谈钢纤维对自密实混凝土力学性能影响

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摘要:自密实混凝土(SCC)相比于普通混凝土具有更加优良的工作性能，无需外力振捣就可依靠自重填充整个模板，因此，被广泛地应用于配筋密集、外形复杂的结构中。配制相同强度等级的自密实混凝土与普通混凝土相比，自密实混凝土所需胶凝材料更多，间接导致自密实混凝土在硬化过程中产生较大的干缩变形，在自密实混凝土中掺加钢纤维，不仅可以有效抑制自密实混凝土的干缩，而且还可以明显改善自密实混凝土基体的力学性能，故将钢纤维与自密实混凝土两种材料结合配制钢纤维自密实混凝土是非常有意义的。基于前人研究的基础上，本文主要研究钢纤维对自密实混凝土力学性能影响。

关键词:自密实混凝土;钢纤维;力学性能

前言

随着经济的快速发展，人们对建筑功能要求更加全面，使得建筑结构设计更趋于复杂化，导致对工程材料的性能要求更高，以及企业对高效率和高质量的要求以及减少工程施工对周围环境噪音的影响和绿色施工等施工理念，进而使得性能更加优良的自密实混凝土被工程界广泛应用。自密实混凝土与普通混凝土相比，工作性能表现得更加优良，主要是流动度更高、不容易离析、均匀性和稳定性更好等特点，但同时存在收缩变形较大的缺陷，为了有效改善SCC硬化过程中产生收缩变形，因此，在自密实混凝土中掺入适当体积率的钢纤维配制出钢纤维自密实混凝土，为了充分探究钢纤维对自密实混凝土性能影响，大量的试验研究在国内外开展并做出了一定的成果。钢纤维的掺加能有效改善自密实混凝土的力学性能和抗变形能力，利用钢纤维的桥接和阻裂作用能有效抑制微裂纹产生和扩展，同时还可以减少自密实混凝土的收缩变形。添加钢纤维的目的主要利用钢纤维与自密实混凝土之间产生的机械咬合力和粘结力来提升其力学性能，从而对自密实混凝土起到增强增韧的效果［1］，使得混凝土试件在抗压、劈裂抗拉、抗剪切等性能方面有明显的提升。

1钢纤维对SCC抗压强度影响

在自密实混凝土(SCC)中均匀添加乱向分布的钢纤维，能有效起到桥接作用，在一定程度上提升抗压强度，破坏形态表现为裂而不散，掺加钢纤维，可以约束自密实混凝土受压时产生的横向膨胀变形，从而延长自密实混凝土破坏过程，提升其抗压强度。对于低强自密实混凝土，掺加钢纤维对其抗压强度提升不明显，这是由于钢纤维的掺加增多了自密实混凝土内部的薄弱界面，所以通过试验研究发现钢纤维与低强自密实混凝土的结合程度较低，对其强度贡献作用不明显;钢纤维与强度较高的自密实混凝土能较好地结合在一起，对抗压强度有较大幅度的提升作用，整体性也优于低强度钢纤维自密实混凝土［2－3］。蔡怀森等［4］分别研究了钢纤维体积率变化、钢纤维类型变化和试件的成型方式对抗压强度的影响，随着钢纤维体积率的提升，钢纤维自密实混凝土试件抗压强度比在整体上均有增大的趋势，不同钢纤维类型对强度均有提升，强度增幅差别不大，试件是否采用机械振捣等成型方式，对钢纤维自密实混凝土抗压强度也有较为明显的影响，为了使钢纤维自密实混凝土具有较好的工作性能和密实性，需提升钢纤维自密实混凝土砂率和桨体量进行配制。XinxinDing等［5］通过在SFRC基体加入不同类型的钢纤维，并研究了其对基本力学性能影响，结果表明:掺加钢纤维将会使得基体混凝土的填充性和间隙通过能力降低，随着钢纤维长度的提升，钢纤维自密实混凝土的间隙通过性与动态稳定性均呈现下降趋势，并通过试验验证了随着钢纤维长径比增大，其轴心抗压强度呈现上升趋势。还通过SFRC梁试验，对其应力应变关系分析表明:随着钢纤维体积的率的增长，使得SFRC梁承载力和峰值应变呈现增长趋势。

2钢纤维对SCC劈裂抗拉和抗剪切性能影响

阚成强等［6］分别研究了长度为6、12、18mm的钢纤维，研究结果发现长钢纤维对劈抗拉的提升优于短钢纤维，同时发现掺加钢纤维的自密实混凝土劈裂强度提升明显，对比钢纤维与玻璃纤维，钢纤维自密实混凝土的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度均明显高于玻璃纤维自密实混凝土。对基准自密实混凝土进行劈裂抗拉时，破坏形态表现为，裂缝沿受压方向发展，达到劈裂极限时，破坏特征为脆性破坏，而钢纤维自密实混凝土在劈裂抗拉时，破坏时表现为裂而不散的特征，破坏特征为延性破坏。说明自密实混凝土掺加钢纤维能使其表现出明显的韧性破坏特征，钢纤维自密实混凝土具有很强抗拉性能，这是由于掺加钢纤维的自密实混凝土在承受拉力时，乱向分布的钢纤维发挥桥接作用，钢纤维越多，发挥的作用越大，随着钢纤维掺量增加，使得试件的劈裂抗拉强度呈现明显的增长趋势［7］。高丹盈等［8］通过在自密实混凝土和普通混凝土中加入不同类型钢纤维（剪切波纹型、铣削型、切断弓型）和不同掺量钢纤维（0、0．6％、0．9％、1．2％）进行对比试验，结果发现两者具有相同的增强规律；同时研究了在自密实混凝土结构中加入适量体积率的钢纤维，可有效提升其裂后承载力和平均剪切应力，能使裂缝间距和宽度减小，使破坏形态由脆性变为延性［9－10］。陈成方等［11］分别研究了钢纤维的体积率对腹筋梁的抗剪承载力的影响，掺量低于0．5％时不能有效起到抗裂作用。钢纤维的体积率控制在1．5％左右才能有效提升钢纤维自密实混凝土腹筋梁的抗剪承载力。随着掺加钢纤维体积率的上升，腹筋梁的破坏方式从斜拉破坏逐渐转变成剪拉破坏形态，主破坏面延伸速度明显降低，具有比较明显的延性破坏特征。当钢纤维的体积率低于0．5％时，能明显看出荷载值与跨中挠度曲线比较陡峭，表现为脆性破坏特征；当钢纤维掺加的体积率为1％～2％时，荷载值与跨中挠度曲线出现3个阶段，即近似线弹性阶段、塑性变形阶段、破坏阶段；当掺加钢纤维体积率在1．5％左右时，无腹筋梁的最大承载力和延性均得到明显提升。所以可以看出当钢纤维达到一定掺量时，对腹筋梁的抗剪承载力有较大的提升作用，随着钢纤维掺量的增加，抗剪承载力和延性提升更加明显。

3钢纤维对SCC破坏形态的影响

根据国内外关于钢纤维自密实混凝土的试验研究表明，钢纤维对自密实混凝土的抗压强度的影响较小，但可以较为明显提高混凝土的劈拉、抗折、抗剪强度，钢纤维对自密实混凝土抗压强度提升不太明显，钢纤维对不同强度等级混凝土抗压强度的提高幅度仅为10％左右，对不同强度等级混凝土的劈拉强度可以提高70％～90％，钢纤维自密实混凝土的抗剪强度随着钢纤维掺入率呈现较为明显的增长趋势，当每m3混凝土中钢纤维掺量从0增加到80时，抗剪强度提高90％左右，另外钢纤维混凝土的抗剪强度随着长细比的变化而变化，长细比越大，抗剪强度也越大。通过观察试件的破坏形态发现，添加钢纤维可减少自密实混凝土立方体抗压和轴心抗压破坏时的损伤程度，素自密实混凝土破坏时表现出较大的脆性，破坏时呈现大块的剥落破坏形态，自密实混凝土处于低强度时表现不明显，随着强度的提升，表现越明显，钢纤维的加入，能有效改变这种较大脆性破坏，裂缝表现细而密，表现为较大延性，但是添加钢纤维对轴心强度和立方体抗压强度提升不明显；钢纤维在自密实混凝土适量的添加，对于自密实混凝土的劈裂抗拉和抗折强度提升明显，素自密实混凝土在劈裂抗拉和抗折达到极限破坏时，即出现裂缝迅速延伸，很快发生脆性破坏，达到强度极限时，马上断裂，无明显的破坏预兆，在素自密实混凝土中适量加入钢纤维，在自密实混凝土试件劈裂抗拉和抗折试验达到极限强度时，试件可继续持荷，不会发生迅速的脆性破坏，能有较长时间的应变延伸，裂缝表现为较多的微裂纹，在微裂纹中有一条主裂缝，最终沿着主裂缝发生破坏，根据钢纤维类型及抗拉强度和自密实混凝土强度匹配程度发生钢纤维拉断破坏和拔出类型的破坏形态，在钢纤维自密实混凝土基体强度较低时，劈裂抗拉和抗折达到最终破坏时，多为拔出类型的破坏形态，在高强钢纤维自密实混凝土达到最终破坏时，多表现为钢纤维的拉断破坏，为了能最有效发挥钢纤维的作用，钢纤维的掺量和钢纤维与自密实混凝土之间的匹配程度尤为重要；综合来说合理使用钢纤维能达到事半功倍的效果，尤其对钢纤维类型、长度、长径比、自身强度和掺量的调整和选取，所以对钢纤维自密实混凝土的研究还需要我们继续更加深入的探索，发掘出它应有的价值。

4结语

随着社会的发展和进步，钢纤维自密实混凝土在工程界的应用也会越来越广泛，将钢纤维与自密实混凝土两者很好地结合在一起，不仅能使自密实混凝土产生较小的收缩变形，还能有效提升其力学性能；虽然对抗压强度提升不太明显，但能有效防止其发生脆性破坏，对劈裂抗拉、抗折和抗剪切性能提升效果明显，尤其可大幅度提升构件的抗弯和抗剪承载力；所以合理利用钢纤维自密实混凝土，对工程应用和社会发展具有更加深远的意义。

参考文献：

［1］海然，刘盼，杨艳蒙，等．钢纤维增强粉煤灰自密实混凝土力学性能研究［J］．建筑材料学报，2019，22（4）：1－9．

［2］顾广娟．钢纤维自密实混凝土工作性能及抗压强度试验研究［J］．榆林学院学报，2020，30（2）：36－40．

［3］赵燕茹，郝松，高明宝，等．钢纤维自密实混凝土工作性能及抗压强度试验研究［J］．施工技术，2017，47（3）：61－64，79．

［6］阚成强，康希良，潘荣．钢纤维与玻璃纤维自密实混凝土力学性能试验研究［J］．山西建筑，2017，43（7）：104－106．

［7］蔡树元，封婷，陈舒，等．钢纤维增强自密实橡胶混凝土力学性能研究［J］．盐城工学院学报（自然科学版），2015，28（3）：68－74．

［8］赵顺波．钢纤维增强混凝土和预应力混凝土构件设计方法的研究［D］．大连：大连理工大学，1996．

［9］张宏战，黄承逵，张瑞瑾．钢纤维高强混凝土箍筋梁抗剪性能试验［J］．哈尔滨工业大学学报，2006，8（10）：171－175．

［10］陈成方，王岱．自密实混凝土梁抗剪性能试验研究［J］．四川建筑科学研究，2020，46（2）：50－56．

作者：冯蒙 单位：华北水利水电大学