图4、图5可知：随着钢纤维掺量的提升，钢纤维砼的轴心抗压强度逐渐提高，且随着龄期的增长，轴心抗压强度逐渐提高。28 d龄期时，钢纤维掺量为0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%时的轴心抗压强度比不掺钢纤维时分别增长4.41%、11.39%、20.37%、23.71%、24.97%。纤维掺量超过1.2%时，随钢纤维掺量提升，砼轴心抗压强度增长速度有所减缓。轴心抗压强度与立方体抗压强度发展趋势基本一致。

图5 轴心抗压强度与龄期的关系

3.3 劈裂抗拉强度

制作150 mm×150 mm×150 mm不同钢纤维掺量、不同龄期砼立方体试件进行劈裂抗拉试验，试验结果见图6、图7。

图6 劈裂抗拉强度与纤维掺量的关系

图7 劈裂抗拉强度与龄期的关系

由图6、图7可知：随着钢纤维掺量的提升，钢纤维砼的劈裂抗拉强度逐渐提高，且随龄期的增长，劈裂抗拉强度逐渐提高。28 d龄期时，钢纤维掺量为0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%时的劈裂抗拉强度比不掺钢纤维时分别增长5.13%、13.76%、18.69%、26.08%、27.93%。纤维掺量为0.4%时，砼的劈裂抗拉强度增长幅度较小；纤维掺量在1.6%以上时，砼的劈裂抗拉强度涨幅不明显。钢纤维属于刚性纤维，在砼中起到阻止裂缝扩展的作用，产生增韧阻裂功能。因此，钢纤维的掺入能使砼的劈裂抗拉强度得到提升。

3.4 抗折强度

采用150 mm×150 mm×550 mm不同钢纤维掺量、不同龄期砼标准试件进行抗折试验，试验结果见图8、图9。

图8 抗折强度与纤维掺量的关系

图9 抗折强度与龄期的关系

由图8、图9可知：随着钢纤维掺量的提升，钢纤维砼的抗折强度逐渐提高，且随着龄期的增长，抗折强度逐渐提高。28 d龄期时，钢纤维掺量为0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%时的抗折强度比不掺钢纤维时分别增长5.91%、20.35%、32.87%、44.70%、46.78%。纤维掺量达到1.6%以上时，砼抗折强度增长速度放缓。钢纤维的掺入使砼的破坏模式有所改变，在一定程度上提升了砼的延性。

3.5 弹性模量

按实验室标准制备成型不同钢纤维掺量、不同龄期砼试块，养护后进行弹性模量试验，试验结果见图10、图11。

图10 弹性模量与纤维掺量的关系

图11 弹性模量与龄期的关系

由图10、图11可知：随着钢纤维掺量的提升，钢纤维砼的弹性模量逐渐提高，且随着龄期的增长，弹性模量逐渐提高。28 d龄期时，钢纤维掺量为0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%时的弹性模量比不掺钢纤维时分别增长13.06%、15.49%、23.96%、24.79%、25.74%。随着龄期的增长，砼内部水泥发生水化反应，使砼硬化更充分，水泥胶结作用促进骨料和砂浆粘结强度增加。钢纤维在砼中均匀分布，使砼密实度增加，砼在外部荷载作用下变形幅度减小，砼的弹性模量增加。

3.6 抗渗性能试验

按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》对不同钢纤维掺量、不同龄期砼进行水压渗透试验，试验结果见图12、图13。

图12 纤维掺量对渗水高度的影响

图13 纤维掺量对抗渗性能的影响

由图12、图13可知：随着钢纤维掺量的提高，钢纤维砼的渗水高度逐渐降低，钢纤维掺量为0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%时的渗水高度比不掺钢纤维时分别下降8.97%、33.33%、48.72%、55.13%、60.26%。较少掺量的钢纤维对砼的抗渗性能影响不大，纤维掺量过多时，纤维的交错分布使砼内部结构粘结性增强，但渗水高度下降速率降低。总的来说，钢纤维掺入对砼的抗渗水有明显作用。钢纤维本身具有增韧阻裂的作用，可消减砼裂缝的发生和拓展，纤维的交错分布容易在砼中形成空间网络结构，有利于协调砼中骨料分布的均匀性，使砼表面离析现象减弱，阻断砼中水分子的流通。

3.7 抗碳化性能

砼的碳化对砼结构的安全和耐久性有直接影响。砼的碳化一般是砼中的碱性物质与CO2、水综合产生的化学反应。制备不同钢纤维掺量、不同龄期标准砼试块，在0.03%CO2潮湿环境中进行碳化试验，结果见图14、图15。

由图14、图15可知：随着钢纤维掺量的提高，钢纤维砼的碳化深度逐渐降低，且随着龄期的增长，碳化深度逐渐降低。28 d龄期时，钢纤维掺量为0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%时的碳化深度比不掺钢纤维时分别下降12.74%、28.05%、39.19%、45.72%、47.86%。钢纤维的加入能有效抵抗砼的碳化影响，钢纤维的均匀分布能在砼中形成有效空间立体结构，在增强砼内部密实程度的同时，对砼内部结构进行优化，延缓砼裂缝的产生，使砼内部空洞数量大大减少，阻断碳氧化合物对砼的影响。