單摻、混雜纖維對混凝土抗折強(qiáng)度的影響

李建勛，詹炳根

（1.安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測站，安徽 合肥 230031；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引言

纖維混凝土是在混凝土材料中摻入纖維形成的一種水泥基復(fù)合材料。水泥混凝土強(qiáng)度雖然很高，但是普遍存在的缺點(diǎn)是抗折強(qiáng)度相對較低，同時缺乏良好的韌性、脆性大[1]。如果在水泥中摻入纖維增強(qiáng)其抗折強(qiáng)度，這樣就既可以保留混凝土的優(yōu)點(diǎn)，又可以減少混凝土的缺陷，使混凝土的運(yùn)用前景更加廣闊?；炷林锌梢詥螕侥撤N纖維增強(qiáng)其抗折強(qiáng)度，也可以摻入多種纖維。不同性質(zhì)的纖維混合在一起協(xié)同工作，共同提高混凝土的抗折強(qiáng)度，使混凝土性能得到極大提高[2]?；祀s纖維可以限制各種裂紋的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度，比單纖維具有更好的物理力學(xué)性能。文獻(xiàn)[2]中提到纖維對混凝土的抗折性能影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，纖維確實(shí)能夠有效提高混凝土的抗折性能，認(rèn)為玄武巖纖維的含量為2 kg/m3～2.5 kg/m3較為合適。如果含量高于此范圍，那么混凝土的抗折強(qiáng)度會有所降低。文獻(xiàn)[4]對選取的六種摻量短切玄武巖，分別進(jìn)行了折、壓、拉三種實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土的抗壓強(qiáng)度幾乎沒有變化，抗折強(qiáng)度隨纖維摻量增加而提高。文獻(xiàn)[5]中研究表明，隨著玄武巖纖維含量的不斷提高，可以使玄武巖纖維混凝土的早期抗折強(qiáng)度有較大提高，而后期提高不太顯著。文獻(xiàn)[6]中研究表明，較高強(qiáng)度的C50級自密實(shí)混凝土的韌性和抗折強(qiáng)度在混雜纖維摻量增加時，抗折強(qiáng)度還會略有下降，文中數(shù)據(jù)的峰值點(diǎn)較為明顯，在保證混凝土的基本性能的同時，還要提高其抗折性能，建議纖維的最佳體積摻量在0.13%左右。文獻(xiàn)[7]中表明兩種纖維混雜后一同加入混凝土?xí)r，對混凝土的抗壓性能影響不明顯，但是抗折強(qiáng)度會明顯增加。

本文研究的是單摻玄武巖纖維和玄武巖、聚乙烯醇混雜纖維對水泥混凝土抗折強(qiáng)度的影響。通過選用三種長度不同的纖維和四種不相同的體積摻量，研制纖維混凝土來進(jìn)行抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)，并且通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及對纖維在混凝土中的作用效用，分別探討纖維種類、纖維長度、纖維體積摻量這三個不同因素對C30和C60兩種混凝土抗折強(qiáng)度的影響，文中同時還同單摻玄武巖纖維混凝土的抗折強(qiáng)度進(jìn)行對比，并且分析探討了其原理。

2 原材料及試驗(yàn)

2.1 原材料

實(shí)驗(yàn)的原材料有硅酸鹽水泥、細(xì)集料、粗集料、減水劑、纖維和水等。

①常見的水泥品種有硅酸鹽水泥、礦渣水泥等。本實(shí)驗(yàn)采用蕪湖海螺公司生產(chǎn)的硅酸鹽水泥。

②實(shí)驗(yàn)采用的萘系減水劑是安徽馬鞍山混凝土攪拌公司提供，外觀呈棕褐色黏稠液，其具有高效減水率、與普通硅酸鹽水泥適應(yīng)性好的特點(diǎn)。

③實(shí)驗(yàn)中使用的聚乙烯醇纖維（PVA）是安徽高新材料股份公司提供。

2.2 試驗(yàn)方法

本文通過改變纖維長度、纖維摻量和纖維種類這三個條件來研究其對配置C30和C60混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，采用5cm、10cm、15cm三種長度的纖維和0、0.05、0.10、0.15%四種體積摻量的纖維；選取單摻、復(fù)摻玄武巖和聚乙烯醇纖維的方式進(jìn)行研究。

實(shí)驗(yàn)過程中，我們選取對混凝土抗折強(qiáng)度影響最好的纖維摻量，固定此摻量，然后選取長度不同的纖維進(jìn)行混雜，混雜的比例為1：1，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)研究不同長度的纖維在混雜之后對水泥基材料抗折強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)方案是選取C30和C60混凝土配合比，改變上述三個因素，將纖維直接添加到混凝土中而不改變混凝土的其他實(shí)驗(yàn)成分。這種實(shí)驗(yàn)方案思路清晰，不同數(shù)據(jù)的選擇可以直接反映纖維類型、長度和摻量改變對混凝土抗折強(qiáng)度的影響，對于后面的數(shù)據(jù)處理和分析是有利的。C30級混凝土實(shí)驗(yàn)表格見表1、表2所示，C60級與C30級實(shí)驗(yàn)表格相同，不再敘述。

玄武巖纖維C30混凝土試驗(yàn) 表1

聚乙烯醇、玄武巖混雜纖維C30混凝土試驗(yàn) 表2

2.3 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

抗折強(qiáng)度試驗(yàn)所用儀器為微機(jī)控制電液伺服壓力機(jī)，抗折試驗(yàn)要求應(yīng)滿足以下規(guī)定：

①試件尺寸為150mm×150mm×550mm，28d齡期后取出3個試件進(jìn)行測定，實(shí)驗(yàn)前對表面雜物進(jìn)行清除。

②取加載速度為5N/s，開動電機(jī)，記錄破壞荷載Pf（N）

③抗折強(qiáng)度的結(jié)果按照下式計算：

式中：ff——混凝土抗折強(qiáng)度；

F——破壞荷載（N）；

l——支座間跨度（mm）；

h——試件截面高度（mm）；

b——試件截面寬度（mm）。

測試結(jié)果的準(zhǔn)確性有以下規(guī)定：3個試件為1組，若有1個試件斷裂位于加載點(diǎn)外側(cè)，取剩余2組試件抗折強(qiáng)度平均值，若有2個試件位于加載點(diǎn)外側(cè)，試驗(yàn)無效。若都位于加載點(diǎn)內(nèi)側(cè)，取3個試件的平均值為結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 玄武巖纖維對混凝土抗折強(qiáng)度的影響

如圖1所示四種摻量下纖維對C30和C60兩種混凝土抗折強(qiáng)度的影響。

圖1 玄武巖纖維對C30、C60級混凝土抗折性能的影響

從圖1中得出兩種混凝土的抗折強(qiáng)度隨纖維摻量增加明顯提升，比如纖維長度為10mm時，摻量為0.15%的C30級混凝土抗折強(qiáng)度比摻量為0.05%的提高了6%，C60級混凝土提高了12.6%，效果更加明顯。在相同體積摻量下玄武巖纖維長度越長，其抗折強(qiáng)度也越高，摻量在0.15%時，長度為15mm的C30級混凝土抗折強(qiáng)度比長度為5mm的增長了3.2%，C60級混凝土增長了7.5%。無論是通過數(shù)據(jù)分析，或是通過圖1的直觀感受，都可以得出兩點(diǎn)結(jié)論：①纖維摻入量越高，長度越長，其對抗折強(qiáng)度表現(xiàn)的效果越好；②纖維在C60級混凝土中對抗折強(qiáng)度的作用好于C30級混凝土。

分析出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可以知道在摻加玄武巖纖維后，有效減少了混凝土中微裂縫的出現(xiàn)及其擴(kuò)張，在混凝土的裂縫附近也起到了“橋接”的作用，即使受到較大的外力出現(xiàn)了裂縫，也不太可能發(fā)生類似于素混凝土那樣的脆性破壞，而是可以繼續(xù)承擔(dān)外力的作用保持混凝土的整體性，使混凝土的裂縫開展速度大幅度減弱。

將纖維長度同是15mm的C30和C60級玄武巖纖維混凝土抗折強(qiáng)度，同基準(zhǔn)素混凝土抗折強(qiáng)度的比值進(jìn)行對比，結(jié)果見圖4所示。

從圖2中明顯可以看出，無論是低強(qiáng)還是高強(qiáng)混凝土，玄武巖纖維都能對混凝土抗折強(qiáng)度起到增強(qiáng)的作用，隨著纖維摻量提高而增加。圖中還顯示，對比C30級與C60級混凝土，較低摻量的纖維（0.05%）對低強(qiáng)度等級混凝土的抗折強(qiáng)度影響更明顯，而0.10%纖維摻量對C60混凝土抗折強(qiáng)度影響超過C30。當(dāng)纖維摻量繼續(xù)提高到0.015%時，C60混凝土的抗折強(qiáng)度進(jìn)一步提升，這表明纖維摻量的增加對高強(qiáng)度等級混凝土影響更為有效。其他長度的纖維也得到類似的結(jié)論。

圖2 兩種強(qiáng)度等級下玄武巖纖維混凝土與基準(zhǔn)混凝土抗折強(qiáng)度的比較

3.2 混雜纖維對混凝土抗折強(qiáng)度的影響

混雜纖維和單摻玄武巖纖維一樣通過三種因素來研究混雜纖維對C30級和C60級混凝土抗折強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示，分別表示C30和C60級標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，四種摻量下混雜纖維對抗折強(qiáng)度的影響。

圖3 混雜纖維對C30、C60級混凝土抗折性能的影響

圖4 兩種強(qiáng)度等級混雜纖維混凝土與基準(zhǔn)混凝土抗折強(qiáng)度的比較

從圖3可知，混雜纖維摻量增加時，抗折強(qiáng)度提高，C30和C60混凝土抗折強(qiáng)度都得到了明顯的提高。在混雜纖維長度方面，對于長度為10mm的混雜纖維，C30級混凝土的抗折強(qiáng)度最大，比長度為15mm的混雜纖維強(qiáng)度略高，與單摻玄武巖纖維不同，值得注意，C60級混凝土則是長度為15mm的混雜纖維表現(xiàn)最佳。由圖4看出，混雜纖維與基準(zhǔn)混凝土抗折強(qiáng)度的比值和上文玄武巖纖維的情況類似，只不過混雜纖維對混凝土抗折強(qiáng)度的數(shù)值要高于在玄武巖纖維的數(shù)值。

為了更深入研究混雜不同長度的纖維對混凝土抗折的影響，纖維的摻量維持在0.15%，纖維之間兩兩混雜，試驗(yàn)結(jié)果見表3和圖5所示。

不同長度玄武巖與聚乙烯醇纖維混雜后抗折強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 表3

圖5 不同長度纖維混雜對混凝土抗折強(qiáng)度的影響

從圖5和表3可以很明顯得出，15 mm的玄武巖纖維與10mm的PVA纖維混雜之后，其抗折強(qiáng)度為4.62MPa，要大于同為10mm的玄武巖纖維和PVA纖維混雜（4.35MPa)的結(jié)果，同時也大于長度為15mm的玄武巖纖維和PVA 纖維混雜（4.30MPa）的結(jié)果?？梢?，不同長度纖維混雜后比相同長度纖維混雜的效果更加優(yōu)越。對于上述的這種情況，可以從以下方面加以解釋。

①研究發(fā)現(xiàn)，混凝土破壞有大致三個過程，由小裂縫到亞臨界最終失穩(wěn)破壞[8]。實(shí)踐中可知，當(dāng)混凝土在外力作用下逐漸破壞，試件內(nèi)部的裂縫都是穩(wěn)定發(fā)展，而不是一旦出現(xiàn)裂縫，混凝土就會立刻迅速擴(kuò)張，而不同長度的纖維相比于同長度的纖維更好于混凝土的空隙，提供了混凝土之間的粘結(jié)力。

②在裂縫存在的混凝土上繼續(xù)增加外力，其端部逐漸出現(xiàn)微裂區(qū)，科研人員稱微裂區(qū)為斷裂的過程區(qū)(fracture process zone,簡稱FPZ)，以四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)中[9]的混凝土小梁為例，承受外部力之后，混凝土跨中部位下端有很多的微小裂縫出現(xiàn)，離受力位置越遠(yuǎn)其相應(yīng)的裂縫也越少，同時裂縫的角度也變得越小。當(dāng)混凝土承擔(dān)的荷載在不斷增加的時候，微裂縫區(qū)域裂縫也會增多，擴(kuò)開的角度也會變得越來越大，最后變得可以看見，這個過程我們稱之為微裂縫臨界開展[10]。與此同時，裂縫向周圍發(fā)展又會進(jìn)一步促使混凝土繼續(xù)產(chǎn)生新的裂縫，上述的過程就是裂縫開展過程。

③對于混雜纖維混凝土，纖維的存在對阻礙裂縫的開展有明顯效果。選擇幾種長度不同的纖維摻入到混凝土中，幾何尺寸較小的纖維能夠?qū)炷羶?nèi)部的結(jié)構(gòu)起到“橋接”作用，可以有效阻止微裂縫的發(fā)展，進(jìn)而貫穿結(jié)構(gòu)成為宏觀的主裂縫，如圖6（a）所示。宏觀裂縫一般形成在受荷載作用最大的部位，而且還會隨著結(jié)構(gòu)的變形逐漸擴(kuò)展，這時尺寸大的纖維承擔(dān)主要的抗裂作用，外力增加時，試件最終就會開裂破壞，如圖6（b）所示。對于混凝土抗裂而言，長度不同的纖維能夠更好地協(xié)同工作，之間的交互作用使得彼此之間發(fā)揮最大的效用，使得混凝土開裂所需的能量提升[11]，發(fā)揮纖維對混凝土增強(qiáng)增韌的效果。

3.3 玄武巖纖維與混雜纖維對混凝土抗折強(qiáng)度的對比研究

將玄武巖纖維和聚乙烯醇、玄武巖混雜纖維對混凝土抗折強(qiáng)度比較，相同強(qiáng)度等級的放在一張柱狀圖中表示，見圖6所示。

圖6 C30、C60級纖維混凝土的抗折強(qiáng)度值

由圖6可知，玄武巖纖維和混雜纖維有相似的規(guī)律?；炷恋目拐蹚?qiáng)度隨著纖維摻量和長度的增加而提高，C30和C60混凝土的結(jié)論一致。通過試驗(yàn)表明，保證其他條件不變時，對于C30和C60混凝土而言，摻入混雜纖維要比玄武巖纖維的抗裂效果更好。如摻入長度為5mm的C60級混凝土，其纖維體積摻量在0.05%時，摻入混雜纖維混凝土的抗折強(qiáng)度是摻入玄武巖纖維的1.03倍；纖維體積摻量為0.10%時，前者是后者的1.08倍。纖維體積摻量為0.15%時，前者是后者的1.08倍。同時試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，纖維摻量越高，混雜纖維的優(yōu)勢表現(xiàn)更為突出。

總而言之，其他條件沒有變化時，混雜纖維在混凝土抗折性能方面的正向效果好于玄武巖纖維。這是由于兩種混雜纖維在荷載作用下協(xié)同工作，共同抵抗混凝土的抗裂，提高了混凝土裂開所需的能量，增強(qiáng)了混凝土的韌性。

4 結(jié)論

①無論是C30級還是C60級混凝土，隨著玄武巖纖維摻量的提高，或是長度的增加，混凝土的抗折強(qiáng)度都會大幅度提高。

②兩種纖維之間的混雜效果對于提升混凝土的抗裂性能好于相同長度的兩種纖維。

③其他條件不變的情況下，混雜纖維對混凝土抗折強(qiáng)度的作用效果比單摻玄武巖要好。