不同养护条件下钢纤维混凝土力学性能试验研究

杨心莲，高佳佳，李振宇，路建国，职伟洋，张浩洋

（1.西南石油大学土木工程与测绘学院，四川 成都 610500；2.西南石油大学教务处，四川 成都 610500）

0 引 言

混凝土是目前应用最广泛的建筑材料之一，具有价格低廉、施工方便、抗压性能好、耐久性好等优点[1]。但近年来，人们在使用中逐渐发现单一混凝土的缺点：本身笨重且其力学强度易受当地气候与周围工程环境影响；抗拉强度较低，结构易开裂，裂缝易被有害物质渗透，导致周围混凝土内部结构退化[2]。高强度相应带来的高脆性大大限制了混凝土的应用。在实际建筑工程中，单一混凝土作为关键承重材料已经不能满足日益扩大的建筑规模需要。为了克服上述缺陷，增强混凝土材料的应用性能，掺入钢纤维制备增强混凝土是当前的主要解决措施之一[3]。有研究表明，加入钢纤维可有效提高混凝土的抗裂、阻裂及变形能力[4]。在混凝土中乱向分布的钢纤维，其主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展。受荷（拉、弯）初期，水泥基料和纤维成为外力的主要承受者，因此钢纤维混凝土与普通混凝土相比具有一系列优越的物理和力学性能[5]。为了进一步探究钢纤维增强混凝土在复杂工程环境下的性能，分别测定在水和质量浓度5%的NaCl 溶液（以下简称“5% NaCl 溶液”）2 种养护条件下，不同钢纤维掺量（0%、1%、2%）混凝土的力学特性，分析不同养护条件和钢纤维掺量对混凝土各项性能的影响。

1 试 验

1.1 试验原材料

试验采用拉法基水泥有限公司生产的P·O 42.5 级普通硅酸盐水泥，水泥的物理及力学性能见表1。细骨料选用细度模数2.58，含泥量1.5%，表观密度2 580 kg/m3的天然河砂。粗骨料选用连续级配为5～20 mm，表观密度为2 660 kg/m3的碎石。外加剂选用减水率为24%的聚羧酸型高效减水剂。对于增强型混凝土，钢纤维长径比选择40～60 mm效果较好[6]。为方便控制，试验中均选取长径比为60 mm 的钢纤维，所用钢纤维的形状及基本性能参数见表2。

表1 水泥的物理及力学性能表

表2 钢纤维的特征参数表

1.2 配合比设计

试验参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》设计混凝土配合比，目标设计强度等级为C30。在普通混凝土配合比基准上，考虑3 种不同钢纤维掺量：0 kg/m3（0%）、4.16 kg/m3（1%）、8.32 kg/m3（2%），掺入钢纤维混凝土配合比设计见表3。为保证试验的可靠性，按照普通混凝土的抗压强度与水泥强度等级、水灰比的关系，确定本次试验各组试件水灰比为0.42，同时各组试件粗、细骨料等条件相同。其中，钢纤维掺量1%、2%分别记录为SF1、SF2 组，无钢纤维掺入的单一混凝土记录为OPC 组。研究在2 种不同养护条件下（水，5% NaCl 溶液）不同钢纤维掺量对混凝土性能的影响。

表3 混凝土试样配合比表

1.3 样品制备

为获得钢纤维均匀分布的增强混凝土，试验采用带有布料装置的纤维混凝土专用搅拌机[7]，投放材料时先将水泥、骨料和钢纤维搅拌均匀，再加水搅拌[8]。样品制备程序见图1。

图1 样品制备程序示意图

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1.4 单轴压缩试验

按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》要求[9]，对试件龄期为3、7、14、21、28 d 的立方体抗压强度进行测试，采用SHT4106 微机控制电液伺服万能试验机[10]。养护条件分别为水和5% NaCl 溶液，试验的控制方式为应力控制，控制速度为0.25 MPa/s。

试验测试抗压强度分别为F1、F2 和F3（F1 ≥F2 ≥F3）。如果值F1（或F3）和F2 之间的误差超过F2 的±15%，则测试的抗压强度F1（或F3）将被舍除，取F2 为该组试件的抗压强度值。如果值F1 和F2 以及值F3 和F2 之间的误差均超过F2 的±15%，则该组试件的试验结果无效，将重新采样进行测试。否则，将3 个抗压强度的算术平均值作为该组试件的抗压强度值，抗压强度值精确到0.1 MPa。

2 试验结果分析

2.1 养护条件和养护龄期的影响

在不同养护介质条件（水、5% NaCl 溶液）下，不同掺量（0%、1%、2%）钢纤维混凝土的抗压强度值见图2，抗压强度增长率见图3。其中，养护的混凝土在21 d 龄期左右试件强度发展较为完善，抗压强度停止或者缓慢发展。

图2 不同掺量钢纤维混凝土样品的抗压强度图

图3 不同掺量钢纤维混凝土样品的抗压强度增长率图

由图2 a）可知，不掺入钢纤维的单一混凝土（OPC 组），其抗压强度在5% NaCl 溶液中比在水中养护发展较快，但随着养护龄期增加，14 d 之后抗压强度呈现略降低的趋势；而在水中养护的OPC 组，其抗压强度随着养护时间的增加不断上升。

由图2 b）、2 c）可知，SF1 和SF2 组在2 种养护条件下随着养护龄期增加，抗压强度不断上升，21 d 龄期时抗压强度发展速度减缓，强度基本稳定。总体来看，在水中养护的混凝土抗压强度较在5% NaCl 溶液中的高，这是由于NaCl 溶液中氯离子对混凝土以及钢纤维的侵蚀作用，使混凝土的承载能力降低。氯离子通过再生骨料与水泥浆之间的微小裂隙渗透至混凝土内部，锈蚀其内部的钢纤维，由于锈蚀产物体积不断膨胀，骨料之间的裂隙不断扩张，导致氯离子进一步侵蚀[11]。

同时，结合图2 可以看出，OPC 组单一混凝土的抗压强度高于2 组钢纤维混凝土。这是因为钢纤维不仅不容易分散，而且会把部分空气带入混凝土，减少基体粘结力的同时也降低了混凝土强度[12]。

抗压强度增长率是评估混凝土力学性能的重要指标之一，此处定义为：

式（1）中：Δf是抗压强度增长率，%；F0和Fn分别是混凝土样品3 d 和7、14、21、28 d 龄期时抗压强度值，MPa。

由图3 可知，随着养护时间增加，3 种掺量钢纤维增强混凝土的抗压强度增长率整体呈现上升趋势。由图3 a）可知，OPC 组在5% NaCl 溶液中养护，前期强度增长相比在水中养护较快，但14 d 后强度增长逐渐变缓；而在水中养护的混凝土强度增长率一直处于上升状态。结合图3 b）、3 c），SF1和SF2 组在2 种养护环境中的抗压强度增长率不断上升，整体在5% NaCl 溶液中的强度增长率大于在水中的强度增长率。

2.2 钢纤维掺量和养护龄期的影响

在水和5% NaCl 溶液养护条件下，单一混凝土和不同外掺钢纤维增强混凝土在不同养护龄期，其抗压强度及抗压强度增长率对比见图4～5，极限承载力下的弹性模量随养护龄期变化曲线见图6。

图4 不同养护条件下混凝土样品的抗压强度图

由图4 可知，加入钢纤维后，混凝土的抗压强度降低，这是由于纤维的加入使混凝土的和易性变差，其内部界面微裂缝增加，试件中的钢纤维有团聚成球现象发生，故在其他性能提升的同时，抗压强度反而有所降低。对于单一混凝土（OPC 组），14 d 龄期时，其强度达到28 d 龄期强度的70.2%；对于外掺钢纤维混凝土，14 d 龄期时，其强度分别达到28 d 龄期强度的82.5%（SF1）和78.1%（SF2）。这说明此时普通混凝土早期强度的发展速度较外掺钢纤维混凝土的发展速度慢。

结合图5 a）可知，加入钢纤维的混凝土在养护条件为水时，强度增长率总体上大于单一混凝土。有研究表明，掺入钢纤维可以提高混凝土的密实度，从而减少氯离子渗入[13]。图5 b）中，在5% NaCl溶液养护条件下，掺入钢纤维混凝土的抗压强度增长率后期明显大于单一混凝土的抗压强度增长率。

图5 不同养护条件下混凝土样品的抗压强度增长率图

弹性模量是表征混凝土力学性能的重要指标之一。由图6 a）可见，14 d 养护龄期之前，外掺钢纤维4.16 kg/m3时，其弹性模量飞速增长；14 d 后，随着养护龄期增加，外掺钢纤维混凝土的弹性模量均小于普通混凝土。

图6 不同养护条件下混凝土样品的弹性模量-养护龄期变化曲线图

由图6 b）可见，养护龄期21 d 前，外掺钢纤维混凝土的弹性模量均小于普通混凝土。究其原因，可能是钢纤维掺量较低，没能有效填充缝隙；此外，还可能因为钢纤维的尖端正好处于混凝土水化反应过程产生的气泡中，当承受荷载作用时发生应力集中，从而加速混凝土裂缝的贯通，最终导致其变形能力变差[4]。养护龄期大于21 d 后，钢纤维掺量小的SF1 组，弹性模量大于普通混凝土的OPC 组，钢纤维掺量最大的SF2 组弹性模量最小。3 组混凝土的弹性模量值趋于3.5 GPa。

2.3 应力-应变关系分析

应力-应变曲线是混凝土最重要的力学特性之一，是混凝土材料弹性模量、结构延性和承载力计算与分析的基本依据。将力和位移曲线转变为应力-应变曲线，得出试块分别在钢纤维掺量为0%、1%、2%，2 种不同养护条件下（水，5% NaCl 溶液）的应力-应变曲线（见图7）。

图7 不同养护条件下混凝土样品养护28 d 的轴向应力-应变曲线图

对混凝土试件应力-应变曲线进行分析，总体来看可以分为5 个阶段：初始孔隙压缩阶段、弹性压缩阶段、塑形屈服阶段、下降阶段和残余应力阶段（见图7）。初始孔隙压缩阶段，随应变增大，试件应力的非线性增加，混凝土内部孔隙在应力作用下逐渐压缩紧实；弹性压缩阶段，试件应力随应变呈线性增长趋势，该阶段混凝土试件发生弹性变形；伴随着应力增大，试件逐渐进入屈服阶段，此阶段混凝土发生塑形变形，应力-应变曲线呈非线性变化，试样内部裂纹增多；随着应变继续增大，应力随着应变的增加急剧减小；最后，混凝土试样进入残余阶段，该阶段混凝土试样的应变继续增大而应力保持稳定。

从图7 a）可以看出，养护条件为水时，普通混凝土和钢纤维混凝土的应力-应变曲线在上升阶段基本保持一致，峰值应变相差不大，但是下降阶段的形状差异比较明显。对于单一混凝土（OPC 组），应力-应变曲线的下降段坡度较陡峭，而钢纤维混凝土（SF1 和SF2 组）的下降段坡度较平缓，表明应力变化相同幅度时，变形相对较大，说明钢纤维可以提高混凝土的延性，增强混凝土的塑性变形能力。对比SF1 组和SF2 组的应力-应变曲线，发现SF1 组的下降段较SF2 组更陡，说明钢纤维掺量为2%的混凝土比钢纤维掺量为1%的混凝土延性得到进一步提升。从图7 b）可以看出，养护条件为5% NaCl 溶液时，单一混凝土和钢纤维混凝土的峰值应力均在35.0 MPa 左右，下坡段坡度同养护条件为水时基本一致。

由图7 可知，单一混凝土（OPC 组）的峰值应力均高于钢纤维混凝土，但残余应力低于钢纤维混凝土。同时，相比OPC 组，钢纤维混凝土的破坏过程更快，在短时间内便能达到峰值应变，SF2的峰值应变大于SF1。在赵顺波等[14]的研究中，峰值应变随掺入钢纤维的量呈增大趋势，且均大于未掺入钢纤维混凝土的峰值应变。基于试验中5%NaCl 溶液养护条件下，掺加钢纤维组的峰值应变低于未掺钢纤维组的现象，可能是由于溶液中氯离子对钢纤维的侵蚀导致性能劣化。峰值应力以SF1 组为例，养护条件为水和5% NaCl 溶液时的峰值应力分别为 37.0、35.1 MPa，这比OPC 组分别低21.3%、4.5%；同时，SF1 组的残余应力分别为17.3、9.1 MPa，比OPC 组分别高439.0%、180.6 %。相比OPC 组，钢纤维混凝土残余应力较高，破坏过程缓慢，这是由于钢纤维在混凝土内部多向分布[15]，这样能有效阻止混凝土内部微小裂缝的扩大延伸及大裂缝的生成，韧性和延性得到提升。

3 结 论

为验证钢纤维掺入对混凝土性能的影响机制，制备单一混凝土试件和钢纤维混凝土试件，并以单一混凝土试件为对比试验组，开展2 种不同养护条件下（水和5% NaCl 溶液），单一混凝土和钢纤维增强混凝土的力学特性试验，分析2 种养护条件下，不同钢纤维掺量对混凝土抗压强度、弹性模量及应力-应变关系的影响规律。根据试验结果分析得出如下结论：

1）在2 种养护条件下，钢纤维混凝土的抗压强度随养护时间增加而增加，但掺入钢纤维会在提高混凝土延性等性能的同时，损失部分抗压强度。

2）在2 种养护条件下，掺加钢纤维的2 组混凝土，其强度增长率总体上高于单一混凝土组的强度增长率；特别之处是，在5% NaCl 溶液养护条件下，掺加钢纤维混凝土的抗压强度增长率后期明显大于单一混凝土的抗压强度增长率，后续可进一步探究加入钢纤维对混凝土对抗氯盐侵蚀能力的影响。

3）不同掺量钢纤维混凝土的应力-应变曲线相似，可分为初始孔隙压缩阶段、弹性压缩阶段、塑形屈服阶段、下降阶段和残余应力阶段共5 个阶段。钢纤维的掺入提高了混凝土的延性，但同时钢纤维混凝土的抗压强度有所下降，因此，钢纤维掺量不宜过多。