不同養護條件下鋼纖維混凝土力學性能試驗研究

楊心蓮，高佳佳，李振宇，路建國，職偉洋，張浩洋

（1.西南石油大學土木工程與測繪學院，四川 成都 610500；2.西南石油大學教務處，四川 成都 610500）

0 引 言

混凝土是目前應用最廣泛的建筑材料之一，具有價格低廉、施工方便、抗壓性能好、耐久性好等優點[1]。但近年來，人們在使用中逐漸發現單一混凝土的缺點：本身笨重且其力學強度易受當地氣候與周圍工程環境影響；抗拉強度較低，結構易開裂，裂縫易被有害物質滲透，導致周圍混凝土內部結構退化[2]。高強度相應帶來的高脆性大大限制了混凝土的應用。在實際建筑工程中，單一混凝土作為關鍵承重材料已經不能滿足日益擴大的建筑規模需要。為了克服上述缺陷，增強混凝土材料的應用性能，摻入鋼纖維制備增強混凝土是當前的主要解決措施之一[3]。有研究表明，加入鋼纖維可有效提高混凝土的抗裂、阻裂及變形能力[4]。在混凝土中亂向分布的鋼纖維，其主要作用是阻礙混凝土內部微裂縫的擴展和阻滯宏觀裂縫的發生和發展。受荷（拉、彎）初期，水泥基料和纖維成為外力的主要承受者，因此鋼纖維混凝土與普通混凝土相比具有一系列優越的物理和力學性能[5]。為了進一步探究鋼纖維增強混凝土在復雜工程環境下的性能，分別測定在水和質量濃度5%的NaCl 溶液（以下簡稱“5% NaCl 溶液”）2 種養護條件下，不同鋼纖維摻量（0%、1%、2%）混凝土的力學特性，分析不同養護條件和鋼纖維摻量對混凝土各項性能的影響。

1 試 驗

1.1 試驗原材料

試驗采用拉法基水泥有限公司生產的P·O 42.5 級普通硅酸鹽水泥，水泥的物理及力學性能見表1。細骨料選用細度模數2.58，含泥量1.5%，表觀密度2 580 kg/m3的天然河砂。粗骨料選用連續級配為5～20 mm，表觀密度為2 660 kg/m3的碎石。外加劑選用減水率為24%的聚羧酸型高效減水劑。對于增強型混凝土，鋼纖維長徑比選擇40～60 mm效果較好[6]。為方便控制，試驗中均選取長徑比為60 mm 的鋼纖維，所用鋼纖維的形狀及基本性能參數見表2。

表1 水泥的物理及力學性能表

表2 鋼纖維的特征參數表

1.2 配合比設計

試驗參照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》設計混凝土配合比，目標設計強度等級為C30。在普通混凝土配合比基準上，考慮3 種不同鋼纖維摻量：0 kg/m3（0%）、4.16 kg/m3（1%）、8.32 kg/m3（2%），摻入鋼纖維混凝土配合比設計見表3。為保證試驗的可靠性，按照普通混凝土的抗壓強度與水泥強度等級、水灰比的關系，確定本次試驗各組試件水灰比為0.42，同時各組試件粗、細骨料等條件相同。其中，鋼纖維摻量1%、2%分別記錄為SF1、SF2 組，無鋼纖維摻入的單一混凝土記錄為OPC 組。研究在2 種不同養護條件下（水，5% NaCl 溶液）不同鋼纖維摻量對混凝土性能的影響。

表3 混凝土試樣配合比表

1.3 樣品制備

為獲得鋼纖維均勻分布的增強混凝土，試驗采用帶有布料裝置的纖維混凝土專用攪拌機[7]，投放材料時先將水泥、骨料和鋼纖維攪拌均勻，再加水攪拌[8]。樣品制備程序見圖1。

圖1 樣品制備程序示意圖

?

1.4 單軸壓縮試驗

按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》要求[9]，對試件齡期為3、7、14、21、28 d 的立方體抗壓強度進行測試，采用SHT4106 微機控制電液伺服萬能試驗機[10]。養護條件分別為水和5% NaCl 溶液，試驗的控制方式為應力控制，控制速度為0.25 MPa/s。

試驗測試抗壓強度分別為F1、F2 和F3（F1 ≥F2 ≥F3）。如果值F1（或F3）和F2 之間的誤差超過F2 的±15%，則測試的抗壓強度F1（或F3）將被舍除，取F2 為該組試件的抗壓強度值。如果值F1 和F2 以及值F3 和F2 之間的誤差均超過F2 的±15%，則該組試件的試驗結果無效，將重新采樣進行測試。否則，將3 個抗壓強度的算術平均值作為該組試件的抗壓強度值，抗壓強度值精確到0.1 MPa。

2 試驗結果分析

2.1 養護條件和養護齡期的影響

在不同養護介質條件（水、5% NaCl 溶液）下，不同摻量（0%、1%、2%）鋼纖維混凝土的抗壓強度值見圖2，抗壓強度增長率見圖3。其中，養護的混凝土在21 d 齡期左右試件強度發展較為完善，抗壓強度停止或者緩慢發展。

圖2 不同摻量鋼纖維混凝土樣品的抗壓強度圖

圖3 不同摻量鋼纖維混凝土樣品的抗壓強度增長率圖

由圖2 a）可知，不摻入鋼纖維的單一混凝土（OPC 組），其抗壓強度在5% NaCl 溶液中比在水中養護發展較快，但隨著養護齡期增加，14 d 之后抗壓強度呈現略降低的趨勢；而在水中養護的OPC 組，其抗壓強度隨著養護時間的增加不斷上升。

由圖2 b）、2 c）可知，SF1 和SF2 組在2 種養護條件下隨著養護齡期增加，抗壓強度不斷上升，21 d 齡期時抗壓強度發展速度減緩，強度基本穩定?？傮w來看，在水中養護的混凝土抗壓強度較在5% NaCl 溶液中的高，這是由于NaCl 溶液中氯離子對混凝土以及鋼纖維的侵蝕作用，使混凝土的承載能力降低。氯離子通過再生骨料與水泥漿之間的微小裂隙滲透至混凝土內部，銹蝕其內部的鋼纖維，由于銹蝕產物體積不斷膨脹，骨料之間的裂隙不斷擴張，導致氯離子進一步侵蝕[11]。

同時，結合圖2 可以看出，OPC 組單一混凝土的抗壓強度高于2 組鋼纖維混凝土。這是因為鋼纖維不僅不容易分散，而且會把部分空氣帶入混凝土，減少基體粘結力的同時也降低了混凝土強度[12]。

抗壓強度增長率是評估混凝土力學性能的重要指標之一，此處定義為：

式（1）中：Δf是抗壓強度增長率，%；F0和Fn分別是混凝土樣品3 d 和7、14、21、28 d 齡期時抗壓強度值，MPa。

由圖3 可知，隨著養護時間增加，3 種摻量鋼纖維增強混凝土的抗壓強度增長率整體呈現上升趨勢。由圖3 a）可知，OPC 組在5% NaCl 溶液中養護，前期強度增長相比在水中養護較快，但14 d 后強度增長逐漸變緩；而在水中養護的混凝土強度增長率一直處于上升狀態。結合圖3 b）、3 c），SF1和SF2 組在2 種養護環境中的抗壓強度增長率不斷上升，整體在5% NaCl 溶液中的強度增長率大于在水中的強度增長率。

2.2 鋼纖維摻量和養護齡期的影響

在水和5% NaCl 溶液養護條件下，單一混凝土和不同外摻鋼纖維增強混凝土在不同養護齡期，其抗壓強度及抗壓強度增長率對比見圖4～5，極限承載力下的彈性模量隨養護齡期變化曲線見圖6。

圖4 不同養護條件下混凝土樣品的抗壓強度圖

由圖4 可知，加入鋼纖維后，混凝土的抗壓強度降低，這是由于纖維的加入使混凝土的和易性變差，其內部界面微裂縫增加，試件中的鋼纖維有團聚成球現象發生，故在其他性能提升的同時，抗壓強度反而有所降低。對于單一混凝土（OPC 組），14 d 齡期時，其強度達到28 d 齡期強度的70.2%；對于外摻鋼纖維混凝土，14 d 齡期時，其強度分別達到28 d 齡期強度的82.5%（SF1）和78.1%（SF2）。這說明此時普通混凝土早期強度的發展速度較外摻鋼纖維混凝土的發展速度慢。

結合圖5 a）可知，加入鋼纖維的混凝土在養護條件為水時，強度增長率總體上大于單一混凝土。有研究表明，摻入鋼纖維可以提高混凝土的密實度，從而減少氯離子滲入[13]。圖5 b）中，在5% NaCl溶液養護條件下，摻入鋼纖維混凝土的抗壓強度增長率后期明顯大于單一混凝土的抗壓強度增長率。

圖5 不同養護條件下混凝土樣品的抗壓強度增長率圖

彈性模量是表征混凝土力學性能的重要指標之一。由圖6 a）可見，14 d 養護齡期之前，外摻鋼纖維4.16 kg/m3時，其彈性模量飛速增長；14 d 后，隨著養護齡期增加，外摻鋼纖維混凝土的彈性模量均小于普通混凝土。

圖6 不同養護條件下混凝土樣品的彈性模量-養護齡期變化曲線圖

由圖6 b）可見，養護齡期21 d 前，外摻鋼纖維混凝土的彈性模量均小于普通混凝土。究其原因，可能是鋼纖維摻量較低，沒能有效填充縫隙；此外，還可能因為鋼纖維的尖端正好處于混凝土水化反應過程產生的氣泡中，當承受荷載作用時發生應力集中，從而加速混凝土裂縫的貫通，最終導致其變形能力變差[4]。養護齡期大于21 d 后，鋼纖維摻量小的SF1 組，彈性模量大于普通混凝土的OPC 組，鋼纖維摻量最大的SF2 組彈性模量最小。3 組混凝土的彈性模量值趨于3.5 GPa。

2.3 應力-應變關系分析

應力-應變曲線是混凝土最重要的力學特性之一，是混凝土材料彈性模量、結構延性和承載力計算與分析的基本依據。將力和位移曲線轉變為應力-應變曲線，得出試塊分別在鋼纖維摻量為0%、1%、2%，2 種不同養護條件下（水，5% NaCl 溶液）的應力-應變曲線（見圖7）。

圖7 不同養護條件下混凝土樣品養護28 d 的軸向應力-應變曲線圖

對混凝土試件應力-應變曲線進行分析，總體來看可以分為5 個階段：初始孔隙壓縮階段、彈性壓縮階段、塑形屈服階段、下降階段和殘余應力階段（見圖7）。初始孔隙壓縮階段，隨應變增大，試件應力的非線性增加，混凝土內部孔隙在應力作用下逐漸壓縮緊實；彈性壓縮階段，試件應力隨應變呈線性增長趨勢，該階段混凝土試件發生彈性變形；伴隨著應力增大，試件逐漸進入屈服階段，此階段混凝土發生塑形變形，應力-應變曲線呈非線性變化，試樣內部裂紋增多；隨著應變繼續增大，應力隨著應變的增加急劇減??；最后，混凝土試樣進入殘余階段，該階段混凝土試樣的應變繼續增大而應力保持穩定。

從圖7 a）可以看出，養護條件為水時，普通混凝土和鋼纖維混凝土的應力-應變曲線在上升階段基本保持一致，峰值應變相差不大，但是下降階段的形狀差異比較明顯。對于單一混凝土（OPC 組），應力-應變曲線的下降段坡度較陡峭，而鋼纖維混凝土（SF1 和SF2 組）的下降段坡度較平緩，表明應力變化相同幅度時，變形相對較大，說明鋼纖維可以提高混凝土的延性，增強混凝土的塑性變形能力。對比SF1 組和SF2 組的應力-應變曲線，發現SF1 組的下降段較SF2 組更陡，說明鋼纖維摻量為2%的混凝土比鋼纖維摻量為1%的混凝土延性得到進一步提升。從圖7 b）可以看出，養護條件為5% NaCl 溶液時，單一混凝土和鋼纖維混凝土的峰值應力均在35.0 MPa 左右，下坡段坡度同養護條件為水時基本一致。

由圖7 可知，單一混凝土（OPC 組）的峰值應力均高于鋼纖維混凝土，但殘余應力低于鋼纖維混凝土。同時，相比OPC 組，鋼纖維混凝土的破壞過程更快，在短時間內便能達到峰值應變，SF2的峰值應變大于SF1。在趙順波等[14]的研究中，峰值應變隨摻入鋼纖維的量呈增大趨勢，且均大于未摻入鋼纖維混凝土的峰值應變?；谠囼炛?%NaCl 溶液養護條件下，摻加鋼纖維組的峰值應變低于未摻鋼纖維組的現象，可能是由于溶液中氯離子對鋼纖維的侵蝕導致性能劣化。峰值應力以SF1 組為例，養護條件為水和5% NaCl 溶液時的峰值應力分別為 37.0、35.1 MPa，這比OPC 組分別低21.3%、4.5%；同時，SF1 組的殘余應力分別為17.3、9.1 MPa，比OPC 組分別高439.0%、180.6 %。相比OPC 組，鋼纖維混凝土殘余應力較高，破壞過程緩慢，這是由于鋼纖維在混凝土內部多向分布[15]，這樣能有效阻止混凝土內部微小裂縫的擴大延伸及大裂縫的生成，韌性和延性得到提升。

3 結 論

為驗證鋼纖維摻入對混凝土性能的影響機制，制備單一混凝土試件和鋼纖維混凝土試件，并以單一混凝土試件為對比試驗組，開展2 種不同養護條件下（水和5% NaCl 溶液），單一混凝土和鋼纖維增強混凝土的力學特性試驗，分析2 種養護條件下，不同鋼纖維摻量對混凝土抗壓強度、彈性模量及應力-應變關系的影響規律。根據試驗結果分析得出如下結論：

1）在2 種養護條件下，鋼纖維混凝土的抗壓強度隨養護時間增加而增加，但摻入鋼纖維會在提高混凝土延性等性能的同時，損失部分抗壓強度。

2）在2 種養護條件下，摻加鋼纖維的2 組混凝土，其強度增長率總體上高于單一混凝土組的強度增長率；特別之處是，在5% NaCl 溶液養護條件下，摻加鋼纖維混凝土的抗壓強度增長率后期明顯大于單一混凝土的抗壓強度增長率，后續可進一步探究加入鋼纖維對混凝土對抗氯鹽侵蝕能力的影響。

3）不同摻量鋼纖維混凝土的應力-應變曲線相似，可分為初始孔隙壓縮階段、彈性壓縮階段、塑形屈服階段、下降階段和殘余應力階段共5 個階段。鋼纖維的摻入提高了混凝土的延性，但同時鋼纖維混凝土的抗壓強度有所下降，因此，鋼纖維摻量不宜過多。