余美琳，李潤(rùn)澤，陳 杰，曹雅琪，金 康，潘 錦，周小龍

武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)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(chǔ)材料的新型水泥基復(fù)合材料，纖維均勻地?fù)皆诨炷粱w中，起到增強(qiáng)力學(xué)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(kuò)展了混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域［4-5］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)纖維混凝土進(jìn)行了大量研究，并取得了重要研究成果，但前人的研究過(guò)多關(guān)注無(wú)機(jī)纖維（如鋼纖維等［6-7］）的摻入，而對(duì)于量大且價(jià)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(huán)保的植物纖維，具有價(jià)格低廉、韌性和彈性模量高、抗拉抗腐蝕性好等特點(diǎn)［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(qiáng)度和彈性模量［11］，同時(shí)抑制混凝土裂縫的開(kāi)展，延緩有害離子的入侵，從而提高結(jié)構(gòu)的耐久性［12］，延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命［12-13］。SF混凝土的各種優(yōu)良性能使其廣泛應(yīng)用于各類(lèi)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(shí)耐堿玻璃纖維（alkali resistant glass fiber，ARGF）具有抗拉強(qiáng)度高、較好的流動(dòng)性、與混凝土漿料的包裹黏結(jié)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(qiáng)度［16］，并且已成功應(yīng)用于某隧道工程，取得了良好的成效［17］。

SF和ARGF具備上述優(yōu)良性能且對(duì)綠色建筑的發(fā)展具有較大意義，因此本文以強(qiáng)度等級(jí)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(kāi)展抗壓、劈裂抗拉、抗折試驗(yàn)，研究不同體積摻量的纖維對(duì)普通混凝土基本強(qiáng)度的影響，同時(shí)探討纖維最佳體積摻量。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：P·O 42.5級(jí)水泥，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1；細(xì)骨料：河砂，為Ⅱ區(qū)中砂，堆積密度為1 480 kg/m3，表觀(guān)密度為2 559 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.62，含泥量為0.5%，級(jí)配合格；粗骨料：碎石，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2；粉煤灰：I級(jí)粉煤灰，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3；減水劑：FDN高效減水劑，減水率可達(dá)25%；水：自來(lái)水；纖維：SF和ARGF，其中SF見(jiàn)圖1（a），ARGF見(jiàn)圖1（b），相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表4。

表1 水泥的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical indicators of cement

表2 碎石的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Main technical indicators of gravel

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

表4 纖維的相關(guān)參數(shù)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(yàn)配合比

配制強(qiáng)度等級(jí)為C30的普通混凝土［18-19］，配合比見(jiàn)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(qiáng)度等級(jí)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(shí)，兩種纖維處于摻量相同的狀態(tài)，摻入混凝土中不僅可以最大程度地發(fā)揮兩種纖維各自的優(yōu)勢(shì)，還能起到較好的混雜效應(yīng)，對(duì)混凝土各項(xiàng)性能均有較好的提升?？紤]到纖維低體積摻量有利于控制混凝土早期裂縫的開(kāi)展，而高體積摻量的作用主要是改變混凝土的工作性質(zhì)，且當(dāng)纖維的體積摻量為0.06%～0.20%時(shí)，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(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)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(jiàn)圖2［20］。待拌合物變?yōu)槟z體狀態(tài)時(shí)，檢查混凝土的流動(dòng)性，測(cè)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(zhì)附在表面，在使用前應(yīng)將SF浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的NaOH溶液中30 min，再用清水沖洗、晾曬干燥［21］。

1.4 試驗(yàn)方法

根據(jù)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(yàn)包含3個(gè)試塊，各試塊均為非標(biāo)準(zhǔn)試件，試塊尺寸及其換算系數(shù)見(jiàn)表6。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，根據(jù)規(guī)范測(cè)得混凝土試塊各項(xiàng)性能［22-23］。以每組3個(gè)試件的算術(shù)平均值作為該組的強(qiáng)度（精確至0.001 MPa）。

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

2 結(jié)果與討論

2.1 破壞形態(tài)

試件抗壓破壞形態(tài)見(jiàn)圖3。圖3（a）為SRGHF組試件的外觀(guān)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(guān)形貌?？瞻捉M在剛開(kāi)始時(shí)試件被壓縮，未出現(xiàn)較明顯的破壞特征。隨著荷載不斷增加，宏觀(guān)表現(xiàn)出明顯的貫穿裂縫，破壞瞬間發(fā)生較大聲響，試件側(cè)面混凝土塊剝落較多，整個(gè)試件裂為兩部分，斷口處形狀不規(guī)則，部分粗骨料發(fā)生破壞，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。SRGHF組在破壞瞬間也出現(xiàn)較大聲響，但裂縫寬度及破碎區(qū)域較空白組明顯減小，同時(shí)側(cè)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(tài)：（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(tài)見(jiàn)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(guān)形貌，其中纖維體積摻量為2.5 kg/m3?？瞻捉M試件破壞瞬間幾乎完全裂開(kāi)為兩部分，斷面比較平整，斷面內(nèi)粗骨料大量被破壞；摻入混雜纖維后，試件在加載過(guò)程中抗拉強(qiáng)度明顯增大，加載到極限荷載的瞬間試件突然發(fā)生劈裂現(xiàn)象，并且伴有較大聲響，屬于脆性破壞，破壞時(shí)斷口較為平整，且在斷面內(nèi)出現(xiàn)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(xì)，體現(xiàn)出纖維吸收了斷裂時(shí)的部分能量。

圖4 試件劈裂抗拉破壞形態(tài)：（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(tài)見(jiàn)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(guān)形貌?？瞻捉M混凝土試件在初期未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，隨著荷載增大，試件表面出現(xiàn)斜裂縫帶，且裂縫寬度逐漸增大，直至裂縫貫穿整個(gè)截面，當(dāng)達(dá)到破壞荷載時(shí)，試件崩斷破壞并發(fā)出巨大聲響，破壞過(guò)程時(shí)間較短，為脆性破壞特征。而SRGHF組的破壞表現(xiàn)出一定的延性，裂縫出現(xiàn)的時(shí)間較空白組長(zhǎng)，達(dá)到極限荷載時(shí)，出現(xiàn)裂縫，在斷裂處觀(guān)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(tài)：（a）SRGHF組，（b）空白組Fig.5 Flexural failure patterns of specimens：（a）SRGHFgroup，（b）blank group

2.2 結(jié)果分析

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

當(dāng)纖維體積摻量從0變化到2.5 kg/m3，3種纖維28 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升再下降的變化規(guī)律，且整體相對(duì)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(shí)，ARGF、SF、SRGHF混凝土的抗壓強(qiáng)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(shí)，ARGF、SF、SRGHF混凝土的抗壓強(qiáng)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(shí)，ARGF、SF、SRGHF混凝土的抗壓強(qiáng)度較空白組分別提升了0.27%、5.75%、5.38%。當(dāng)纖維體積摻量為2.0 kg/m3時(shí)，試塊的抗壓強(qiáng)度提升幅度最大，纖維體積摻量為2.5 kg/m3時(shí)次之，纖維體積摻量為1.5 kg/m3時(shí)試塊的抗壓強(qiáng)度提升幅度較低，同時(shí)當(dāng)體積摻量為2.0 kg/m3時(shí)，SRGHF組的試件抗壓強(qiáng)度提升大于單摻SF組和ARGF組。

結(jié)果表明，當(dāng)纖維摻量合適時(shí)，混雜纖維比單一纖維能更好地提升纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度。

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

當(dāng)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(qiáng)度呈現(xiàn)大幅上升、下降再上升的變化規(guī)律，且整體相對(duì)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(shí)，ARGF、SF、SRGHF混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)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(shí)，ARGF、SF、SRGHF混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)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(shí)，ARGF、SF、SRGHF混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)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(shí)試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度最高，纖維體積摻量為2.5 kg/m3時(shí)次之，纖維體積摻量為2.0 kg/m3時(shí)試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度最低，在摻量為1.5 kg/m3時(shí)，混雜纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)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(nèi)部的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用，使混凝土在纖維體積摻量合適時(shí)，基體的劈裂抗拉強(qiáng)度能得到最大程度的提升。

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

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

當(dāng)纖維體積摻量從0變化到2.5 kg/m3，3種纖維28 d抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)大幅上升、下降再上升的變化規(guī)律，且整體相對(duì)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(shí)，ARGF、SF、SRGHF混凝土的抗折強(qiáng)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(shí)，ARGF、SF、SRGHF混凝土的抗折強(qiáng)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(shí)，ARGF、SF、SRGHF混凝土的抗折強(qiáng)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(shí)，SRGHF對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度提升效果最好，其次是單摻SF，再次是單摻ARGF。

綜合來(lái)看，相對(duì)于空白組，不同體積摻量的ARGF、SF、SRGHF的抗折強(qiáng)度均有不同程度增長(zhǎng)，其中SRGHF對(duì)抗折性能的改善作用最為明顯。同時(shí)當(dāng)纖維的體積摻量合適時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度可以得到最高程度的提升。

3 結(jié) 論

通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)，探討了纖維的摻量及類(lèi)型對(duì)普通混凝土基本強(qiáng)度變化規(guī)律的影響，得出以下結(jié)論：

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

（2）混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著纖維體積摻量的增加出現(xiàn)先上升后降低再上升的規(guī)律，并且相較于空白組均有提高。當(dāng)纖維體積摻量為1.5 kg/m3時(shí)，SRGHF、ARGF和SF均最大程度提升混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)度有著類(lèi)似于劈裂抗拉強(qiáng)度的規(guī)律，呈現(xiàn)出先上升后降低再上升的規(guī)律，并且相較于空白組均有提高。當(dāng)纖維體積摻量為1.5 kg/m3時(shí)，SRGHF、ARGF和SF均最大程度提升混凝土的抗折強(qiáng)度，強(qiáng)度分別提高8.33%、3.03%和5.65%。

（4）在同一試驗(yàn)中，混雜纖維混凝土的力學(xué)性能優(yōu)于單摻纖維混凝土。試驗(yàn)表明，ARGF和SF體積摻量為1∶1時(shí)能體現(xiàn)出較好的正混雜效應(yīng)，纖維所形成的空間混雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以有效地增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度。