浅谈高掺量钢纤维灰砂混凝土

摘要：本文主要围绕灰砂混凝土中钢纤维掺量的提高，对混凝土本身性质的影响，主要从不同龄期的抗折强度、劈裂抗拉强度、抗压强度三个方面来通过试验对比，并简要分析一下导致其性质变化的微观结构原理。
关键词：钢纤维、灰砂混凝土、抗折强度、劈裂抗拉强度、抗压强度

混凝土是在科技日新月异的今天应用最为广泛的建筑材料之一。它是由胶凝材料、水和粗细骨料按适当比例，经拌合、运输、浇注成型和硬化而制成的人造石材。其具有易成型、耐久性好、价格便宜等等优良特性。
但是，不难发现单单的素混凝土基本上是用做承受压力的建筑构件，几乎很少被用做承受拉力和剪切力的构件。因为它固有的脆性，特别是当混凝土的强度越高时脆性也越大，从而限制了混凝土的应用。Griffith理论认为：实际材料中总是存在许多细小的裂纹或缺陷，在外力作用下，这些裂纹和缺陷附近产生应力集中，当应力达到一定程度时，裂纹开始扩展而导致材料断裂。要在不改变混凝土基体的基础上使混凝土的强度，特别是抗拉、抗剪强度有大幅度的提高，就必须是在材料中设置能吸收能量的机构以减少裂纹的数量或阻止裂纹的扩展。因此，人们就想到了在混凝土中掺入一种定向或乱向分布的韧性材料以代替钢筋。自然的，现在广泛使用的纤维成为首选。国际上称这种混凝土为纤维混凝土。
1.1 研究的目的、内容和主要参数
本试验的目的：
1、通过试验得到的高强砂浆的两种最佳配合比设计，配制成两种基体不同的钢纤维混凝土。分别比较其中不同掺量钢纤维混凝土各个龄期的强度试验值，分别研究钢纤维对试件抗折强度、劈裂抗拉强度、抗压强度的增强规律，并进行对比。
2、从钢纤维灰砂混凝土的构造特点和强度增强机理出发，对试验结果在本质上进行分析研究。
试验主要内容：用灰砂比都为1:1.5的高强砂浆配制出弓型钢纤维掺量为3%、5%和6.5%的灰砂混凝土，测定其3d、7d和28天的抗压、抗折和劈裂抗拉强度。
1.1.1 试件的制作
根据《钢纤维混凝土试验方法》的规定，立方体抗压强度、劈裂抗拉强度试验采用100100100mm的试件作为试验试件，每组三块。静载抗折强度试验采用100100400mm的梁式试件，每组三块。
在试块的制作和养护过程中，应该注意以下几个问题：
（1）投料搅拌方法对钢纤维混凝土性能的影响。
方案a：把所有的钢纤维、砂和胶泥材料一起加入到搅拌机中加水搅拌。结果：钢纤维仍部分成排，未分散均匀，混凝土性能较差，还不如普通混凝土。
方案b：先加钢纤维和砂搅拌，再加胶凝材料加水搅拌。结果:与方案a结果相似。
方案c: 先加钢纤维和砂加1/3的水进行搅拌，待钢纤维完全分散后，再加另外2/3的水和胶凝材料进行搅拌。结果：钢纤维分散效果较前两种方案好，不存在纤维的成排现象，分散效果较好；钢纤维混凝土的力学性能较好。
方案d:预先把钢纤维放在水中浸泡一段时间，待钢纤维分散后，然后捞出钢纤维，将水控干，再分层填入试模中，浇入流动性极强的高强砂浆，适当振动，再填入钢纤维，再浇入，再振动。该方法可用来探究出最佳工艺（最好配备钢纤维布料机）。结果：因为未用布料机，所以试块中存在较大孔隙和缺陷。
试验中主要用的是方案c,效果较好。试验方案d最大掺量可达6.5%，虽比方案c提高体积率1.5%，但混凝土的力学性能比方案c的差。这主要是因为超过一定纤维掺量的情况下，钢纤维在混凝土中已经很难分散，再依靠搅拌机搅拌、人工装料的方法难以充分均匀分散。要获得更高掺量和更有性能的钢纤维混凝土必须借助其它的实验方法或借助于其它的特殊设备。综合而言，用方案c较好。
（2）测试方向对钢纤维增强混凝土的弯曲性能有较大的影响。当测试的方向是垂直于浇注的方向，试块的弯曲强度和韧性同平行于浇注方向的条件相比，都呈现出下降的趋势。随着纤维混合物工作性能的提高，同浇注方向相应的测试方向对弯曲强度和韧性的作用也将增大，这将增大纤维在分布过程中的沉降。高弯曲性能（工作性能）的钢纤维混凝土试块，在垂直于浇注成型的方向进行测试，与同浇注方向平行的相比，第一裂缝强度，最终弯曲强度，弯曲韧性方面都有相应地下降。
1.1.2 试验用原材料
本课题所用原材料为：
（1）P.O.水泥：华新金猫水泥厂生产的“金猫”42.5普通硅酸盐水泥；
3天抗压强度为26.8Mpa 3天抗折强度为6.2Mpa
28天抗压强度为46.3Mpa 28天抗折强度为9.1Mpa 。
（2）砂：长江中砂，堆积密度：1450kg/m3
表观密度：2620kg/m3
细度模数：2.52 ；含泥量：0.5%
（3）外加剂：苏州博特外加剂公司生产：氨基磺酸盐减水剂（液剂）；
（4）钢纤维：上海佳密克斯产波型、弓型；
型号直径
(mm) 抗拉强度(Mpa) 长度
(mm) 平均长径比
RC—65/35—BN 0.53—0.57 1145—1545 32.0—38.0 63.6

（5）硅灰：上海山川铁合金股份有限公司生产，堆积密度：210kg/m3;密度：2.23g/cm3
化学成分 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O SO3
含量（%） 95.17 0.57 0.88 0.59 0.32 0.64 1.83 —
1.1.3配合比设计
表1-1钢纤维高强灰砂混凝土配合比设计
（水泥、硅灰、砂子和钢纤维的单位为㎏／ｍ３）
钢纤维体积率水泥硅灰砂钢纤维硅灰掺量水灰比胶砂比
3% 683 93 1164 234
12%
0.265
1：1.5
5% 669 91 1140 390
6.5% 658 90 1122 507

1.2 试验结果
表1—2 高强高掺量弓型钢纤维灰砂混凝土各龄期强度试验值
1d 3d 3d 7d 7d 7d 28d 28d 28d
抗压抗压抗劈抗压抗劈抗折抗压抗劈抗折
基体1 —— 43.23 —— 51.3 4.548 7.5 72.2 4.98 7.91
3% —— 49.21 —— 59.85 7.74 12.59 78.85 10.29 16.06
5% —— 47.98 —— 61.56 9.58 14.64 81.23 12.72 17.34
6.5% —— 40.19 —— 45.22 10.56 15.3 68.4 10.83 20.15

1.3 试验结果分析
1.3.1 高掺量弓型钢纤维对强度增强作用规律的研究
这种钢纤维混凝土的抗压强度和其他性能指标较普通高强混凝土均有大幅度的提高，但是必须考虑到钢纤维混凝土的经济效益。高的掺入量一定要得到相应的好的性能，才能物有所值。所以，研究的目的是在适当加大掺量的情况下，得到具有优良力学性能的高掺量灰砂混凝土的配合比。这主要通过测试混凝土的各龄期抗压、抗折和抗劈裂强度来确定。
图1—3不同掺量的弓型钢纤维混凝土的抗压强度的增强对比

图1—5不同掺量的弓型钢纤维混凝土的抗劈裂强度的增强对比

由图1—3到1—5，线形的趋势表明了弓型钢纤维对各个龄期混凝土的抗拉、抗折和抗劈裂强度的增强效果：
a 弓型钢纤维对混凝土的抗拉、抗折和抗劈裂强度都有一定的增强效果，可其中对抗压强度的增强最大，而对抗折和抗劈裂强度的增强相当，都较大。所以，加入钢纤维所起的最为关键的作用是增强混凝土的抗劈裂和抗折性能，这正是我们所要求。
b 不是钢纤维掺量越大，其增强效果越好。若掺量超过一定的范围，其强度的增强效果可能会降低。对于抗拉强度来说，当钢纤维掺量达到6.5%时，其各个龄期的强度反而比基体的低。这就说明：钢纤维的掺量超过一定的范围，根本起不到应该的增强效果，还有可能会使混凝土的内部结构不均匀，裂纹增多。所以，在本次试验中所得的数据中，5%的钢纤维体积掺量是最佳的掺入量。
c 大多数情况下，加钢纤维的灰砂混凝土后期（28天）的抗折和抗劈裂强度比基体的增幅都大于前期（7天）的增幅。
1.3.2钢纤维对于砂浆性能改变的原因的探讨
砂浆中掺入钢纤维后，不仅提高了各种强度，而且减弱了砂浆的脆性提高了延性，具体的原因可从以下几方面加以解释：
砂浆是一种多组分的复合材料，由于在养护过程中内部失去水分，或是震捣不密实等原因，它存在许多的缺陷。在试件受到拉应力作用的时，这些内部缺陷处就会出现应力集中，从而导致细微裂纹的急剧扩展并相互贯通，进而形成表面裂缝。表面裂缝出现以后，砂浆的截面受到极大的削弱，承受的应力迅速升高，裂缝扩大，截面进一步减少，试件最终破坏。砂浆中钢纤维的阻裂作用分为两个阶段：第一阶段是脱粘阶段，当试件出现初始裂缝后，钢纤维通过与基体间的粘结力阻止基体裂缝的迅速开展，使裂缝尖端的应力集中现象得到有效缓解，起到了阻止裂缝扩展的作用。随着裂缝不断地发展，钢纤维与基体间会产生相对的滑移，界面层逐渐被破坏，纤维和基体间的粘结也逐渐减小以致最终全部消失，这个阶段是钢纤维阻裂的主要阶段，称为脱粘阶段。脱粘阶段后，裂缝充分开展，裂缝处的砂浆基体基本上退出作用。这是阻裂作用的第二阶段，成为拔除阶段。有以上分析可知，钢纤维的阻裂作用不仅使钢纤维砂浆的极限劈裂抗拉强度和抗折强度有了很大的提高，而且纤维的脱粘和拔出两个过程需要吸收大量的能量，使劈裂抗拉和抗折试件的破坏呈现出十分良好的延性特征，使钢纤维砂浆的破坏形态与普通的砂浆有了很大不同。
从本试验结果来看，掺入钢纤维后的劈裂抗拉强度比抗折强度有更加明显的提高，而且其强度提高的程度很明显地受纤维掺量的影响，表现出较强的规律性。其原因可能有两方面：
首先，对于劈裂抗拉试件，拉应力是发生在最终断裂面的全截面上，在这个截面上所有的钢纤维均会起到增强抗拉作用，在受拉区钢纤维的阻裂抗拉效用会充分地发挥出来。随着外部荷载的逐渐增大，试件横断面的中性轴逐渐上移，受拉区的纤维只是依次发挥作用，在中性轴附近的拉区纤维开始发挥作用的时候可能在试件下边缘的纤维已进入了拔出阶段。其次，劈裂抗拉试件尺寸较小，相对来说基体内纤维分布的比较均匀，并且其破坏面仅限于上下两加荷点之间连线的断面上，该断面不一定就是该试件的最薄弱的截面。
对于抗折试件来说，不掺纤维的试件在破坏前出现明显的裂缝，随即裂缝有试件的受拉区边缘向中性轴扩展，并且贯通到受压区，试件在破坏时被完全折断成两部分，断口较为平整，呈脆性破坏，而掺入钢纤维的抗折试件当达到它的极限荷载的时候，试件只是在它的受拉区出现了一道微裂缝，裂缝细小且不连续，显示出延性破坏。
总的来说，掺入钢纤维后，砂浆的抗压强度还是有一定的提高，虽然不如劈裂抗拉强度和抗折强度的提高的幅度大。抗压强度能有一定程度的提高，是由于钢纤维可认为砂浆的骨料，与基体砂浆之间有良好的粘结性能，共同承受外荷载产生的压应力，所以其提高的幅度并不像抗拉承载力那样明显。
1.4 本章小结
有以上试验结果可以总结出钢纤维对砂浆的增强作用有以下规律：
1、随着钢纤维的掺入，各种强度均有增加的趋势，但提高的程度是不同的，其中劈裂抗拉强度受纤维掺量的影响最大，随纤维掺量的增加，劈裂抗拉强度有大幅度的提高，抗折强度与其相近，抗压强度受纤维掺量的影响较小，钢纤维对抗压强度的增强作用很有限。
2、掺入钢纤维后砂浆试件的破坏特性有了很大的改善。破坏性质很明显地有脆性破坏向延性破坏转变，断面形状和位置也发生了改变。
3、在不用钢纤维布料机的情况下，所制作的高掺量钢纤维灰砂混凝土的最佳体积掺量在5%左右。一旦超过此范围，除非改进生产工艺，否则强度增加有限甚至会比基体强度低。
4、基体提高自身的强度，即采用高强砂浆配置钢纤维灰砂混凝土对增强砂浆混凝土各方面的强度具有十分明显的效果。
参考文献
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