1、1钢纤维在不同强度混凝土中的应用研究摘要：选用目前最为广泛应用的三种钢纤维，微细平直型钢纤维、端钩型钢纤维和剪切型钢纤维，在普通混凝土和高强混凝土两种基体中，分别研究了其对混凝土新拌性能、抗压强度和弯曲韧性的影响。结果表明，三种钢纤维都对混凝土的流动性能产生不利影响，其中微细钢纤维最为明显；钢纤维对强度的提高幅度：微细平直型钢纤维端钩型钢纤维剪切型钢纤维，且随着钢纤维掺量的增加而增加；钢纤维对弯曲韧性的提高幅度：端钩型钢纤维微细平直型钢纤维剪切型钢纤维；混凝土基体强度的增加有利于钢纤维作用的更好发挥。 关键词：钢纤维；混凝土；新拌性能；抗压强度；弯曲韧性 Application of stee
2、l fiber on concrete with different strength Abstract:Three types of steel fiber were used in this paper, such as micro-diameter steel fiber, end-hooked steel fiber and shear-pattern steel fiber. Effect of fiber on fresh performance, compressive strength and flexural toughness of ordinary concrete an
3、d high-strength concrete was studied. Results showed that, the three types of steel fiber adversely affected the flow properties of concrete, and the influence of micro-diameter steel fiber was largest. With the increase of steel 2fiber content, the increase of concrete compressive strengthincreased
4、 gradually. The strength enhancement of micro-diameter steel fiber was best; the toughness enhancement of end-hooked steel fiber was best; and the strength and toughness enhancement of shear-pattern steel fiber was worst. The increase of concrete strength could make the steel fiber work better. Keyw
5、ords: Steel fiber; Concrete; Fresh performance; Compressive strength; Flexural toughness TU74 引言 混凝土由于存在拉压比低、易开裂等缺陷，限制了其更为广泛的应用。纤维被认为是解决混凝土开裂问题的关键材料之一，在混凝土中主要起到增强、阻裂及增韧的作用，可大幅提高混凝土的承载和变形能力。吴中伟院士1就曾多次提出“复合化是水泥基材料高性能化的主要途径，纤维增强是其核心” ，着重强调了纤维的重要性。针对纤维混凝土，国内外开展了大量的试验和理论研究，赵顺波等2研究了高强钢纤维对混凝土弯曲韧性的影响；杨萌3对钢纤
6、维与高强砂浆的粘结性能，钢纤维高强混凝土的基本力学性能进行了大量的研究；Alhozaimy 等4、Wu 等5研究了纤维对混凝土力学性能的影响；赵国藩等6从断裂力学理论出发，导出了与复合材料理论相一致的乱向分布钢纤维混凝土抗拉强度公式，并分析了钢纤维混凝土的增强机理和破坏形态；高丹盈等7提出了钢纤3维混凝土及其特定结构的计算理论、设计方法和关键技术。 尽管国内外对纤维混凝土开展了大量的研究，但有关纤维对不同强度混凝土性能影响的系统研究及机理分析仍然较少。本文选用目前最为广泛应用的三种钢纤维，研究其对混凝土新拌性能、抗压强度和弯曲性能的影响规律，从而为纤维在不同工程中的应用提供技术支撑。 1 试验
7、原材料及配合比 1.1 原材料 胶凝材料：江南小野田水泥有限公司生产的 P52.5 硅酸盐水泥；南京热电厂级粉煤灰；贵州海天铁合金磨料有限公司生产的硅灰；微米级超细矿渣粉，密度为 2.86g/cm3，比表面积为 7800 cm2/g。胶凝材料的化学组成见表 1。 集料：粗集料为江苏句容产玄武岩碎石；细集料为洁净河砂，细度模数为 2.6。 钢纤维：江苏博特新材料有限公司生产的微细平直型、端钩型和剪切压型 3 类钢纤维，其性能参数见表 2。 表 1 胶凝材料的化学组成（%） 表 2 钢纤维性能参数 41.2 配合比 根据普通混凝土配合比设计规程 （JGJ55-2000）和纤维混凝土应用技术规程 （
8、JGJ/T221-2010）中混凝土的配制方法，进行配合比设计。普通和高强混凝土基体的配合比分别见表 1，其中普通混凝土采用萘系高效减水剂，钢纤维掺量分别为 0.25%、0.5%、0.75%和 1.0%；高强混凝土采用聚羧酸系高性能减水剂，钢纤维掺量分别为 0.5%、1.0%和2.0%。 表 1 混凝土的配合比（/kg/m3） 2 试验方法 2.1 混凝土制备及养护工艺 按照试验配合比，采用强制搅拌机，进行钢纤维混凝土的制备。为防止钢纤维结团，采用先干后湿的拌合工艺8。先将胶凝材料、粗细集料搅拌均匀后，加入水和减水剂，在拌合过程中，逐步加入钢纤维，保证纤维混凝土的拌合质量。待钢纤维混凝土完全均
9、匀后，测试其相关的新拌性能，并在对应的模具中成型，成型后的混凝土静置 24 h 后，脱模，移至标准养护室（温度 202、相对湿度大于 95%RH）继续养护，至规定龄期后，按照相关标准进行纤维混凝土力学性能的测试。 2.2 混凝土性能测试 按照普通混凝土拌合物性能试验方法 （GBT50080-2002） 、 纤维混凝土试验方法标准 （CECS13-2009）和纤维混凝土应用技术规程5(JGJ/T221-2010)的规定，进行钢纤维混凝土新拌性能和力学性能的测试。采用尺寸为 100mm100mm100mm 立方体试件，在 WAW-600C 微机控制电液伺服万能试验机上进行抗压强度的测试，加载速度为
10、 8000N/s。采用尺寸为 100mm100mm400mm 的棱柱体试件进行弯曲性能的测试。测试前在非成型面中间预制 15mm 深，3mm 宽的缺口。测试过程中，由电脑采集仪器实时跟踪采集引伸计和 LVDT 的数据，获知混凝土试块的 CMOD 及弯曲挠度值。 3 结果与讨论 3.1 新拌性能 以扩展度为指标，图 1 分别给出了钢纤维对普通和高强混凝土新拌性能的影响。可以看出，掺入钢纤维后，混凝土的扩展度明显减小，且随着钢纤维掺量的增加，这种降低作用愈加明显；在两种混凝土基体中，微细平直型钢纤维的影响最大，其次是端钩型钢纤维和剪切型钢纤维；在普通混凝土中，剪切型钢纤维对扩展度的影响高于端钩型钢
11、纤维，而在高强混凝土中，端钩型钢纤维对扩展度的影响高于剪切型钢纤维。 钢纤维在混凝土中相互交叉搭接呈网络结构，增大了新拌混凝土流动时的阻力，且纤维相对于骨料来说，其总表面积增大，需要大量的水泥浆包裹，也导致混凝土的流动性降低。微细平直型钢纤维的直径最小，相同体积掺量下纤维根数最多，需要更多的水泥浆体包裹，因此其对混凝土的流动性损失影响最大。在普通混凝土中，相比于剪切型钢纤维，端钩型钢纤维的表面较为平滑，因此其对扩展度的降低作用小于剪6切型钢纤维；在高强混凝土中，端勾钢纤维由于其两端具有弯钩，且混凝土基体初始扩展度较大，容易在拌合过程中相互搭接成束，从而阻止混凝土的流动；相同体积掺量下剪切型钢纤
12、维总表面积小，且搭接机会也会比较小，所需的包裹水泥浆比较小，因此其流动性相对较高。 (a) 普通混凝土 (b) 高强混凝土 图 1 钢纤维对混凝土新拌性能的影响 3.2 抗压强度 图 2 分别给出了钢纤维对普通和高强混凝土抗压强度的影响。可以看出，掺加钢纤维能明显地提高混凝土的抗压强度，且提高幅度随着纤维掺量及基体强度的增加而增加，剪切型钢纤维除外；钢纤维对混凝土抗压强度的提高幅度：微细平直型钢纤维端勾型钢纤维剪切型钢纤维。钢纤维掺入混凝土后，能否提高混凝土的抗压强度及提高幅度，主要取决于混凝土基体强度、钢纤维自身抗拉强度和钢纤维-基体界面粘结强度。在普通混凝土中，钢纤维与基体的界面粘结强度低
13、，钢纤维的掺入增多了整个体系的界面薄弱区，混凝土受压时，该薄弱区可能首先导致混凝土材料的破坏；从剪切型钢纤维的结果可以看出，随着纤维掺量的增加，混凝土抗压强度反而降低，不符合基于混合法则的复合材料理7论9-10，主要归结于其对混凝土流动性能的降低和内部缺陷的增加。在高强混凝土中，钢纤维与混凝土基体的界面粘结强度高，减小了界面薄弱区带来的不利影响，混凝土受压时，乱向分布的钢纤维网络结构对混凝土横向变形的约束作用较强，增加了混凝土材料的抗压强度。相同体积掺量下微细平直型钢纤维根数最多，且自身抗拉强度最高，因此其对混凝土抗压强度的提高幅度最大；端勾型钢纤维较剪切型钢纤维的优点在于较高的抗拉强度和独特
14、的纤维形状，与硬化水泥浆体之间的锚固作用更强，因此对混凝土强度的提高幅度高于剪切型钢纤维。 (a)普通混凝土 (b)高强混凝土 图 2 钢纤维对混凝土抗压强度的影响 3.3 弯曲性能 图 3 分别给出了钢纤维对普通和高强混凝土弯曲性能的影响，钢纤维体积掺量为 1.0%。可以看出，无论是在普通混凝土还是高强混凝土中，剪切型钢纤维对混凝土弯曲韧性的提高幅度最小，而微细平直型钢纤维和端勾型钢纤维的差异不明显，端钩型钢纤维略有优势。 微细平直型钢纤维的优点是直径小，抗拉强度高，相同掺量下纤维根数比较多，混凝土开裂后纤维的整体拔出力大，因此其对弯曲韧性的提高幅度比较明显；但相比于微细平直型钢纤维，端勾型
15、钢纤维虽然根8数不多，但它具有独特的弯钩端，提供了额外的锚固作用，与混凝土中硬化水泥浆体结合更紧密，增加了纤维的拔出力；且长度比微细平直型钢纤维大，混凝土开裂后对荷载的保持能力较好，能量吸收值比较高，因此其对混凝土弯曲韧性的提高作用略优于微细平直型钢纤维。剪切型钢纤维加工时机械损伤比较严重，导致抗拉强度下降，因此其对混凝土弯曲韧性的提高幅度最小；在高强混凝土中，剪切型钢纤维因其较低的抗拉强度，可能存在断裂的现象，减少了实际发挥作用的纤维根数，在对混凝土弯曲韧性的提高幅度上，与其它两种钢纤维的差异更加明显，大于普通混凝土基体。 (a)普通混凝土 (b) 高强混凝土 图 3 钢纤维对混凝土弯曲荷载
16、-挠度曲线的影响 4 结论 （1）混凝土基体中掺入钢纤维后，因钢纤维的架构作用，混凝土的扩展度明显减小，且随着钢纤维掺量的增加，这种降低作用愈加明显；在两种混凝土基体中，微细平直型钢纤维的影响最大，其次是端钩型钢纤维和剪切型钢纤维。 （2）混凝土基体中掺入钢纤维后，混凝土的抗压强度明显提高，且提高幅度随着纤维掺量及基体强度的增加而增加，剪切型钢纤维除外；钢纤维对混凝土抗压强度的提高幅度：微细平直型钢纤维端勾型钢纤维剪9切型钢纤维。 （3）无论是在普通混凝土还是高强混凝土中，剪切型钢纤维对混凝土弯曲韧性的提高幅度最小，且随着基体强度的增加，与其它两种钢纤维的差异愈加明显；微细平直型钢纤维和端勾型
17、钢纤维因其各具有独有的优势，对混凝土弯曲韧性提高幅度的差异较小，端钩型钢纤维略有优势。 参考文献： 吴中伟. 纤维增强水泥基材料的未来J. 混凝土与水泥制品, 1999, (1): 5-6. 赵顺波, 孙晓燕, 李长永等. 高强钢纤维混凝土弯曲韧性试验研究J. 建筑材料学报，2003,6(1)：95-99. 杨萌. 钢纤维高强混凝土增强、增韧机理及基于韧性的设计方法研究D. 大连: 大连理工大学, 2006. Alhozaimy A M, Soroushian P, Mirza F. Mechanical Properties of Polypropylene Fiber Reinforced
18、 Concrete and the Effects of Pozzolanic MaterialsJ. Cement and Concrete Composites, 1996, 18(2): 85-92. Wu Y, Li J, Wu K. Mechanical properties of hybrid fiber-reinforced concrete at low fiber volume fractionJ. Cement and Concrete Research, 2003, 33(1): 27-30. 赵国藩，黄承逵，彭少民钢纤维混凝土结构M.北京：中国建10筑工业出版，1999
19、. 高丹盈，刘建秀.钢纤维混凝土基本理论M.北京:科学技术文献出版社，1994. 朱田路. 低掺量钢纤维混凝土力学性能研究D. 郑州：郑州大学, 2011. Swamy R N, AI-Taan S a A. Deformation and Ultimate Strength in Flexure of Reinforced Concrete Beams Made with Steel Fiber ConcreteJ. ACI Journal Proceedings, 1981, 78(5): 395-405. 沈荣熹, 崔琪, 李清海. 新型纤维增强水泥基复合材料 M . 北京: 中国建材工业出版社, 200
