鋼纖維形狀特征對(duì)鋼纖維混凝土力學(xué)性能的影響

為使鋼纖維得到更好的應(yīng)用，筆者研究了幾種異形鋼纖維對(duì)鋼纖維混凝土力學(xué)性能的影響。
1 原材料及試驗(yàn)方法
1．1原材料性能
鋼纖維：浙江嘉興七星鋼纖維廠剪切法生產(chǎn)的異形鋼纖維，其形狀規(guī)格見表1。
1．2 纖維混凝土配合比
為便于比較，摻用鋼纖維的基準(zhǔn)混凝土均采用同一配合比：水灰比為0.25，膠合料為680kg/m3,砂率為30%，減水劑摻量為膠合料質(zhì)量的1%。摻加不同外觀形狀鋼纖維的鋼纖維的鋼纖維混凝土的力學(xué)性能見表1。表1 不同外觀形狀的鋼纖維對(duì)鋼纖維混凝土力學(xué)性能的影響1．3 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)按CECS13：89《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》進(jìn)行。試件尺寸：抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)的試件尺寸為100mm×100mm×100mm，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)的試件尺寸為100mm×100mm×400mm。2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 長(zhǎng)徑比對(duì)鋼纖維混凝土力學(xué)性能的影響
通常把長(zhǎng)度為20~40mm,長(zhǎng)徑比40~120的鋼纖維定為普通短鋼纖維;長(zhǎng)度為5~15mm,長(zhǎng)徑比10~30的鋼纖維定為超短鋼纖維。表1中1、2、3、4形鋼纖維為普通短鋼纖維，5形為超短鋼纖維。從表1的試驗(yàn)結(jié)果可以看出；對(duì)于鋼纖維體積摻量小于3%的鋼纖維混凝土來(lái)說(shuō)，摻普通短鋼纖維時(shí)其抗壓、抗拉、抗折強(qiáng)度分別可提高14.7%~25.0% 、104.3% ~130.4%、 15.2%~38.1%；摻超短鋼纖維時(shí)，抗壓、抗拉、抗折強(qiáng)度分別可提高39.2%、56.5%、14.3%。其中超短鋼纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度提高的幅度比普通短鋼纖維大，而普通短鋼纖維對(duì)抗拉、抗折強(qiáng)調(diào)提高的幅度比超短鋼纖維大得多。這是因?yàn)榭箟簭?qiáng)度對(duì)鋼纖維的邊壁效應(yīng)敏感，而抗拉、抗折強(qiáng)度對(duì)邊壁效應(yīng)遲鈍。鋼纖維邊壁效應(yīng)就是在模板或粗骨料表面邊壁附近，由于受邊壁的限制，鋼纖維趨于在平行于邊壁方向取向。普通短鋼纖維相對(duì)較長(zhǎng)，邊壁效應(yīng)較強(qiáng)，鋼纖維沿粗骨料界面分布，即與鋼纖維混凝土第一級(jí)破壞的裂縫平行，故在此階段鋼纖維起不到什么阻裂作用；而超短鋼纖維較短，邊壁效應(yīng)相對(duì)較弱，即有一定數(shù)量的鋼纖維與粗骨料界面相交，一旦平行界面的初始微裂縫有發(fā)展的趨勢(shì)，這一部分鋼纖維就能很好地阻止其發(fā)展，超短鋼纖維在第一級(jí)破壞中有較好的阻裂作用，推遲了初裂縫的產(chǎn)生，因而有效地提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。而抗拉、抗折強(qiáng)度對(duì)纖維邊壁效應(yīng)遲鈍，普通短鋼纖維比超短鋼纖維長(zhǎng)度長(zhǎng)，與混凝土粘結(jié)力和握裹力更大，所以其抗拉、抗折強(qiáng)度高。在試驗(yàn)過(guò)程中，我們還發(fā)現(xiàn)超短異形鋼纖維混凝土攪拌和成型性能很好，在后續(xù)研究中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼纖維摻加的體積率達(dá)7%時(shí)，攪拌均勻，無(wú)成團(tuán)現(xiàn)象，且它的抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維體積率成線性增長(zhǎng)，抗拉、抗彎、抗折等性能也不錯(cuò)，所以適應(yīng)在工程中推廣應(yīng)用。普通鋼纖維中波紋形初始纏結(jié)現(xiàn)象較明顯，攪拌時(shí)易成團(tuán)，對(duì)工作性影響較嚴(yán)重，成型困難，影響混凝土的力學(xué)性能；其它幾種普通短鋼纖維還比較好攪拌、成型。
2．2 鋼纖維外觀形狀對(duì)鋼纖維混凝土力學(xué)性能的影響
由表1的試驗(yàn)結(jié)果知，1、2、3、4形鋼纖維長(zhǎng)徑比差不多，但對(duì)應(yīng)的鋼纖維混凝土的各種強(qiáng)度相差很大：凸痕形鋼纖維混凝土的抗壓、抗拉、抗折強(qiáng)度均最高，說(shuō)明凸痕形鋼纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)、增韌效果最好；異混形、波紋形鋼纖維次之，球痕形最差。這主要是由于它們的外觀形狀不同，與混凝土基體的粘結(jié)強(qiáng)度和握裹強(qiáng)度也不一樣。凸痕形為變截面異形鋼纖維，兩端頭均有增大截面的凸痕，凸痕在混凝土中起較強(qiáng)的錨固作用。鋼纖維在混凝土基體中的作用除粘結(jié)強(qiáng)度外，尚有因形狀變異在凸痕拐點(diǎn)處的握裹強(qiáng)度。在鋼纖維材質(zhì)相同的情況下，這種握裹強(qiáng)度與鋼纖維拐點(diǎn)處的剛度成正比，剛度越大，綱纖維在混凝土中就越難拔出，其握裹強(qiáng)度就越大。異混形拐點(diǎn)形狀看似很好，但其剛度不如凸痕形大，所以其增強(qiáng)、增韌效果也不如凸痕形好。所以，要提高鋼纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)、增韌效果，就要加大鋼纖維形狀變異處的剛度，這一點(diǎn)對(duì)鋼纖維生產(chǎn)和應(yīng)用有很大的指導(dǎo)作用。
3 結(jié) 論
超短鋼纖維對(duì)混凝土抗壓增強(qiáng)效果比普通短鋼纖維好，且它的攪拌、成型性能也很好。普通短鋼纖維對(duì)混凝土抗拉、抗折增強(qiáng)效果比超短纖維好得多。
當(dāng)鋼纖維長(zhǎng)徑比差不多時(shí)，其外觀形狀對(duì)混凝土的增強(qiáng)、增韌效果影響很大，要提高鋼纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)、增韌效果，就要加大鋼纖維形狀變異處的剛度，本文研究的幾種普通異型鋼纖維中，以凸痕形鋼纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)、增韌效果最佳，異混形、波紋形次之，球痕形最差。

原作者：曹國(guó)娥歐志華劉雅軍