范永康

（武漢投控檢驗(yàn)檢測(cè)有限公司，湖北 武漢 430000）

混凝土是全球使用最廣泛的結(jié)構(gòu)材料之一，其強(qiáng)度和耐久性對(duì)于建筑物的安全性和使用壽命至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的混凝土在面對(duì)一些復(fù)雜環(huán)境或高強(qiáng)度荷載時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)裂縫，從而導(dǎo)致其性能下降。因此，為了提高混凝土的抗裂性能和耐久性，科研人員開發(fā)了鋼纖維混凝土。鋼纖維混凝土作為一種復(fù)合材料，可以有效改善混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)［1-3］，已被廣泛應(yīng)用在橋梁、水工建筑、道路等領(lǐng)域［4-5］。但是鋼纖維混凝土在低溫條件下，凍融作用是導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)損傷的主要原因［6］。因此，凍害地區(qū)鋼纖維混凝土的耐久性能引起了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注［7-8］。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料及配比

實(shí)驗(yàn)用原材料為水泥 ［P·Ⅰ42.5 硅酸鹽水泥（旋窯），撫順?biāo)喙煞萦邢薰荆?、河砂（?xì)度模數(shù)為2.8，含泥量為0.5%，集配滿足GB/T 14684—2022Ⅱ區(qū)要求）、碎石（公稱粒徑為5 mm～20 mm，采用二級(jí)配，粒徑5 mm～10 mm 的質(zhì)量含量∶粒徑10 mm～20 mm 的質(zhì)量含量=4∶6，滿足連續(xù)集配要求，針片狀含量為5%，孔隙率為46%，含泥量為0.3%）、外加劑（武漢蘇博新型建材有限公司，標(biāo)準(zhǔn)型高性能減水劑）、鋼纖維［湖北乾道新型材料有限責(zé)任公司，端鉤型，60 mm×0.75 mm，公稱抗拉強(qiáng)度滿足《混凝土用鋼纖維》（GB/T39147—2020）中1 000 級(jí)要求］和自來(lái)水。實(shí)驗(yàn)中按照不同鋼纖維添加量分別設(shè)計(jì)了6組混凝土配比，見表1。

表1 不同混凝土材料配比

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備為2 000 kN 數(shù)字式壓力試驗(yàn)機(jī)（1 級(jí)，無(wú)錫市德佳意試驗(yàn)儀器有限公司）、100 kN 微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（0.5 級(jí)，深圳萬(wàn)測(cè)試驗(yàn)設(shè)備有限公司）、砼快速凍融試驗(yàn)機(jī)（天津建筑儀器試驗(yàn)機(jī)有限公司）、動(dòng)彈儀（天津建筑儀器試驗(yàn)機(jī)有限公司）和混凝土試驗(yàn)用攪拌機(jī)（無(wú)錫建儀儀器機(jī)械有限公司）。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)在拌合鋼纖維混凝土過(guò)程中，先將鋼纖維河砂和碎石投入攪拌機(jī)，攪拌30 s，然后再將水泥加入攪拌機(jī)中，攪拌30 s，最后將外加劑和水一起加入攪拌機(jī)，攪拌2 min。成型后的混凝土拌合物帶模養(yǎng)護(hù)1 d 后脫模，并放入混凝土恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

混凝土抗壓強(qiáng)度試件、抗折強(qiáng)度試件養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期后，參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）進(jìn)行抗壓和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)?；炷量箖鲂阅茉嚰B(yǎng)護(hù)至24 d 齡期后，放置在（20±2）℃的水中浸泡4 d 后，參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）快凍法進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，混凝土拌合物性能按照 《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2016）進(jìn)行測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

表2 為不同鋼纖維摻量對(duì)混凝土拌合物工作性能及力學(xué)性能影響。由表2 知：當(dāng)鋼纖維摻量不超過(guò)60 kg/m3時(shí)，鋼纖維對(duì)混凝土的拌合物的坍落度、粘聚性、離析情況沒(méi)有大的影響，但對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響較顯著，對(duì)抗折強(qiáng)度的影響尤為明顯，混凝土的抗壓強(qiáng)度最大增幅9.3%，而混凝土的抗折強(qiáng)度最大增幅19.9%。繼續(xù)增加鋼纖維摻量，混凝土抗壓強(qiáng)度基本變化不大，甚至?xí)档?，而抗折?qiáng)度仍在繼續(xù)增加。

表2 混凝土拌合物工作性能及28 d 齡期的力學(xué)性能

由表2 可知：當(dāng)鋼纖維用量超過(guò)一定值時(shí)，混凝土拌合物的流動(dòng)性和粘聚性變差，表現(xiàn)為離析、泌水，這是由于鋼纖維摻量增加時(shí)，鋼纖維和基體之間的內(nèi)聚力變大，增加漿體的黏性，同時(shí)纖維之間的摩擦力增大，導(dǎo)致工作性能降低。對(duì)素混凝土（不添加鋼纖維的混凝土，分組號(hào)為1#）進(jìn)行抗折試驗(yàn)時(shí)，混凝土表現(xiàn)為脆性斷裂，對(duì)摻鋼纖維的混凝土進(jìn)行抗折試驗(yàn)時(shí)，混凝土達(dá)到開裂后還能繼續(xù)承受一部分的抗彎能力，表現(xiàn)了一定的延性破壞特征。

圖1 為鋼纖維混凝土凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失。由圖1 可知，素混凝土在凍融循環(huán)下，質(zhì)量損失明顯，到250 次凍融循環(huán)時(shí)，其質(zhì)量損失超過(guò)5%，達(dá)到試驗(yàn)終止條件。即使摻入少量的鋼纖維也能較好地降低其抗凍質(zhì)量損失，摻量為60 kg/m3的鋼纖維混凝土質(zhì)量損失率僅為素混凝土的40%。這是因?yàn)殇摾w維在混凝土中可發(fā)揮拉結(jié)作用抑制表面混凝土剝落，同時(shí)發(fā)揮橋接作用限制混凝土裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展。圖2 為鋼纖維混凝土凍融循環(huán)后相對(duì)彈性模量的變化情況。由圖2可以看出，經(jīng)過(guò)250 次凍融循環(huán)后，素混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量降低到了72.5%，而摻鋼纖維混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量在75%～80%之間。但是大摻量的鋼纖維混凝土的抗凍性能的提高有所降低。

圖1 鋼纖維混凝土凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失

圖2 鋼纖維混凝土凍融循環(huán)后相對(duì)彈性模量的變化情況

表3 給出了混凝土經(jīng)過(guò)250 次快速凍融循環(huán)后的試件的抗折強(qiáng)度。從表3 可以看出，素混凝土經(jīng)過(guò)250次凍融循環(huán)后，抗折強(qiáng)度僅為初始抗折強(qiáng)度的51.3%，而摻鋼纖維的混凝土經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后，抗折強(qiáng)度保留率均達(dá)到60%以上，特別是在凍融循環(huán)過(guò)程中混凝土質(zhì)量損失較少的4#試樣和5#試樣的抗折強(qiáng)度保留率在70%左右?？傮w來(lái)看，摻入鋼纖維，在提高混凝土的抗壓和抗折能力的同時(shí)，也增強(qiáng)了混凝土的抗凍性能。

表3 250 次凍融循環(huán)后混凝土抗折強(qiáng)度

3 結(jié)束語(yǔ)

鋼纖維混凝土摻入到混凝土中，能夠顯著提高混凝土的抗折強(qiáng)度，對(duì)抗壓強(qiáng)度略有提升但不顯著；當(dāng)鋼纖維摻量過(guò)多時(shí)，混凝土拌合物的坍落度及粘聚性變差，混凝土拌合物出現(xiàn)離析泌水現(xiàn)象。

在凍融循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中，鋼纖維混凝土整體的質(zhì)量損失明顯低于素混凝土的質(zhì)量損失，鋼纖維混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量明顯高于素混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量，混凝土抗折性能有明顯的提升，鋼纖維混凝土的抗凍性能有所提高。

凍后鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度保留率明顯高于素混凝土的抗折強(qiáng)度，鋼纖維的存在能夠有效抑制混凝土內(nèi)部微裂縫或缺陷的產(chǎn)生，延長(zhǎng)其使用壽命。