橋梁工程用不同纖維混凝土彎曲韌性影響比較研究

摘要：為了提高橋梁工程用混凝土的彎曲韌性，考察了PVA纖維、鋼纖維以及混雜纖維對混凝土彎曲韌性的影響。試驗結果表明，當PVA纖維摻量為0.3%時，混凝土試件的抗彎拉強度、峰值載荷以及彎曲韌性指數均可以達到最大值；而隨著鋼纖維摻量的不斷增大，混凝土試件的抗彎拉強度、峰值載荷以及彎曲韌性指數均呈現出逐漸增大的趨勢，其中混雜纖維對混凝土彎曲韌性的增強效果明顯優于單一PVA纖維和鋼纖維；綜合考慮橋梁工程用混凝土的彎曲韌性和施工成本等因素，推薦在混凝土中摻入混雜纖維，其中PVA纖維的最佳摻量推薦為0.3%，鋼纖維的最佳摻量推薦為1.5%。

關鍵詞：橋梁工程；混凝土；混雜纖維；抗彎拉強度；彎曲韌性

中圖分類號：TU528；TQ325.1+2文獻表示碼：A文章編號：1001-5922（2024）10-0069-04

Experimental study on bending toughness of fiberreinforced concrete for bridge engineering

CHANG Tianbing

（ZhengZhou Road amp; Bridge Construction Investment Group Co.，Ltd.，Zhengzhou 450008，China）

Abstract：In order to improve the flexural toughness of concrete used in bridge engineering，the effects of PVA fi?bers，steel fibers，and hybrid fibers on the flexural toughness of concrete were investigated. The experimental re?sults showed that when the PVA fiber content was 0.3%，the flexural tensile strength，peak load，and flexural tough?ness index of concrete specimens all reached their maximum values. With the continuous increase of steel fibercontent，the flexural tensile strength，peak load，and flexural toughness index of concrete specimens showed a grad?ually increasing trend. Among them，the reinforcement effect of hybrid fibers on the flexural toughness of concretewas significantly better than that of single PVA fibers and steel fibers. Considering the factors such as bendingtoughness and construction cost of concrete for bridge engineering，it is recommended to add hybrid fibers to theconcrete. The optimal dosage of PVA fibers is recommended to be 0.3%，and the optimal dosage of steel fibers isrecommended to be 1.5%.fibers is recommended to be 1.5%. The research results suggest that the addition of hybrid fibers can effectively im?prove the bending toughness of concrete，enabling it to meet the needs of bridge construction.

Key words：bridge engineering; concrete; hybrid fibers; bending tensile strength; bending toughness

大型建筑通常對混凝土結構的耐久性能要求更高，這就對水泥混凝土材料的綜合性能提出了更高的要求[1-4]。除了要求混凝土具有較強的抗壓能力之外，還需要使其具有良好的彎曲韌性。因此，需要研究綜合性能更加優良的高性能混凝土，以滿足橋梁工程施工的需求。

在常規普通混凝土中加入纖維能夠有效改善混凝土的綜合性能，纖維的加入不僅能夠有效提高混凝土的力學性能和耐久性能，最重要的是能夠顯著增強混凝土試件的韌性[5-7]。目前在混凝土中最常用的纖維類型主要包括金屬纖維、合成纖維和天然纖維等[8-12]，其中聚乙烯醇纖維（PVA）是一種比較常用的合成纖維，其通常具有較好的親水性能、抗彎拉性能以及耐酸堿性能等，由于其原料來源廣，價格低廉等，使其在建筑行業以及其他行業中得到了較為廣泛的應用[13]。鋼纖維由于其自身具有較高彈性模量和抗拉強度，其加入到混凝土中同樣能夠大幅度提高混凝土的抗拉抗彎性能[14-16]，但鋼纖維的價格普遍比較昂貴。因此，為了提高橋梁工程用混凝土的彎曲韌性，并有效降低施工成本，本文以PVA纖維和鋼纖維為研究對象，以抗彎拉強度、載荷-撓度曲線和彎曲韌性指數為評價指標，考察了不同纖維加量以及混雜纖維對混凝土彎曲韌性的影響。

1試驗材料及設計

1. 1試驗材料

試驗用水泥為華新水泥股份有限公司生產的PkO 42.5型普通硅酸鹽水泥（其各項指標均滿足相關國家標準要求）；試驗用粗骨料為連續級配為5～20 mm的碎石，試驗用細骨料為細度模數為2.8的河砂；試驗用減水劑為山東卓安化工有限公司生產的高性能聚羧酸型減水劑（最大減水率可達30%）；試驗用PVA纖維為泰安浩達新材料有限公司生產的高彈性高模量聚乙烯醇纖維（長度為12 mm，彈性模量為8.2 GPa，抗拉強度為1 450 MPa，斷裂延伸率為40.5%）；試驗用鋼纖維為上海貝卡爾特公司生產（長徑比為60，密度為7.8 g/cm3，彈性模量為205 GPa，抗拉強度為1 250 MPa）。

1. 2配合比設計

為了考察PVA纖維和鋼纖維的加入橋梁工程用纖維混凝土彎曲韌性的影響，選擇水灰比為0.4，砂率為35%，參照建筑行業標準JGJ/T 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》，對試驗用混凝土的配合比進行了設計，具體結果見表1。其中PVA纖維的摻量為體積分數，鋼纖維的摻量為質量分數。

1. 3試驗方法

參照建筑行業標準JGJ/T 221—2010《纖維混凝土應用技術規程》中的規定制作試驗用混凝土試件，其中試驗用混凝土試件的尺寸均為100 mm×100 mm×400 mm，養護時間均為28 d。然后參照美國ASTMC1018規范，以纖維混凝土的抗彎拉強度、載荷-撓度曲線以及彎曲韌性指數為評價指標，考察不同類型纖維以及不同纖維摻量對混凝土彎曲性能的影響。

2結果與討論

2. 1抗彎拉強度

圖1～圖3分別為不同摻量的PVA纖維、鋼纖維以及混雜纖維對混凝土抗彎拉強度的影響試驗結果。

由圖1可以看出，隨著PVA纖維摻量的不斷增大，混凝土試件的抗彎拉強度值呈現出“先增大后減小”的趨勢。當PVA纖維的摻量達到0.3%時，混凝土試件的抗彎拉強度值可以達到最大（4.59 MPa），與空白混凝土試件的4.15 MPa相比，抗彎拉強度值提升了10.60%。再繼續增大PVA纖維的摻量，混凝土試件的抗彎拉強度值反而有所減小。這是由于PVA纖維的摻量過大時，會導致其在混凝土中的分散不均勻，出現成團現象，進而造成混凝土試件抗彎拉強度的降低。因此，從混凝土試件的抗彎拉強度考慮，應選擇合適的PVA纖維摻量，避免造成負面影響。

由圖2可以看出，隨著鋼纖維摻量的不斷增大，混凝土試件的抗彎拉強度值呈現出逐漸增大的趨勢，當鋼纖維的摻量達到1.5%時，混凝土試件的抗彎拉強度值可以提升至4.96 MPa，與空白混凝土試件的4.15 MPa相比，抗彎拉強度值提升了19.52%，提升幅度明顯高于摻入PVA纖維的混凝土試件。當鋼纖維的摻量大于1.5%時，再繼續增大其摻量，混凝土試件的抗彎拉強度值繼續提升的幅度逐漸變小。

由圖3可以看出，當固定PVA纖維的摻量為0.3%時，隨著混雜纖維中鋼纖維摻量的逐漸增大，混凝土試件的抗彎拉強度值呈現出逐漸增大的趨勢。其中試件編號為PG-3（鋼纖維摻量為1.5%）的混凝土試件抗彎拉強度可以達到5.24 MPa，與空白混凝土試件的4.15 MPa相比，抗彎拉強度值提升了26.27%，抗彎拉強度提升效果明顯優于單獨摻入PVA纖維或者鋼纖維。說明PVA纖維和鋼纖維發揮了較好的協同增效作用，能夠較好的提升混凝土的抗彎拉性能。從混凝土試件的抗彎拉強度角度考慮，推薦PVA纖維的適宜摻量為0.3%，鋼纖維的適宜摻量為1.5%。

2. 2載荷-撓度曲線

圖4～圖6分別為不同摻量的PVA纖維、鋼纖維以及混雜纖維對混凝土載荷-撓度曲線的影響試驗結果。

由圖4可以看出，空白混凝土的載荷-撓度曲線沒有出現下降的階段，表現出明顯的脆性破壞特征，這是由于空白混凝土屬于一種脆性材料，當混凝土試件施加一定的載荷產生宏觀裂縫后，即迅速擴展，瞬間斷裂；而加入PVA纖維后的混凝土試件的載荷-撓度曲線則與空白混凝土完全不同，并且隨著PVA纖維摻量的不斷增大，峰值載荷呈現出“先增大后減小”的趨勢；當PVA纖維的摻量為0.3%時，峰值載荷最大（18.2 kN），混凝土試件的彎曲變形性能達到最佳。

由圖5可以看出，鋼纖維的摻入同樣能夠有效改變混凝土試件的載荷-撓度曲線走勢，使混凝土由脆性破壞轉變為塑性破壞特征；并且隨著鋼纖維摻量的不斷增大，混凝土試件的峰值載荷也逐漸增大，當鋼纖維的摻量為1.5%時，峰值載荷可以達到19.6 kN，與空白混凝土相比，峰值載荷可以提高15.98%；鋼纖維的加入對混凝土試件峰值載荷的提升幅度明顯高于PVA纖維，這是由于鋼纖維具有更高的彈性模量，其對混凝土試件的彎曲韌性提升效果更好。

由圖6可以看出，混雜纖維的摻入與單獨摻入PVA纖維或者鋼纖維時對混凝土試件載荷-撓度曲線的影響結果趨勢相一致，同樣能夠有效提升混凝土試件的峰值載荷。當固定PVA纖維的摻量為0.3%時，鋼纖維的摻量越大，混凝土試件的峰值載荷就越大。其中試件編號為PG-3（鋼纖維摻量為1.5%）的混凝土試件峰值載荷可以達到21.6 kN，與空白混凝土試件的16.9 kN相比，峰值載荷提高了27.81%，提升效果明顯優于單獨摻入PVA纖維或者鋼纖維。從混凝土試件的載荷-撓度曲線角度考慮，同樣推薦PVA纖維的適宜摻量為0.3%，鋼纖維的適宜摻量為1.5%。

2. 3彎曲韌性指數

表2為不同摻量的PVA纖維、鋼纖維以及混雜纖維對混凝土彎曲韌性指數的影響試驗結果。

由表2可以看出，與空白混凝土試件相比，加入不同類型和不同加量纖維的混凝土試件的韌性指數均有不同程度的提高；其中隨著PVA纖維摻量的逐漸增大，混凝土試件的韌性指數I、I10和I20均呈5現出先增大后減小的趨勢，當PVA纖維的摻量為0.3%時，韌性指數I、5I10和I20均達到最大，與空白混凝土試件相比，韌性指數I、I10和I20分別提高5了4.02倍、6.92倍和8.54倍。另外，當單獨摻入鋼纖維，或者固定PVA纖維的摻量為0.3%，再加入鋼纖維時，隨著鋼纖維摻量的不斷增大，混凝土試件的韌性指數I、I10和I20均呈現出逐漸增大的趨勢；其5中PVA纖維和鋼纖維混合使用時對混凝土的增韌效果明顯優于兩種纖維單獨使用，當PVA纖維的摻量為0.3%，鋼纖維的摻量為1.5%時，與空白混凝土試件相比，韌性指數I5、I10和I20分別提高了6.92、9.84和11.59倍，PVA纖維和鋼纖維發揮了較好的協同增效作用，使混凝土的韌性明顯增強。因此，為了節約施工成本，從混凝土試件的彎曲韌性指數角度考慮，同樣推薦PVA纖維的適宜摻量為0.3%，鋼纖維的適宜摻量為1.5%。

3結語

（1）隨著PVA纖維摻量的逐漸增大，混凝土試件的抗彎拉強度、峰值載荷以及彎曲韌性指數均呈現出“先增大后減小”的趨勢，當PVA纖維的摻量為0.3%時，混凝土試件的各項性能指數可以達到最佳，增韌效果最好；（2）隨著鋼纖維摻量的逐漸增大，混凝土試件的抗彎拉強度、峰值載荷以及彎曲韌性指數均呈現逐漸增大的趨勢，當鋼纖維的摻量達到1.5%時，再繼續增大其摻量，各項性能指數繼續增大的幅度逐漸減??；（3）混雜纖維對混凝土試件的增韌效果明顯優于單一纖維，當固定PVA纖維的摻量為0.3%時，隨著混雜纖維中鋼纖維摻量的逐漸增大，混凝土試件的抗彎拉強度、峰值載荷以及彎曲韌性指數同樣均呈現逐漸增大的趨勢。綜合考慮混凝土的彎曲韌性和施工成本，推薦混雜纖維中PVA纖維的最佳摻量為0.3%，鋼纖維的適宜摻量為1.5%，此時纖維混凝土具有較強的彎曲韌性，能夠滿足橋梁工程施工的需求。

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