鋼纖維增強磷酸鎂水泥混凝土力學(xué)性能研究

重?zé)趸V呈淡黃色，由菱鎂礦（MgCO₃）在1 500 ℃下煅燒破碎后得到，重?zé)趸V化學(xué)組成如表1所示，由重慶市西亞鑄鍛材料有限公司提供；磷酸二氫銨（NH₄H₂PO₄）呈白色粉末狀，為工業(yè)級，純度≥98%，密度為1.803 g/cm³，由四川邦力達福斯化工有限公司提供；硼砂（Na₂B₄O₇·10H₂O）呈白色，為工業(yè)級，純度≥95%，由遼寧首鋼硼鐵有限責(zé)任公司提供；12、6 mm 2種不同長度的圓形平直鍍銅鋼纖維密度為7 850 kg/m³，彈性模量為200 GPa，抗拉強度為2 850 MPa，長度參數(shù)如表2所示，由贛州大業(yè)金屬纖維有限公司提供；集料采自重慶歌樂山，為細度模數(shù)為2.9的天然中砂和粒徑為5~10 mm的石灰石碎石；拌合水為實驗室自來水。

本文中流動性由坍落度表征，依照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。按照設(shè)計好的配合比成型試件，參照GB/T 50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測試混凝土強度。為測試鋼纖維在混凝土中的分散情況，在試件成型7 d后使用切割機將抗折試塊切成40 mm×40 mm×15 mm的小塊。在磨樣機上將試件表面打磨光滑，先用60目砂紙初步打磨，使試件基本平整，再用300目砂紙二次打磨，使表面無劃痕、光滑。使用Mustcam USB Digital Microscope進行拍攝，圖像放大400倍，使用Image pro plus對拍攝出來的圖像進行處理，得到鋼纖維的分布圖。鋼纖維在圖像中的亮度會明顯比MPC混凝土基體亮度高，因此使用軟件計數(shù)功能可以得到試件截面上鋼纖維根數(shù)，如圖1所示。通過下式計算出各組的纖維分散系數(shù)，以此來表征鋼纖維在MPC混凝土中的分散程度：

式中：α為纖維分散指數(shù)；A為纖維根數(shù)；l為試件邊長，取40 mm。

圖1  鋼纖維分布圖像處理

Fig.1  Image processing of steel fiber distribution

經(jīng)過前期試驗，并結(jié)合對流動性的要求，采用基礎(chǔ)配合比：水灰比0.18，砂率0.40，膠集比（膠凝材料與砂石質(zhì)量比）2∶3，氧化鎂與磷酸鹽質(zhì)量比3.5，為獲得足夠施工時間，硼砂摻量為氧化鎂質(zhì)量的10%，混凝土基礎(chǔ)配合比如表3所示。

在基礎(chǔ)配合比條件下，分別單摻6、12 mm 2種不同長度的纖維及復(fù)摻6、12 mm纖維，改變其摻量，試驗分組如表4所示（2%摻量下的纖維混凝土有較好的流動性且力學(xué)性能提升明顯，因此選取鋼纖維摻量2%復(fù)摻）。表4中：G00表示未摻纖維組；GL1表示單摻1%的12 mm鋼纖維；GL2表示單摻2%的12 mm鋼纖維；GL3表示單摻3%的12 mm鋼纖維；GS1表示單摻1%的6 mm鋼纖維；GS2表示單摻2%的6 mm鋼纖維；GS3表示單摻3%的6 mm鋼纖維；GH1表示鋼纖維摻量為2%，其中12 mm鋼纖維占纖維總量的1/3；GH2表示鋼纖維摻量為2%，其中12 mm鋼纖維占纖維總量的1/2；GH3表示鋼纖維摻量為2%，其中12 mm鋼纖維占纖維總量的2/3。試件采用膠膜成型，成型后30 min脫模，放入20 ℃恒溫室中空氣養(yǎng)護。

鋼纖維對MPC混凝土坍落度的影響如圖2所示。由圖2可見，未摻鋼纖維組坍落度為270 mm，在12 mm鋼纖維摻量為1%、2%、3%時，分別使MPC混凝土坍落度降低到200、120、0 mm；在6 mm鋼纖維摻量為1%、2%、3%時，分別使MPC混凝土坍落度降低到260、175、150 mm；GH1、GH2、GH3 3組為復(fù)摻摻量為2%的2種長徑比鋼纖維，3組的坍落度均為160~180 mm。隨著12 mm鋼纖維摻量的增大，MPC混凝土的坍落度降低顯著，長纖維3%摻量時甚至出現(xiàn)了纖維團聚的現(xiàn)象，坍落度為0。6 mm鋼纖維的摻入對混凝土坍落度的降低作用相對較小，GH3的長纖維占比為2/3，該組的坍落度最小，說明12 mm鋼纖維的摻入使拌合物流動性的降低更顯著。

圖2  鋼纖維對坍落度的影響

Fig.2  Effect of steel fiber on the slump

短切鋼纖維加入混凝土中需要水泥漿包裹纖維，包裹砂石骨料的水泥漿會相對減少，因此混凝土流動性降低。鋼纖維長度越長、摻量越高，在攪拌過程中與周圍其他鋼纖維相互接觸、纏結(jié)的機會就會越多。

不同摻量的纖維對MPC混凝土抗折強度的影響如圖3所示。由圖3（a）可見，在長纖維摻量為1%、2%、3%時，摻入后3 h齡期抗折強度分別提升了22.4%、89.8%、24.5%，1 d齡期抗折強度分別提升了14.3%、63.5%、63.5%，7 d齡期抗折強度分別提升了19.2%、33.3%、112.8%。GL2抗折強度提升明顯，3 h齡期抗折強度從4.9 MPa提高到9.3 MPa，1 d齡期抗折強度由6.3 MPa提高到10.3 MPa，7 d齡期抗折強度從7.8 MPa提高到10.4 MPa。如圖3（b）所示，隨著6 mm鋼纖維摻量的變化，抗折強度表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，在各個齡期內(nèi)，鋼纖維摻量為2%時，抗折強度達到最大值：早期3 h齡期抗折強度增長了40.8%，1 d齡期抗折強度增長了38.1%，7 d齡期抗折強度增長了16.7%。2種長徑比鋼纖維復(fù)摻對混凝土抗折強度的影響如圖3（c）所示。12 mm鋼纖維占比為2/3的GH3抗折強度在各個齡期都有較大提高：3 h齡期抗折強度從4.9 MPa提高到6.9 MPa，提高了40.8%；1 d齡期抗折強度提高了34.9%；7 d齡期抗折強度提高了24.4%。綜上可知，鋼纖維的摻入使MPC混凝土的抗折強度提升明顯，且在3 h齡期時提高更加顯著。GL2組抗折強度提升最大，提升了89.8%，隨著齡期的增長，鋼纖維對抗折強度的提升有所下降，但仍能維持在30%左右。

圖3  纖維摻量對抗折強度的影響

Fig.3  Effects of fiber content on the flexural strength

鋼纖維對MPC混凝土的抗折強度有明顯的增強作用?；炷猎谑芾茐倪^程中，底部受拉區(qū)首先承受拉應(yīng)力，鋼纖維起到了橋接的作用，傳遞分散拉力，使混凝土整體承受拉應(yīng)力的能力顯著提高。MPC混凝土基體與鋼纖維有較強的粘結(jié)力是鋼纖維發(fā)揮增韌增強作用的前提，12 mm鋼纖維相較于6 mm鋼纖維與混凝土基體有更多的粘接部分，對混凝土抗折強度有更高的增強作用。

不同長徑比鋼纖維摻量對MPC混凝土抗壓強度的影響如圖4所示。由圖4（a）可見，鋼纖維摻量為1%、2%、3%時，3 h齡期抗壓強度分別提升了20.6%、33.7%、22.3%；1 d齡期抗壓強度分別提升了15.4%、25.6%、10.5%；7 d齡期抗壓強度分別提升了22.8%、6.6%、-2.7%。圖4（b）為摻入6 mm鋼纖維對MPC混凝土抗壓強度的影響，在摻量為2%時，3 h齡期抗壓強度為52.1 MPa，比基準(zhǔn)組的35.9 MPa提高了45.1%；而1、7 d齡期的抗壓強度提升幅度較小，分別為7.9%、3.5%。摻量為1%、3%的GS1、GS3組抗壓強度未有明顯變化，抗壓強度變化幅度在10%以內(nèi)。圖4（c）為不同長徑比鋼纖維復(fù)摻對MPC混凝土抗壓強度的影響，抗壓強度相對于基準(zhǔn)組變化不大，為8%左右。

圖4  纖維摻量對抗壓強度的影響

Fig.4  Effects of fiber content on the compressive strength

綜上可見，纖維的摻入對MPC混凝土的抗壓強度無顯著的增強作用，其中以12 mm長纖維最佳，提升幅度最大為30%左右。但12 mm鋼纖維在3%摻量下出現(xiàn)了團聚現(xiàn)象，甚至?xí)档突炷恋目箟簭姸取?/span>

摻入鋼纖維的MPC混凝土應(yīng)力-位移曲線如圖5所示。由圖5（a）可見，在達到極限荷載時，未摻入鋼纖維的G00組應(yīng)力-位移曲線突然下降，顯示出明顯的脆性，斷裂位移只有0.6 mm；摻入12 mm鋼纖維的試驗組試件在達到極限荷載后并未直接破壞，應(yīng)力-位移曲線為鋸齒狀，隨著斷裂位移的增大，應(yīng)力隨之逐漸下降，表現(xiàn)出一定的延性，斷裂位移可達5 mm，增大了7倍。由圖5（b）可見，6 mm鋼纖維的摻入也增加了MPC混凝土極限位移。在達到極限荷載后，與摻入12 mm鋼纖維的MPC混凝土在極限荷載處就顯示出鋸齒型曲線不同，摻入6 mm鋼纖維的MPC混凝土?xí)幸欢螒?yīng)力的驟降，而后才表現(xiàn)為鋸齒型曲線。6 mm鋼纖維的摻入使斷裂位移從0.6 mm增長到1.8 mm以上，增大了2倍以上。

圖5  應(yīng)力-位移曲線

Fig.5  Stress-displacement curve

MPC混凝土是一種脆性材料，在達到極限拉應(yīng)力時會突然斷裂，且極限位移較小，摻入鋼纖維后，鋼纖維混凝土的破壞形態(tài)表現(xiàn)出明顯的延性。荷載較小時，MPC混凝土基體與鋼纖維協(xié)同作用，共同承擔(dān)荷載，力-位移曲線為直線上升的趨勢；達到極限荷載后，混凝土受拉區(qū)開始出現(xiàn)裂縫，此時鋼纖維在混凝土中起到橋接作用，傳遞應(yīng)力，使混凝土表現(xiàn)出延性特征，即力-位移曲線表現(xiàn)為鋸齒狀。隨著荷載逐漸增加，鋼纖維不斷被拉斷或拔出，混凝土最終破壞。圖4（b）中摻入6 mm鋼纖維后在極限荷載時出現(xiàn)的荷載驟降，是因為6 mm鋼纖維與MPC混凝土基體的粘結(jié)長度較短，在荷載作用下大量被拔出，承擔(dān)應(yīng)力能力降低。

圖6為鋼纖維與MPC混凝土結(jié)合處的掃描電鏡圖像，由圖6可見，在被拉出的鋼纖維表面上仍有MPC基體殘留，說明鋼纖維與MPC水化產(chǎn)物有較好的粘接強度，這是鋼纖維發(fā)揮增強作用的基礎(chǔ)。如圖6（b）所示，隨著齡期的增長，7 d齡期鋼纖維與MPC混凝土界面處MPC進一步水化，晶體相互搭接生長，MPC基體更加密實，與鋼纖維的粘結(jié)更加緊密。相較于普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥，MPC水泥與鋼纖維間有很強的粘結(jié)強度，鋼纖維被拔出MPC混凝土基體后，鋼纖維表面仍會附著有殘留的MPC混凝土，可保證鋼纖維充分發(fā)揮其增韌作用^{［13，14］}。

圖6  鋼纖維與MPC混凝土界面微觀形貌

Fig.6  Micro-morphology of interface between steel fiber and MPC concrete

在水泥基材料中添加纖維可以有效地提高材料的韌性，纖維只有均勻分布才能更好地發(fā)揮增韌增強作用，如果纖維在基體中發(fā)生團聚，形成應(yīng)力集中點，可能反而會成為材料的薄弱點，影響纖維混凝土強度^［15］。通過計算鋼纖維在MPC混凝土中的分散情況，可以更好地分析鋼纖維對MPC混凝土的增強機理以及影響因素，本文采用截面計數(shù)法^［16］來評價纖維的分散系數(shù)。

隨著纖維摻量從1%逐漸增加到3%，截面上分布的纖維根數(shù)應(yīng)是逐漸增多，且接近等差增長。由表5可見，隨著纖維摻量從1%逐漸增加到3%，摻入12 mm鋼纖維的纖維分散指數(shù)α從0.094增長到0.161再增大到0.429；6 mm鋼纖維組纖維摻量從1%增加到2%時，α從0.075增長到0.163，增大了0.088；纖維摻量從2%增加到3%時，α再增長到0.261，增大了0.098；纖維復(fù)摻的GH1、GH2、GH3組α值分別為0.168、0.179、0.162，基本穩(wěn)定。混凝土的抗折強度與纖維分散指數(shù)有一定的相關(guān)性，高的纖維分散指數(shù)對應(yīng)較高的抗折強度。

摻入12 mm鋼纖維的GL組和摻入6 mm鋼纖維的GH組中，長纖維摻量較多的GH3組的纖維分散指數(shù)試驗結(jié)果出現(xiàn)了較大偏差，而摻入6 mm的GS組則表現(xiàn)出了相對穩(wěn)定的增長趨勢。12 mm長纖維的分散相對難度較大，導(dǎo)致其在混凝土中易團聚，數(shù)據(jù)規(guī)律性不夠明顯，這可能是導(dǎo)致其數(shù)據(jù)離散性較大的原因。

圖7為GL2、GS2、GH2 3組的截面圖，從圖7可明顯看出，有很多石子的截面占據(jù)了截面的大部分區(qū)域，且其間距較小，所以石子可能會在攪拌過程中阻礙纖維的分散。GL2組的纖維主要分散在較小的石子中間，而外圍較大的石子周圍的區(qū)域只有很少纖維分布；GS2和GH2組的分散情況相對較好，基本可以分散在整個截面內(nèi)。

圖7  GL2、GS2、GH2組截面圖

Fig.7  Cross-sections of GL2、GS2、GH2 groups

由此可見，影響鋼纖維在MPC混凝土中的分散有2個因素：一是大石子在體系中起到了分割阻礙的作用，使纖維分散難度加大；二是纖維長度的影響，12 mm長纖維在分散時因其長度較大更容易受到石子的阻礙作用，所以分散不均勻。圖8是降低MPC混凝土骨料比例得到的截面，可以看出隨著骨料含量的下降，纖維的分散情況得到了顯著的改善，即使摻入3%的12 mm長纖維也能夠分散均勻，甚至摻量達到4%時也基本可以分散均勻。

圖8  纖維摻量3%、4%截面圖

Fig.8  Cross-section diagram when the steel fiber volume fractions are 3% and 4%,respectively

目前，纖維對混凝土的增強機理有2種：復(fù)合材料理論和纖維間距理論。復(fù)合材料理論^［17］認為纖維混凝土是纖維和混凝土基體兩相復(fù)合的材料，復(fù)合材料的各項性能為基體性能和纖維性能的加權(quán)和；纖維間距理論^［18］認為纖維增強作用與纖維在基體中分布的平均間距有關(guān)，纖維平均間距越小，抗折強度越高?；炷潦且环N非均質(zhì)材料，在水化過程中的化學(xué)反應(yīng)和溫度應(yīng)力引起的孔隙和微裂紋，以及骨料和水泥石的界面都可能成為混凝土的薄弱區(qū)域，在荷載作用過程中宏觀裂紋就從這些微裂紋處開始發(fā)展^［19］。在拉力作用下，纖維在混凝土中主要起橋接裂縫的作用，當(dāng)混凝土中摻入高彈性模量纖維時，應(yīng)力通過混凝土基體和鋼纖維界面區(qū)傳遞到彈性模量較高的鋼纖維，從而使鋼纖維最先承受荷載，混凝土受到的應(yīng)力降低，阻礙裂紋進一步發(fā)展^［20］。

如圖9所示^［21］，σ為混凝土的受拉應(yīng)力，混凝土出現(xiàn)裂縫時，鋼纖維的橋接作用能緩和尖端應(yīng)力集中程度，抑制裂縫擴展，鋼纖維摻量越多，效果越好。纖維混凝土抗拉強度f_c與混凝土中纖維摻量V_f成正比，即纖維摻量越高，纖維間距越小，纖維混凝土抗拉強度越高。纖維摻量對混凝土的增強作用如下式所示：

式中：K為常數(shù)；η為纖維方向有效系數(shù)；d_f為纖維直徑。

圖9  纖維對裂縫的阻裂效應(yīng)

Fig.9  The effect of fiber on crack resistance