鋼纖維形狀特征對鋼纖維混凝土力學性能的影響

為使鋼纖維得到更好的應用,筆者研究了幾種異形鋼纖維對鋼纖維混凝土力學性能的影響。

1 原材料及試驗方法

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的異形鋼纖維,其形狀規格見表1。

1.2 纖維混凝土配合比

為便于比較,摻用鋼纖維的基準混凝土均采用同一配合比:水灰比為0.25,膠合料(包括水泥、礦渣、粉煤灰)為680kg/m3,砂率為30%,減水劑摻量為膠合料質量的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性能見表1。

鋼纖維類型

特征參數

鋼纖維體積率/%

抗壓強度/mpa

劈裂抗拉強度/mpa

抗折強度/mpa

長度l/mm

等效直徑d/mm

長徑比(l/d)

未摻鋼釬維

0

74.7

4.6

10.5

鼻混型

33.5

0.60

55.8

1.0/2.0

85.2/93.4

7.2/9.4

11.6/12.6

凸痕型

31.5

0.62

50.8

1.0/2.0

88.8/93.6

8.1/10.6

12.4/14.5

波紋型

32.0

0.5.

64.0

1.0/2.0

86.5/88.6

8.1/9.6

12.4/13.8

球痕型

32.5

0.63

51.6

1.0/2.0

83.3/85.7

6.9/9.2

11.2/12.1

超短鼻型

12.8

0.50

25.6

1.0/2.0

85.5/104.

6.5/7.2

11.0/12.0

表1 不同外觀形狀的鋼纖維對鋼纖維混凝土力學性能的影響

1.3 試驗方法

試驗按CECS13:89《鋼纖維混凝土試驗方法》進行。

試件尺寸:抗壓強度、劈拉強度試驗的試件尺寸為100mm×100mm×100mm,抗折強度試驗的試件尺寸為100mm×100mm×400mm。

2試驗結果與討論

2.1 長徑比對鋼纖維混凝土力學性能的影響

通常把長度為20~40mm,長徑比40~120的鋼纖維定為普通短鋼纖維;長度為5~15mm,長徑比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的試驗結果可以看出;對于鋼纖維體積摻量小于3%的鋼纖維混凝土來說,摻普通短鋼纖維時其抗壓、抗拉、抗折強度分別可提高14.7%~25.0% 、104.3% ~130.4%、 15.2%~38.1%;摻超短鋼纖維時,抗壓、抗拉、抗折強度分別可提高39.2%、56.5%、14.3%。其中超短鋼纖維對抗壓強度提高的幅度比普通短鋼纖維大,而普通短鋼纖維對抗拉、抗折強調提高的幅度比超短鋼纖維大得多。這是因為抗壓強度對鋼纖維的邊壁效應敏感,而抗拉、抗折強度對邊壁效應遲鈍。鋼纖維邊壁效應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。普通短鋼纖維相對較長,邊壁效應較強,鋼纖維沿粗骨料界面分布,即與鋼纖維混凝土第一級破壞(粗骨料和砂漿結合面上產生微裂縫)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,邊壁效應相對較弱,即有一定數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展的趨勢,這一部分鋼纖維就能很好地阻止其發展,超短鋼纖維在第一級破壞中有較好的阻裂作用,推遲了初裂縫的產生,因而有效地提高了混凝土的抗壓強度。而抗拉、抗折強度對纖維邊壁效應遲鈍,普通短鋼纖維比超短鋼纖維長度長,與混凝土粘結力和握裹力更大,所以其抗拉、抗折強度高。在試驗過程中,我們還發現超短異形鋼纖維混凝土攪拌和成型性能很好,在后續研究中還發現,當鋼纖維摻加的體積率達7%時,攪拌均勻,無成團現象,且它的抗壓強度隨鋼纖維體積率成線性增長,抗拉、抗彎、抗折等性能也不錯,所以適應在工程中推廣應用。普通鋼纖維中波紋形初始纏結現象較明顯,攪拌時易成團,對工作性影響較嚴重,成型困難,影響混凝土的力學性能;其它幾種普通短鋼纖維還比較好攪拌、成型。

2.2 鋼纖維外觀形狀對鋼纖維混凝土力學性能的影響

由表1的試驗結果知,1、2、3、4形鋼纖維長徑比差不多,但對應的鋼纖維混凝土的各種強度相差很大:凸痕形鋼纖維混凝土的抗壓、抗拉、抗折強度均最高,說明凸痕形鋼纖維對混凝土的增強、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強度和握裹強度也不一樣。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的錨固作用。鋼纖維在混凝土基體中的作用除粘結強度外,尚有因形狀變異在凸痕拐點處的握裹強度。在鋼纖維材質相同的情況下,這種握裹強度與鋼纖維拐點處的剛度成正比,剛度越大,綱纖維在混凝土中就越難拔出,其握裹強度就越大。異混形拐點形狀看似很好,但其剛度不如凸痕形大,所以其增強、增韌效果也不如凸痕形好。所以,要提高鋼纖維對混凝土的增強、增韌效果,就要加大鋼纖維形狀變異處的剛度,這一點對鋼纖維生產和應用有很大的指導作用。

3結論

(1)超短鋼纖維對混凝土抗壓增強效果比普通短鋼纖維好,且它的攪拌、成型性能也很好。普通短鋼纖維對混凝土抗拉、抗折增強效果比超短纖維好得多。

(2)當鋼纖維長徑比差不多時,其外觀形狀對混凝土的增強、增韌效果影響很大,要提高鋼纖維對混凝土的增強、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,以凸痕形鋼纖維對混凝土的增強、增韌效果最佳,異混形、波紋形次之,球痕形最差。

 
 

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