談鋼纖維對自密實(shí)混凝土力學(xué)性能影響

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摘要:自密實(shí)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(shí)混凝土與普通混凝土相比，自密實(shí)混凝土所需膠凝材料更多，間接導(dǎo)致自密實(shí)混凝土在硬化過程中產(chǎn)生較大的干縮變形，在自密實(shí)混凝土中摻加鋼纖維，不僅可以有效抑制自密實(shí)混凝土的干縮，而且還可以明顯改善自密實(shí)混凝土基體的力學(xué)性能，故將鋼纖維與自密實(shí)混凝土兩種材料結(jié)合配制鋼纖維自密實(shí)混凝土是非常有意義的。基于前人研究的基礎(chǔ)上，本文主要研究鋼纖維對自密實(shí)混凝土力學(xué)性能影響。

關(guān)鍵詞:自密實(shí)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(jì)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(shí)混凝土被工程界廣泛應(yīng)用。自密實(shí)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(shí)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(shí)混凝土，為了充分探究鋼纖維對自密實(shí)混凝土性能影響，大量的試驗(yàn)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)混凝土受壓時產(chǎn)生的橫向膨脹變形，從而延長自密實(shí)混凝土破壞過程，提升其抗壓強(qiáng)度。對于低強(qiáng)自密實(shí)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(shí)混凝土內(nèi)部的薄弱界面，所以通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維與低強(qiáng)自密實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)混凝土具有較好的工作性能和密實(shí)性，需提升鋼纖維自密實(shí)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(shí)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(yàn)驗(yàn)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(yàn)，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(shí)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(shí)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(shí)混凝土。對基準(zhǔn)自密實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(yàn)，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(shí)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(shí)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(shí)混凝土的試驗(yàn)研究表明，鋼纖維對自密實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)混凝土適量的添加，對于自密實(shí)混凝土的劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度提升明顯，素自密實(shí)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(shí)混凝土中適量加入鋼纖維，在自密實(shí)混凝土試件劈裂抗拉和抗折試驗(yàn)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)混凝土兩者很好地結(jié)合在一起，不僅能使自密實(shí)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(shí)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)