低温钢纤维混凝土的力学性能及强度机理分析

关键词：低温钢纤维混凝土；力学性能；强度机理

1 　低温钢纤维混凝土的力学性能

低温钢纤维混凝土是指温度低于0℃时施工的钢纤维混凝土。混凝土的低温可以分为3个阶段：孔结构形成前的低温；具有一定强度时的低温；成熟混凝土的低温。本论文介绍拌合物从孔结构形成前就开始受冻的钢纤维混凝土的力学性能。

1. 1 　低温钢纤维混凝土的抗压强度

文献[1]对普通混凝土的低温效应进行了分析，通过对混凝土3个不同时期的低温试验，观察到低温会延缓混凝土的早期强度，却能提高混凝土的极限强度，并得出低温对混凝土强度有利的结论。钢纤维混凝土是在普通混凝土基体中掺入了少量的钢纤维，少量高弹模钢纤维的掺入不能改变混凝土基体的弹性模量^[2]，所以钢纤维混凝土在低温下的抗压性能类似于普通混凝土。通过试验，得出低温钢纤维混凝土的抗压强度如图1所示。

从图1可以看出，低温钢纤维混凝土强度非常低，且增长缓慢，温度越低，强度增长速度越慢。在-20℃时，经过60d的养护仍没有什么强度，基本上没有承载能力。但从-5℃的曲线可以看出，随着养护时间的进一步增长，其强度有着非常良好的发展趋势。

1. 2 低温钢纤维混凝土的抗拉强度

在孔结构形成前，低温下的混凝土抵抗拉力的能力很小。低温钢纤维混凝土的抗拉强度同抗压强度一样早期强度非常低，且增长缓慢。只有当构件在低温环境下缓慢养护成型后，它的抗拉强度才有很大提高。文献[3]的作者曾在低温下做了钢纤维混凝土的弯曲试验，并从一定的角度探讨了低温对钢纤维混凝土强度的影响。从实验的过程中，我们可以了解到，低温钢纤维混凝土的极限抗拉强度随着温度的降低而升高，并且随负温的增长极限强度提高显著。这是因为低温下混凝土基体中的水冻结成冰，结冰增加了基体与纤维间的粘结强度，使纤维从基体中拔出需要更多的能量，从而提高了钢纤维混凝土的抗拉强度。低温钢纤维混凝土的抗拉强度随水灰比和纤维的掺量的提高而提高。

1. 3 　低温钢纤维混凝土的弯曲性能

由于弯曲实质是上半部分的压和下半部分的拉，所以低温钢纤维混凝土的弯曲性能基本上可由拉压性能来推理分析，但弯曲性能比拉压性能表现得更加显著。在初期低温钢纤维混凝土的抗折强度很低，增长缓慢，但极限抗折强度却有明显增加，且随负温的增长抗折强度增加越明显。低温钢纤维混凝土的抗折强度与混凝土基体的强度等级和水的含量有关。随基体强度等级的提高而提高，与水的含量成线性递增关系^[3]。本文通过低温钢纤维混凝土的抗折强度试验，得出数据如表1所示。

　   从表1可以看出，钢纤维混凝土的抗折极限荷载随钢纤维掺量的提高、水灰比的提高以及温度的降低而升高。影响钢纤维混凝土弯曲性能的因素很多，如果从某一方面去考虑，如仅从初裂缝的宽度考虑，那么肯定得不出到满意的结论。方献[3]通过实验论证了钢纤维混凝土的极限强度和荷载—位移曲线下包围的面积—变形能可以很好地反映钢纤维在低温下的增强效果。

1. 4 　低温钢纤维混凝土的抗剪性能

钢纤维混凝土具有非常优异的抗剪性能，所以钢纤维混凝土适用于承受剪力的构件以及构件承受剪力最大的部位。通过实验来得知，低温钢纤维混凝土在受冻初期，其抗剪强度较高，这主要是因为冰胶固的作用。当养护时间增长时，其抗剪强度进一步提高，这时基体对钢纤维的胶固作用已发挥一定的作用。低温钢纤维混凝土的抗剪破坏形式与常温钢纤维的破坏形式相似，都是由于钢纤维斜向拔出而破坏，只不过低温时，由于冰的胶固作用，钢纤维的拔出更难，所以低温钢纤维混凝土比常温钢纤维混凝土具有更优越的抗剪性能。

2 　低温钢纤维混凝土与常温钢纤维混凝土的力学性能比较

钢纤维混凝土中的主要承重部分是水化反应的产物—水泥石。水泥和水的水化反应是混凝土拌合物中的主要反应形式，如果拌合物中的水足够，那么水化反应的速度则直接由温度决定。在常温下，反应速度较快，所以初期强度较高，随着时间的推移，反应物减少，反应的速度明显趋于平缓。

　　低温钢纤维混凝土中的水化反应开始较缓，但它反应的期限较长，其强度增长的时间亦较长。特别是当钢纤维混凝土由低温转至常温养护情况时，其强度增长的速度非常快，且其极限强度大大超过常温下的钢纤维混凝土的极限强度。图2是把20℃养护强度作为标准，其它温度下养护所得强度与它相比的相对强度图。

3 　低温钢纤维混凝土的强度机理分析

钢纤维混凝土的增强机理主要有复合力学理论和纤维间距理论^[2][4]。其它所有理论均可认为是以这两种理论为基础经综合完善而发展起来的。低温钢纤维混凝土同样可以用以上两种理论解释它高于普通混凝土强度的力学性能，但至于它高于常温钢纤维混凝土的力学性能，可以用“低温效应”来解释。钢纤维混凝土基体的水可以分三类：自由水；粘附水和毛细管水。由于水的渗透性，整个构件内部都充满着水。在0℃附近所有的自由水都结成冰，结冰的自由水将细骨料和短钢纤维结合起来，将整个构件冻结成一个冰体承受各种外荷载；当温度进一步降低时，大约降至-10℃左右，粘附水开始冻结，冻结的粘附水把粗骨料和早已冻结的冰体粘结在一起，形成一个更为坚固的实体。毛细管水较难冻结，有的需要温度降至-70℃～-80℃才能结冰。钢纤维混凝土的破坏形式是钢纤维从基体中拔出，低温时冰的粘结作用使钢纤维从基体中拔出需做更多的功，从而提高了钢纤维混凝土的强度。

钢纤维混凝土的基体是水泥石，水泥石是由水化产物和各种骨料粘结而成。由于骨料是一定的，所以水化反应是决定混凝土强度的重要因素。当温度为负温时，早期反应速度非常慢，反应产物较少，所以水泥石的粘结强度很低，但反应时间较常温下长，所以钢纤维混凝土强度增长的期限较长，使水化产物有足够的时间与骨料粘结。低温能使反应进行得非常彻底，若养护时间较长，其极限强度将比常温下的钢纤维混凝土高。

从微观上看，温度的降低缩小了物质内部原子的距离，增加了各原子之间的相互吸引力，从而增长了物质构件的力学强度。

4 　结束语

温度对钢纤维混凝土施工实践具有非常重要的意义。因为即使是孔结构形成前的早期冻结，它也不会失去全部的强度，而是随着时间的增长，钢纤维混凝土的极限强度明显提高。低温可以增加断裂刚度、防止应力腐蚀及增加强度。不过，低温毕竟是钢纤维混凝土以及普通混凝土的非常不利的因素，虽增加了强度，但也增加了脆性，所以在施工早期仍要做好钢纤维混凝土的保温蓄热工作，以防早期受冻。另外还要避免钢纤维混凝土过早地承受荷载。这样才能使钢纤维混凝土既能满足初期承载的要求，又能提高它的极限强度。

参考文献：

[1 ] 　Chares Korhonen，M.ASCE and Sherri Orchino， Effect of Low Temperature on Concrete Strength，Cold RegionsEngineering：Put Research into Practice，1999，677～683.

[2 ] 　高丹盈. 钢纤维混凝土及配筋构件力学性能的研究[D]. 大连理工大学博士论文，1989，21～22.

[3 ] 　M. pigeon & R. Cantin， Flexural Properties of Steel Fiber-reinforced Concretes at Low Temperatures，Cement and Concrete Composites，1998，365～375.

[4 ] 　赵国藩，彭少民，黄承逵，等. 钢纤维混凝土结构[M]. 北京：中国建筑工业出版社， 1999.