超早強混雜纖維混凝土斷裂性能的研究

張青松

（重慶交通大學土木工程學院， 重慶 400074）

0 引言

經過70年代歐洲、美、日經濟發達的國家和80年代的我國學者對鋼纖維增強混凝土的大量探索研究之后發現纖維確實能提高混凝土的抗裂、抗拉強度，摻加了鋼纖維的混凝土克服了素混凝土抗拉強度低、延伸率小、脆性等缺點[1]。但是提高的程度有限，而其對混凝土的韌度提高較為明顯。一方面，高于2%的鋼纖維摻量的混凝土的和易性較差導致施工難度較大；另一方面，傳統的鋼纖維雖然能明顯提高混凝土強度但是價格昂貴，性價比不高，除用在特殊要求的場合，因此價格高和對混凝土的增強效果低是影響、制約鋼纖維在混凝土中應用的兩個局限[2]。因此本文對2%體積率以下的鋼纖維摻量增韌作用進行相關的實驗研究。

根據有關測量斷裂韌度的測試標準，采取標準測量試件尺寸。本實驗最終確定超早強混雜纖維混凝土的試件尺寸為：計算跨徑S取為300mm，厚度B為100mm，高度W為100mm,預制裂縫高為50mm.

將由萬能試驗機繪制的荷載位移圖得到的混雜纖維混凝土的起裂荷載均值分別代入到上公式得到起裂韌度Kic繪成柱狀圖如圖1。

1 實驗材料和實驗方法

1.1 實驗材料

實驗采用42.5級普通硅酸鹽水泥。粗石和細石調和成所需的骨料，具體比例為粗石比細石為4比1，粗骨料的最大粒徑為20mm,連續級配的石灰石碎石。細骨料為中粗河沙。高效減水劑為萘系減水劑，各項性能指標均達到或超過標準中高效減水劑的要求，摻量為水泥用量的0.8%。采用百強牌超早強劑，摻入該產品可減水18%以上,在標準養護條件下，三天可達設計強度, 能滿足本實驗所需要的超早強的效果, 摻量為水泥量的4%。實驗所用的兩種主要纖維的主要性能參數見表1所示。由于要考慮鋼纖維拌合料的和易性而影響施工難度，鋼纖維配合比應根據使用環境和強度要求進行合理的設計。初步估算素混凝土的配合比為水泥:水:砂:石=1.00: 0.37: 1.41: 2.22。

表1 2種纖維主要參數表Table 1 The main parameters of the two fibers.

圖1 ASTM起裂斷裂韌度Fig.1 ASTM initiation fracture toughness

從圖1可以看出：純聚丙烯纖維混凝土的斷裂韌度與素混凝土相比增益比不大，摻加純聚丙烯纖維對混凝土的韌性起的作用不大，隨著齡期增大聚丙烯纖維對混凝土的增韌效果越來越不明顯；在鋼纖維摻量為1.3%的時，超早強混雜纖維混凝土斷裂性能最好。

隨著齡期的增大，而素混凝土與純聚丙烯纖維混凝土起裂韌度都略有減小，分析認為是由于混凝土內部密實度發生變化使得其彈性模量有小幅度增長，而斷裂韌性卻略有減少。隨著齡期的增大，摻加了鋼纖維的混雜纖維混凝土的起裂韌度有增大的趨勢，分析認為鋼纖維起到了很好的阻裂作用，且不隨著齡期的增大而減小，說明隨著鋼纖維的加入改變了這種韌性降低的現象。

1.2 實驗方法

實驗共設計5組實驗，包括: 只摻入0.15%的聚丙烯纖維的混凝土(編號C);初始配合比的素混凝土(編號P)；鋼纖維摻量分別為0.7%、1.0%、1.3%的3組混雜纖維混凝土(編號S1,S2,S3)。每組配合比5個試件，并做7天和14天2個齡期的試件量，總計50個。

實驗采用的是在MTS系列微機控制電子萬能試驗機進行三點彎曲法測試超早強混雜纖維混凝土的各項指標，三點彎曲法的受力特點是在跨中受到一個集中荷載，在其中部區域形成一個純彎曲段。試驗機上的位移傳感器、力傳感器（量程為1000KN,精度為10N）能通過數據自動采集系統將數據準確的導入電腦中并自動精確繪制圖線。

2 混雜纖維混凝土斷裂性能分析

斷裂韌度Kic是材料在研究混凝土斷裂性能主要的參數之一，主要是混凝土在抗折實驗中抵抗裂紋擴展能力的一個表現[3]。材料的斷裂韌性Kic與試件厚度B裂紋長度A和試件高度W有關，在試驗中，按照線彈性斷裂力學。ASTM建議的斷裂韌性的指標Kic的計算公式如下：

式中P為試件條件荷載的平均值。

3 實驗結論

（1）素混凝土與純聚丙烯纖維混凝土斷裂韌度很小且相差不大，摻加純聚丙烯纖維對混凝土的沒有很強的增韌作用;斷裂韌度隨著齡期的增大有略微的減小，是由于阻裂效應會隨著齡期的不斷增大使得其彈性模量有小幅度增長，而斷裂韌性卻略有減少。

（2）在摻加了鋼纖維的超早強混雜纖維混凝土斷裂性能比素混凝土較大的提高，隨著鋼纖維的摻量的體積率的增加混雜纖維混凝土斷裂性能及其增益比增加較為顯著。隨著齡期的增大，混雜纖維混凝其斷裂性能也增加較為顯著。鋼纖維的加入改變了素混凝土隨齡期增加斷裂性能降低的現象。纖維混雜摻入超早強普通混凝土中，能夠起到較好的改善基體的耗能能力、增強韌性的作用。并且在這過程中，增強韌性的作用是鋼纖維起主導作用。