钢纤维增强磷酸镁水泥混凝土力学性能研究

重烧氧化镁呈淡黄色，由菱镁矿（MgCO₃）在1 500 ℃下煅烧破碎后得到，重烧氧化镁化学组成如表1所示，由重庆市西亚铸锻材料有限公司提供；磷酸二氢铵（NH₄H₂PO₄）呈白色粉末状，为工业级，纯度≥98%，密度为1.803 g/cm³，由四川邦力达福斯化工有限公司提供；硼砂（Na₂B₄O₇·10H₂O）呈白色，为工业级，纯度≥95%，由辽宁首钢硼铁有限责任公司提供；12、6 mm 2种不同长度的圆形平直镀铜钢纤维密度为7 850 kg/m³，弹性模量为200 GPa，抗拉强度为2 850 MPa，长度参数如表2所示，由赣州大业金属纤维有限公司提供；集料采自重庆歌乐山，为细度模数为2.9的天然中砂和粒径为5~10 mm的石灰石碎石；拌合水为实验室自来水。

本文中流动性由坍落度表征，依照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》执行。按照设计好的配合比成型试件，参照GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试混凝土强度。为测试钢纤维在混凝土中的分散情况，在试件成型7 d后使用切割机将抗折试块切成40 mm×40 mm×15 mm的小块。在磨样机上将试件表面打磨光滑，先用60目砂纸初步打磨，使试件基本平整，再用300目砂纸二次打磨，使表面无划痕、光滑。使用Mustcam USB Digital Microscope进行拍摄，图像放大400倍，使用Image pro plus对拍摄出来的图像进行处理，得到钢纤维的分布图。钢纤维在图像中的亮度会明显比MPC混凝土基体亮度高，因此使用软件计数功能可以得到试件截面上钢纤维根数，如图1所示。通过下式计算出各组的纤维分散系数，以此来表征钢纤维在MPC混凝土中的分散程度：

式中：α为纤维分散指数；A为纤维根数；l为试件边长，取40 mm。

图1  钢纤维分布图像处理

Fig.1  Image processing of steel fiber distribution

经过前期试验，并结合对流动性的要求，采用基础配合比：水灰比0.18，砂率0.40，胶集比（胶凝材料与砂石质量比）2∶3，氧化镁与磷酸盐质量比3.5，为获得足够施工时间，硼砂掺量为氧化镁质量的10%，混凝土基础配合比如表3所示。

在基础配合比条件下，分别单掺6、12 mm 2种不同长度的纤维及复掺6、12 mm纤维，改变其掺量，试验分组如表4所示（2%掺量下的纤维混凝土有较好的流动性且力学性能提升明显，因此选取钢纤维掺量2%复掺）。表4中：G00表示未掺纤维组；GL1表示单掺1%的12 mm钢纤维；GL2表示单掺2%的12 mm钢纤维；GL3表示单掺3%的12 mm钢纤维；GS1表示单掺1%的6 mm钢纤维；GS2表示单掺2%的6 mm钢纤维；GS3表示单掺3%的6 mm钢纤维；GH1表示钢纤维掺量为2%，其中12 mm钢纤维占纤维总量的1/3；GH2表示钢纤维掺量为2%，其中12 mm钢纤维占纤维总量的1/2；GH3表示钢纤维掺量为2%，其中12 mm钢纤维占纤维总量的2/3。试件采用胶膜成型，成型后30 min脱模，放入20 ℃恒温室中空气养护。

钢纤维对MPC混凝土坍落度的影响如图2所示。由图2可见，未掺钢纤维组坍落度为270 mm，在12 mm钢纤维掺量为1%、2%、3%时，分别使MPC混凝土坍落度降低到200、120、0 mm；在6 mm钢纤维掺量为1%、2%、3%时，分别使MPC混凝土坍落度降低到260、175、150 mm；GH1、GH2、GH3 3组为复掺掺量为2%的2种长径比钢纤维，3组的坍落度均为160~180 mm。随着12 mm钢纤维掺量的增大，MPC混凝土的坍落度降低显著，长纤维3%掺量时甚至出现了纤维团聚的现象，坍落度为0。6 mm钢纤维的掺入对混凝土坍落度的降低作用相对较小，GH3的长纤维占比为2/3，该组的坍落度最小，说明12 mm钢纤维的掺入使拌合物流动性的降低更显著。

图2  钢纤维对坍落度的影响

Fig.2  Effect of steel fiber on the slump

短切钢纤维加入混凝土中需要水泥浆包裹纤维，包裹砂石骨料的水泥浆会相对减少，因此混凝土流动性降低。钢纤维长度越长、掺量越高，在搅拌过程中与周围其他钢纤维相互接触、缠结的机会就会越多。

不同掺量的纤维对MPC混凝土抗折强度的影响如图3所示。由图3（a）可见，在长纤维掺量为1%、2%、3%时，掺入后3 h龄期抗折强度分别提升了22.4%、89.8%、24.5%，1 d龄期抗折强度分别提升了14.3%、63.5%、63.5%，7 d龄期抗折强度分别提升了19.2%、33.3%、112.8%。GL2抗折强度提升明显，3 h龄期抗折强度从4.9 MPa提高到9.3 MPa，1 d龄期抗折强度由6.3 MPa提高到10.3 MPa，7 d龄期抗折强度从7.8 MPa提高到10.4 MPa。如图3（b）所示，随着6 mm钢纤维掺量的变化，抗折强度表现出明显的规律性，在各个龄期内，钢纤维掺量为2%时，抗折强度达到最大值：早期3 h龄期抗折强度增长了40.8%，1 d龄期抗折强度增长了38.1%，7 d龄期抗折强度增长了16.7%。2种长径比钢纤维复掺对混凝土抗折强度的影响如图3（c）所示。12 mm钢纤维占比为2/3的GH3抗折强度在各个龄期都有较大提高：3 h龄期抗折强度从4.9 MPa提高到6.9 MPa，提高了40.8%；1 d龄期抗折强度提高了34.9%；7 d龄期抗折强度提高了24.4%。综上可知，钢纤维的掺入使MPC混凝土的抗折强度提升明显，且在3 h龄期时提高更加显著。GL2组抗折强度提升最大，提升了89.8%，随着龄期的增长，钢纤维对抗折强度的提升有所下降，但仍能维持在30%左右。

图3  纤维掺量对抗折强度的影响

Fig.3  Effects of fiber content on the flexural strength

钢纤维对MPC混凝土的抗折强度有明显的增强作用。混凝土在受拉破坏过程中，底部受拉区首先承受拉应力，钢纤维起到了桥接的作用，传递分散拉力，使混凝土整体承受拉应力的能力显著提高。MPC混凝土基体与钢纤维有较强的粘结力是钢纤维发挥增韧增强作用的前提，12 mm钢纤维相较于6 mm钢纤维与混凝土基体有更多的粘接部分，对混凝土抗折强度有更高的增强作用。

不同长径比钢纤维掺量对MPC混凝土抗压强度的影响如图4所示。由图4（a）可见，钢纤维掺量为1%、2%、3%时，3 h龄期抗压强度分别提升了20.6%、33.7%、22.3%；1 d龄期抗压强度分别提升了15.4%、25.6%、10.5%；7 d龄期抗压强度分别提升了22.8%、6.6%、-2.7%。图4（b）为掺入6 mm钢纤维对MPC混凝土抗压强度的影响，在掺量为2%时，3 h龄期抗压强度为52.1 MPa，比基准组的35.9 MPa提高了45.1%；而1、7 d龄期的抗压强度提升幅度较小，分别为7.9%、3.5%。掺量为1%、3%的GS1、GS3组抗压强度未有明显变化，抗压强度变化幅度在10%以内。图4（c）为不同长径比钢纤维复掺对MPC混凝土抗压强度的影响，抗压强度相对于基准组变化不大，为8%左右。

图4  纤维掺量对抗压强度的影响

Fig.4  Effects of fiber content on the compressive strength

综上可见，纤维的掺入对MPC混凝土的抗压强度无显著的增强作用，其中以12 mm长纤维最佳，提升幅度最大为30%左右。但12 mm钢纤维在3%掺量下出现了团聚现象，甚至会降低混凝土的抗压强度。

掺入钢纤维的MPC混凝土应力-位移曲线如图5所示。由图5（a）可见，在达到极限荷载时，未掺入钢纤维的G00组应力-位移曲线突然下降，显示出明显的脆性，断裂位移只有0.6 mm；掺入12 mm钢纤维的试验组试件在达到极限荷载后并未直接破坏，应力-位移曲线为锯齿状，随着断裂位移的增大，应力随之逐渐下降，表现出一定的延性，断裂位移可达5 mm，增大了7倍。由图5（b）可见，6 mm钢纤维的掺入也增加了MPC混凝土极限位移。在达到极限荷载后，与掺入12 mm钢纤维的MPC混凝土在极限荷载处就显示出锯齿型曲线不同，掺入6 mm钢纤维的MPC混凝土会有一段应力的骤降，而后才表现为锯齿型曲线。6 mm钢纤维的掺入使断裂位移从0.6 mm增长到1.8 mm以上，增大了2倍以上。

图5  应力-位移曲线

Fig.5  Stress-displacement curve

MPC混凝土是一种脆性材料，在达到极限拉应力时会突然断裂，且极限位移较小，掺入钢纤维后，钢纤维混凝土的破坏形态表现出明显的延性。荷载较小时，MPC混凝土基体与钢纤维协同作用，共同承担荷载，力-位移曲线为直线上升的趋势；达到极限荷载后，混凝土受拉区开始出现裂缝，此时钢纤维在混凝土中起到桥接作用，传递应力，使混凝土表现出延性特征，即力-位移曲线表现为锯齿状。随着荷载逐渐增加，钢纤维不断被拉断或拔出，混凝土最终破坏。图4（b）中掺入6 mm钢纤维后在极限荷载时出现的荷载骤降，是因为6 mm钢纤维与MPC混凝土基体的粘结长度较短，在荷载作用下大量被拔出，承担应力能力降低。

图6为钢纤维与MPC混凝土结合处的扫描电镜图像，由图6可见，在被拉出的钢纤维表面上仍有MPC基体残留，说明钢纤维与MPC水化产物有较好的粘接强度，这是钢纤维发挥增强作用的基础。如图6（b）所示，随着龄期的增长，7 d龄期钢纤维与MPC混凝土界面处MPC进一步水化，晶体相互搭接生长，MPC基体更加密实，与钢纤维的粘结更加紧密。相较于普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥，MPC水泥与钢纤维间有很强的粘结强度，钢纤维被拔出MPC混凝土基体后，钢纤维表面仍会附着有残留的MPC混凝土，可保证钢纤维充分发挥其增韧作用^{［13，14］}。

图6  钢纤维与MPC混凝土界面微观形貌

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

在水泥基材料中添加纤维可以有效地提高材料的韧性，纤维只有均匀分布才能更好地发挥增韧增强作用，如果纤维在基体中发生团聚，形成应力集中点，可能反而会成为材料的薄弱点，影响纤维混凝土强度^［15］。通过计算钢纤维在MPC混凝土中的分散情况，可以更好地分析钢纤维对MPC混凝土的增强机理以及影响因素，本文采用截面计数法^［16］来评价纤维的分散系数。

随着纤维掺量从1%逐渐增加到3%，截面上分布的纤维根数应是逐渐增多，且接近等差增长。由表5可见，随着纤维掺量从1%逐渐增加到3%，掺入12 mm钢纤维的纤维分散指数α从0.094增长到0.161再增大到0.429；6 mm钢纤维组纤维掺量从1%增加到2%时，α从0.075增长到0.163，增大了0.088；纤维掺量从2%增加到3%时，α再增长到0.261，增大了0.098；纤维复掺的GH1、GH2、GH3组α值分别为0.168、0.179、0.162，基本稳定。混凝土的抗折强度与纤维分散指数有一定的相关性，高的纤维分散指数对应较高的抗折强度。

掺入12 mm钢纤维的GL组和掺入6 mm钢纤维的GH组中，长纤维掺量较多的GH3组的纤维分散指数试验结果出现了较大偏差，而掺入6 mm的GS组则表现出了相对稳定的增长趋势。12 mm长纤维的分散相对难度较大，导致其在混凝土中易团聚，数据规律性不够明显，这可能是导致其数据离散性较大的原因。

图7为GL2、GS2、GH2 3组的截面图，从图7可明显看出，有很多石子的截面占据了截面的大部分区域，且其间距较小，所以石子可能会在搅拌过程中阻碍纤维的分散。GL2组的纤维主要分散在较小的石子中间，而外围较大的石子周围的区域只有很少纤维分布；GS2和GH2组的分散情况相对较好，基本可以分散在整个截面内。

图7  GL2、GS2、GH2组截面图

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

由此可见，影响钢纤维在MPC混凝土中的分散有2个因素：一是大石子在体系中起到了分割阻碍的作用，使纤维分散难度加大；二是纤维长度的影响，12 mm长纤维在分散时因其长度较大更容易受到石子的阻碍作用，所以分散不均匀。图8是降低MPC混凝土骨料比例得到的截面，可以看出随着骨料含量的下降，纤维的分散情况得到了显著的改善，即使掺入3%的12 mm长纤维也能够分散均匀，甚至掺量达到4%时也基本可以分散均匀。

图8  纤维掺量3%、4%截面图

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

目前，纤维对混凝土的增强机理有2种：复合材料理论和纤维间距理论。复合材料理论^［17］认为纤维混凝土是纤维和混凝土基体两相复合的材料，复合材料的各项性能为基体性能和纤维性能的加权和；纤维间距理论^［18］认为纤维增强作用与纤维在基体中分布的平均间距有关，纤维平均间距越小，抗折强度越高。混凝土是一种非均质材料，在水化过程中的化学反应和温度应力引起的孔隙和微裂纹，以及骨料和水泥石的界面都可能成为混凝土的薄弱区域，在荷载作用过程中宏观裂纹就从这些微裂纹处开始发展^［19］。在拉力作用下，纤维在混凝土中主要起桥接裂缝的作用，当混凝土中掺入高弹性模量纤维时，应力通过混凝土基体和钢纤维界面区传递到弹性模量较高的钢纤维，从而使钢纤维最先承受荷载，混凝土受到的应力降低，阻碍裂纹进一步发展^［20］。

如图9所示^［21］，σ为混凝土的受拉应力，混凝土出现裂缝时，钢纤维的桥接作用能缓和尖端应力集中程度，抑制裂缝扩展，钢纤维掺量越多，效果越好。纤维混凝土抗拉强度f_c与混凝土中纤维掺量V_f成正比，即纤维掺量越高，纤维间距越小，纤维混凝土抗拉强度越高。纤维掺量对混凝土的增强作用如下式所示：

式中：K为常数；η为纤维方向有效系数；d_f为纤维直径。

图9  纤维对裂缝的阻裂效应

Fig.9  The effect of fiber on crack resistance