钢纤维砂浆强度的试验研究
许清风 傅传国 蒋永生
摘 要 通过对84个砂浆试件的试验研究,对比了普通砂浆和掺入不同长度、不同掺量钢纤维的钢纤维砂浆的抗压强度和抗折强度.表明钢纤维砂浆的抗压强度略有提高,平均提高约10%;抗折强度有很大提高,平均提高约150%;砂浆韧性得到明显改善. 同时指出砂浆强度和韧性的改善程度与所掺入钢纤维的长度和掺量有关.
关键词 普通砂浆; 钢纤维砂浆; 韧性; 掺量
分类号 TU 86.16
Experimental Research on Strengths
of Steel Fiber Reinforced Mortar
Xu Qingfeng1 Fu Chuanguo2 Jiang Yongsheng1
(1College of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096)
(2Shandong Architectural and Civil Engineering Institute, Jinan 250014)
Abstract: The comparison test studies of 72 specimens using steel fiber reinforced mortar (SFRM) with 12 specimens using normal mortar. The length and the ratio by volume of steel fiber are changed. Based on the test, the conclusions can be derived as follows: the mean compressive strength of SFRM increases about 10% over that of normal mortar; the mean bending strength of SFRM has a great increase about 150% over that of normal mortar; SFRM specimens rupture with ductile characteristics and the normal mortar specimens collapse brittlely. The improvement of SFRM changes according to the length of steel fiber and its ratio by volume.
Key words: normal mortar; steel fiber reinforced mortar (SFRM); ductility; ratio by volume
在混凝土中掺入钢纤维可明显改善其性能,因而考虑在普通砂浆中掺入钢纤维以改善砂浆的性能,进而改善相应结构的性能.结合“采用钢纤维砂浆砌体受力性能研究”的课题,本文在试验室条件下,通过改变钢纤维的长度和掺量来比较在各种情况下砂浆性能的改善状况.
1 试验概况
本次试验选用普通425号水泥,基材选用较多使用的M5和M10普通砂浆,配合比按下列比例选用:
M5 水泥∶石灰膏∶砂∶水=1∶0.4∶5.7∶1.08
M10 水泥∶石灰膏∶砂∶水=1∶0.25∶5.1∶0.96
选用钢纤维的长度L分别为23mm;28mm;长径比L/d分别为47,62;体积掺入比Vf分别为1.0%,1.5%,2.0%.
砂浆试件的尺寸为40mm×40mm×160mm,在建筑材料标准养护室养护.
砂浆试件的试验在东南大学建筑材料试验室进行,抗折试验在电动抗折试验机上进行,抗压试件在NYL-300型压力试验机上进行［1］.
为了了解钢纤维砂浆是否具有早强性,分别进行了42个(14组)试件在14d和28d的强度测试.先对试件进行抗折强度试验,再进行抗压强度试验.
2 试验结果
M5砂浆14d的强度试验结果见表1,M10砂浆14d的强度试验结果见表2.
M5砂浆28d的强度试验结果见表3,M10砂浆28d的强度试验结果见表4.
表1 M5砂浆14d强度表 MPa
掺入比
Vf/% L=23 mm L=28 mm
抗压强度 抗折强度 抗压强度 抗折强度
0 6.06 — 6.06 —
1.0 7.59 1.82 6.42 1.98
1.5 7.12 2.41 7.11 2.14
2.0 6.33 2.22 7.83 3.30
表2 M10砂浆14d强度表 MPa
掺入比
Vf/% L=23 mm L=28 mm
抗压强度 抗折强度 抗压强度 抗折强度
0 7.93 1.49 7.93 1.49
1.0 7.76 1.98 9.10 2.23
1.5 10.58 3.10 9.00 3.15
2.0 8.45 2.75 9.65 3.55
表3 M5砂浆28d强度表 MPa
掺入比
Vf/% L=23 mm L=28 mm
抗压强度 抗折强度 抗压强度 抗折强度
0 7.54 0.57 7.54 0.57
1.0 8.82 2.45 9.49 3.03
1.5 8.92 2.80 9.02 3.83
2.0 7.34 2.37 9.32 4.14
表4 M10砂浆28d强度表 MPa
掺入比
Vf/% L=23 mm L=28 mm
抗压强度 抗折强度 抗压强度 抗折强度
0 10.46 1.84 10.46 1.84
1.0 11.13 3.51 10.42 3.57
1.5 9.41 2.93 10.55 3.88
2.0 8.40 2.24 11.88 5.44
在抗折强度试验过程中,普通砂浆(Vf=0)试件破坏突然,而钢纤维砂浆试件的韧性相对较好,且随着钢纤维掺量的增加,试件的韧性逐渐改善.在相同的加荷速度下,破坏时钢纤维砂浆试件的变形明显增大,破坏过程持续时间相应延长,抗折强度较普通砂浆试件有明显增长.
对于抗压试验,钢纤维砂浆试件的抗压强度较普通砂浆的抗压强度略有提高.就其破坏形态而言,普通砂浆试件破坏时被压溃,而在相同的加荷速度下钢纤维砂浆试件有相对较好的整体性,试件压溃现象较少见.
对比14d和28d砂浆试件的试验结果,并且与普通M5和M10砂浆相比,可见M10钢纤维砂浆具有一定的早强性能,而M5钢纤维砂浆的早强性能不明显.
3 试验结果分析
钢纤维砂浆的抗折性能和抗压强度的影响因素主要有以下几个方面:纤维特征含量的影响、基材的影响和砂浆龄期的影响［2］.
3.1 纤维特征含量Vflf/df的影响
纤维特征含量Vflf/df主要由钢纤维的掺入比和钢纤维的长径比决定.由fsc /fc与Vflf /df(fsc为钢纤维砂浆的强度;fc为普通砂浆的强度)的关系可得,钢纤维砂浆的强度大致与Vflf /df成正比,即Vflf /df越大,钢纤维砂浆的抗折强度提高越多.相同掺入比的情况下,长纤维(L=28mm)对砂浆抗折强度的增强作用明显优于短纤维(L=23mm),平均增强作用约高出50%,同时长纤维对砂浆抗压强度的增强作用也略高于短纤维,平均略高15%.由试验现象可知,在掺量相同时,长纤维对砂浆韧性的提高也优于短纤维.
随着钢纤维掺量的增加,在Vf=1.0%～1.5%范围内砂浆的抗折强度大幅提高,抗压强度亦有明显提高.当Vf继续增加时,抗折强度虽仍有较大提高,但提高的速度减缓,抗压强度提高更少.
考虑到砂浆的施工性能(钢纤维过长或掺量过多均会导致砂浆难以搅拌和砌筑),在砂浆中掺入L=28mm (长径比L/d=62) 的钢纤维效果较好;同时由于钢纤维掺量较大时强度增加的速度趋缓,经济性下降,且施工性能稍差,因而建议在实际工程中选用Vf=1.0%～1.5%为宜.
3.2 基材的影响
钢纤维对强度等级较低的普通砂浆的增强作用优于强度等级较高的普通砂浆.对于M5砂浆,抗折强度平均提高200%,抗压强度平均提高约17%;而对于M10砂浆,抗折强度平均提高100%,抗压强度平均提高约10%.
3.3 砂浆龄期的影响
对于M5钢纤维普通砂浆,在掺入钢纤维后其强度在养护期的增长速度基本与普通M5砂浆一致;而对于M10砂浆而言,掺入钢纤维后砂浆较普通M10砂浆具有一定的早强性.
4 钢纤维砂浆的细观力学机理分析
从本次试验的试验现象和试验结果出发,钢纤维砂浆开裂破坏的细观力学机理可解释如下:钢纤维砂浆中钢纤维根据其在横截面上的含量和弹性模量而可承受一部分荷载,同时可提高砂浆矩阵的抗拉强度,从而可以防止或延缓在受力膨胀时产生微观裂缝和宏观裂缝［3］,因而钢纤维砂浆的抗压强度和抗折强度均较普通砂浆有明显提高.同时,基材强度较低时,掺入钢纤维的长度比充分利用钢纤维的抗拉强度所需的临界纤维长度短.所以掺入的钢纤维不是受力破坏,而是慢慢地从砂浆矩阵中拔出,这样需要消耗一部分能量,从而使钢纤维砂浆的韧性较普通砂浆有明显提高,同时掺入钢纤维可明显改善砂浆的其它性能.
5 结 论
1) 普通砂浆在掺入钢纤维后可大幅提高其抗折强度,同时抗压强度也有明显提高.由试验结果可知,钢纤维砂浆强度的提高与Vflf /df成正比.考虑到较好的经济性和施工性能,建议在实际工程中选用Vf=1.0%～1.5%为宜.
2) 钢纤维对强度等级较低的普通砂浆的增强作用优于强度等级较高的普通砂浆.
3) 相对于M5普通砂浆,M10普通砂浆在掺入钢纤维后较普通M10砂浆具有一定的早强性.
作者简介：第一作者（男,1973年生, 博士研究生.）
作者单位：许清风 蒋永生（东南大学土木工程学院, 南京 210096）
傅传国（山东建筑工程学院, 济南 250014）
参考文献
1 建筑砂浆基本性能试验研究 (JGJ70—90). 北京:中国建筑工业出版社,1990
2 许清风. 钢纤维砂浆空心砖砌体基本力学性能和墙体抗震性能的试验研究:［学位论文］. 南京:东南大学土木工程学院,1998
3 莱昂哈特 F, 门希E著. 钢筋混凝土结构设计原理. 程积高, 程 鹏译. 北京:人民交通出版社, 1991.86～87
许清风 傅传国 蒋永生
摘 要 通过对84个砂浆试件的试验研究,对比了普通砂浆和掺入不同长度、不同掺量钢纤维的钢纤维砂浆的抗压强度和抗折强度.表明钢纤维砂浆的抗压强度略有提高,平均提高约10%;抗折强度有很大提高,平均提高约150%;砂浆韧性得到明显改善. 同时指出砂浆强度和韧性的改善程度与所掺入钢纤维的长度和掺量有关.
关键词 普通砂浆; 钢纤维砂浆; 韧性; 掺量
分类号 TU 86.16
Experimental Research on Strengths
of Steel Fiber Reinforced Mortar
Xu Qingfeng1 Fu Chuanguo2 Jiang Yongsheng1
(1College of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096)
(2Shandong Architectural and Civil Engineering Institute, Jinan 250014)
Abstract: The comparison test studies of 72 specimens using steel fiber reinforced mortar (SFRM) with 12 specimens using normal mortar. The length and the ratio by volume of steel fiber are changed. Based on the test, the conclusions can be derived as follows: the mean compressive strength of SFRM increases about 10% over that of normal mortar; the mean bending strength of SFRM has a great increase about 150% over that of normal mortar; SFRM specimens rupture with ductile characteristics and the normal mortar specimens collapse brittlely. The improvement of SFRM changes according to the length of steel fiber and its ratio by volume.
Key words: normal mortar; steel fiber reinforced mortar (SFRM); ductility; ratio by volume
在混凝土中掺入钢纤维可明显改善其性能,因而考虑在普通砂浆中掺入钢纤维以改善砂浆的性能,进而改善相应结构的性能.结合“采用钢纤维砂浆砌体受力性能研究”的课题,本文在试验室条件下,通过改变钢纤维的长度和掺量来比较在各种情况下砂浆性能的改善状况.
1 试验概况
本次试验选用普通425号水泥,基材选用较多使用的M5和M10普通砂浆,配合比按下列比例选用:
M5 水泥∶石灰膏∶砂∶水=1∶0.4∶5.7∶1.08
M10 水泥∶石灰膏∶砂∶水=1∶0.25∶5.1∶0.96
选用钢纤维的长度L分别为23mm;28mm;长径比L/d分别为47,62;体积掺入比Vf分别为1.0%,1.5%,2.0%.
砂浆试件的尺寸为40mm×40mm×160mm,在建筑材料标准养护室养护.
砂浆试件的试验在东南大学建筑材料试验室进行,抗折试验在电动抗折试验机上进行,抗压试件在NYL-300型压力试验机上进行［1］.
为了了解钢纤维砂浆是否具有早强性,分别进行了42个(14组)试件在14d和28d的强度测试.先对试件进行抗折强度试验,再进行抗压强度试验.
2 试验结果
M5砂浆14d的强度试验结果见表1,M10砂浆14d的强度试验结果见表2.
M5砂浆28d的强度试验结果见表3,M10砂浆28d的强度试验结果见表4.
表1 M5砂浆14d强度表 MPa
掺入比
Vf/% L=23 mm L=28 mm
抗压强度 抗折强度 抗压强度 抗折强度
0 6.06 — 6.06 —
1.0 7.59 1.82 6.42 1.98
1.5 7.12 2.41 7.11 2.14
2.0 6.33 2.22 7.83 3.30
表2 M10砂浆14d强度表 MPa
掺入比
Vf/% L=23 mm L=28 mm
抗压强度 抗折强度 抗压强度 抗折强度
0 7.93 1.49 7.93 1.49
1.0 7.76 1.98 9.10 2.23
1.5 10.58 3.10 9.00 3.15
2.0 8.45 2.75 9.65 3.55
表3 M5砂浆28d强度表 MPa
掺入比
Vf/% L=23 mm L=28 mm
抗压强度 抗折强度 抗压强度 抗折强度
0 7.54 0.57 7.54 0.57
1.0 8.82 2.45 9.49 3.03
1.5 8.92 2.80 9.02 3.83
2.0 7.34 2.37 9.32 4.14
表4 M10砂浆28d强度表 MPa
掺入比
Vf/% L=23 mm L=28 mm
抗压强度 抗折强度 抗压强度 抗折强度
0 10.46 1.84 10.46 1.84
1.0 11.13 3.51 10.42 3.57
1.5 9.41 2.93 10.55 3.88
2.0 8.40 2.24 11.88 5.44
在抗折强度试验过程中,普通砂浆(Vf=0)试件破坏突然,而钢纤维砂浆试件的韧性相对较好,且随着钢纤维掺量的增加,试件的韧性逐渐改善.在相同的加荷速度下,破坏时钢纤维砂浆试件的变形明显增大,破坏过程持续时间相应延长,抗折强度较普通砂浆试件有明显增长.
对于抗压试验,钢纤维砂浆试件的抗压强度较普通砂浆的抗压强度略有提高.就其破坏形态而言,普通砂浆试件破坏时被压溃,而在相同的加荷速度下钢纤维砂浆试件有相对较好的整体性,试件压溃现象较少见.
对比14d和28d砂浆试件的试验结果,并且与普通M5和M10砂浆相比,可见M10钢纤维砂浆具有一定的早强性能,而M5钢纤维砂浆的早强性能不明显.
3 试验结果分析
钢纤维砂浆的抗折性能和抗压强度的影响因素主要有以下几个方面:纤维特征含量的影响、基材的影响和砂浆龄期的影响［2］.
3.1 纤维特征含量Vflf/df的影响
纤维特征含量Vflf/df主要由钢纤维的掺入比和钢纤维的长径比决定.由fsc /fc与Vflf /df(fsc为钢纤维砂浆的强度;fc为普通砂浆的强度)的关系可得,钢纤维砂浆的强度大致与Vflf /df成正比,即Vflf /df越大,钢纤维砂浆的抗折强度提高越多.相同掺入比的情况下,长纤维(L=28mm)对砂浆抗折强度的增强作用明显优于短纤维(L=23mm),平均增强作用约高出50%,同时长纤维对砂浆抗压强度的增强作用也略高于短纤维,平均略高15%.由试验现象可知,在掺量相同时,长纤维对砂浆韧性的提高也优于短纤维.
随着钢纤维掺量的增加,在Vf=1.0%～1.5%范围内砂浆的抗折强度大幅提高,抗压强度亦有明显提高.当Vf继续增加时,抗折强度虽仍有较大提高,但提高的速度减缓,抗压强度提高更少.
考虑到砂浆的施工性能(钢纤维过长或掺量过多均会导致砂浆难以搅拌和砌筑),在砂浆中掺入L=28mm (长径比L/d=62) 的钢纤维效果较好;同时由于钢纤维掺量较大时强度增加的速度趋缓,经济性下降,且施工性能稍差,因而建议在实际工程中选用Vf=1.0%～1.5%为宜.
3.2 基材的影响
钢纤维对强度等级较低的普通砂浆的增强作用优于强度等级较高的普通砂浆.对于M5砂浆,抗折强度平均提高200%,抗压强度平均提高约17%;而对于M10砂浆,抗折强度平均提高100%,抗压强度平均提高约10%.
3.3 砂浆龄期的影响
对于M5钢纤维普通砂浆,在掺入钢纤维后其强度在养护期的增长速度基本与普通M5砂浆一致;而对于M10砂浆而言,掺入钢纤维后砂浆较普通M10砂浆具有一定的早强性.
4 钢纤维砂浆的细观力学机理分析
从本次试验的试验现象和试验结果出发,钢纤维砂浆开裂破坏的细观力学机理可解释如下:钢纤维砂浆中钢纤维根据其在横截面上的含量和弹性模量而可承受一部分荷载,同时可提高砂浆矩阵的抗拉强度,从而可以防止或延缓在受力膨胀时产生微观裂缝和宏观裂缝［3］,因而钢纤维砂浆的抗压强度和抗折强度均较普通砂浆有明显提高.同时,基材强度较低时,掺入钢纤维的长度比充分利用钢纤维的抗拉强度所需的临界纤维长度短.所以掺入的钢纤维不是受力破坏,而是慢慢地从砂浆矩阵中拔出,这样需要消耗一部分能量,从而使钢纤维砂浆的韧性较普通砂浆有明显提高,同时掺入钢纤维可明显改善砂浆的其它性能.
5 结 论
1) 普通砂浆在掺入钢纤维后可大幅提高其抗折强度,同时抗压强度也有明显提高.由试验结果可知,钢纤维砂浆强度的提高与Vflf /df成正比.考虑到较好的经济性和施工性能,建议在实际工程中选用Vf=1.0%～1.5%为宜.
2) 钢纤维对强度等级较低的普通砂浆的增强作用优于强度等级较高的普通砂浆.
3) 相对于M5普通砂浆,M10普通砂浆在掺入钢纤维后较普通M10砂浆具有一定的早强性.
作者简介：第一作者（男,1973年生, 博士研究生.）
作者单位：许清风 蒋永生（东南大学土木工程学院, 南京 210096）
傅传国（山东建筑工程学院, 济南 250014）
参考文献
1 建筑砂浆基本性能试验研究 (JGJ70—90). 北京:中国建筑工业出版社,1990
2 许清风. 钢纤维砂浆空心砖砌体基本力学性能和墙体抗震性能的试验研究:［学位论文］. 南京:东南大学土木工程学院,1998
3 莱昂哈特 F, 门希E著. 钢筋混凝土结构设计原理. 程积高, 程 鹏译. 北京:人民交通出版社, 1991.86～87
