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利用试验分析钢纤维高强灌浆材料力学性能
摘要：只有全面了解钢纤维高强灌浆材料力学性能，才能实现在实际工程中很好的应用。试验以钢纤维体积率为变化参数，分别在灌浆材料中掺入0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，再对其进行力学性能试验分析，探讨钢纤维体积率对抗压强度及轴心抗压强度等方面的影响，并得到钢纤维高强灌浆材料的强度与钢纤维含量有关，钢纤维含量具有增强效果的结论。钢纤维高强灌浆材料这种新型水泥基复合材料具有抗压强度高、抗破裂能力强的特点。
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灌浆材料由于其具有微膨胀、不泌水、流动性大、早高强和后期强度等优越性能，广泛应用于建筑加固补修以及普通混凝土难以浇注到的不规则死角、地脚螺栓锚固等工程建设中，是理想的建筑材料之一［1］。随着新型复合材料的不断发展，在高强灌浆材料中加入适量钢纤维制成钢纤维高强灌浆材料，不但降低了高强灌浆材料的脆性，而且兼备钢纤维灌浆料和高强灌浆料的双重优势，既可以发挥钢纤维增强、阻裂和增韧能力，也能表现出高强灌浆材料的优越性能。可以预见，随着经济技术的发展，水泥基复合材料向高性能化发展是必然趋势，钢纤维高强灌浆材料这种新型水泥基复合材料将应用于更加广泛的领域。
目前，国内外关于钢纤维混凝土的相关试验研究已经做了大量工作［2-7］，但是关于钢纤维高强灌浆材料的试验研究较少。因此，本文将针对钢纤维高强灌浆材料进行力学性能试验研究，研究钢纤维含量对其强度以及变形性能的影响，为实际工程设计与应用提供一定的参考。
1、试验概况
1.1 试验材料及配合比
试验中钢纤维类型采用纤维长度为13mm，纤维直径为0.2～0.25mm的RPC镀铜微丝，如图1所示。灌浆材料是由特种水泥、精选天然石英砂、特种矿物掺和料和外加剂等原材料，经过工业化生产制成的干混料。灌浆材料配合比见表1。
表1灌浆材料配合比
1.2 试件制备与养护
试验以钢纤维体积率为变化参数，分别在灌浆材料中掺入0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，采用100mm×100mm×100mm立方体试件和100mm×100mm×300mm棱柱体试件，分别测其立方体抗压强度fcu和轴心抗压强度fc，每组设置3块，共30块试件；采用150mm×300mm尺寸的圆柱体试件，测量灌浆材料和钢纤维灌浆材料弹性模量及泊松比，每组设置3块，试件如图2所示。
图2试件制备与养护
高强灌浆材料对掺水量以及拌和时间都有严格的要求，掺水量以及拌和时间达不到要求会使得材料的和易性与流动性变差，导致强度达不到理想状态的要求，故考虑到试验的严谨性，本试验采用试验用行星式水泥砂浆搅拌机，严格控制水灰比与搅拌时间，确保试验结果的准确性。全部试件用统一标准模具制作，每次浇注灌浆材料之前，在模内壁涂脱模剂，试块振捣方式符合《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081—2002）［8］振捣要求，试件成型后第二天拆模，根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T50080—2002）［9］将试件放入养护室养护28d，在温度20℃±3℃、相对湿度达90%的标准养护条件下养护到28d龄期后，将试件搬出养护室展开试验。
2、试验结果与分析
2.1 宏观变形及破坏特征
灌浆材料试件与钢纤维灌浆材料试件表观破坏形态如图3所示。从图3（a）可以看出，未掺入钢纤维的灌浆材料试件整体破坏较严重，试件经受压变形后，完整性较差，呈脆性破坏，破坏时响声较大；从图3（b）可以看出，掺入钢纤维的灌浆材料试件经受压变形后，试件完整性保持较好；从图3（c）中的局部放大图中可以看出，试件受压破坏产生裂缝，由于钢纤维的连接、阻裂作用，阻止了裂缝进一步扩展，使脆性材料表现出延性性能。
2.2 钢纤维体积率对抗压强度及轴心抗压强度的影响
钢纤维灌浆材料试件抗压强度及轴心抗压强度随钢纤维体积率的变化规律如图4所示。由图4可以看出，钢纤维抗压强度及轴心抗压强度随着钢纤维体积率的增大，呈现先逐渐增大再减小的趋势。
表2和表3给出了灌浆材料立方体抗压强度与棱柱体轴心抗压强度测试结果。可以看出，抗压强度和轴心抗压强度在钢纤维体积率为15%时达到峰值，其值可分别提高19.6%和15.0%。这是由于随着钢纤维的增多，钢纤维灌浆材料试件在抗压变形的过程中受到抗拉约束，有阻裂作用，从而提升了灌浆材料的抗压强度。但当钢纤维体积率为2.0%时，抗压强度及轴心抗压强度虽然比普通灌浆材料都有不同程度的提高，分别提高了6.6%和2.2%，但增强效果有所减弱。这是因为随着钢纤维含量的增多，灌浆材料内部产生了较多的界面薄弱区［10］，试件在受压变形过程中会削弱钢纤维的增强作用，同时在试件成型过程中难以保证钢纤维在灌浆材料中能够均匀分布，使部分钢纤维发生聚集或结团现象，这也是导致钢纤维增强效果弱化的原因之一。
表2立方体抗压强度测试结果；表3棱柱体轴心抗压强度测试结果
图5给出了相对抗压强度和相对轴心抗压强度变化曲线。可以看出，立方体相对抗压强度及棱柱体相对轴心抗压强度与钢纤维灌浆材料的钢纤维体积率呈三次多项式关系。
图4抗压强度随钢纤维体积率变化规律；图5强度变化曲线
根据《钢纤维混凝土试验方法标准》（CECS：13—2009）［11］，测得的抗压强度值应乘以尺寸效应系数0.9。当考虑钢纤维对高强灌浆材料的增强作用时，立方体抗压强度用下式表示：
式中λf———钢纤维特征参数，即钢纤维长径比与体积分数的乘积；αcu———钢纤维对高强灌浆材料立方体抗压强度的增强系数。可根据本试验确定，RPC镀铜微丝钢纤维的αcu值为0.035。
研究结果表明，混凝土和钢纤维混凝土立方体抗压强度与棱柱体轴心抗压强度之间的换算系数随着材料强度的增大而增大，且钢纤维特征参数对其无较大影响。根据本试验研究结果，灌浆材料轴心抗压强度与立方体抗压强度之间的换算系数fc/fcu平均值为0.88，钢纤维灌浆材料轴心抗压强度与立方体抗压强度之间的换算系数fc/fcu平均值为0.85，高于普通强度混凝土换算系数0.76和钢纤维混凝土换算系数0.7。
2.3 钢纤维的增强效果
试验结果表明，钢纤维高强灌浆材料的强度与钢纤维含量有关。在受压初始阶段，试件处于弹性状态，钢纤维高强灌浆材料试件主要由基体承受载荷，钢纤维的增强效果没有体现。随着载荷的增加，材料内部开始产生微裂纹，普通高强灌浆材料表现出非线性行为，并立刻达到峰值应力；而钢纤维灌浆材料由于钢纤维的阻裂作用，使得微裂纹发展缓慢，因而其非线性行为比普通高强灌浆材料显著，材料强度显著提高，体现了钢纤维的增强效果。为了更好地描述纤维的增强效应，引入纤维增强系数Kf来表征材料的增强效果，将Kf定义为钢纤维灌浆材料与灌浆材料的峰值应力比，即Kf＝σ/σ0，其中σ0为灌浆材料的峰值应力。钢纤维增强效果如图6所示。
图6钢纤维增强效果
可以看出，钢纤维体积率在15%之前，增强效果随着钢纤维含量的提高而增加，超过15%时，增强效果减弱，这说明钢纤维的增强效果是有限制的。这主要是因为，钢纤维含量过大时，搅拌过程中不能充分使钢纤维分散，会出现结团现象，致使成型后的试件孔隙增多，密实度下降，强度也反而下降。因此，一味地提高钢纤维含量并不是提高材料强度的最佳措施，应合理控制钢纤维掺入量。
2.4 弹性模量及泊松比
按照欧洲标准EN13412：2006［12］测量试件弹性模量与泊松比，在每个圆柱体试件表面安装6个应变片，3个纵向，3个环向，位置为圆柱体中部，与圆柱体轴平行，间隔120°。试验时，在试件施加0.5MPa的应力荷载，经过60s等待时间后，记录3个应变片的应变。然后，以0.27MPa/s的速率加载到约等于抗压强度的1/3结束，再等待60s，记录3个应变片的应变，检查误差有没有超过3个应变片平均值10%。然后，卸去荷载，重复2个周期。使用最后1个周期值计算弹性模量。本试验测得的钢纤维高强灌浆材料弹性模量实测值见表4。
表4灌浆材料弹性模量试验结果
本试验测得普通高强灌浆材料泊松比为0.211，钢纤维体积率为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的钢纤维高强灌浆材料泊松比分别为0.207、0.208、0.209和0.210。由于大多数学者对于泊松比只给出了范围，国内外无相应可参考公式，故本试验所测泊松比符合《混凝土结构设计规范》（GB/T50010—2010）［13］要求。钢纤维高强灌浆材料泊松比比普通高强灌浆材料泊松比略有下降，可以推测是由于钢纤维的高弹性模量约束了侧向膨胀，减小了试件的横向应变，但整体上钢纤维的掺入对泊松比影响不太大。
3、结论
本文开展了钢纤维高强灌浆材料的力学性能试验研究，通过试验得出了以下结论：1）钢纤维有“桥接”作用，在灌浆材料裂纹发展过程中有连接、阻裂的效果，使灌浆材料表现出延性性能。2）钢纤维具有明显的增强、增韧效果，在体积含量为1.5%时，灌浆材料抗压强度的提升效果最显著，可提升19.6%，但钢纤维的体积含量超过这一值时，其增强效果会减弱。3）钢纤维灌浆材料的弹性模量随着钢纤维含量的增加呈先增大后减小的趋势，钢纤维含量对灌浆材料泊松比影响不大，基本可以忽略。
参考文献：
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