纖維增強型水泥混凝土抗變形分析及應用

唐魁

摘 要：針對傳統水泥凝土材料自身脆性強和韌性不足的問題，提出在混凝土制備過程中摻入纖維，并分析了纖維種類、纖維長度和纖維摻量對混凝土韌性的變化影響。結果表明：長鋼纖維對水泥混凝土增韌效果最好。當長鋼纖維摻量為0.7%時，混凝土試件韌性最佳，此時，混凝土試件抗折強度為5.12 MPa，彎曲韌性指數I10和I20分別比素混凝土增加了291%和415%。將摻量為0.7%的長鋼纖維混凝土用于路面時，可減小路面厚度，加大縮縫間距，降低工程造價，節約施工和維修成本。

關鍵詞：鋼纖維混凝土;聚丙烯纖維混凝土;抗折強度;增韌效果

中圖分類號：TQ340 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）04-0135-04

Abstract： In view of the problems of strong brittleness and insufficient toughness of traditional cement concrete materials， it is proposed to add fiber in the process of concrete preparation. Meanwhile， the influence of fiber type， fiber length and fiber content on toughness of concrete is analyzed. The results show that long steel fiber has the best toughening effect on cement concrete. When the content of long steel fiber is 0.7%， the toughness of concrete specimen is the best. At this time， the bending strength of concrete specimen is 5.12 MPa， and compared with plain concrete， the flexural toughness indexes I10 and I20 are increased by 291% and 415% respectively. When 0.7% long steel fiber concrete is used in pavement， it can reduce pavement thickness， increase shrinkage joint spacing， reduce project cost and save construction and maintenance cost.

Key words：? steel fiber reinforced concrete; polypropylene fiber concrete; bending strength; toughening effect

水泥混凝土是目前較為常見的一種建筑材料，因其材料獲得來源豐富、成本造價低、承載能力大，操作簡單等優點，被廣泛用于建筑行業。但隨著水泥混凝土材料的使用范圍增加，使用環境也越來越復雜，混凝土韌性不夠，在自然耦合環境的作用下，出現開裂損壞的現象，對整體建筑物造成破壞。因此，如何提升混凝土材料的韌性，是當前重點研究的項目。針對以上問題，國內很多專家進行了一系列研究，如郭光玲[1]將鋼纖維摻入混凝土試件中，并對摻入纖維的混凝土試件性能進行研究。結果表明：鋼纖維可有效增強混凝土試件韌性，在受荷載時，能夠有效預防混凝土試件出現裂縫。詹奇淇[2]選用玄武巖纖維對混凝土進行改性，研究了玄武巖纖維對混凝土性能的影響。結果表明，在混凝土試件中摻入玄武巖纖維后，泡沫混凝土性質發生改變，從脆性材料轉變成為韌性材料。以上專家的研究成果證明纖維對混凝土韌性增強起有效作用，但并未對纖維種類和長度對混凝土性能影響進行深入研究。基于此，本文從纖維本身出發，研究不同纖維對混凝土增韌機理。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

本試驗主要材料：硅酸鹽水泥（材廣發建材，P.O42.5）;砂（鴻諾礦產品，細度模數2.12）;碎石（永順礦產品，粒徑5～31.5 mm ）;銑削型鋼纖維（宇哲工程橡膠，長度分別為38 mm，28 mm）;丙烯酸纖維（鵬盈保溫材料，長度16 cm）;聚羧酸減水劑（英出化工科技，CP）。

本試驗主要設備：快速凍融試驗箱（一測儀器設備，TDR-II）;萬能試驗機（五星測試儀器，UTM-9100）;微機控制抗折試驗機（川測試驗設備，YAW-300）;混凝土攪拌器（朵麥信息科技，H1650）。

1.2 配合比設計

依據《公路水泥混凝土路面施工技術細則》（JTG/T F30─2014）和《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55─2011）對混凝土配合比進行設計[3]。具體配比如表1所示。

1.3 試驗方法

在H1650型混凝土攪拌機中依次倒入石子、砂、減水劑和纖維，在低速模式下攪拌120 s。然后加入水泥，繼續低速攪拌60 s。最后將全部用水量倒入攪拌機中，先在低速模式下攪拌60 s，再打開高速模式攪拌120 s。將混合物倒入模具，靜置24 h后脫模，將混凝土試件移入標準養護室，在養護溫度和相對濕度分別為（20±3）℃和95%的條件養護28 d，具體攪拌流程如圖1所示。

1.4 性能測試

1.4.1 抗折性能

用YAW-300型抗折試驗機對抗折性能進行研究。

1.4.2 彎曲性能

參照 CECS13-2009《纖維混凝土試驗方法標準》和JGJ/T 221─2010《纖維混凝土應用技術規程》規定采用三分點加載方式測定混凝土的彎曲性能[4]。

1.4.3 抗凍性能

參照（ GB/T 50082─2009）規定對混凝土抗凍性能進行測定[5-6]。

2 結果與討論

2.1 抗折強度試驗結果

圖2為所有試件抗折強度試驗結果。由圖2可知，纖維混凝土的抗折強度皆有所上升，這是因為纖維在混凝土內部起到一定的架橋連接作用，在混凝土試件破壞過程中形成微裂縫，纖維對微裂縫的產生和擴張起到一定的阻礙作用，對混凝土試件抗折強度起積極作用。其中鋼纖維對混凝土的增韌效果高于聚丙烯纖維，這是因為鋼纖維自身抗折強度遠大于聚丙烯纖維，因此對混凝土試件的增強效果也遠大于聚丙烯纖維[7]。而LS-3和SS-7抗折強度與素混凝土抗折強度接近，這可能是因為在制備試件的過程中，沒有加入引氣劑，使得試件表面的空隙率相對較大，降低了抗折強度。LS-7混凝土試件抗折強度最高，達到5.12 MPa。繼續增加鋼纖維摻量，混凝土試件抗折強度反而有所降低，這是因為纖維摻量超過一定量以后，會發生一定的結團現象，導致混凝土試件的抗折強度有所降低[8]。

2.2 彎曲強度試驗結果

混凝土彎曲韌性結果如表2所示。由表2可知，鋼纖維混凝土試件彎曲強度指數最高，聚丙烯混凝土試件與素混凝土試件彎曲性能相近，證明聚丙烯纖維對混凝土的韌性不產生作用。這是因為在試驗過程中，采用0.05 MPa/s的加載速率對試件施加荷載，直至試件破壞，試件在承受極限荷載時，受拉區在跨中出現裂縫并迅速發展，在此過程中，聚丙烯纖維被拉出，因此沒有起到增韌的作用。而鋼纖維對混凝土的增韌效果較大，其中LS-7的I10和I20的增韌效果最明顯，分別增加了291%和415%。這是因為適宜的鋼纖維摻量能使鋼纖維均勻地在混凝土中分散，隨著荷載的增加，試件承受極限荷載，受拉區開裂，此時鋼纖維發揮作用，起到一定家橋連接作用，承擔一部分外力，對裂縫的延續有一定的減緩作用，進而增加了混凝土試件的韌性。當纖維摻量過多，在混凝土內部易出現成團現象，在受外界荷載時，纖維被拉斷或被破壞，造成鋼纖維對混凝土試件增韌效果不明顯。在纖維種類和纖維摻量相同的情況下，短鋼纖維彎曲韌性比相對較大，這是因為短鋼纖維初裂強度低，使得計算結果相對偏大。

2.3 凍融循環試驗結果

圖3為LS-7混凝土試件和素混凝土試件凍融前后抗折強度的變化。由圖3可知，凍融后的素混凝土試件比凍融前的素混凝土試件抗折強度下降了11.6%，凍融后LS-7混凝土試件僅比凍融前LS-7試件抗折強度下降了10.3%，證明LS-7試件的抗凍性能優于素混凝土。

3 鋼纖維混凝土實際應用特點

通過以上的試驗制備，將其應用到實際的路面工程中，該混凝土體現出以下特點：

（1）減小路面厚度：用素混凝土作為面層材料時，路面厚度一般需要達到200～300 mm。鋼纖維對混凝土韌性、抗裂性和抗彎拉、耐疲勞都有明顯優化作用，因此厚度達到110～160 mm就能滿足要求，降低路面厚度，進而降低工程造價;

（2）增大橫縫間距：鋼纖維能夠有效阻止早期裂紋形成，這就導致混凝土路面板在尺寸得以改變，因此在混凝土路面板尺寸難以改變。也就是在滿足設計標準的情況下，縮縫間距得到提高，這就節約了施工和維修成本，有更好的舒適性體驗。

4 結語

本文通過在混凝土中摻入纖維研究了纖維對混凝土的增韌機理。通過改變纖維種類、摻量和長度，研究了纖維對混凝土力學性能的影響。具體結論如下：

（1）所有纖維對混凝土皆有增韌作用，其中摻量為0.7%的長鋼纖維（38 mm）對混凝土的增韌作用最明顯;

（2）聚丙烯纖維對混凝土試件抗彎拉性能作用不明顯，摻量為0.7%的長鋼纖維對混凝土試件抗彎拉性能優化較明顯，I10和I20分別比素混凝土增加了291%和415%;

（3）凍融循環試驗后，凍融前后的LS-7混凝土試件和素混凝土抗折強度分別下降10.3%和11.6%，LS-7試件的抗凍性能優于素混凝土;

（4）鋼纖維混凝土可用于路面建設，具有降低厚度，增加縮縫間距和舒適性，降低成本等優點。

【參考文獻】

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