復(fù)合纖維混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)研究

張存亮，弓 銳，張存明

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，西安 710054;2.西安公路研究院，西安 710054;3.濟(jì)寧市東方建設(shè)工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)寧 272000)

混凝土是現(xiàn)代最重要的結(jié)構(gòu)材料，具有抗壓強(qiáng)度高、剛度大的特性 ，但抗裂性、抗沖擊性和變形能力較差。國(guó)內(nèi)外的許多專家學(xué)者將纖維定為增強(qiáng)混凝土性能的核心材料。纖維增強(qiáng)混凝土是將兩種或多種不同性能、不同尺寸的纖維摻入混凝土基材中，使其在不同尺寸和性能層次上相互補(bǔ)充，以達(dá)到配制高性能混凝土的目的。

1 纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理

1.1 纖維間距理論

纖維間距理論是根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)來說明纖維對(duì)于裂縫發(fā)生和發(fā)展的約束作用。這種理論認(rèn)為，在混凝土內(nèi)部存在固有缺陷和裂紋，若想提高強(qiáng)度和韌度，必須盡可能減小缺陷程度，降低混凝土體內(nèi)裂縫端部的應(yīng)力集中。

ROMUALDI等人對(duì)定向纖維混凝土試件進(jìn)行了抗彎拉與劈裂試驗(yàn)，進(jìn)一步提出纖維混凝土的強(qiáng)度和韌性只由纖維的平均間距控制的觀點(diǎn)。通過試驗(yàn)表明，纖維混凝土的初裂應(yīng)力與纖維間距的平方根成反比，并且分別提出了在纖維混凝土纖維呈三維亂向分布時(shí)纖維平均中心間距ˉs的計(jì)算公式為

沈榮熹提出的計(jì)算公式為

式(1)～式(4)中，d為纖維直徑，Vf為纖維體積率，SFS為單位體積纖維混凝土中纖維的表面積。

1.2 復(fù)合材料理論

對(duì)于復(fù)合材料，材料復(fù)合的主要目的是改善材料的力學(xué)性能。復(fù)合材料理論出發(fā)點(diǎn)是復(fù)合材料構(gòu)成的混合原理，將纖維增強(qiáng)混凝土看作是增強(qiáng)的復(fù)合材料，假定混凝土基體和纖維處于完全黏結(jié)的條件下，并且在混凝土基體和纖維連續(xù)構(gòu)成的復(fù)合體上，柱狀纖維是一維單向配制于基體中的。該復(fù)合體的強(qiáng)度是由纖維與基體的體積比和應(yīng)力所共同決定的。復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度 σcf為

式中，σcf為復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度;σft為纖維材料的抗拉強(qiáng)度;σmt為基體混凝土的抗拉強(qiáng)度;Vf為纖維體積;Vm為基體體積;Vc為復(fù)合材料體積。

混凝土基體與纖維充分黏結(jié)條件為

式中，Ec，Ef，Em分別為復(fù)合材料、纖維、基體混凝土彈性模量。

復(fù)合材料理論將纖維增強(qiáng)混凝土看作是纖維強(qiáng)化體系，并應(yīng)用混合原理來推定纖維混凝土的抗拉和抗彎強(qiáng)度，提出了纖維混凝土強(qiáng)度與纖維的摻入量、方向以及黏結(jié)力之間的關(guān)系。

2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)原材料

水泥采用525#普通硅酸鹽水泥;碎石要求具備一定的強(qiáng)度，還應(yīng)有較好的耐磨性。聚丙烯纖維采用大東和深圳聚丙烯纖維，體積率分別為0.1%、0.2%，其物理特性見表1。

表1 聚丙烯特征參數(shù)

鋼纖維選用上海“真強(qiáng)”的剪切型鋼纖維。形狀如圖1所示。特征參數(shù)見表2。

圖1 鋼纖維

表2 鋼纖維特征參數(shù)

2.2 纖維混凝土的配合比及試件

混凝土配合比:水193 g，水泥450 g，砂子 703 g，石子1 054 g。本試驗(yàn)參考《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》的規(guī)定，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試件為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，每組三個(gè)試件;抗劈裂試件為150 mm×150 mm×150 mm，每組三個(gè)試件;在試件澆筑24 h后脫模并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d，試驗(yàn)前3 h從養(yǎng)護(hù)室取出晾干。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 抗壓強(qiáng)度

本試驗(yàn)中，加入不同類型、不同體積率的纖維在28 d的抗壓強(qiáng)度見表3。

表3 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

相同水灰比條件下，體積率分別為0.8%、1.0%條件下端鉤型鋼纖維抗壓強(qiáng)度比普通混凝土強(qiáng)度提高了18.2%，24.6%，比壓痕型鋼纖維強(qiáng)度分別提高了15.6%，20.1%，而壓痕型鋼纖維強(qiáng)度比普通混凝土分別提高了1.06%，3.76%。這說明，鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度與鋼纖維的體積摻量及鋼纖維的形狀相關(guān)。隨著鋼纖維體積率的增大，其抗壓強(qiáng)度也增大，且端鉤型鋼纖維比壓痕型提高的速度更快。

相同水灰比條件下，體積率為0.1%，0.2%條件下深圳聚丙烯的抗壓強(qiáng)度比普通混凝土提高了2.90%，2.29%，大東聚丙烯比普通混凝土分別提高了13.4%，12.1%。而在體積率分別為0.1%，0.2%時(shí)深圳聚丙烯抗壓強(qiáng)度比大東的抗壓強(qiáng)度分別降低了9.23%，8.70%。這說明，纖維混凝土強(qiáng)度與聚丙烯的品種及體積率相關(guān)。聚丙烯混凝土強(qiáng)度比普通混凝土強(qiáng)度大，但隨著體積率的增大，大東聚丙烯混凝土強(qiáng)度提高的速度更快。

相同水灰比條件下，當(dāng)鋼纖維體積率為0.8%，深圳聚丙烯體積率分別為0.1%，0.2%時(shí)，其28 d的抗壓強(qiáng)度比普通混凝土分別提高了13.9%，14.9%;在深圳聚丙烯體積率為0.1%，鋼纖維體積率為1.0%時(shí)，28 d的抗壓強(qiáng)度比普通混凝土強(qiáng)度提高了3.47%。由此說明，復(fù)合纖維混凝土強(qiáng)度并非隨纖維體積摻量的增加而無限增大，而是存在最優(yōu)體積率，此試驗(yàn)最優(yōu)體積率為1.0%。

3.2 劈裂強(qiáng)度

由表4得，當(dāng)鋼纖維體積率為0.8%和1.0%時(shí)，3 d，7 d，28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度最大都發(fā)生在纖維體積率為1.0%左右，且比普通混凝土強(qiáng)度分別提高了41.8%，4.9%，2.1%。這說明，試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度與纖維混凝土的纖維摻量有關(guān)，摻量越大，強(qiáng)度影響越明顯。

由表5得，聚丙烯纖維摻量在0.5% ～3.6%時(shí)，3 d，7 d，28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度都隨摻量的增加，其強(qiáng)度先增后減最后再增加。3 d，7 d，28 d的強(qiáng)度最大值都發(fā)生在體積摻量為1.0%左右，分別比普通混凝土強(qiáng)度提高了13.5%，11.9%，8.75%。這說明，聚丙烯纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度在早期的提高更明顯。

表4 鋼纖維混凝土3 d，7 d，28 d劈裂抗拉強(qiáng)度 MPa

表5 聚丙烯纖維混凝土3 d，7 d，28 d劈裂抗拉強(qiáng)度 MPa

由表6得，同水灰比條件下，當(dāng)鋼纖維體積率為0.8%，聚丙烯摻量為 0.1% ～0.2% 時(shí)，3 d，7 d，28 d的劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了14.9%，28.2%，2.4%;當(dāng)聚丙烯體積率為0.2%，鋼纖維體積率為0.8% ～1.0%時(shí)，3 d，7 d，28 d的劈裂強(qiáng)度分別降低了6.8%，7.05%，2.0%。可見，在纖維所占的體積率為1%左右，劈裂強(qiáng)度最好，隨著體積率的增加，纖維摻量的增加，纖維均勻分散變得困難，兩種纖維互相抑制，影響了在混凝土中的分散，造成混凝土和易性降低，進(jìn)而影響纖維混凝土的抗劈裂強(qiáng)度。

表6 復(fù)合纖維混凝土3 d，7 d，28 d劈裂強(qiáng)度 MPa

3.3 劈裂破壞特征

由圖2(a)可得，在普通混凝土破壞后，裂縫迅速發(fā)展并斷裂成兩半，在開裂過程中有劈裂聲，并伴有掉塊產(chǎn)生。由圖2(b)裂口可得，纖維是被拉斷而不是被拔出，表明纖維與混凝土的黏結(jié)是良好的。由圖2(c)可知，鋼纖維在混凝土中拌合均勻，真正起到骨架的作用。以上說明，隨著纖維體積率的增大，試塊的抗劈裂破壞能力越強(qiáng)，纖維對(duì)裂縫的發(fā)展有極強(qiáng)的抑制作用。

圖2 纖維混凝土劈裂破壞狀態(tài)

4 結(jié)論

1)纖維混凝土抗壓強(qiáng)度及抗劈裂強(qiáng)度明顯優(yōu)于普通混凝土。本試驗(yàn)中端鉤型鋼纖維的抗壓強(qiáng)度優(yōu)于壓痕性鋼纖維，深圳聚丙烯纖維混凝土比大東聚丙烯纖維混凝土稍差。

2)隨著纖維摻量的增加，鋼纖維混凝土強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢(shì)，聚丙烯纖維混凝土的強(qiáng)度先增加而后減少。

3)驗(yàn)證了復(fù)合纖維混凝土在最佳體積率1%條件下，鋼—聚丙烯纖維混凝土的力學(xué)性能優(yōu)于其它體積率的鋼—聚丙烯復(fù)合纖維混凝土性能。

4)從破壞形態(tài)上可以看出，纖維的摻入，在一定的體積率下能夠很好地預(yù)防裂縫的出現(xiàn)，防止裂縫的擴(kuò)大，能夠有效地預(yù)防病害的出現(xiàn)。

5)只是室內(nèi)試驗(yàn)，沒有考慮實(shí)際施工的影響，需在以后的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中進(jìn)一步完善。

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