鋼纖維和碳纖維的混合效應對高性能混凝土力學性能的影響*

張雪梅，周美容

(南通理工學院 建筑工程學院，江蘇 南通 226002)

0 引 言

高性能混凝土具有抗壓強度高、取材容易、易成型、抗裂性較好等優點[1-3]。但是實際操作中由于其抗拉強度低、脆性大、易開裂、韌性差等缺點，降低了混凝土的耐久性[4-6]。在混凝土中加入纖維是目前解決混凝土缺點的有效方式之一[7]。通過在混凝土基體中加入混合纖維，充分發揮各纖維優勢，互相彌補各自缺點，利用纖維之間的混合效應，增強高性能混凝土的力學性能，對高性能混凝土的力學性能產生積極影響[8-10]。

目前，利用混合纖維提升混凝土材料力學性能的研究有很多，如杰德爾別克等[11]進行了鋼纖維和聚丙烯纖維對高性能混凝土力學性能的試驗研究，得出適當比例的混合纖維摻量可有效提升混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度，并給出了相關計算公式；權長青等[12]研究了鋼纖維及陶粒摻量對輕質混凝土力學性能的影響，得出鋼纖維可顯著提升輕質混凝土的抗壓強度，陶粒比例越大，輕質混凝土的抗壓強度越小；王建超等[13]研究了短切碳纖維的加入對再生混凝土力學性能的影響，得出碳纖維長度為6 mm,纖維摻量為0.12%時，對再生混凝土強度改善最為明顯；王鈞等[14]通過混雜纖維高強自密實混凝土彎曲韌性試驗，研究得出碳纖維與鋼纖維能夠在高強自密實混凝土開裂的不同階段，產生不同層次的混凝土改性作用,降低混凝土峰值荷載變形,提高混凝土的極限荷載以及彎曲韌度比。

鋼纖維以其自身具備的增強 、增韌優勢已被廣泛用于提升混凝土的力學性能[15-16]。而碳纖維以其較好的強度表現和較大的彈性模量已在水泥基改性材料中加以應用[17-18]。為此，本文選取鋼纖維和碳纖維作為混合纖維材料，利用劈裂抗拉強度試驗和落錘沖擊試驗，研究二者的混合效應對高性能混凝土劈裂抗拉強度和抗沖擊性能等力學性能的影響。

1 實 驗

1.1 實驗材料與配合比

水泥選用50.3 MPa普通硅酸鹽水泥；外加劑選用萘系高效減水劑；細骨料選用中砂與河砂，其中細度模數為2.4；粗骨料選用粒徑4～8 mm的碎石；鋼纖維由U表示，選用長度49 mm、等效直徑0.8 mm、抗拉強度1 000 MPa的鋼纖維；碳纖維由E表示，選用長度11 mm、等效直徑0.02 mm、抗拉強度2 600 MPa的高強碳纖維。高性能混凝土的配合比為m(每立方米質量水)∶m(水泥)∶m(減水劑)∶m(細骨料)∶m(粗骨料)=255∶471∶4∶616∶1 051。

1.2 試件制備與設計分組

1.2.1 試件制備

試件的標準是210 mm×210 mm×60 mm的長方體，用強制式攪拌機攪拌，平板式振動臺振動緊致成型。纖維增強混凝土試件制造中，注入80%的水攪動3 min，再逐漸放進50%的纖維攪動4 min，這樣可以不讓纖維成團，再把剩余的水和減水劑加進去攪動6 min，最后把剩余的50%的纖維加進去攪動6 min，經過24 h便可脫模。

1.2.2 試件設計分組

混合纖維對高性能混凝土力學性能的影響，可通過對比鋼纖維與碳纖維的不同摻入量得出[19-20]。試件包括無纖維混凝土試件、一種纖維混凝土試件與混合纖維混凝土試件。試件設計分組如表1所示。

表1 試件設計分組匯總表(kg/m3)Table 1 Sample design grouping summary table(kg/m3)

1.3 試驗方法

1.3.1 劈裂抗拉強度試驗

依據GB/T50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》對劈裂抗拉強度進行測試。在2 500 kN的壓力試驗機上進行試驗，預先在混凝土試件上畫出中心線，按照鋼弧形墊塊、木質墊板、試件的順序，將三者依次放置于壓力試驗機上，確保三者的中心線對準壓力試驗機的中心線，控制加載速率為0.06 MPa/s，對劈裂抗拉強度進行平均加荷。當試件臨近破壞時(即變形速度變快時)，停止壓力試驗機，直至試件破壞。

劈裂抗拉強度的計算公式如式(1)

(1)

其中，fia為立方體試件的劈裂抗拉強度，MPa；Fimax為劈裂抗拉破壞荷載，N；Ai為劈裂面積，mm2。

1.3.2 落錘沖擊試驗

抗沖擊性能主要有抗壓強度和延性比提升率兩大因素，本文采用落錘沖擊法進行測試，這種方法是通過一定質量的鋼錘由固定高度自由落下沖擊試件，并記載初裂和破壞的沖擊次數，試驗采用質量為7.3 kg的鋼錘，下落高度為35 cm。通過比較初裂和破壞的鋼錘沖擊次數完成對高性能混凝土的抗沖擊性能的測試。

2 結果與分析

2.1 劈裂抗拉強度試驗結果

2.1.1 劈裂抗拉強度的提升系數對劈裂抗拉強度影響

根據劈裂抗拉強度試驗，得出各組試件的劈裂抗拉強度。由此可計算出試件劈裂抗拉強度的提升系數，計算公式如式(2)

(2)

其中，β表示混合纖維混凝土試件劈裂抗拉強度的提升系數，f為纖維混凝土試件的劈裂抗拉強度，fm為基體高性能混凝土的劈裂抗拉強度。

根據式(2)可知，β>1.0時，纖維可增強基體高性能混凝土的劈裂抗拉強度；β<1.0時，纖維可降低基體高性能混凝土的劈裂抗拉強度。劈裂抗拉強度試驗結果如表2所示。

表2 劈裂抗拉強度試驗結果Table 2 The results of splitting tensile strength test

分析表2數據可知，僅有試件編號7的β<1.0，即當混凝土中鋼纖維的摻量為4.0%、碳纖維的摻量為0時，纖維的摻入會降低基體高性能混凝土劈裂抗拉強度。其余比例的纖維摻入均會增強基體高性能混凝土劈裂抗拉強度。

2.1.2 摻入量不同對劈裂抗拉強度的影響

圖1為摻入不同量的碳纖維對試樣劈裂抗拉強度提升系數的影響，鋼纖維摻入量用i表示，碳纖維摻入量用j表示，選取鋼纖維的含量為0，2.0%和4.0%為研究對象。從圖1可以看出，高性能混凝土試樣的劈裂抗拉強度提升與摻入混合纖維的量有關，且具有不同的規律。當i為0時，隨著j的增加，試樣劈裂抗拉強度提升系數先降低后提升，在j為1.0%時，試樣劈裂抗拉強度提升系數最大為1.74；當i為2.0%和4.0%時，隨著j的不斷增加，試樣劈裂抗拉強度的提升系數先提升后降低，在i為4.0%、j為0.7%時，試樣劈裂抗拉強度提升系數最大為1.56。由圖1可知，摻入任意比例碳纖維的高性能混凝土試樣劈裂抗拉強度的提升系數均大于1.0。

圖1 碳纖維的摻入量對試樣劈裂抗拉強度提升系數影響Fig 1 Effect of carbon fiber content on splitting tensile strength improvement coefficient of specimens

圖2為摻入不同量的鋼纖維對試樣劈裂抗拉強度提升系數的影響，鋼纖維摻入量用i表示，碳纖維摻入量用j表示，選取碳纖維的含量為0，0.5%和1.0%為研究對象。從圖2可以看出，當j為0時，隨著i的增加，試樣劈裂抗拉強度提升系數逐步降低，在i為2.0%時，試樣劈裂抗拉強度提升系數最大為1.61；當j為0.5%和1.0%時，隨著i的不斷增加，試樣劈裂抗拉強度的逐步提升，在i為4.0%、j為1.0%時，試樣劈裂抗拉強度提升系數最大為1.41。由圖2可知，在碳纖維摻入量為0、鋼纖維的摻量為4.0%時，高性能混凝土試樣劈裂抗拉強度的提升系數小于1.0。

圖2 鋼纖維的摻入量對試樣劈裂抗拉強度提升系數影響Fig 2 Effect of steel fiber content on splitting tensile strength improvement coefficient of specimens

通過圖1和2可知，摻入混合纖維的高性能混凝土試樣的劈裂抗拉強度提升系數隨著鋼纖維摻量的增加而提升，而隨著碳纖維摻量的增加先提升后降低。只摻入碳纖維時，碳纖維摻入量為1%時，試樣劈裂抗拉強度的提升系數最多增加了50%；只摻入鋼纖維時，鋼纖維的摻入量越多，試樣劈裂抗拉強度的提升系數越小，而且減小了基體高性能混凝土的劈裂抗拉強度。

高性能混凝土中纖維的三維混亂分布形成“三維網絡體系”和纖維同高性能混凝土彼此的粘結力，增強混合纖維對基體高性能混凝土劈裂抗拉強度的提升系數。當裂縫開始起裂，為了終止裂縫持續擴大，緩解裂縫附近的應力集中，使高性能混凝土基體里的應力連續與均勻，需要纖維通過連接裂縫完成荷載的傳輸。所以高性能混凝土劈裂抗拉強度的提升可通過混合纖維的摻入實現。

2.1.3 混合效應系數對劈裂抗拉強度的影響

通過纖維混合效應系數(式3)描述混合纖維對基體高性能混凝土劈裂抗拉強度的提升結果

(3)

其中，α為混合效應系數，βsp為混合纖維高性能混凝土劈裂抗拉強度，βs為單摻鋼纖維高性能混凝土劈裂抗拉強度，βp為單摻碳纖維高性能混凝土劈裂抗拉強度。當α>1時，說明產生正混合效應；當α<1時，說明產生負混合效應。

表3為混合纖維高性能混凝土試樣的混合效應系數。從表3可以看出，高性能混凝土試樣的劈裂抗拉強度通過加入混合的鋼纖維與碳纖維形成混雜效應。不同摻量的混合纖維產生的混雜效應系數變化并沒有特定的規律。當鋼纖維摻量為4.0%、碳纖維摻量為0. 5%時，試樣的混合效應系數為1.35，此時產生正混合效應，提升了高性能混凝土試樣的劈裂抗拉強度。

表3 混合纖維高性能混凝土試樣的混合效應系數Table 3 Mixing effect coefficient of high performance concrete with mixed fiber

2.2 抗沖擊性能試驗結果

2.2.1 抗沖擊性能結果分析

圖3為高性能混凝土和混合纖維高性能混凝土試件沖擊的損壞程度比較結果。開始進行沖擊試驗時，每沖擊一次都會產生清脆的聲音，兩種試件基本沒有變化，高性能混凝土試件的中心表面的局部同樣沒有受損。進行重錘沖擊時，會產生回彈，大部分試件初裂的裂縫是與邊長平行展開而且貫通，都是由試件中心開始形成裂縫。形成初裂后，沖擊的聲音發生變化，由清脆變得低沉，而且兩種試件均有程度不一的變形。在兩種試件沖擊破壞發生過程中，出現了十字貫通的裂縫，最后變成破壞狀態。從圖3(a)和(b)可以看出，起初出現裂縫并伴有斷裂破壞的是高性能混凝土試件。從圖3(c)和(d)可以看出，起初出現裂縫但可以繼續承受沖擊荷載的是混合纖維高性能混凝土試件。隨著沖擊試驗進行，試件的裂縫展開逐漸變大，損壞程度也持續變大，混合纖維高性能混凝土試件的損壞程度始終小于高性能混凝土試件，可知鋼纖維與碳纖維的混合可以阻止裂縫持續展開。

圖3 高性能混凝土和混合纖維高性能混凝土試件沖擊的損壞程度比較結果Fig 3 Comparison results of damage degree of high performance concrete and mixed fiber high performance concrete under impact

表4為沖擊試驗數據。其中，初裂次數R′代表試件承受R′次沖擊時出現初始裂縫(貫通裂縫)，破壞次數R代表試件承受R次沖擊時出現初始裂縫(貫通裂縫)。破壞程度屬于延性破壞還是脆性破壞通過R/R′的比值決定。若R/R′的比值大，說明試件出現裂縫后還可以承受沖擊荷載，裂縫呈現慢慢延伸與擴展的形態，說明該試件屬于延性破壞。由表4可知，試件4的R/R′數值最大，其破壞程度屬于延性破壞，而試件1的R/R′數值最小，其破壞程度屬于脆性破壞。通過比較混合纖維高性能混凝土與高性能混凝土的初裂及破壞沖擊次數，可知高性能混凝土摻入混合纖維能夠提升抗沖擊能力。

表4 沖擊試驗數據Table 4 The data of impact test

圖4為不同試件初裂和破壞兩種狀態下的抗沖擊能力提升倍數比較。由圖4和表4可知，初裂狀態下，試件5和6的R′纖維砼/R′素砼值分別為4.6和5.12；破壞狀態下，試件5和6的R纖維砼/R素砼值分別為5.6和6.92。可知試件5和6的的抗沖擊性能提升最多。

圖4 不同試件的抗沖擊能力提升倍數比較Fig 4 Comparison of improvement times of impact resistance of different specimens

2.2.2 纖維類型與混合組合對抗沖擊性能的影響

圖5為纖維摻量對高性能混凝土抗壓強度與延性比提升率的關系，不加任何纖維的基礎高性能混凝土的抗壓強度是45 MPa。從圖5(a)可以看出，隨著鋼纖維的加入，試件的抗壓強度開始增大，當單摻2%的鋼纖維時，試件的抗壓強度增大至51 MPa；而隨著碳纖維的混加入，試件的抗壓強度開始減小，當單摻0.5%的碳纖維時，試件的抗壓強度減小至43 MPa。試件抗壓強度的提升需要通過鋼纖維與碳纖維混合加入得到改善，當纖維總含量為3%時，試件的抗壓強度提升至56 MPa；當纖維總含量為4.5%時，試件的抗壓強度提升至58 MPa。所以混合纖維大幅提升了高性能混凝土試件的抗壓強度。從圖5(b)可以看出，當單摻4%的鋼纖維時，試件的延性比提升率為59%；當單摻1%的碳纖維時，試件的延性比提升率為80%；當纖維總含量為5%時，試件的延性比提升率為110%。可知混合纖維大幅提升了高性能混凝土試件的延性比提升率。

圖5 纖維摻量對高性能混凝土抗壓強度與延性比提升率的關系Fig 5 Effect of fiber content on compressive strength and ductility ratio of high performance concrete

綜上分析可知，單摻碳纖維減弱了高性能混凝土試件的抗壓強度，單摻鋼纖維雖然可以加強試件的抗壓強度但試件的延性比提升率不高。結合抗壓強度與延性比提升率分析得出，混合纖維比單一纖維有優勢，更能夠增強高性能混凝土試件的抗沖擊性能。

3 結 論

制備了無纖維混凝土試件、一種纖維混凝土試件與混合纖維混凝土試件，通過劈裂抗拉強度試驗與抗沖擊性能試驗，研究了鋼纖維和碳纖維的混合效應對高性能混凝土力學性能的影響。得到如下結論：

(1)在碳纖維摻入量為0、鋼纖維的摻量為4.0%時，高性能混凝土試樣劈裂抗拉強度的提升系數小于1.0，纖維的摻入會降低基體高性能混凝土劈裂抗拉強度；在一定范圍內，摻入混合纖維的高性能混凝土試樣的劈裂抗拉強度提升系數隨著鋼纖維摻量的增加而提升，而隨著碳纖維摻量的增加先提升后降低。通過混合纖維的摻入可提升高性能混凝土的劈裂抗拉強度。

(2)高性能混凝土試樣的劈裂抗拉強度通過加入混合的鋼纖維與碳纖維形成混雜效應。當鋼纖維摻量為4.0%、碳纖維摻量為0. 5%時，試樣的混合效應系數為1.35，產生正混合效應，提升了高性能混凝土試樣的劈裂抗拉強度。

(3)沖擊試驗中，混合纖維高性能混凝土試件的損壞程度始終小于高性能混凝土試件，可知鋼纖維與碳纖維的混合可以阻止裂縫持續展開，高性能混凝土摻入混合纖維能夠提升抗沖擊能力。

(4)當纖維總含量為4.5%時，試件的抗壓強度提升至58 MPa，混合纖維大幅提升了高性能混凝土試件的抗壓強度；當纖維總含量為5%時，試件的延性比提升率為110%，混合纖維大幅提升了高性能混凝土試件的延性比提升率。因此混合纖維比單一纖維有優勢，更能夠增強高性能混凝土試件的抗沖擊性能。