劍麻-耐堿玻璃纖維混凝土基本強度研究

余美琳，李潤澤，陳 杰，曹雅琪，金 康，潘 錦，周小龍

武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430074

纖維混凝土是一種以砂漿、水泥漿或混凝土為基礎材料的新型水泥基復合材料，纖維均勻地摻在混凝土基體中，起到增強力學性能的作用［1-3］。相較于普通混凝土，纖維混凝土具有更好的抗裂、抗拉、抗折等性能，擴展了混凝土的應用領域［4-5］。

近年來，國內外學者對纖維混凝土進行了大量研究，并取得了重要研究成果，但前人的研究過多關注無機纖維（如鋼纖維等［6-7］）的摻入，而對于量大且價格低廉的植物纖維摻入混凝土的研究成果較少。但劍麻纖維（sisal fiber，SF）作為一種綠色環保的植物纖維，具有價格低廉、韌性和彈性模量高、抗拉抗腐蝕性好等特點［8-10］，SF的加入在一定程度上能夠提高混凝土的劈裂抗拉強度和彈性模量［11］，同時抑制混凝土裂縫的開展，延緩有害離子的入侵，從而提高結構的耐久性［12］，延長混凝土結構的使用壽命［12-13］。SF混凝土的各種優良性能使其廣泛應用于各類工程中，尤其在具有抗裂需求的碼頭、水利等工程中［14-15］。同時耐堿玻璃纖維（alkali resistant glass fiber，ARGF）具有抗拉強度高、較好的流動性、與混凝土漿料的包裹黏結性好等性能。ARGF的摻入較大程度地提高了混凝土的抗折和抗拉強度［16］，并且已成功應用于某隧道工程，取得了良好的成效［17］。

SF和ARGF具備上述優良性能且對綠色建筑的發展具有較大意義，因此本文以強度等級為C30的普通混凝土為基體，分別摻入SF、ARGF及劍麻-耐堿玻璃混雜纖維（sisal and alkali-resistant glass hybrid fiber，SRGHF），配制纖維混凝土并開展抗壓、劈裂抗拉、抗折試驗，研究不同體積摻量的纖維對普通混凝土基本強度的影響，同時探討纖維最佳體積摻量。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

水泥：P·O 42.5級水泥，相關參數見表1；細骨料：河砂，為Ⅱ區中砂，堆積密度為1 480 kg/m3，表觀密度為2 559 kg/m3，細度模數為2.62，含泥量為0.5%，級配合格；粗骨料：碎石，相關參數見表2；粉煤灰：I級粉煤灰，相關參數見表3；減水劑：FDN高效減水劑，減水率可達25%；水：自來水；纖維：SF和ARGF，其中SF見圖1（a），ARGF見圖1（b），相關參數見表4。

表1 水泥的主要技術指標Tab.1 Main technical indicators of cement

表2 碎石的主要技術指標Tab.2 Main technical indicators of gravel

表3 粉煤灰各成分的化學成分Tab.3 Chemical composition of fly ash %

表4 纖維的相關參數Tab.4 Technical indicators of fiber

圖1 纖維圖：（a）劍麻纖維，（b）耐堿玻璃纖維Fig.1 Images of fibers：（a）SF，（b）ARGF

1.2 試驗配合比

配制強度等級為C30的普通混凝土［18-19］，配合比見表5。

表5 混凝土配合比Tab.5 Mixture ratios of concrete

選用SF和ARGF，以及SRGHF摻入強度等級為C30的普通混凝土中，制得纖維混凝土。兩種纖維混雜的體積摻量比為1∶1時，兩種纖維處于摻量相同的狀態，摻入混凝土中不僅可以最大程度地發揮兩種纖維各自的優勢，還能起到較好的混雜效應，對混凝土各項性能均有較好的提升。考慮到纖維低體積摻量有利于控制混凝土早期裂縫的開展，而高體積摻量的作用主要是改變混凝土的工作性質，且當纖維的體積摻量為0.06%～0.20%時，混凝土的抗裂性能有較大程度的提升［18］。因此，本文選擇纖維體積摻量為0、1.5、2.0、2.5 kg/m3（即體積摻量的范圍是0.06%～0.1%）開展相關試驗研究。

1.3 試件制備

制作混摻和單摻纖維混凝土的攪拌工序流程見圖2［20］。待拌合物變為膠體狀態時，檢查混凝土的流動性，測得坍落度的范圍為163～174 mm，并成型試塊。

圖2 纖維混凝土攪拌工序：（a）混摻纖維混凝土，（b）單摻纖維混凝土Fig.2 Mixing procedures of fiber concrete：（a）assorted fiber concrete，（b）single fiber concrete

SF是天然纖維，有一些雜質附在表面，在使用前應將SF浸泡在質量分數為1%的NaOH溶液中30 min，再用清水沖洗、晾曬干燥［21］。

1.4 試驗方法

根據配合比配制10組試件，其中單摻SF混凝土3組，單摻ARGF混凝土3組，混摻纖維SRGHF混凝土3組，空白組1組（不摻加任何纖維）。每組試驗包含3個試塊，各試塊均為非標準試件，試塊尺寸及其換算系數見表6。標準養護28 d后，根據規范測得混凝土試塊各項性能［22-23］。以每組3個試件的算術平均值作為該組的強度（精確至0.001 MPa）。

表6 試件尺寸及換算系數Tab.6 Size and conversion coefficients of specimen

2 結果與討論

2.1 破壞形態

試件抗壓破壞形態見圖3。圖3（a）為SRGHF組試件的外觀形貌，其中兩種纖維體積摻量均為2.5 kg/m3，圖3（b）為空白組試件的外觀形貌。空白組在剛開始時試件被壓縮，未出現較明顯的破壞特征。隨著荷載不斷增加，宏觀表現出明顯的貫穿裂縫，破壞瞬間發生較大聲響，試件側面混凝土塊剝落較多，整個試件裂為兩部分，斷口處形狀不規則，部分粗骨料發生破壞，表現出明顯的脆性破壞特征。SRGHF組在破壞瞬間也出現較大聲響，但裂縫寬度及破碎區域較空白組明顯減小，同時側面混凝土脫落較少，斷口處少有粗骨料破壞，纖維在斷口處分布較為均勻。

圖3 試件受壓破壞形態：（a）SRGHF組，（b）空白組Fig.3 Compressive failure patterns of specimens：（a）SRGHFgroup，（b）blank group

試件抗拉破壞形態見圖4。圖4（a）為空白組試件的斷口形貌；圖4（b）為SRGHF組試件的外觀形貌，其中纖維體積摻量為2.5 kg/m3。空白組試件破壞瞬間幾乎完全裂開為兩部分，斷面比較平整，斷面內粗骨料大量被破壞；摻入混雜纖維后，試件在加載過程中抗拉強度明顯增大，加載到極限荷載的瞬間試件突然發生劈裂現象，并且伴有較大聲響，屬于脆性破壞，破壞時斷口較為平整，且在斷面內出現均勻分布的纖維，部分纖維被拉斷，混凝土表面的裂縫變得小而細，體現出纖維吸收了斷裂時的部分能量。

圖4 試件劈裂抗拉破壞形態：（a）空白組，（b）SRGHF組Fig.4 Splitting tensile failure patterns of specimens：（a）blank group，（b）SRGHF group

試件抗折破壞形態見圖5。圖5（a）為SRGHF組試件的斷口形貌，其中纖維體積摻量為2.5 kg/m3；圖5（b）為空白組試件的外觀形貌。空白組混凝土試件在初期未出現開裂現象，隨著荷載增大，試件表面出現斜裂縫帶，且裂縫寬度逐漸增大，直至裂縫貫穿整個截面，當達到破壞荷載時，試件崩斷破壞并發出巨大聲響，破壞過程時間較短，為脆性破壞特征。而SRGHF組的破壞表現出一定的延性，裂縫出現的時間較空白組長，達到極限荷載時，出現裂縫，在斷裂處觀察到纖維分布均勻且有明顯斷裂，試件破壞。

圖5 試件抗折破壞形態：（a）SRGHF組，（b）空白組Fig.5 Flexural failure patterns of specimens：（a）SRGHFgroup，（b）blank group

2.2 結果分析

2.2.1 抗壓強度纖維混凝土試塊抗壓強度與纖維體積摻量及種類關系如圖6（a）所示。

當纖維體積摻量從0變化到2.5 kg/m3，3種纖維28 d抗壓強度呈現先上升再下降的變化規律，且整體相對于空白組都有不同程度的提升。纖維體積摻量為1.5 kg/m3時，ARGF、SF、SRGHF混凝土的抗壓強度較空白組分別提升了3.55%、7.40%、0.51%；纖維體積摻量為2.0 kg/m3時，ARGF、SF、SRGHF混凝土的抗壓強度較空白組分別提升了9.14%、9.74%、9.79%；纖維體積摻量為2.5 kg/m3時，ARGF、SF、SRGHF混凝土的抗壓強度較空白組分別提升了0.27%、5.75%、5.38%。當纖維體積摻量為2.0 kg/m3時，試塊的抗壓強度提升幅度最大，纖維體積摻量為2.5 kg/m3時次之，纖維體積摻量為1.5 kg/m3時試塊的抗壓強度提升幅度較低，同時當體積摻量為2.0 kg/m3時，SRGHF組的試件抗壓強度提升大于單摻SF組和ARGF組。

結果表明，當纖維摻量合適時，混雜纖維比單一纖維能更好地提升纖維混凝土的抗壓強度。

2.2.2 劈裂抗拉強度纖維混凝土試塊劈裂抗拉強度與纖維體積摻量及種類關系如圖6（b）所示。

當纖維體積摻量從0變化到2.5 kg/m3，3種纖維28 d劈裂抗拉強度呈現大幅上升、下降再上升的變化規律，且整體相對于空白組都有不同程度的提升。纖維體積摻量為1.5 kg/m3時，ARGF、SF、SRGHF混凝土的劈裂抗拉強度較空白組分別提升了6.63%、15.74%、21.31%；纖維體積摻量為2.0 kg/m3時，ARGF、SF、SRGHF混凝土的劈裂抗拉強度較空白組分別提升了4.57%、4.87%、7.39%；纖維體積摻量為2.5 kg/m3時，ARGF、SF、SRGHF混凝土的劈裂抗拉強度較空白組分別提升了5.50%、9.84%、9.28%。由此可知，纖維體積摻量為1.5 kg/m3時試塊的劈裂抗拉強度最高，纖維體積摻量為2.5 kg/m3時次之，纖維體積摻量為2.0 kg/m3時試塊的劈裂抗拉強度最低，在摻量為1.5 kg/m3時，混雜纖維混凝土的劈裂抗拉強度比單摻纖維混凝土的提升效果更好。

混雜纖維在混凝土內部的優勢互補作用，使混凝土在纖維體積摻量合適時，基體的劈裂抗拉強度能得到最大程度的提升。

2.2.3 抗折強度纖維混凝土試塊抗折強度與纖維體積摻量及種類關系如圖6（c）所示。

圖6 纖維混凝土試件的基本強度變化趨勢：（a）抗壓強度，（b）劈裂抗拉強度，（c）抗折強度Fig.6 Variation trend of mechanical properties of fiber concrete specimens：（a）compressive strength，（b）splitting tensile strength，（c）flexural strength

當纖維體積摻量從0變化到2.5 kg/m3，3種纖維28 d抗折強度均呈現大幅上升、下降再上升的變化規律，且整體相對于空白組都有不同程度的提升。纖維體積摻量均為1.5 kg/m3時，ARGF、SF、SRGHF混凝土的抗折強度較空白組分別提升了3.03%、5.65%、8.33%；纖維體積摻量均為2.0 kg/m3時，ARGF、SF、SRGHF混凝土的抗折強度較空白組分別上升了2.33%、2.09%、1.74%；纖維體積摻量均為2.5 kg/m3時，ARGF、SF、SRGHF混凝土的抗折強度較空白組分別提升了2.71%、4.71%、2.45%。纖維體積摻量一定時，SRGHF對混凝土抗折強度提升效果最好，其次是單摻SF，再次是單摻ARGF。

綜合來看，相對于空白組，不同體積摻量的ARGF、SF、SRGHF的抗折強度均有不同程度增長，其中SRGHF對抗折性能的改善作用最為明顯。同時當纖維的體積摻量合適時，混凝土的抗折強度可以得到最高程度的提升。

3 結 論

通過相關試驗，探討了纖維的摻量及類型對普通混凝土基本強度變化規律的影響，得出以下結論：

（1）纖維體積摻量增加時，混凝土的抗壓強度先上升后下降，且各體積摻量的纖維混凝土抗壓強度均高于空白組。當纖維體積摻量為2.0 kg/m3時，SRGHF、ARGF和SF均最大程度提升混凝土的抗壓強度，分別提升9.79%、9.14%和9.74%。

（2）混凝土的劈裂抗拉強度隨著纖維體積摻量的增加出現先上升后降低再上升的規律，并且相較于空白組均有提高。當纖維體積摻量為1.5 kg/m3時，SRGHF、ARGF和SF均最大程度提升混凝土的劈裂抗拉強度，分別提升21.31%、6.63%和15.74%。

（3）摻入纖維后的普通混凝土抗折強度有著類似于劈裂抗拉強度的規律，呈現出先上升后降低再上升的規律，并且相較于空白組均有提高。當纖維體積摻量為1.5 kg/m3時，SRGHF、ARGF和SF均最大程度提升混凝土的抗折強度，強度分別提高8.33%、3.03%和5.65%。

（4）在同一試驗中，混雜纖維混凝土的力學性能優于單摻纖維混凝土。試驗表明，ARGF和SF體積摻量為1∶1時能體現出較好的正混雜效應，纖維所形成的空間混雜網狀結構可以有效地增強混凝土的強度。