复合钢纤维混凝土力学性能试验研究
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摘要：进行了三种标号混凝土在不同钢纤维掺入形式下的力学性能试验，对比研究了复合钢纤维掺入和单一钢纤维掺入对混凝土力学性能的增强作用。给出复合钢纤维掺入混凝土在工程应用上的使用建议。
中图分类号：TU37文献标识码： A 文章编号：
1 引言
钢纤维混凝土(Steel fiber reinforced concrete, SFRC)是在普通混凝土中均匀掺入一定量钢纤维组成的一种复合材料。因钢纤维在混凝土中均匀乱向分布，在受载过程中限制和滞后了混凝土基体的裂缝发展，使脆性的混凝土变为具有良好韧性的水泥基复合材料，从而具有较高抗震、抗裂、抗冲击性能，改善混凝土抗拉、抗压、抗剪和耐磨性能。鉴于以上优越性，钢纤维增强混凝土在路面、桥面混凝土轨枕、机场跑道、抗震抗爆结构等土建工程中得到日益广泛的应用，前景十分广阔[1、2]。
钢纤维对混凝土的增强作用是由混凝土材料特性、钢纤维掺量、钢纤维自身参数等因素共同作用产生的。研究表明单纯增加钢纤维掺量并不能显著提高钢纤维混凝土的力学性能，在经济上并不可取[3]。本文试验研究了复合钢纤维掺入形式对混凝土的力学性能的影响，可以作为实际工程中更加经济合理地使用钢纤维混凝土的参考依据。
2 力学性能试验研究
2.1 试验安排
试件按《钢纤维混凝土试验方法标准》（CECSI3：89）要求制作。抗压试件和劈拉试件尺寸均为150mm×150mm×150mm，抗折试件为150mm×150mm×550mm。材料选用425＃水泥，河砂，碎石，碎石最大粒径25mm，钢纤维采用赣州大业金属纤维有限公司的GSF0960、GSF0645、GSF0213切断型钢纤维，长径比分别为65、67、75，纤维长度分别为60mm、45mm、20mm，三种钢纤维按重量比1：1：1混合。钢纤维体积掺量取0、2％二组，基体采用C30、C60、C90三种细石混凝土。
2.2 试验方法
试验包括抗压强度、劈拉强度和抗折强度试验三部分。抗压强度和劈拉强度试验采用500t静载试验机，试验按《钢纤维混凝土试验方法标准》进行。
抗折试验采用50t静载试验机，加载模式为中点加载。荷载由压力机表盘示数读出，在试件下沿中心设置挠度计以测量试件挠度。《钢纤维混凝土试验方法标准》规定应采用三等分点加载，本试验由于条件所限未能采用这种加载方式。为使试验结果具有可比性，以下对这两种方式的换算关系加以分析。
《标准》试验方法条件下两加载点之间处于纯弯状态，其给出的抗折强度的计算公式如下：
为三分点加载模式下试件破坏荷载。此式实为纯弯条件下试件下沿中心点的弯曲正应力计算公式。
本文试验采用的加载方式在试件的中间截面剪应力为零，故中间截面处只有弯曲正应力，求出此弯曲应力就是本文试验得出的抗折强度，即：
为中点加载模式下试件破坏荷载。此式作为本文抗折强度的计算公式。
又设试件破坏时弯曲应力相等，可得：
即中点加载时所得荷载值的1.5倍为三分点加载时的荷载值。与标准试验结果的对比表明，以上所述换算关系是成立的。
2.3 试验结果及分析
试验得到复合钢纤维混凝土的抗压强度、劈拉强度、抗折强度数据如表1，表中“2单”为作为对比的2％钢纤维掺量单种钢纤维混凝土数据。图1、2、3为典型弯曲荷载－挠度曲线。根据图1、2、3使用日本土木工程协会标准JSCE G552标准计算了材料的韧性指数，结果一并列于表1。
表1抗压强度、劈拉强度、抗折强度试验结果
2.3.1 两种钢纤维掺入形式对钢纤维混凝土抗压强度的影响
从表1和图1～3可以看出，单一钢纤维和复合钢纤维这两种钢纤维掺入形式对钢纤维混凝土的抗压强度有一定影响，但总的来说影响不大，只有在混凝土基体强度较高时，复合钢纤维混凝土的抗压强度产生了较大的增长。表1数据计算表明，当混凝土基体强度分别为C30、C60、C90时，复合钢纤维混凝土的抗压强度分别较单一钢纤维混凝土抗压强度增长7.6％、1.9％，17.9％。从钢纤维混凝土的增强机理来说，钢纤维的抗拉强度很高。所以，当试件受压时，混凝土内乱向钢纤维网格对基体混凝土的约束作用很强，使试件处于近似的三向受压状态，从而导致材料的抗压强度提高，所以钢纤维混凝土材料的抗压强度较素混凝土有了较大的提高。但由于本文试验微钢纤维表面光滑，所以与混凝土基体的粘结强度很低，微钢纤维的掺入实际上使整个体系内增多了截面薄弱区，从而导致材料的抗压强度几乎没有明显的提高。
图1 C30钢纤维混凝土 图2 C60钢纤维混凝土 图3 C90钢纤维混凝土
2.3.2两种钢纤维掺入形式对钢纤维混凝土劈裂抗压强度的影响
本文的试验结果表明，掺入钢纤维后混凝土的抗拉强度有较大的增长。其中，复合钢纤维混凝土的劈裂抗拉强度增长尤其明显，基本上都较基体混凝土劈拉强度增长了1倍以上，较单一钢纤维混凝土有更好的增强效果。
2.3.3两种钢纤维掺入形式对钢纤维混凝土抗弯强度和弯曲韧性的影响
由图1、2、3可以看出，两种钢纤维掺入方式对混凝土的抗弯强度均有较好的增强效果，其中复合钢纤维混凝土的极限抗弯强度更高一些，C30、C60、C90三种标号混凝土的抗折强度较单一钢纤维混凝土增长8.3％、8.2％，2.9％。在荷载－挠度曲线图上，复合钢纤维混凝土的荷载－挠度曲线包围的面积更大，极限荷载至破坏区段下滑曲线的斜率也较单一钢纤维混凝土下降段斜率更小，说明当试件破坏时材料吸收的应变能更多，材料的塑性变形能力更好。试件进入下降段时，钢纤维与混凝土间的界面粘结力达到了极限值，钢纤维逐渐被拔出，承载能力逐步下降,最终导致试件完全破坏.在此阶段内,由于数目众多且乱向分布的微钢纤维仍需吸收很大的能量,故荷载挠度曲线的下降趋势较为平缓,材料呈现良好的塑性或韧性。
本文采用日本土木工程协会标准JSCE G552标准计算了材料的韧性指数。韧性指数的计算结果表明，复合钢纤维混凝土的韧性较单一钢纤维混凝土有较大提高。C30、C60、C90三种标号混凝土的韧性指数提高幅度分别为9％、60％、56％。这显示复合钢纤维掺入方式对高标号混凝土的韧性指标改善较为明显。
3 结论
（1）复合钢纤维掺入对混凝土的抗压强度有一定影响，但影响程度不大。
（2）复合钢纤维掺入后混凝土的劈裂抗拉强度增长尤其明显，基本上都较基体混凝土劈拉强度增长了1倍以上，较单一钢纤维混凝土对基体混凝土的增强有明显的提高。
（3）复合钢纤维混凝土的抗弯强度较单一钢纤维混凝土有一定的提高，约为2～8％。对钢纤维混凝土的韧性指标有很明显的改善。说明通过复合钢纤维的掺入可以在大大改善钢纤维混凝土的塑性变形性能。
参考文献：
（1）钢纤维砼(SFRC)及其应用研究.宋万明，董斌. 昆明理工大学学报，第23卷第1期，1998年2月，P20~24.
（2）钢纤维混凝土本构理论的研究、工程应用及发展. 程庆国. 中国铁道科学，第20卷第2期(总第48期)，1999年6月.P1~9.
（3）钢纤维混凝土的抗弯韧性研究。姚武，蔡江宁，吴科如，周钟鸣，混凝土，2002年第6期(总第152期)， P31~33.
作者简介：王亚明，男，1975年3月生，本科，工程师，长期从事房屋建筑施工管理。