Influence of steel fiber shape on the performance of high-performance concrete
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摘要: 试验研究了6种长径比较小且直径较粗的钢纤维(SF)(短直形、长直线形、圆弧形、闭合三角形、闭合矩形、闭合圆环形)对高性能混凝土性能的影响。通过改变SF体积分数从而改变其形成的环域个数和面积，探究二者对混凝土流动性、抗拉及抗折强度的影响，并通过研究破坏界面分析混凝土破坏形式和机制。结果表明：闭合区域个数及纤维的环域面积对混凝土流动起主要影响；闭合SF中圆环形SF对混凝土抗折及抗压强度的提升效果优于其他形状的闭合SF。短直形SF与圆环形SF混杂试验中，圆环形SF体积分数为1vol%、短直形SF体积分数为0.5vol%时，SF/混凝土抗压强度和抗折强度提升的综合效果最佳。Abstract: The influence of six kinds of steel fibers (SF) (short straight, long straight, half ring, triangular, rectangular, circular) with small length-diameter ratio on high-performance concrete was studied. The influence of SF on the fluidity, compressive strength and bending strength of concrete was discussed by changing the volume fraction of SF to change the number and area of the ring formed. The failure mode and mechanism of concrete were analyzed by studying the failure interface. The results show that: the number of closed SF and the area of fiber ring play a major role in the flow of concrete; the circular SF in the closed SF has the best effect on the bending and compressive strength of concrete than other closed SF. In the hybrid test of short straight SF and circular SF, when the volume fraction of circular SF is 1vol% and the volume fraction of short straight SF is 0.5vol%, the improvement on the compressive strength and bending strength of SF reinforced concrete is the best.
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混凝土是当今用量最大的建筑材料，随着科技发展与社会进步，对其抗压强度和工作性能要求不断提高。对混凝土的研究也正在从普通混凝土向高性能混凝土发展。向混凝土中加入纤维可改善其脆性大、抗拉强度低等缺点从而提高混凝土性能。钢纤维(SF)抗拉强度高、综合性能优，是混凝土中最常掺加的纤维。其形状大致可分为圆直形、波浪形、波纹形(压痕形)、哑铃形(扁头形)、端钩形(弓形)、螺纹形(扭曲形)等。除了最常见的圆直形，其余形状的纤维(称为异形SF)与混凝土黏结强度较大，形状越曲折，抑制微裂缝效果越显著。试验表明异形SF对提高混凝土抗拉强度和韧性具有明显作用，而对抗压强度影响效果不明显[1-5]。虽然纤维形状对混凝土抗压强度影响不大，但纤维的掺入使高性能混凝土受压破坏时脆性破坏现象得到极大改善[6]。SF分布和体积分数对混凝土强度也具有较大影响，沿着受拉方向布置时混凝土强度最大，垂直方向布置时混凝土强度最低[7-8]。SF体积分数在0vol%~3vol%时，随着掺量的增大，高性能混凝土抗拉强度递增，而3vol%后基本没有提高[9]；此外，纤维长短也是一个影响混凝土性能的重要参数。短SF更能抑制微裂缝的产生和发展，更大幅度提高混凝土初裂强度和抗压强度。长SF更能抑制宏观裂缝的发展并提高极限抗拉强度和韧性[10]。
SF的掺入也会对混凝土的流动性产生影响，异形SF对混凝土流动性的降低幅度比等体积分数圆直形SF高出10%~22%[2-3, 6]。纤维端部形状越曲折，流动性越小[1]。随纤维长径比的增大，流动性亦呈递减趋势[11]。在混凝土的浇筑过程中，乱向分布的纤维在靠近模具时亦会产生边壁效应(纤维取向平行边壁)，其他SF位置趋于垂直于混凝土浇筑时的流动方向。当纤维在边壁之间的中间位置时，会产生最大抵抗力，降低流动度[12]。而且纤维体积分数太大会导致成本上升且严重影响混凝土流动性等问题[13-17]。
综上所述，SF的形状不同，对混凝土性能的影响也不同。现有研究中多为长径比较大、且直径较小的SF，其中长径比大多集中在50~150区间内，SF直径集中在0.2~0.5 mm之间[18]。目前仍缺乏对闭合SF及长径比较小且直径较大SF的研究，二者对混凝土的影响机制仍不明确。通过理论分析后提出假设：(1) 将圆直形SF弯曲成闭合形状后再加入到混凝土中会大幅增加其力学性能。闭合纤维掺入混凝土机体后会形成均匀分布的封闭空间，封闭空间内的混凝土在基体受力破坏时会受到闭合SF的约束保护作用。此外与传统直线形SF单一的只对与其相交裂缝产生抑制效果不同，闭合SF会抑制一片区域内裂缝的产生和增长，增加了SF的利用效率，其分析设想如图1所示；(2) 短SF主要对混凝土中的微小裂缝起到抑制作用，但由于其与混凝土的黏性较低，对抑制宽大裂缝的生长作用较小。长径比较小且直径较大的SF在抑制微小裂缝发展的同时，当混凝土产生宽大裂缝时，其不易变形的特性会在混凝土裂缝两端形成锚固区，利用两端锚固的性能而非单独的黏结力来抑制裂缝的发展，其分析设想如图2所示。为探究提出的假设，本文将从改变SF形状出发，研究闭合及长径比较小且直径较大的SF对混凝土性能的影响。
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图 1 闭合钢纤维(SF)分析假设及对比Figure 1. Analysis hypothesis and comparison of closed steel fiber (SF)![]()
图 2 长径比较小且直径较粗SF理论分析设想Figure 2. Hypothesis of theoretical analysis of SF with smaller aspect ratio and larger diameter1. 试 验
1.1 原材料
试验选用华润水泥P.O 42.5R，其技术指标列于表1。细骨料采用经过清洗和烘干的河沙，粒径0.6~1.18 mm；减水剂采用聚羧酸减水剂，固含量15%，减水率大于30%；粉煤灰采用一级粉煤灰；硅灰粒径为5.2 μm；水泥、粉煤灰和硅灰主要成分列于表2。本试验水胶比为0.21，各材料配合比列于表3。
表 1 硅酸盐水泥P.O 42.5R的技术指标Table 1. Technical indexes of Portland cement P.O 42.5RProperty National
standardMeasured
valueLoss on ignition ≤5.00 3.06 Specific surface area ≥300 378 Initial setting time/min ≥45 186 Final setting time/min ≤600 230 3-day compressive strength/MPa ≥4.0 5.6 3-day bending strength/MPa ≥22.0 27.6 28-day compressive strength/MPa ≥6.5 6.4 28-day bending strength/MPa ≥42.5 45.1 表 2 水泥、粉煤灰、硅灰组成成分Table 2. Composition of cement, fly ash and silica fumewt% Material SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O Cement 21.83 3.59 6.30 57.80 2.61 0.84 0.23 Fly ash 46.44 38.01 3.12 7.50 0.23 0.88 0.33 Silica fume 92.18 0.23 0.09 0.99 1.83 0.31 0.05 表 3 高性能混凝土基准配合比Table 3. Reference mix proportion of high-performance concreteCement/(kg·m−3) Fly ash/(kg·m−3) Silica fume/(kg·m−3) River sand/(kg·m−3) Water-binder ratio Superplasticizer 700 140 210 1050 0.21 6% Note: the calculated water content of water-binder ratio is the sum of water content of water reducer and the added water, and the cementitious materials is the total content of cement, silica fume and fly ash. 本实验所用纤维有短直形、长直线形、半圆弧形、三角形、矩形和圆环形SF，SF种类如图3所示，各类SF详细参数列于表4。SF采用304不锈钢制作，密度7.93 g/cm3，抗拉强度大于1025 MPa，由于纤维较粗，受力后不易发生变形。
表 4 SF参数Table 4. Parameters of SFSF Length of
single steel
fiber/mmFiber
diameter/
mmEffective
anchorage
length/mmShort straight 10 1.2 10 Long straight 15 1.2 15 Half ring 15 1.2 10 Circular 31.4 1.2 10 Triangular 30 1.2 10 Rectangular 40 1.2 10 1.2 实验方案
本试验欲探究长径比较小的闭合SF和非闭合SF在不同体积分数下对混凝土抗压和抗折强度的影响。试验在相同体积分数的情况下同时考虑SF掺入数量及各自形成的环域个数及面积对混凝土强度的影响。通过观察试块的破坏形态，分析各种SF在混凝土机体中的作用机制，最终依据分析结果，将提升混凝土性能优势互补的SF进行混掺，进一步试验以达到最佳效果。
短直形、长直形和圆弧形三种非闭合SF体积分数在1vol%~2vol%之间。三角形、圆环形和矩形SF体积分数为0.5vol%~2vol%之间。通过改变这6种SF在混凝土中的体积分数，参考GB/T 17671—1999[19]共计制作24组边长为40 mm×40 mm×160 mm的混凝土试块，每组3块进行对比试验，具体设计参数列于表5。
表 5 混凝土强度测试样本Table 5. Concrete strength test samplesGroup name Shape of SF SF volume fraction/vol% Number of SF/piece Ring area/mm2 Benchmark — 0 0 0 1vol%SF(SS)/concrete Short straight (SS) 1 680 0 1.5vol%SF(SS)/concrete Short straight (SS) 1.5 1020 0 2vol%SF(SS)/concrete Short straight (SS) 2 1360 0 1vol%SF(LS)/concrete Long straight (LS) 1 455 0 1.5vol%SF(LS)/concrete Long straight (LS) 1.5 680 0 2vol%SF(LS)/concrete Long straight (LS) 2 910 0 1vol%SF(HR)/concrete Half ring (HR) 1 455 0 1.5vol%SF(HR)/concrete Half ring (HR) 1.5 680 0 2% SF(HR)/concrete Half ring (HR) 2 910 0 0.5vol%SF(CR)/concrete Circular (CR) 0.5 107 8400 1vol%SF(CR)/concrete Circular (CR) 1 215 16878 1.5vol%SF(CR)/concrete Circular (CR) 1.5 325 25513 2vol%SF(CR)/concrete Circular (CR) 2 432 33912 0.5vol%SF(T)/concrete Triangular (T) 0.5 115 4980 1vol%SF(T)/concrete Triangular (T) 1 230 9959 1.5vol%SF(T)/concrete Triangular (T) 1.5 345 14939 2vol%SF(T)/concrete Triangular (T) 2 460 19918 0.5vol%SF(R)/concrete Rectangular (R) 0.5 85 8500 1vol%SF(R)/concrete Rectangular (R) 1 170 17000 1.5vol%SF(R)/concrete Rectangular (R) 1.5 255 25500 2vol%SF(R)/concrete Rectangular (R) 2 340 34000 1vol%SF(CR)/concrete+
0.5vol%SF(SS)/concreteCircular (CR)+
Short straight (SS)1+0.5 215+340 — 0.5vol%SF(CR)/concrete+
1vol%SF(SS)/concreteCircular (CR)+
Short straight (SS)0.5+1 105+170 — 1.3 试件制作及测试方法
1.3.1 试件制作
将称量好的水泥、硅灰和粉煤灰一同放入到水泥砂浆搅拌机内干拌1 min后将河沙均匀倒入锅中，继续搅拌1 min。期间将称量好的水及减水剂充分混合搅拌，并在30 s内缓慢加入到已经搅拌均匀的干料中，将搅拌机调节为快速搅拌模式继续搅拌2 min。当混凝土浆液呈现出流塑状态后加入SF继续搅拌1 min至均匀。
1.3.2 流动性测试
流动性测试过程参考GB/T 2419—2005[20]。振捣频率为1次/s。当完成25次跳动后，用钢尺测量混凝土摊铺在桌面上互相垂直的长边和短边两个方向直径，测试结果取长边和短边测试值的平均值。
1.3.3 抗折强度测试
SF/混凝土抗折试验按照GB/T 17671—1999[19]进行测试，采用40 mm×40 mm×160 mm棱柱体试件，每组3个试件。加载装置采用WANCE微机控制电子万能试验机，采用跨中加载方式，测试时试件跨距为100 mm。通过加荷圆柱以50 N/s的速率对试块匀速增加荷载，直至折断。
1.3.4 抗压强度测试
混凝土抗压强度试验采用抗折强度试验断裂后的棱柱体试件进行，按照GB/T 17671—1999[19]进行测试。将SF/混凝土试件置于300 kN压力机下，采用连续、均匀加载方式，加荷速度取2.4 kN/s，记录试件破坏时的强度值，每组包含6个试件，取6个试件抗压强度平均值为最终结果。
1.3.5 扫描电镜分析
选择压碎试样中心部分用无水乙醇浸泡，终止水化后烘干至恒重进行扫描电镜观察，分析SF的形状变化对混凝土基体接触处微观形态的影响。
2. SF种类及体积分数对混凝土性能的影响
2.1 闭合SF对混凝土流动性的影响
SF掺入会降低拌合物的流动性，随着SF体积分数的提高流动性降低。因此，实际工程中SF体积分数一般在5vol%以下，以2vol%~3vol%最常见[21]。图4以SF体积分数为变量绘制了三角形SF/混凝土、环形SF/混凝土和矩形SF/混凝土流动性变化曲线。表6汇总了各配比下SF数量及形成的环域面积对高性能混凝土流动性的影响数据。
表 6 SF对混凝土流动性的影响Table 6. Influence of SF on the fluidity of concreteSample SF volume fraction/vol% Number of SF Ring area/mm2 Fluidity/mm Benchmark 0 0 0 167 0.5vol%SF(T)/concrete 0.5 115 4980 170 1vol%SF(T)/concrete 1 230 9959 177 1.5vol%SF(T)/concrete 1.5 345 14939 169 2vol%SF(T)/concrete 2 460 19918 162 0.5vol%SF(R)/concrete 0.5 85 8500 169 1vol%SF(R)/concrete 1 170 17000 176 1.5vol%SF(R)/concrete 1.5 255 25500 164 2vol%SF(R)/concrete 2 340 34000 156 0.5vol%SF(CR)/concrete 0.5 107 8400 168 1vol%SF(CR)/concrete 1 215 16878 171 1.5vol%SF(CR)/concrete 1.5 325 25513 151 2vol%SF(CR)/concrete 2 432 33912 148 由图4及表6可知，三角形SF/混凝土流动性最好，矩形其次。相同体积掺率下，三角形SF形成的环域数量最多，圆环形其次，矩形最少。而相同体积分数下三种SF形成的环域面积中矩形与圆环形相近，三角形最小。分析图表可知，SF形成的环域数量与其形成的环形区域总面积对混凝土的流动性均产生影响。相同体积分数下，闭合SF环域面积越小流动性越好。当形成的环域面积近似时，环域数量越多，流动性越差。且当SF体积分数较小时环域数量对混凝土流动性起主要影响，随着SF体积分数的增加，环域总面积大小对混凝土流动性的影响逐渐起到了主导作用。
2.2 SF形状对混凝土抗折强度的影响
2.2.1 短直形、长直形和圆弧形SF对混凝土抗折强度的影响
图5为短直形、长直形和圆弧形SF对混凝土抗折强度影响折线图。可知，短直形SF/混凝土随纤维体积分数的增加，抗折强度呈现稳步上升趋势，当SF体积分数达到2vol%时，抗折强度相比基准组提高了21%。从断裂面形态分析来看，本试验所使用的短直形SF在破坏面上呈现三种破坏形式：当SF与断裂面夹角大于70°时，SF呈现出常见的拔出破坏(见图6(a))；当SF与断裂面夹角大于20°小于70°时，破坏截面SF一端锚固，另一端则呈现混凝土剥落破坏，剥落处呈现出明显的凹槽(见图6(b))，SF利用其锚固性能阻止裂缝的继续发展；当SF与断裂面夹角小于20°时，断裂面会沿着SF与混凝土的接触面破坏(见图6(c))。
长直形SF/混凝土抗折强度随SF体积分数的增加而先增加后减小，当SF体积分数达到1.5vol%时，抗折强度达到最高，相比基准组提高了21.8%。混凝土折断面上呈现出4种破坏形态：当SF暴露长度大于8 mm时SF多呈现为滑出破坏；当SF外露长度小于5 mm时，混凝土破坏形式与短直形SF/混凝土的三种破坏形式相同。半圆弧形SF/混凝土抗折强度随SF体积分数的增加而先增后降再增。当SF体积分数为2vol%时，抗折强度为16.3 MPa，相比基准组提高了22.5%。半圆弧形SF在弯曲方向上与混凝土裂缝发展方向相反时，断裂面上一侧混凝土在剥落后会留下凹槽，且SF有变形现象发生。
过往学者的研究中，随着SF体积分数的增加，SF/混凝土抗折强度平均值基本先增大后减小，强度的提升幅度随着SF形状及长径比的不同而有明显差别[22-23]。但当纤维所占体积分数过高时会较大程度破坏基体的密实度在基体内形成薄弱区导致混凝土抗折强度降低；同等条件下，长径比较小的短SF相比大长径比SF对混凝土抗折强度的提升能力低[11, 24-25]。主要原因是长SF在混凝土中具有更大的黏结力，裂缝产生后SF缓慢拔出过程中提升了混凝土基体的韧性。与以往学者的研究结论不同，试验表明，长径比小且直径较大的SF对黏性的依赖度较小，其主要利用了自身不易变形的特点，抑制微小裂缝的产生和发展。在混凝土中的裂缝两端形成了良好的锚固效应，使混凝土的抗折强度得以提升。抗折试验中裂缝一端的混凝土被剥落后，混凝土试块整体呈现出脆性破坏。
2.2.2 闭合SF对混凝土抗折强度的影响
图7为闭合SF/混凝土抗折强度影响曲线。可知，三角形SF/混凝土抗折强度随纤维体积分数的增加而先增后减。当SF体积分数为1.5vol%时，混凝土抗折强度达到最大值，比基准组提高了18.8%；圆环形SF/混凝土抗折强度亦先增后减，当SF体积分数为1vol%时，抗折强度达到最高，相比基准组提高了26.3%；矩形SF/混凝土抗折强度保持上升趋势；当SF体积分数为2vol%时混凝土抗折强度达到最大值，此时相比基准组强度提高了23.3%。
闭合SF对混凝土抗折强度的影响主要取决于断裂面上SF分布情况。图8为矩形SF/混凝土抗折断裂面形态。可见矩形SF在抗折断裂面的破坏均为沿着SF与混凝土接触面破坏，破坏断面因SF分布不同呈现凹凸不平的形态，环形区域内部混凝土被很好地保护起来，相反SF与混凝土的接触面却成为引导裂缝发展的薄弱环节。同时SF的分布也会影响混凝土开裂时裂缝的位置和方向，裂缝避开了混凝土中闭合SF集中保护的区域，从中部附近无SF保护的薄弱区域向上发生开裂。
圆环形SF/混凝土抗折强度最高。相比矩形及三角形SF，单个圆环形SF在接缝处所约束的混凝土体积较三角形更大。而相同体积分数下，圆环形SF相比矩形SF形成的环域数量更多，使其在混凝土基体内部可以形成更加均匀和致密的空间骨架。三角形SF虽数量较多，在混凝土内部分布也相对均匀，但总环域面积最小，所能约束的混凝土区域范围较少，且其形状的特性使在相同体积的混凝土区域内，存在更加集中的薄弱接触面，使三角形SF/混凝土相对矩形及圆环形SF/混凝土强度较低。
2.3 SF形状对混凝土抗压强度的影响
2.3.1 短直形、长直形、圆弧形SF对混凝土抗压强度的影响
图9为短直形、长直形及圆弧形SF高性能混凝土抗压强度影响曲线。短直形SF/混凝土抗压强度随SF体积分数的增加而先增加后减小。当SF体积分数为1.5vol%时，抗压强度最高，相比基准组提高了46.5%；长直SF/混凝土的抗压强度呈现逐渐增大的趋势，当SF体积分数达到2vol%时混凝土的抗压强度最高达131.8 MPa，相比基准组抗压强度提高了40%；圆弧形SF/混凝土抗压强度呈现逐渐增加后趋渐平缓的趋势，当SF体积分数为2vol%时混凝土抗压强度为126.8 MPa，相比基准组提高了36%。
在相同体积分数下，长直形SF与短直形SF相比，长直形SF数量较少，在混凝土基体内部形成的支撑较少，空间架构稳定性差，使长直形高性能SF/混凝土抗压强度低于短直形高性能SF/混凝土。圆弧形SF对混凝土的强度贡献主要依靠其锚固性能良好的特性，从断面特点来看弧形范围对混凝土起到了一定的保护作用和支撑作用，但薄弱界面也更集中，此外由于其有效锚固长度较短且数量较少，导致其强度低于短直形SF/混凝土。
孟龙等[26]通过实验发现当SF体积分数为0.75vol%和1.5vol%时，立方体抗压强度较素混凝土仅提升6.4%和9.4%。王志杰等[27]发现SF/混凝土可提高基体抗压强度10%~20%。Hassan等[28]通过改进抗拉和抗压本构关系测试方法，进而研究发现掺入SF显著提高抗拉强度，但对抗压强度和弹性模量提高不明显。吴浩等[29]通过对比掺入不同种类SF的高强混凝土发现掺入纤维对抗折强度的贡献均大于对抗压强度的贡献。陈升平等[30]研究多点锚固型SF时发现，当纤维体积分数为1.6vol%时，使混凝土抗压强度提高幅度达34.84%，但随着混凝土基体强度的增加，SF对混凝土抗压强度的提升效果降低。与其他学者对SF/混凝土抗压强度影响的研究相比，长径比较小且直径较大的SF对高强混凝土抗压强度影响更显著，由于其单根SF体积较大，在相同体积分数下纤维数量较少，使其不易产生结团现象，可以更均匀地分散在混凝土基体中。利用其不易变形的特性，在阻止基体内部裂隙发育的同时，在高强混凝土基体内部形成进一步支撑，形成骨料效应，增加了混凝土抗压强度。
2.3.2 闭合SF对混凝土抗压强度的影响
图10闭合SF/混凝土抗压强度对比。可知三种闭合SF中圆环形SF的掺加对提高混凝土抗压强度效果最佳，矩形其次，三角形最低。
三角形SF高性能混凝土抗压强度随着SF体积分数的增加整体呈现先增后减的趋势。当SF体积分数为1vol%时，抗压强度达到最高，相比基准组提高了13%；矩形SF高性能混凝土抗压强度整体呈现逐渐上升后接近平缓的趋势。当SF体积分数达到2vol%时混凝土抗压强度达到最高，相比基准组提高24.9%；圆环形SF高性能混凝土抗压强度随着SF体积分数的增加整体呈现先升高后趋近平缓的趋势，当SF体积分数达到2vol%时混凝土抗压强度达到最高，相比基准组提高31.7%。
闭合SF/混凝土的抗压强度与SF形成的环域面积及环域个数均有密切关系，一个闭合SF产生一个闭合环域，混凝土在闭合环域的保护下，在混凝土基体内形成了多个均匀分布的加强结构，从而提升了混凝土的抗压强度。相同体积掺率下三角形形成的总环域面积最小，SF对混凝土基体的保护区域有限，且三角形SF由于其形状特征，单根SF与混凝土接触面更集中，接触面间的夹角较小，更易出现应力集中现象，导致三角形SF/混凝土的强度相比其他形状纤维混凝土较低。矩形与圆环形SF形成的环域面积近似，但相比之下圆环形SF的环域数量较矩形SF数量多，所形成的保护范围更加均匀和分散，试验结果表明圆环形SF/混凝土的抗压强度明显高于矩形SF/混凝土。
三种SF受压破形态：基准组混凝土受压时表现为爆裂破坏，并伴随产生较多的碎屑，裂缝分布散乱。如图11所示SF形成的封闭区域对混凝土具有保护作用，混凝土受压破坏脱落部分多为大碎块且破坏后整体具有较好的完整性。图12所示闭合SF保护范围内混凝土碎块具有较高的完整度。
2.4 圆环形与短直形钢纤维混杂增强高性能混凝土强度
工程上最常用的纤维截面为圆形，将不同长度的圆形纤维进行混杂，结果会随着混杂纤维种类和比例的不同产生不同的结果，形成正混杂效应或负混杂效应[13, 31-32]。短直线形SF利用了其在混凝土基体中的支撑性和阻裂性能提高混凝土强度，闭合SF利用封闭区域对混凝土的保护作用提高混凝土强度。但闭合SF与混凝土之间的连接界面分布更集中，且纤维弯折处应力集中现象更加明显，裂缝容易在连接面处产生或延伸。与闭合三角形和闭合矩形SF不同，圆环形SF在与混凝土交接面通过处弧形过渡，减小了弯折产生的不利界面影响，且其具有形成的封闭区域面积较大、环域数量较多等优良特性。短直形SF对混凝土力学性能的提升相比于圆弧形和长直形SF更显著，若短直形SF与闭合圆形SF混掺后，短直形SF可连通闭合SF与混凝土基体连接界面两端的混凝土，将较大程度地阻止薄弱界面产生的不利影响，进一步提升混凝土的强度。SF混杂试验在依据上述试验测试数据结果及考虑到经济性等因素，控制SF总体积分数为1.5vol%不变的情况下，改变短直形与闭合圆形SF的体积占比，设置4组对照试验进行研究。如图13所示，短直SF的端部与环形SF保护的混凝土区域结合，增强了短直型SF在混凝土内的锚固效果，同时二者结合削弱了环形SF表面集中对混凝土强度产生的不利影响。图14为短直SF与圆环形SF混掺对混凝土强度的影响曲线。结果表明混掺SF相比单掺一种SF对混凝土抗压强度提升更加明显。
当短直形SF体积分数为1vol%、圆环形SF体积分数为0.5vol%时，混凝土的抗折强度为14.3 MPa，当短直形SF体积分数为0.5vol%、圆环形SF体积分数为1vol%时，混凝土基体抗折强度为15.9 MPa。由于SF直径较粗，数量较少，混掺入SF对混凝土的抗折强度提升不明显。
当短直形SF体积分数为1vol%、圆环形SF体积分数为0.5vol%时，混凝土抗压强度为140.4 MPa，混凝土抗压强度相比基体提高了50%。当短直形SF体积分数为0.5vol%、圆环形SF体积分数为1vol%时，混凝土的抗压强度为147.4 MPa，混凝土抗压强度相比基体提高了57%，验证了环形区域保护的混凝土对短直SF的支撑和增加锚固作用明显。
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图 14 环形SF与短直SF混杂增强混凝土强度Figure 14. Strength of hybrid concrete strengthened with circular SF and short straight SF2.5 SF/混凝土断面形貌
由图11可见掺加SF后的高性能混凝土受压破坏后界面有较多纤维裸露。掺加纤维虽能为基体增强增韧，但纤维与基体接触面存在薄弱环节影响基体强度。通过微观电镜试验对比三角形SF/混凝土基体断面、SF直线段与混凝土基体接触面、SF60°弯折处于混凝土基体接触面，在微观角度分析SF与混凝土基体的结合情况及SF角度变化对接触界面产生的影响。混凝土受压破坏后取试样中心部分区域进行观察。图15为三角形SF/混凝土中三种界面的微观电镜图像。由图15(a)可见基体断面微观形态，C-S-H凝胶充斥间隙结构较致密。由图15(b)可见，不定向Ca(OH)2层状堆叠，少数针状C-S-H生长于毛细孔与蒸汽孔之间，SF/混凝土界面区存在较大孔隙率和较疏松的网络结构使交界面处密实度降低，不利于纤维与混凝土的黏结。由图15(c)可见，基体与纤维弯折60°部分接触界面孔隙率进一步升高，片状结构的Ca(OH)2和簇状结构的钙矾石晶体紧密排布在表面处，使基体与纤维接触面积减小，界面进一步弱化。
3. 结 论
(1) 闭合钢纤维(SF)形成的环域面积、形状及数量均对混凝土的流动性存在显著影响。闭合SF/混凝土流动性：三角形>矩形>圆形。
(2) 非闭合SF/混凝土中，短直形SF具有更优的锚固和支撑性能。混凝土抗压及抗折强度均高于其他非闭合SF/混凝土，其抗折断裂面呈现三种破坏形式。
(3) 闭合环形SF对混凝土抗折与抗压强度的影响主要取决于SF的分布、角度、环域面积及环域个数等。相同体积分数下，闭合SF/混凝土强度：圆环形>矩形>三角形。
(4) 利用短直形SF与环形SF混掺，改善了环形SF表面过于集中的不利影响。短直形SF嵌入到环形SF封闭区域后，端部具有了更加稳定的支撑，有效提升了混凝土抗压强度。
(5)相比混凝土基体断裂面而言，SF与混凝土的接触面处呈现为大孔隙率和较疏松的网络结构，在基体内产生了薄弱界面。当SF夹角为60°时，接触面片层状Ca(OH)2和簇状结构的钙矾石晶体明显增多，增加了应力集中的不利影响。
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图 1 闭合钢纤维(SF)分析假设及对比
Figure 1. Analysis hypothesis and comparison of closed steel fiber (SF)
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图 2 长径比较小且直径较粗SF理论分析设想
Figure 2. Hypothesis of theoretical analysis of SF with smaller aspect ratio and larger diameter
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图 14 环形SF与短直SF混杂增强混凝土强度
Figure 14. Strength of hybrid concrete strengthened with circular SF and short straight SF
表 1 硅酸盐水泥P.O 42.5R的技术指标
Table 1 Technical indexes of Portland cement P.O 42.5R
Property National
standardMeasured
valueLoss on ignition ≤5.00 3.06 Specific surface area ≥300 378 Initial setting time/min ≥45 186 Final setting time/min ≤600 230 3-day compressive strength/MPa ≥4.0 5.6 3-day bending strength/MPa ≥22.0 27.6 28-day compressive strength/MPa ≥6.5 6.4 28-day bending strength/MPa ≥42.5 45.1 
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表 2 水泥、粉煤灰、硅灰组成成分
Table 2 Composition of cement, fly ash and silica fume
wt% Material SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O Cement 21.83 3.59 6.30 57.80 2.61 0.84 0.23 Fly ash 46.44 38.01 3.12 7.50 0.23 0.88 0.33 Silica fume 92.18 0.23 0.09 0.99 1.83 0.31 0.05
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表 3 高性能混凝土基准配合比
Table 3 Reference mix proportion of high-performance concrete
Cement/(kg·m−3) Fly ash/(kg·m−3) Silica fume/(kg·m−3) River sand/(kg·m−3) Water-binder ratio Superplasticizer 700 140 210 1050 0.21 6% Note: the calculated water content of water-binder ratio is the sum of water content of water reducer and the added water, and the cementitious materials is the total content of cement, silica fume and fly ash.
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表 4 SF参数
Table 4 Parameters of SF
SF Length of
single steel
fiber/mmFiber
diameter/
mmEffective
anchorage
length/mmShort straight 10 1.2 10 Long straight 15 1.2 15 Half ring 15 1.2 10 Circular 31.4 1.2 10 Triangular 30 1.2 10 Rectangular 40 1.2 10
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表 5 混凝土强度测试样本
Table 5 Concrete strength test samples
Group name Shape of SF SF volume fraction/vol% Number of SF/piece Ring area/mm2 Benchmark — 0 0 0 1vol%SF(SS)/concrete Short straight (SS) 1 680 0 1.5vol%SF(SS)/concrete Short straight (SS) 1.5 1020 0 2vol%SF(SS)/concrete Short straight (SS) 2 1360 0 1vol%SF(LS)/concrete Long straight (LS) 1 455 0 1.5vol%SF(LS)/concrete Long straight (LS) 1.5 680 0 2vol%SF(LS)/concrete Long straight (LS) 2 910 0 1vol%SF(HR)/concrete Half ring (HR) 1 455 0 1.5vol%SF(HR)/concrete Half ring (HR) 1.5 680 0 2% SF(HR)/concrete Half ring (HR) 2 910 0 0.5vol%SF(CR)/concrete Circular (CR) 0.5 107 8400 1vol%SF(CR)/concrete Circular (CR) 1 215 16878 1.5vol%SF(CR)/concrete Circular (CR) 1.5 325 25513 2vol%SF(CR)/concrete Circular (CR) 2 432 33912 0.5vol%SF(T)/concrete Triangular (T) 0.5 115 4980 1vol%SF(T)/concrete Triangular (T) 1 230 9959 1.5vol%SF(T)/concrete Triangular (T) 1.5 345 14939 2vol%SF(T)/concrete Triangular (T) 2 460 19918 0.5vol%SF(R)/concrete Rectangular (R) 0.5 85 8500 1vol%SF(R)/concrete Rectangular (R) 1 170 17000 1.5vol%SF(R)/concrete Rectangular (R) 1.5 255 25500 2vol%SF(R)/concrete Rectangular (R) 2 340 34000 1vol%SF(CR)/concrete+
0.5vol%SF(SS)/concreteCircular (CR)+
Short straight (SS)1+0.5 215+340 — 0.5vol%SF(CR)/concrete+
1vol%SF(SS)/concreteCircular (CR)+
Short straight (SS)0.5+1 105+170 —
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表 6 SF对混凝土流动性的影响
Table 6 Influence of SF on the fluidity of concrete
Sample SF volume fraction/vol% Number of SF Ring area/mm2 Fluidity/mm Benchmark 0 0 0 167 0.5vol%SF(T)/concrete 0.5 115 4980 170 1vol%SF(T)/concrete 1 230 9959 177 1.5vol%SF(T)/concrete 1.5 345 14939 169 2vol%SF(T)/concrete 2 460 19918 162 0.5vol%SF(R)/concrete 0.5 85 8500 169 1vol%SF(R)/concrete 1 170 17000 176 1.5vol%SF(R)/concrete 1.5 255 25500 164 2vol%SF(R)/concrete 2 340 34000 156 0.5vol%SF(CR)/concrete 0.5 107 8400 168 1vol%SF(CR)/concrete 1 215 16878 171 1.5vol%SF(CR)/concrete 1.5 325 25513 151 2vol%SF(CR)/concrete 2 432 33912 148
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