鋼纖維及混雜纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)

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摘要：為了研究鋼纖維和混雜纖維對混凝土力學(xué)性能的影響，分別對不同體積摻量的鋼纖維混凝土（SFRC）和鋼-聚丙烯-聚乙烯醇混雜纖維混凝土（HFRC）進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，并設(shè)置一組普通混凝土（NC）作為對照。試驗(yàn)結(jié)果表明：在混凝土中摻入適量鋼纖維或混雜纖維，均能有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。其中混雜纖維對混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用更明顯，最大抗壓強(qiáng)度值較素混凝土提高了14.3%；而鋼纖維對混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)作用更明顯，最大劈裂抗拉強(qiáng)度值較素混凝土提高了55.5%。

關(guān)鍵詞：纖維混凝土；立方體抗壓強(qiáng)度；劈裂抗拉強(qiáng)度

0引言

混凝土作為土木工程領(lǐng)域中最常見的一種建筑材料，在經(jīng)濟(jì)性、可塑性和耐久性方面均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，但因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)本身易開裂、脆性顯著等缺點(diǎn)，限制了其進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。相關(guān)研究表明，在混凝土中摻入纖維能有效改善混凝土的力學(xué)性能，提高混凝土的抗裂、阻裂及變形能力。目前應(yīng)用最為廣泛的纖維種類有鋼纖維、聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維等。王軍［1］通過對不同摻量的鋼纖維混凝土進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)及SEM電鏡分析，發(fā)現(xiàn)摻入鋼纖維后，混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度有不同程度的提高，但摻量過大會降低混凝土的整體性，使力學(xué)性能下降。李正［2］等人研究了不同比例混摻的鋼-聚丙烯纖維混凝土的力學(xué)性能。結(jié)果表明，鋼纖維摻量、聚丙烯纖維摻量以及二者的混摻比例，對混凝土的力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)均有影響。當(dāng)鋼纖維摻量為3%，聚丙烯纖維摻量為0.3%時(shí)，纖維的增強(qiáng)作用最明顯。鄧宗才［3］在層布式鋼纖維混凝土梁中混摻聚乙烯醇纖維，通過三分點(diǎn)加載試驗(yàn)方法研究混雜纖維混凝土梁的抗彎韌性。結(jié)果表明，聚乙烯醇纖維與鋼纖維混摻有很好的協(xié)同作用，混凝土梁的抗彎韌性得到改善。在前人已有的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，本文考慮單摻鋼纖維和混摻鋼-聚丙烯-聚乙烯醇纖維，對混凝土進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，進(jìn)一步探究鋼纖維和混雜纖維對混凝土力學(xué)性能的影響，為將來工程應(yīng)用提供參考借鑒。

1試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)材料和配合比

試驗(yàn)選用強(qiáng)度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為3.2的粗砂，粗骨料使用粒徑為5~20mm連續(xù)級配的人工碎石，減水劑采用聚羧酸高效減水劑。纖維采用聚丙烯纖維（PP）、聚乙烯醇纖維（PVA）以及鋼纖維（SF）三種，纖維的性能參數(shù)如表1所示。制備三組不同摻量水平的鋼纖維混凝土試件，在此基礎(chǔ)上，另外混摻聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維，得到三組混雜纖維混凝土試件，同時(shí)設(shè)置一組普通混凝土試件作為對照。鋼纖維體積率分別為0.5%、1.0%、1.5%，各組試件的最終配合比如表2所示。

1.2試驗(yàn)方法

參照CECS13:89《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》［4］，采用RMT萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。試件的尺寸為標(biāo)準(zhǔn)立方體，每組試驗(yàn)制作3個(gè)試塊，均在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28d。立方體抗壓強(qiáng)度按照公式（1）進(jìn)行計(jì)算，每組數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。fcu=Fmax/A（1）式中：fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度（MPa），F(xiàn)max為試件破壞荷載（N），A為試件承壓面積（mm2）。劈裂抗拉強(qiáng)度按照公式（2）進(jìn)行計(jì)算，最后的試驗(yàn)結(jié)果同樣取算術(shù)平均值。fts=0.6371Fmax/A（2）式中：fts為混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度（MPa），F(xiàn)max為試件破壞荷載（N），A為試件劈裂面積（mm2）。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

部分試件的破壞形態(tài)如圖1所示，其中（a）、（b）、（c）分別為素混凝土、鋼纖維混凝土和混雜纖維混凝土的受壓破壞形態(tài)，（d）、（e）分別為素混凝土和纖維混凝土的劈拉破壞形態(tài)。在立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，可以看到素混凝土試件在邊角處先發(fā)生剝落，表面出現(xiàn)多條裂紋，最后在荷載作用下迅速崩裂，表現(xiàn)出明顯的脆性特征。而鋼纖維混凝土和混雜纖維混凝土在荷載作用下仍保持一定的整體性，呈現(xiàn)出多縫開裂、裂而不碎的破壞形態(tài)，具有明顯的塑性特征。在劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)中，可以看到素混凝土試件底部首先出現(xiàn)裂紋，在荷載持續(xù)作用下，裂紋迅速擴(kuò)展，試件突然發(fā)生破壞，劈裂為兩半。而纖維混凝土的試件表面只觀察到數(shù)條裂縫，橫跨裂縫處的纖維起到了很好的橋接作用，限制了裂縫的延伸和擴(kuò)展。破壞后的試件仍連接在一起，并未出現(xiàn)突然破壞和劈裂斷開的現(xiàn)象。

2.2立方體抗壓強(qiáng)度

立方體抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。與素混凝土相比，摻入纖維后混凝土的抗壓強(qiáng)度均有小幅提升。當(dāng)鋼纖維摻量從0.5%增加到1.5%時(shí)，鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度較素混凝土分別提高了5.1%、8.2%、6.2%；而混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度較素混凝土分別提高了8.9%、11.2%、14.3%?？梢钥闯?，單摻鋼纖維或摻入混雜纖維均能有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，且混雜纖維的作用效果更明顯。在本次試驗(yàn)中，隨著鋼纖維摻量的增加，鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，并在鋼纖維摻量為1%時(shí)，獲得最大抗壓強(qiáng)度值；而混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度則隨著鋼纖維摻量的增加而增加，鋼纖維摻量為1.5%時(shí)有最大抗壓強(qiáng)度。當(dāng)鋼纖維摻量相同時(shí)，混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度大于鋼纖維混凝土。這是因?yàn)檫m量鋼纖維在基體中形成了一種三維亂向分布的支撐體系，混凝土受壓引起的橫向變形受到了鋼纖維的拉結(jié)約束，鋼纖維起到二次微加筋的作用，混凝土的抗壓強(qiáng)度因此得到提高。但隨著鋼纖維的增加，混凝土的內(nèi)部缺陷以及混凝土與纖維間的界面薄弱層也在增加［5］，受壓作用時(shí)，混凝土內(nèi)部的薄弱層與缺陷位置成為了應(yīng)力集中破壞點(diǎn)，所以鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度有所下降。而混雜纖維中的合成纖維在混凝土硬化初期，可以有效抑制水泥石的干縮［6］，改善混凝土的初始缺陷，與鋼纖維協(xié)同作用更有利于提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2.3劈裂抗拉強(qiáng)度

劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。與素混凝土相比，纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度有明顯提高，且鋼纖維混凝土和混雜纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度均隨著鋼纖維摻量的增加而增加。當(dāng)鋼纖維摻量從0.5%增加到1.5%時(shí)，鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度較素混凝土提高了33.6%、38.9%、55.5%；而混雜纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度較素混凝土提高了32.6%、43.5%、48.3%。在本次試驗(yàn)中，體積摻量為1.5%的鋼纖維混凝土，其劈裂抗拉強(qiáng)度值最大。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，單摻鋼纖維或摻入混雜纖維均能大幅提升混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，且單摻鋼纖維的提升效果更好。這是因?yàn)殇摾w維本身具有較好的抗拉性能，在劈拉破壞面處能起到橋接和傳遞荷載的作用，改善裂縫周圍應(yīng)力集中的現(xiàn)象，限制裂縫的進(jìn)一步延伸和擴(kuò)展，從而提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。在混雜纖維混凝土中，摻入聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維后，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與鋼纖維混凝土相比有所降低，也從側(cè)面反映出混雜纖維中對混凝土抗拉強(qiáng)度起到主要增強(qiáng)作用的是鋼纖維。

3結(jié)論

（1）摻入鋼纖維或混雜纖維對改善混凝土的破壞形態(tài)有明顯作用。無論是受壓破壞還是劈裂受拉破壞，素混凝土均表現(xiàn)出脆性特征，而鋼纖維混凝土和混雜纖維混凝土表現(xiàn)出明顯的塑性特征，在荷載作用下發(fā)生延性破壞，試件表面只出現(xiàn)細(xì)小裂縫，呈現(xiàn)出裂而不碎的破壞形態(tài)。（2）摻入鋼纖維或混雜纖維均能提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，且混雜纖維的提升效果優(yōu)于鋼纖維。鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的增加有先增后減的趨勢，鋼纖維的最佳摻量為1%；而混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度則隨著鋼纖維摻量的增加而增加。在本次試驗(yàn)中，編號為HFRC15的混雜纖維混凝土有最大抗壓強(qiáng)度值。（3）摻入鋼纖維或混雜纖維均能提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，且鋼纖維的提升效果優(yōu)于混雜纖維。鋼纖維混凝土與混雜纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度均隨著鋼纖維摻量的增加而增加，表明鋼纖維起到主要的增強(qiáng)作用。在本次試驗(yàn)中，編號為SFRC15的鋼纖維混凝土有最大劈裂抗拉強(qiáng)度值。

參考文獻(xiàn)

［1］王軍.不同摻量的鋼纖維對混凝土力學(xué)性能的影響研究［J］.江西建材，2021（7）：35-36，39.

［2］李正，杰德爾別克，趙海濤，等.鋼-聚丙烯纖維高性能混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.混凝土與水泥制品，2017（11）：50-53.

［3］鄧宗才，曾洪超，王力，等.層布式鋼纖維與混摻PVA纖維混凝土梁的抗彎韌性試驗(yàn)研究［J］.混凝土與水泥制品，2009（1）：44-47.

［4］中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法：CECS13：89［S］.北京：中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會，1989.

［5］張偉.聚丙烯纖維高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)研究［D］.太原：太原理工大學(xué)，2010.

［6］王晨飛，焦俊婷.超細(xì)鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土力學(xué)性能研究［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料，2016（12）：11-14.

作者:童偉光 范銀波 單位:廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院