钢纤维形状特征对钢纤维混凝土力学性能的影响

为使钢纤维得到更好的应用,笔者研究了几种异形钢纤维对钢纤维混凝土力学性能的影响。

1 原材料及试验方法

1.1原材料性能

钢纤维:浙江嘉兴七星钢纤维厂剪切法生产的异形钢纤维,其形状规格见表1。

1.2 纤维混凝土配合比

为便于比较,掺用钢纤维的基准混凝土均采用同一配合比:水灰比为0.25,胶合料(包括水泥、矿渣、粉煤灰)为680kg/m3,砂率为30%,减水剂掺量为胶合料质量的1%。掺加不同外观形状钢纤维的钢纤维的钢纤维混凝土的力学性能见表1。

钢纤维类型

特征参数

钢纤维体积率/%

抗压强度/mpa

劈裂抗拉强度/mpa

抗折强度/mpa

长度l/mm

等效直径d/mm

长径比(l/d)

未掺钢钎维

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

波纹型

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 不同外观形状的钢纤维对钢纤维混凝土力学性能的影响

1.3 试验方法

试验按CECS13:89《钢纤维混凝土试验方法》进行。

试件尺寸:抗压强度、劈拉强度试验的试件尺寸为100mm×100mm×100mm,抗折强度试验的试件尺寸为100mm×100mm×400mm。

2试验结果与讨论

2.1 长径比对钢纤维混凝土力学性能的影响

通常把长度为20~40mm,长径比40~120的钢纤维定为普通短钢纤维;长度为5~15mm,长径比10~30的钢纤维定为超短钢纤维。表1中1、2、3、4形钢纤维为普通短钢纤维,5形为超短钢纤维。从表1的试验结果可以看出;对于钢纤维体积掺量小于3%的钢纤维混凝土来说,掺普通短钢纤维时其抗压、抗拉、抗折强度分别可提高14.7%~25.0% 、104.3% ~130.4%、 15.2%~38.1%;掺超短钢纤维时,抗压、抗拉、抗折强度分别可提高39.2%、56.5%、14.3%。其中超短钢纤维对抗压强度提高的幅度比普通短钢纤维大,而普通短钢纤维对抗拉、抗折强调提高的幅度比超短钢纤维大得多。这是因为抗压强度对钢纤维的边壁效应敏感,而抗拉、抗折强度对边壁效应迟钝。钢纤维边壁效应就是在模板或粗骨料表面边壁附近,由于受边壁的限制,钢纤维趋于在平行于边壁方向取向。普通短钢纤维相对较长,边壁效应较强,钢纤维沿粗骨料界面分布,即与钢纤维混凝土第一级破坏(粗骨料和砂浆结合面上产生微裂缝)的裂缝平行,故在此阶段钢纤维起不到什么阻裂作用;而超短钢纤维较短,边壁效应相对较弱,即有一定数量的钢纤维与粗骨料界面相交,一旦平行界面的初始微裂缝有发展的趋势,这一部分钢纤维就能很好地阻止其发展,超短钢纤维在第一级破坏中有较好的阻裂作用,推迟了初裂缝的产生,因而有效地提高了混凝土的抗压强度。而抗拉、抗折强度对纤维边壁效应迟钝,普通短钢纤维比超短钢纤维长度长,与混凝土粘结力和握裹力更大,所以其抗拉、抗折强度高。在试验过程中,我们还发现超短异形钢纤维混凝土搅拌和成型性能很好,在后续研究中还发现,当钢纤维掺加的体积率达7%时,搅拌均匀,无成团现象,且它的抗压强度随钢纤维体积率成线性增长,抗拉、抗弯、抗折等性能也不错,所以适应在工程中推广应用。普通钢纤维中波纹形初始缠结现象较明显,搅拌时易成团,对工作性影响较严重,成型困难,影响混凝土的力学性能;其它几种普通短钢纤维还比较好搅拌、成型。

2.2 钢纤维外观形状对钢纤维混凝土力学性能的影响

由表1的试验结果知,1、2、3、4形钢纤维长径比差不多,但对应的钢纤维混凝土的各种强度相差很大:凸痕形钢纤维混凝土的抗压、抗拉、抗折强度均最高,说明凸痕形钢纤维对混凝土的增强、增韧效果最好;异混形、波纹形钢纤维次之,球痕形最差。这主要是由于它们的外观形状不同,与混凝土基体的粘结强度和握裹强度也不一样。凸痕形为变截面异形钢纤维,两端头均有增大截面的凸痕,凸痕在混凝土中起较强的锚固作用。钢纤维在混凝土基体中的作用除粘结强度外,尚有因形状变异在凸痕拐点处的握裹强度。在钢纤维材质相同的情况下,这种握裹强度与钢纤维拐点处的刚度成正比,刚度越大,纲纤维在混凝土中就越难拔出,其握裹强度就越大。异混形拐点形状看似很好,但其刚度不如凸痕形大,所以其增强、增韧效果也不如凸痕形好。所以,要提高钢纤维对混凝土的增强、增韧效果,就要加大钢纤维形状变异处的刚度,这一点对钢纤维生产和应用有很大的指导作用。

3结论

(1)超短钢纤维对混凝土抗压增强效果比普通短钢纤维好,且它的搅拌、成型性能也很好。普通短钢纤维对混凝土抗拉、抗折增强效果比超短纤维好得多。

(2)当钢纤维长径比差不多时,其外观形状对混凝土的增强、增韧效果影响很大,要提高钢纤维对混凝土的增强、增韧效果,就要加大钢纤维形状变异处的刚度,本文研究的几种普通异型钢纤维中,以凸痕形钢纤维对混凝土的增强、增韧效果最佳,异混形、波纹形次之,球痕形最差。

 
 

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