摘要:提出了一种抗裂防渗水工混凝土，该种混凝土是将钢纤维乱向分散于膨胀混凝土中，形成的一种集承重与防渗为一体的新型建筑材料。文中对其基本力学性能进行了系统的试验研究和理论分析，同时，为探讨钢纤维形状对混凝土增强作用的影响，选用4种不同形状的钢纤维，对异形纤维膨胀混凝土的增强效益进行了对比试验研究。试验结果表明:钢纤维能有效限制膨胀混凝土的膨胀变形，起到限胀、阻裂的增强作用，可以大大提高膨胀混凝土的极限抗压、抗拉、抗折、抗折初裂强度和弯曲韧性，改善其抗渗性能。
关键词:钢纤维膨胀混凝土;基本力学性能;弯曲韧性;膨胀收缩变形;异形钢纤维
中图分类号:TU528.57 文献标识码:A 文章编号:1003-3688(2006)06-0021-04
为解决大型储油和储水结构中的防渗问题，本文提出了一种兼具承重与防渗两项功能的新型混凝土— 钢纤维膨胀混凝土，它是以自应力硫铝酸盐水泥混凝土为基体，将钢纤维乱向分散于其中而形成的一种新型复合材料(以下简称为SFEC )，是一种优良的抗裂防渗水工混凝土。其基本原理为:乱向分散于膨胀混凝土中的钢纤维，能有效地限制混凝土的膨胀变形，充分利用膨胀混凝土的膨胀变形特性及钢纤维的限胀、阻裂增强作用，使混凝土的抗拉强度、抗渗性及气密性得以提高和改善。此外，由于SFEC有足够的膨胀能来张拉钢筋产生化学预应力，使配筋SFEC结构构件抗裂、抗渗及耐久性得以很大的提高和改善，因此，SFEC可望在水工结构中推广应用。本文对其基本力学性能进行了系统的试验研究和理论分析，并考虑钢纤维形状对混凝土性能的影响11-31，对四种异形钢纤维的增强效益进行了试验研究，阐述了异形钢纤维的增强机理。研究成果将为这一新型复合材料的进一步深人研究和工程应用提供一定的试验数据和理论依据。
1 试验概况
1.1 原材料
水泥 : 湖 南冷水滩特种水泥厂生产的45K g&硫铝酸盐自应力水泥。
钢纤维 : 选用4种钢纤维:剪切平直型(简称P型)，薄板剪切两端大头型(简称J型)，高强钢丝剪断型(简称B型)，铣削型(简称H型)。
外加剂 : 北京产UEA膨胀剂，DK一5型减水剂。
集料:细 骨料河砂为中砂;粗骨料碎石为石灰岩，粒径5一15 mm.
水 : 日常 饮用水。
1.2 混凝土配合比及试验方法
基体膨胀混凝土的配合比，自应力水泥用量:564k 以耐;水泥:砂:石二1:1.20:1.68;水灰比为0.45。钢纤维膨胀混凝土(P型钢纤维)试验试件配比代号如表1示;异形钢纤维膨胀混凝土试验配比代号如表2所示，其中，Pf为膨胀混凝土中钢纤维体积率。试件制作及试验方法均按《钢纤维混凝土试验方法》(CECS 13:89 )16，标准进行，数据的处理也按该标准的有关条款执行。
2 钢纤维膨胀混凝土力学性能试验结果及分析
2.1 强度试验结果
试验测得的强度值如表3所示。试验结果表明，钢纤维体积率是其抗压性能的重要影响因素，随钢纤维体积率的增加，抗压强度增长很快。同时，钢纤维的掺人大大提高了膨胀混凝土的劈拉强度、极限抗折强度和抗折初裂强度。
2.2 强度增强效应及增强机理分析
强度提高系数K(峋=I(iN 纤维膨胀混凝土强度一基体混凝土强度)堪体混凝土强度1x 1000根据 试 验 结果计算出的强度提高系数如表4所示。可以看出，随着钢纤维体积率的增加，混凝土的抗压、劈拉、抗折强度均大幅度提高，这充分肯定了钢纤维对具有较大膨胀变形能力混凝土的限制作用和良好的约束效果。
在SFEC中，钢纤维的这种增强作用是通过其与混凝土接触面上的粘结力来实现，即混凝土中的拉应力通过二者之间的粘结力传到抗拉能力强的钢纤维中来，从而提高各项力学性能的。钢纤维的增强作用体现在两方面:(1)钢纤
维通过限制膨胀变形使基体混凝土内部结构得以改善，同时也将使混凝土内部产生自应力，因而提高了基体混凝土的初裂强度，即限胀增强作用;(2)在基体混凝土微裂后，钢纤维作为裂缝开裂的限制体，依靠其与基体间的粘结力，抑制裂缝的引发和开展，提高混凝土的强度，即阻裂增强作用，这一点与普通钢纤维混凝土的增强机理是相同的。由此可见，膨胀混凝土各项力学性能指标得以提高的原因是:钢纤维的限胀作用，提高了混凝土基体强度;钢纤维的阻裂作用，改善了基体裂缝尖端的应力场。
2.3 弯曲初性
实测 的 S FEC的弯曲荷载一挠度曲线如图1所示。图中横坐标S为跨中挠度值，纵坐标尸为荷载值。为了更好地比较各种钢纤维的弯曲韧性，引人弯曲韧度指数，ASTM C1018标准规定:以3倍、5.5倍、15.5倍的初裂挠度前荷载一位移曲线下的面积与初裂时荷载一位移曲线下的面积的比值称为弯曲韧度指数，用I5+ Im+ 13.来表示。表5为按图1计算出的SFEC弯曲韧度指数。试验及分析结果表明:钢纤维的加入明显改善了膨胀混凝土的弯曲变形性能，弯曲韧性随钢纤维体积率的增加而提高。
3 异形钢纤维膨胀混凝土性能试验结果及分析
3.1 试验结果
选用如表2所示的4种钢纤维，以钢纤维体积率为变量，作了钢纤维膨胀混凝土的抗压性能、抗拉性能、抗弯性能试验，结果如表6所示，图2、图3、图4分别为抗压强度、抗拉强度及抗弯强度随钢纤维体积率的变化曲线图。
3.2 试验结果分析
3.2.1 强度指标分析
从图2一 图4可以看出，4种钢纤维膨胀混凝土的各种强度值均随钢纤维体积率的增大而增加，但强度提高幅度各不相同。
从图2曲 线可以看出:异形钢纤维对膨胀混凝土抗压强度提高幅度较普通(P型)钢纤维混凝土提高幅度大，说明异形钢纤维对膨胀混凝土抗压强度有较明显的增强作用。J种钢纤维对膨胀混凝土抗压强度的增强效果最好。
从图3曲 线可以看出:各种钢纤维膨胀混凝土的抗拉强度随钢纤维体积率的增大而提高:其中以H型钢纤维增强效果最佳，Pf=1.5%时，抗拉强度提高56.5%; B型钢纤维的增强效果次之，Pf=1.5 950寸，抗拉强度提高41.796;其它两种增强效果差别不大。此结果表明:异形钢纤维增强抗拉强度效果比剪切平直钢纤维增强效果显著，且异形钢纤维对膨胀混凝土抗拉强度提高幅度大于普通混凝土171。换言之，将异形钢纤维用于膨胀混凝土更能发挥其增强作用。
从图4曲 线可以看出:各种钢纤维膨胀混凝土的抗弯强度均随钢纤维体积率的增大而增加，但各种钢纤维的增强效果差别很大，其中B型钢纤维增强效果最好，Pf= 1.5%时，膨胀混凝土的抗弯强度提高125%，P型和H型次之。
从表6中抗弯强度提高幅度看，异形钢纤维对膨胀混凝土抗弯强度的增强效果非常显著。
3.2.2 弯曲荷载一位移曲线
图5为各种钢纤维膨胀混凝土的弯曲荷载一位移曲线图，在其它条件相同情况下，钢纤维的类型对弯曲荷载-位移曲线的影响很大，端弯钩钢纤维能有效地提高混凝土的韧性。因此，采用端弯钩钢纤维(如B型钢纤维)，在降低钢纤维含量情况下，仍能取得较好的韧性，达到节约钢纤维，降低成本的目的(3]0弯钩钢纤维膨胀混凝土有较大的吸能能力，使极限荷载后的荷载一位移曲线变化平缓，弯曲韧性增大。
素膨胀混凝土(EO)的荷载一位移曲线，表现出脆性特征，即极限荷载与比例极限荷载时的位移之比K接近于1;EJ2、EP2、EH2曲线表现出较好的韧性;EB2的延性最好，且比例荷载与极限荷载差值较大，极限荷载后曲线变化很平缓。
3.2.3 弯曲韧度指数
从图5可 以看出，在基体混凝土相同，钢纤维体积率相同的情况下，各种钢纤维膨胀混凝土的抗弯荷载一位移曲线差别很大，表现出不同的弯曲韧性特征。钢纤维品种不同，弯曲韧度指数不同;但对一种钢纤维而言，随钢纤维体积率的增加，韧度指数增大;同时发现，韧性指数15和人。不能敏感地表现混凝土韧性差别。图6为各种钢纤维膨胀混凝土韧度指数对比直方图，从此图可看出，B型钢纤维膨胀混凝土的延性最好，H型次之，P. J型一般
3.3 异形钢纤维膨胀混凝土增强机理分析
文献[7]研 究结果表明:异形钢纤维对膨胀混凝土的增强作用要比对普通混凝土的增强作用显著的多，比普通钢纤维对膨胀混凝土的增强作用大。另外，本试验结果表明:H型钢纤维对膨胀混凝土的抗拉强度增强效果最好，B型钢纤维对膨胀混凝土的抗弯强度影响最大。这些试验结果都可以从钢纤维增强膨胀混凝土机理的角度，得以解释。
在膨胀混凝土中，钢纤维的增强作用体现在两个方面171一是限胀增强作用;二是阻裂增强作用。异形钢纤维增强了其与基体混凝土的粘结力，使其阻裂增强效果显著;且异形钢纤维的限胀作用优于普通钢纤维，尤其是H型钢纤维限胀作用最好例。可见，将异形钢纤维导人膨胀混凝土中除了阻裂增强作用提高外，与普通钢纤维比较，其显著的限胀作用使基体混凝土抗裂强度得以提高并产生部分自应力，使其限胀阻裂增强效果更好。与普通钢纤维混凝土相比，异形钢纤维用于膨胀混凝土更能发挥其增强作用。
钢纤维的限胀增强作用，体现在混凝土开裂前性能的改善。由于混凝土抗弯强度是在混凝土开裂后，靠钢纤维继续承受不断增加的荷载而得以提高的。所以钢纤维的限胀作用对混凝土的抗拉强度影响较大，而对抗弯强度影响较小。这便解释了H型钢纤维混凝土抗拉强度显著提高，B型钢纤维膨胀混凝土抗弯强度提高幅度大的试验结果。限胀作用使基体混凝土抗裂强度提高的同时，还使钢纤维与基体间的粘结强度增强，进而提高混凝土的抗弯强度及抗拉强度。
4 结论
(1)钢 纤 维的限胀、阻裂增强作用，使膨胀混凝土内部结构更加密实，并有一定的自应力产生，故而大大增强了膨胀混凝土的抗压、抗拉、极限抗折和抗折初裂强度，提高了弯曲韧性，改善了其抗渗性能。
(2)钢 纤 维对膨胀混凝土抗压强度有较明显的增强作用，各种钢纤维对膨胀混凝土抗压强度的增强效果差别不大。
(3)异 形 钢纤维抗拉强度增强效果比剪切平直钢纤维(P型)增强效果显著，其中以H型钢纤维增强效果最佳，B型钢纤维的增强效果次之，且异形钢纤维对膨胀混凝土抗拉强度提高幅度大于普通混凝土。可见，将异形钢纤维用于膨胀混凝土更能发挥其增强作用。
(4)异 形 钢纤维对膨胀混凝土抗弯强度的增强效果非常显著，但各种钢纤维的增强效果差别很大，其中B型钢纤维增强效果最好，P型和H型次之。
(5)在 基 体混凝土相同，钢纤维体积率相同的情况下，各种钢纤维膨胀混凝土的抗弯荷载一位移曲线差别很大，表现出不同的弯曲韧性特征;钢纤维品种不同，弯曲韧度指数不同:B型钢纤维膨胀混凝土的延性最好，H型次之，P,J型一般;对一种钢纤维而言，随钢纤维体积率的增加，韧度指数增大;同时发现，韧性指数I5和人。不能敏感地表现混凝土韧性差别。
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