談鋼纖維對自密實混凝土力學(xué)性能影響

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摘要:自密實混凝土(SCC)相比于普通混凝土具有更加優(yōu)良的工作性能，無需外力振搗就可依靠自重填充整個模板，因此，被廣泛地應(yīng)用于配筋密集、外形復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中。配制相同強(qiáng)度等級的自密實混凝土與普通混凝土相比，自密實混凝土所需膠凝材料更多，間接導(dǎo)致自密實混凝土在硬化過程中產(chǎn)生較大的干縮變形，在自密實混凝土中摻加鋼纖維，不僅可以有效抑制自密實混凝土的干縮，而且還可以明顯改善自密實混凝土基體的力學(xué)性能，故將鋼纖維與自密實混凝土兩種材料結(jié)合配制鋼纖維自密實混凝土是非常有意義的?；谇叭搜芯康幕A(chǔ)上，本文主要研究鋼纖維對自密實混凝土力學(xué)性能影響。

關(guān)鍵詞:自密實混凝土;鋼纖維;力學(xué)性能

前言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對建筑功能要求更加全面，使得建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計更趨于復(fù)雜化，導(dǎo)致對工程材料的性能要求更高，以及企業(yè)對高效率和高質(zhì)量的要求以及減少工程施工對周圍環(huán)境噪音的影響和綠色施工等施工理念，進(jìn)而使得性能更加優(yōu)良的自密實混凝土被工程界廣泛應(yīng)用。自密實混凝土與普通混凝土相比，工作性能表現(xiàn)得更加優(yōu)良，主要是流動度更高、不容易離析、均勻性和穩(wěn)定性更好等特點(diǎn)，但同時存在收縮變形較大的缺陷，為了有效改善SCC硬化過程中產(chǎn)生收縮變形，因此，在自密實混凝土中摻入適當(dāng)體積率的鋼纖維配制出鋼纖維自密實混凝土，為了充分探究鋼纖維對自密實混凝土性能影響，大量的試驗研究在國內(nèi)外開展并做出了一定的成果。鋼纖維的摻加能有效改善自密實混凝土的力學(xué)性能和抗變形能力，利用鋼纖維的橋接和阻裂作用能有效抑制微裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展，同時還可以減少自密實混凝土的收縮變形。添加鋼纖維的目的主要利用鋼纖維與自密實混凝土之間產(chǎn)生的機(jī)械咬合力和粘結(jié)力來提升其力學(xué)性能，從而對自密實混凝土起到增強(qiáng)增韌的效果［1］，使得混凝土試件在抗壓、劈裂抗拉、抗剪切等性能方面有明顯的提升。

1鋼纖維對SCC抗壓強(qiáng)度影響

在自密實混凝土(SCC)中均勻添加亂向分布的鋼纖維，能有效起到橋接作用，在一定程度上提升抗壓強(qiáng)度，破壞形態(tài)表現(xiàn)為裂而不散，摻加鋼纖維，可以約束自密實混凝土受壓時產(chǎn)生的橫向膨脹變形，從而延長自密實混凝土破壞過程，提升其抗壓強(qiáng)度。對于低強(qiáng)自密實混凝土，摻加鋼纖維對其抗壓強(qiáng)度提升不明顯，這是由于鋼纖維的摻加增多了自密實混凝土內(nèi)部的薄弱界面，所以通過試驗研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維與低強(qiáng)自密實混凝土的結(jié)合程度較低，對其強(qiáng)度貢獻(xiàn)作用不明顯;鋼纖維與強(qiáng)度較高的自密實混凝土能較好地結(jié)合在一起，對抗壓強(qiáng)度有較大幅度的提升作用，整體性也優(yōu)于低強(qiáng)度鋼纖維自密實混凝土［2－3］。蔡懷森等［4］分別研究了鋼纖維體積率變化、鋼纖維類型變化和試件的成型方式對抗壓強(qiáng)度的影響，隨著鋼纖維體積率的提升，鋼纖維自密實混凝土試件抗壓強(qiáng)度比在整體上均有增大的趨勢，不同鋼纖維類型對強(qiáng)度均有提升，強(qiáng)度增幅差別不大，試件是否采用機(jī)械振搗等成型方式，對鋼纖維自密實混凝土抗壓強(qiáng)度也有較為明顯的影響，為了使鋼纖維自密實混凝土具有較好的工作性能和密實性，需提升鋼纖維自密實混凝土砂率和槳體量進(jìn)行配制。XinxinDing等［5］通過在SFRC基體加入不同類型的鋼纖維，并研究了其對基本力學(xué)性能影響，結(jié)果表明:摻加鋼纖維將會使得基體混凝土的填充性和間隙通過能力降低，隨著鋼纖維長度的提升，鋼纖維自密實混凝土的間隙通過性與動態(tài)穩(wěn)定性均呈現(xiàn)下降趨勢，并通過試驗驗證了隨著鋼纖維長徑比增大，其軸心抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢。還通過SFRC梁試驗，對其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分析表明:隨著鋼纖維體積的率的增長，使得SFRC梁承載力和峰值應(yīng)變呈現(xiàn)增長趨勢。

2鋼纖維對SCC劈裂抗拉和抗剪切性能影響

闞成強(qiáng)等［6］分別研究了長度為6、12、18mm的鋼纖維，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)長鋼纖維對劈抗拉的提升優(yōu)于短鋼纖維，同時發(fā)現(xiàn)摻加鋼纖維的自密實混凝土劈裂強(qiáng)度提升明顯，對比鋼纖維與玻璃纖維，鋼纖維自密實混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均明顯高于玻璃纖維自密實混凝土。對基準(zhǔn)自密實混凝土進(jìn)行劈裂抗拉時，破壞形態(tài)表現(xiàn)為，裂縫沿受壓方向發(fā)展，達(dá)到劈裂極限時，破壞特征為脆性破壞，而鋼纖維自密實混凝土在劈裂抗拉時，破壞時表現(xiàn)為裂而不散的特征，破壞特征為延性破壞。說明自密實混凝土摻加鋼纖維能使其表現(xiàn)出明顯的韌性破壞特征，鋼纖維自密實混凝土具有很強(qiáng)抗拉性能，這是由于摻加鋼纖維的自密實混凝土在承受拉力時，亂向分布的鋼纖維發(fā)揮橋接作用，鋼纖維越多，發(fā)揮的作用越大，隨著鋼纖維摻量增加，使得試件的劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的增長趨勢［7］。高丹盈等［8］通過在自密實混凝土和普通混凝土中加入不同類型鋼纖維（剪切波紋型、銑削型、切斷弓型）和不同摻量鋼纖維（0、0．6％、0．9％、1．2％）進(jìn)行對比試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者具有相同的增強(qiáng)規(guī)律；同時研究了在自密實混凝土結(jié)構(gòu)中加入適量體積率的鋼纖維，可有效提升其裂后承載力和平均剪切應(yīng)力，能使裂縫間距和寬度減小，使破壞形態(tài)由脆性變?yōu)檠有裕?－10］。陳成方等［11］分別研究了鋼纖維的體積率對腹筋梁的抗剪承載力的影響，摻量低于0．5％時不能有效起到抗裂作用。鋼纖維的體積率控制在1．5％左右才能有效提升鋼纖維自密實混凝土腹筋梁的抗剪承載力。隨著摻加鋼纖維體積率的上升，腹筋梁的破壞方式從斜拉破壞逐漸轉(zhuǎn)變成剪拉破壞形態(tài)，主破壞面延伸速度明顯降低，具有比較明顯的延性破壞特征。當(dāng)鋼纖維的體積率低于0．5％時，能明顯看出荷載值與跨中撓度曲線比較陡峭，表現(xiàn)為脆性破壞特征；當(dāng)鋼纖維摻加的體積率為1％～2％時，荷載值與跨中撓度曲線出現(xiàn)3個階段，即近似線彈性階段、塑性變形階段、破壞階段；當(dāng)摻加鋼纖維體積率在1．5％左右時，無腹筋梁的最大承載力和延性均得到明顯提升。所以可以看出當(dāng)鋼纖維達(dá)到一定摻量時，對腹筋梁的抗剪承載力有較大的提升作用，隨著鋼纖維摻量的增加，抗剪承載力和延性提升更加明顯。

3鋼纖維對SCC破壞形態(tài)的影響

根據(jù)國內(nèi)外關(guān)于鋼纖維自密實混凝土的試驗研究表明，鋼纖維對自密實混凝土的抗壓強(qiáng)度的影響較小，但可以較為明顯提高混凝土的劈拉、抗折、抗剪強(qiáng)度，鋼纖維對自密實混凝土抗壓強(qiáng)度提升不太明顯，鋼纖維對不同強(qiáng)度等級混凝土抗壓強(qiáng)度的提高幅度僅為10％左右，對不同強(qiáng)度等級混凝土的劈拉強(qiáng)度可以提高70％～90％，鋼纖維自密實混凝土的抗剪強(qiáng)度隨著鋼纖維摻入率呈現(xiàn)較為明顯的增長趨勢，當(dāng)每m3混凝土中鋼纖維摻量從0增加到80時，抗剪強(qiáng)度提高90％左右，另外鋼纖維混凝土的抗剪強(qiáng)度隨著長細(xì)比的變化而變化，長細(xì)比越大，抗剪強(qiáng)度也越大。通過觀察試件的破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn)，添加鋼纖維可減少自密實混凝土立方體抗壓和軸心抗壓破壞時的損傷程度，素自密實混凝土破壞時表現(xiàn)出較大的脆性，破壞時呈現(xiàn)大塊的剝落破壞形態(tài)，自密實混凝土處于低強(qiáng)度時表現(xiàn)不明顯，隨著強(qiáng)度的提升，表現(xiàn)越明顯，鋼纖維的加入，能有效改變這種較大脆性破壞，裂縫表現(xiàn)細(xì)而密，表現(xiàn)為較大延性，但是添加鋼纖維對軸心強(qiáng)度和立方體抗壓強(qiáng)度提升不明顯；鋼纖維在自密實混凝土適量的添加，對于自密實混凝土的劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度提升明顯，素自密實混凝土在劈裂抗拉和抗折達(dá)到極限破壞時，即出現(xiàn)裂縫迅速延伸，很快發(fā)生脆性破壞，達(dá)到強(qiáng)度極限時，馬上斷裂，無明顯的破壞預(yù)兆，在素自密實混凝土中適量加入鋼纖維，在自密實混凝土試件劈裂抗拉和抗折試驗達(dá)到極限強(qiáng)度時，試件可繼續(xù)持荷，不會發(fā)生迅速的脆性破壞，能有較長時間的應(yīng)變延伸，裂縫表現(xiàn)為較多的微裂紋，在微裂紋中有一條主裂縫，最終沿著主裂縫發(fā)生破壞，根據(jù)鋼纖維類型及抗拉強(qiáng)度和自密實混凝土強(qiáng)度匹配程度發(fā)生鋼纖維拉斷破壞和拔出類型的破壞形態(tài)，在鋼纖維自密實混凝土基體強(qiáng)度較低時，劈裂抗拉和抗折達(dá)到最終破壞時，多為拔出類型的破壞形態(tài)，在高強(qiáng)鋼纖維自密實混凝土達(dá)到最終破壞時，多表現(xiàn)為鋼纖維的拉斷破壞，為了能最有效發(fā)揮鋼纖維的作用，鋼纖維的摻量和鋼纖維與自密實混凝土之間的匹配程度尤為重要；綜合來說合理使用鋼纖維能達(dá)到事半功倍的效果，尤其對鋼纖維類型、長度、長徑比、自身強(qiáng)度和摻量的調(diào)整和選取，所以對鋼纖維自密實混凝土的研究還需要我們繼續(xù)更加深入的探索，發(fā)掘出它應(yīng)有的價值。

4結(jié)語

隨著社會的發(fā)展和進(jìn)步，鋼纖維自密實混凝土在工程界的應(yīng)用也會越來越廣泛，將鋼纖維與自密實混凝土兩者很好地結(jié)合在一起，不僅能使自密實混凝土產(chǎn)生較小的收縮變形，還能有效提升其力學(xué)性能；雖然對抗壓強(qiáng)度提升不太明顯，但能有效防止其發(fā)生脆性破壞，對劈裂抗拉、抗折和抗剪切性能提升效果明顯，尤其可大幅度提升構(gòu)件的抗彎和抗剪承載力；所以合理利用鋼纖維自密實混凝土，對工程應(yīng)用和社會發(fā)展具有更加深遠(yuǎn)的意義。

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作者：馮蒙 單位：華北水利水電大學(xué)