鋼纖維與耐堿玻璃纖維混摻的混凝土力學性能研究

宋 敏 馬文飛 張云龍

（吉林建筑大學，吉林 長春 130118）

0 引言

混凝土被廣泛應用在建筑、橋梁、道路建設中。但普通水泥混凝土自身屬于脆性材料，易開裂，而混凝土開裂很難修復。混凝土摻加纖維是有效改善水泥基復合材料韌性和強度的重要方法之一，目前比較常用的纖維類型有碳纖維、鋼纖維、天然纖維、聚合物和玻璃纖維等。不同纖維的性能存在明顯差異，混雜纖維相較于單一纖維可能會產生協(xié)同的混雜效應，充分發(fā)揮各種纖維的增韌和增強效應[1,2]。有研究者試驗探討了纖維混雜對混凝土抗沖擊、抗彎和抗拉強度的影響，結果顯示纖維混雜能夠發(fā)揮協(xié)同作用，有利于阻止裂縫的形成與發(fā)展，增強混凝土的抗沖擊性能［3,4］。本文將通過抗壓試驗、劈裂抗拉試驗、抗折強度試驗研究摻雜鋼纖維與耐堿玻璃纖維對混凝土的力學性能的影響，從而得出混凝土中最佳的纖維摻量。

1 纖維對混凝土力學性能的影響研究成果

鋼纖維混凝土在纖維增強混凝土中有很大的應用前景。Shi等[5]根據研究得出體積摻量為1.0%的鋼纖維能較好地抑制裂縫的開展，使混凝土韌性達到最大值。高丹盈等[6,7]通過單軸受壓試驗對鋼纖維再生混凝土進行研究，發(fā)現(xiàn)摻入鋼纖維使再生混凝土發(fā)生剪切破壞，其應力-應變曲線更加飽滿，說明了鋼纖維對混凝土的增強具有優(yōu)越作用。

玻璃纖維混凝土在增強混凝土的韌性方面也有不小的作用。WC Wang 等[8]研究發(fā)現(xiàn)在混凝土中加入短玻璃纖維時，如果纖維量過大則會降低混凝土的抗折強度，當加入的玻璃纖維足夠長時，抗折強度會隨著纖維用量的增加而增加。Paulmakesh等[9]的研究表明0.75%的摻量是最佳纖維百分比，且隨著纖維百分比的增加試件強度逐漸下降，說明玻璃纖維對混凝土的韌性就具有明顯提升。

混雜纖維混凝土是由水泥、砂子、骨料和混雜纖維等材料混合而成，其中的混雜纖維可以提高混凝土的耐久性和其他性能。混雜纖維混凝土通常比傳統(tǒng)的混凝土更耐久、更可靠，且具有更好的抗裂性能和沖擊性能，因此被廣泛用于各種重載和高耐久性的結構中。混雜纖維通常采用不同種類和長度的纖維，如鋼纖維、聚丙烯纖維等，這些纖維可以增加混凝土的抵抗性能，從而提高混凝土的抗裂和抗沖擊能力。Raj D S ,Ramachandran A[10]研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維和混雜纖維(鋼纖維與聚丙烯纖維)對混凝土梁抗剪性能的影響，結果表明混雜纖維混凝土的劈拉強度、彎曲強度和彈性模量均高于鋼纖維混凝土。混雜纖維在混凝土中的作用機理是通過形成一個連續(xù)的纖維網絡，吸收和分散力量，限制和分散裂縫的形成和擴展，從而提高混凝土的耐久性和其他性能。

2 試驗研究

2.1 原材料及配合比

2.1.1 原材料

（1）水泥：吉林亞泰水泥有限公司生產，P·Ⅱ水泥，強度等級52.5，密度3.65g/cm3。

（2）骨料：機制砂級配如圖1所示。

圖1 機制砂級配

（3）粉煤灰：河北盛意礦產品貿易有限公司生產，Ⅰ級粉煤灰，細度10.6%，含水量0.11，強度活性指數74%。

（4）硅灰：含水量0.65%，SiO2含量90.14%。

（5）減水劑：HLX 聚羧酸高性能減水劑，減水率30%，含氣量3%。

（6）水：實驗室用水，符合規(guī)范要求。

（7）鋼纖維：武義能大金屬制品有限公司生產的鍍銅鋼纖維，直徑0.20 ㎜,長度12.91 ㎜，抗拉強度3015MPa。

（8）耐堿玻璃纖維：匯爾杰新材料科技股份有限公司生產的耐堿玻璃纖維，線密度2553tex，含水率0.12%，斷裂強度0.33N/tex，單纖維直徑13.1μm。

2.1.2 配合比

膠凝材料中水泥65%，硅灰15%，粉煤灰20%；水在材料中的體積摻量為20%；減水劑體積摻量為0.1%；鋼纖維的摻量有1.0%、1.5%、2.0%三種，耐堿玻璃纖維的摻量有1.0%、1.5%、2.0%、2.5%四種，一共12 組試驗。試驗的水膠比為0.2，砂膠比為0.7。具體配合比見表1。

表1 混凝土配合比（單位：kg/m3）

2.2 試驗內容

本試驗拌合物采用《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080-2016）的規(guī)定進行拌合制備，采用機械攪拌，振動臺振動成型，室內養(yǎng)護28d后進行實驗。攪拌中，為防止纖維攪拌不充分，發(fā)生成團現(xiàn)象，攪拌時先加入機制砂攪拌30s，之后邊攪拌邊加入稱好的玻璃纖維，加入玻璃纖維時必須慢慢攪拌，使得玻璃纖維較均勻地分布在混凝土中；玻璃纖維全部加入后，充分攪拌30s；再加入水泥、硅灰、粉煤灰充分攪拌30s，然后再用20㎜的篩網用搖篩的方式加入鋼纖維，最后加入水，讓其充分攪拌90s。試驗所用儀器如圖2所示。

圖2 混凝土試塊制備儀器

本試驗制備100mm×100mm×100mm 的試塊72塊，100mm×100mm×400mm 的棱柱體試塊36 塊。試驗測試了試塊的抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度3個力學性能，由此測試鋼纖維與玻璃纖維對混凝土試塊性能的影響。

3 試驗結果及分析

3.1 抗壓強度

纖維摻量對混凝土試塊28d抗折強度的影響如圖3所示。由圖3可知，混凝土試塊的抗折強度的變化趨勢與劈裂抗拉強度大致相同，即為先升后降。其中抗折強度隨鋼纖維摻量的增加而增加，玻璃纖維摻量為2%時，試塊的抗折強度變化率為13.17%、9.99%；玻璃纖維在摻量為2%時，試塊的抗折強度最高，當鋼纖維摻量在2%時，試塊的抗折強度隨玻璃纖維摻量增加而變化的幅度為0.34%、24.19%、-18.74%。由圖3可知，鋼纖維與耐堿玻璃纖維對混凝土的抗壓強度都有影響，呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。其中，鋼纖維和耐堿玻璃纖維對混凝土的抗壓強度影響都是先提升后降低。在耐堿玻璃纖維摻量為2%時，抗壓強度達到最高，當摻量提升至2.5%時抗壓強度略有下降，從含鋼纖維摻量為1.5%的試塊中可以看出，隨著玻璃纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強度相較于上一組的強度變化為1.93%、8.51%、-4.58%；在鋼纖維的摻量為1.5%時，抗壓強度最高，在鋼纖維摻量提升至2%時抗壓強度有所下降但仍高于鋼纖維摻量為1%時的抗壓強度。觀察玻璃纖維摻量為2%的試塊可知，隨著鋼纖維摻量的增加混凝土的強度變化為17.47%、-7.82%。

圖3 混凝土試塊28d抗壓強度

試驗結果表明，鋼纖維與玻璃纖維都可以提升混凝土的抗壓強度，但纖維摻量過高時混凝土強度就會下降。這是因為當試塊受到豎向荷載時，試塊會發(fā)生橫向變形，而內部的纖維依靠與機體的粘結力來限制試塊橫向變形，延緩裂縫發(fā)展，鋼纖維的抗裂性能更加的優(yōu)越，所以鋼纖維對試塊抗壓性能的提升要高于玻璃纖維所帶來的提升，而當鋼纖維與玻璃纖維超過1.5%與2%時，此時混凝土中的玻璃纖維摻量過多，攪拌時分散不均勻，包裹在玻璃纖維表面的水泥漿體變少，纖維與基體之間的粘結力下降，這使得纖維還未達到自身的極限抗拉強度時就被拔出基體之中，抗拉能力沒有充分發(fā)揮出來，導致混凝土試塊抗壓強度降低；鋼纖維在試塊的澆筑與振動中，由于自重會發(fā)生沉降，導致鋼纖維在試塊中分布不均勻，出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，混凝土試塊出現(xiàn)缺陷，導致混凝土試塊提前被破壞。在本試驗中抗壓強度最優(yōu)的試塊的纖維摻量為：鋼纖維1.5%，玻璃纖維2%。

3.2 劈裂抗拉強度

纖維摻量對混凝土試塊劈裂抗拉強度的影響如圖4 所示。由圖4 可知，混凝土的劈裂抗拉強度隨著纖維摻量的增加呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢，即先升后降。但在玻璃纖維摻量一定的情況下，混凝土試塊的劈裂抗拉強度隨著鋼纖維的摻量增加而增加，觀察玻璃纖維摻量為2%的混凝土試塊，隨著鋼纖維摻量增加混凝土試塊的劈裂抗拉強度的變化為16.39%、11.12%；而玻璃纖維不同，觀察鋼纖維摻量為2%的混凝土試塊，隨著玻璃纖維摻量的增加混凝土的劈裂抗拉強度的變化為46.25%、4.28%、-10.27%。

圖4 混凝土試塊劈裂抗拉強度

試驗結果表明，混凝土的劈裂抗拉強度在鋼纖維與玻璃纖維的影響下都有提升，且劈裂抗拉強度隨鋼纖維增加而增加，這是因為鋼纖維具有良好的抗拉性能，它與混凝土一起吸收能量，阻止混凝土試塊的開裂，直至鋼纖維停止發(fā)揮作用，且本試驗中使用的鋼纖維為12mm的長纖維，較之短纖維更不易被拔出而導致混凝土抗拉強度降低；而玻璃纖維摻量在0～2%之間時，混凝土試塊的抗拉強度在提升，這時混凝土試塊中的玻璃纖維量達到最優(yōu)，玻璃纖維之間分布較為均勻，間距也較小，這時玻璃纖維能夠提供的抗拉性能得到最大程度的發(fā)揮，當超過2%時，玻璃纖維就不能很好地分散在混凝土試塊中，從而抗拉強度下降。在本試驗中劈裂抗拉性能最好的試塊的纖維摻量為：鋼纖維2%，玻璃纖維2%。

3.3 抗折強度

纖維摻量對混凝土試塊抗折強度的影響如圖5 所示。根據圖5可知，混凝土試塊的抗折強度的變化趨勢與劈裂抗拉強度大致相同，即為先升后降。其中抗折強度隨鋼纖維摻量的增加而增加，玻璃纖維摻量為2%時，試塊的抗折強度變化率為13.17%、9.99%；玻璃纖維在摻量為2%時，試塊的抗折強度最高，當鋼纖維摻量在2%時，試塊的抗折強度隨玻璃纖維摻量增加而變化的幅度為0.34%、24.19%、-18.74%。

圖5 混凝土試塊抗折強度

試驗結果表明，玻璃纖維與鋼纖維都可以增加試塊的抗折強度，提升混凝土的韌性。纖維間距理論認為，在混凝土內部存在固有缺陷，如要提高強度，必須盡可能減小缺陷程度，提高材料的韌性，即抗變形能力，降低混凝土體內裂縫端部的應力集中系數。纖維在脆性材料中起阻止裂縫擴展的作用。本試驗中的纖維摻量對混凝土試塊抗折性能的影響與其對劈裂抗拉性能的影響大體相似，鋼纖維由于其出色的抗拉性能對混凝土試塊的抗折強度起到了很大的提升作用；在混凝土試塊中存在臨界纖維體積率，當玻璃纖維體積率大于一定量時才會起到明顯的增強作用，本試驗中玻璃纖維體積摻量達到2%時，混凝土試塊的抗折強度得到的提升最大，當超過2%時，混凝土試塊中的纖維就會發(fā)生纖維分散不均勻，纖維與基體之間的粘結力下降，抗折能力下降。本試驗中最優(yōu)的纖維摻量為：鋼纖維2%，玻璃纖維2%。

4 結束語

本文基于抗壓試驗、劈裂抗拉試驗、抗折試驗3種力學性能試驗，研究了耐堿玻璃纖維與鋼纖維混摻對混凝土性能的影響，得出如下結論：

（1）鋼纖維與玻璃纖維都可以提升混凝土的抗壓強度，但相較于玻璃纖維而言，鋼纖維對抗壓強度的提升更大。

（2）鋼纖維與玻璃纖維對混凝土試塊的劈裂抗拉強度與抗折強度都有提升，但當玻璃纖維摻量超過2%后就會降低。

（3）本次試驗中所有的抗壓試塊、劈裂抗拉試塊與抗折試塊在測試中只出現(xiàn)裂縫，沒有出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，更沒有直接被破壞。這表明鋼纖維與玻璃纖維可以提高混凝土的抗裂性能。

（4）不同玻璃纖維摻量對于抗壓強度的提升為1.93%、8.51%、-4.58%，對劈裂抗拉強度與抗折強度的提升分別為46.25%、4.28%、-10.27% 與0.34%、24.19%、-18.74%。可知玻璃纖維對混凝土的劈裂抗拉與抗折性能的提升要大于對抗壓強度的提升。

（5）最優(yōu)纖維混摻摻量為：鋼纖維2%，玻璃纖維2%。