纤维掺量对纤维增强轻骨料自密实混凝土粘结作用的影响

纤维掺量对纤维增强轻骨料自密实混凝
土粘结作用的影响
摘要：通过对钢筋与纤维增强轻骨料自密实混凝土（Fiber reinforced
self-compacting lightweight aggregate concrete， FSLC）进行拔出试验，
探究钢纤维掺量对钢筋与FSLC粘结作用的影响。

用相对粘结强度衡量钢纤维掺
量的影响作用，引入粘结韧性来分析钢纤维在试件粘结滑移过程中约束与耗能作用。

结果表明：试件的破坏形态随纤维掺量的增加由劈裂破坏变为拔出破坏；钢
筋的平均极限粘结强度、峰值滑移量随纤维掺量的增加而增大；
关键词：纤维增强轻骨料自密实混凝土；纤维掺量；粘结韧性
1.
2.
引言公式章 1 节 1
轻骨料自密实混凝土具有轻质、高强等特点，与普通混凝土相比，砂浆能进
入多孔的轻骨料内部，使得砂浆与骨料紧密融合在一起，提高了机械咬合力，增
加了轻骨料自密实混凝土整体性，在混凝土强度等级相同时，轻骨料自密实混凝
土与钢筋的极限粘结强度高于普通混凝土。

钢纤维密度小、耐腐蚀，作为增强材
料能够显著改良轻骨料自密实混凝土过脆、韧性差等缺点，同时纤维与水泥基体
之间良好的粘结性能为二者在实际复杂的工作状况下提供了可靠的施工技术保证。

在实际工程中，钢筋和混凝土之间必须保持良好的工作协同关系，即良好的粘结
性能，才能更好的保证建筑结构的安全性和实用性。

因此钢筋与混凝土之间的锚
固粘结成为研究重点。

其中在未掺纤维的研究方面，王朝阳[1]等进行了高温下钢
筋与混凝土粘结锚固的性能试验，研究其退化机理，提出了高温下钢筋与混凝土粘结-滑移本构模型；左付亮[2]等通过对粉煤灰混凝土试件拔出试验的研究得出，粉煤灰掺量越大，钢筋与混凝土的粘结强度越低，而粉煤灰掺量的增加可减缓试件的冻融损伤。

在掺加纤维方面的研究，张欢欢[3]等则从钢纤维不同体积率和长径比入手，对钢筋和高强陶粒混凝土的粘结进行了试验探究，得出钢纤维的掺入，使混凝土由劈裂破坏变为拔出破坏，钢纤维掺量越高其极限粘结强度越高，适宜的长细比更能发挥钢纤维的抗裂作用等结论。

但钢纤维在混凝土中存在易锈蚀的缺点，会对粘结产生不良影响。

龙飞[4]通过对钢纤维自密实混凝土粘结锚固性能试验的研究得出，钢纤维可提高光圆钢筋与自密实混凝土的极限粘结强度、极限滑移值，但对带肋钢筋粘结强度提升不明显。

本文通过控制钢纤维掺量，对钢筋与纤维增强轻骨料自密实混凝土的粘结作用进行探究，以期得到一些实用结论，为今后开展相关方面研究试验和推动该材料在实际工程上的应用提供相关参考。

1.
2.
试验
a.
b.
材料
水泥：包头蒙西水泥股份有限公司生产的P·O42.5级普通水泥；细骨料：包头本地河沙，含泥量小于3%，细度模数2.94，堆积密度1575kg/m3；钢纤维：上海真强有限公司生产的长度为13 mm的端钩型钢纤维；粗骨料：浙江中劲科技有限公司生产的圆球形粉煤灰陶粒，如所示；减水剂：聚羧酸减水剂；钢筋：包钢生产的普通HRB400级月牙肋钢筋，直径为16 mm，屈服强度为470 MPa；水：普通自来水。

1.
a.
b.
配合比
FSLC配合比参照以浆体膜厚为关键技术指标的配合比设计思路进行设计[5]。

首先，以最小需水量法得到胶凝材料的最优配比；继而，以最紧密堆积法获取粗细骨料的最优搭配比例；最后，通过改变砂浆膜厚来确定拌合物配合比。

混凝土配合比见表1。

1.
2.
配合比
基
体强度
等级
水
泥
粉
煤灰
硅
灰
粗
骨料
砂水
减
水剂
LC5 5
55
12
50
60
5
50
1
80
1
6
1.
a.
b.
试件设计及加载
根据《混凝土结构试验方法标准》（GB /T 50152-2012）中所规定的中心拔出试验标准，结合现有情况，确定试验基准试件为边长150 mm的立方体试块。

试件加载
按《混凝土结构试验方法标准》（GB50152-2012）中的要求，钢筋加载速度为0.03 kN/min。

在加载过程中，拉拔荷载始终不变，直至钢筋的自由端滑移超过10 mm（也就是钢筋与混凝土的粘接界面完全破裂），试验结束。

1.
2.
结果与讨论
a.
b.
钢纤维自密实混凝土的粘结强度
钢筋与钢纤维自密实混凝土的粘结强度如式所示：
11\* MERGEFORMAT (.)
式中：τ
start
--初始黏结强度（MPa）；
τ
max
--极限黏结强度（MPa）；
τ
average
--平均黏结强度（MPa）；
τ
r
--残余黏结强度（MPa）；
F--拉拔荷载（N）；
F
0.02
--自由端滑移量为0.02 mm时的荷载值（N）；
F
max
--极限拉拔荷载（N）；
F
r
--残余拉拔荷载（N）；
d
s
--钢筋直径（mm）；
l
a
--钢筋锚固长度（mm）；
各组试件基本性能试验值，如表2所示。

1.
2.
试验结果
组别
τs
（MPa
）
τu
（MPa
）
τr
（MPa
）
S u
（mm
）
S r
（mm
）
纤维掺
量=0%
0.2416.677.66 1.47 5.01
纤维掺
量=0.25%
0.2519.4110.97 1.82 5.11
纤维掺
量=0.5%
0.5920.5117.57 3.55 4.83
纤维掺
量=0.75%
0.4121.7114.39 2.27 5.20
纤维掺
量=1%
0.6422.9914.22 3.31 5.35
从表2中可得，ρ=1%、ρ=0.75%、ρ=0.5%、ρ=0.25%拉拔试件的初始黏结强度相较于ρ=0%试件提高了167%、70.8%、146%、4.17%和70.8%。

这说明初始黏结强度总体上随着钢纤维体积掺量增加而增大。

纤维掺量=0.25%拉拔试件的极限黏结强度相较于纤维掺量=0%试件提高了16.4%，纤维掺量=0.5%拉拔试件的极限黏结强度相较于纤维掺量=0%试件提高了23%，纤维掺量=0.75%试件的极限黏结
强度相较于纤维掺量=0%试件提高了30%。

纤维掺量=1%拉拔试件的极限黏结强度相较于纤维掺量=0%试件提高了37.9%。

这说明极限黏结强度随着钢纤维体积掺量增加而增大，这是因为钢纤维在FSLC内部起到桥接作用，使试件与钢筋间的黏结性能得到改善。

1.
a.
b.
钢纤维掺量对相对粘结强度的影响
尽管钢纤维的掺加对抗压强度f
cu 值的提高作用不大，但为了消除f
cu
值对粘
结强度的影响效果，本文采用相对粘结强度来衡量钢纤维对掺量的影响。

其中相对粘结强度是指平均粘结强度与抗压强度平方根的比值，相对粘结强度值已在表4中给出。

根据试验所得数据绘制相对粘结强度与钢纤维掺量的关系曲线（此处用来代表钢纤维掺量），如图1。

1.
钢纤维掺量对的影响
由图1可得，钢筋与纤维增强轻骨料自密实混凝土之间的相对粘结强度
与钢纤维掺量有着较好的线性关系，通过试验值拟合分析得出不同钢纤维掺量的钢筋与纤维增强轻骨料自密实混凝土的相对粘结强度值的经验计算公式：
14\* MERGEFORMAT (.)
通过对式（14）得出的理论值与试验值进行比较，得出试验值/理论值的平均值为0.999，此公式可为钢纤维在钢筋与纤维增强轻骨料自密实混凝土粘结设计中的应用提供相关参考。

1.
2.
结论
（1）钢纤维为试件提供了更多的横向约束力，更好地抑制劈裂裂缝的产生与发展，随着纤维掺量的增加能够改变试件的破坏形态，即：试件破坏形态由劈裂破坏转变为拔出破坏。

（2）随钢纤维掺量的增加，钢筋与纤维增强轻骨料自密实混凝土之间的平均极限粘结强度及其对应的滑移量均增大。

（3）相对粘结强度随钢纤维掺量的增加呈线性增加，根据试验值拟合出与钢纤维掺量相关的计算公式，且理论值与试验值吻合较好，可为钢纤维在钢筋与纤维增强轻骨料自密实混凝土粘结设计的应用中提供相关参考。

参考文献
[1]王朝阳, 杨鸥, 霍静思. 高温下钢筋与混凝土粘结锚固性能试验研究[J]. 硅酸盐通报，2017，36(12)：3984-3992.
[2]牛建刚, 左付亮, 郝吉, 等. 冻融环境下钢筋与粉煤灰混凝土的粘结承
载力[J]. 硅酸盐通报，2017，36(11)：3619-3624.
[3]张欢欢, 吕振利, 刘阳. 钢纤维高强陶粒混凝土与钢筋的粘结性能试验
研究[J]. 建筑结构，2016，46(04)：79-84.
[4]龙飞．聚丙烯纤维自密实混凝土的粘结锚固性能研究[D]．重庆交通大学，2015.
[5]李京军．自密实轻骨料混凝土的设计、制备和增韧[D]．重庆：重庆大学，2018.。