層布式混雜纖維混凝土抗壓及抗拉性能試驗研究

張海鵬，陳 猛，白 帥，蔡 勤

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽110819)

混凝土在工程中使用廣泛，其自重大、易產(chǎn)生裂縫和抗拉強度低等缺點也越來越難以滿足對建筑的要求。由此許多學(xué)者想到在混凝土中添加纖維來探索混凝土性能的變化情況，被添加在混凝土中的纖維包括有機、無機和金屬纖維等。鋼纖維等高彈性模量纖維對混凝土的增強和增韌效果明顯，但是價格高，施工難度大[1－2]。合成纖維等低彈性模量纖維對混凝土的增韌效果較好并且對耐久性改善較大，但增強效果較差[3－4]。為此，某些學(xué)者提出了層布式鋼纖維混凝土，即把鋼纖維均勻分布于試件的上下表面一定厚度的表層內(nèi)，中間仍為素混凝土。其力學(xué)性能與鋼纖維混凝土相近，但鋼纖維用量只有鋼纖維混凝土的10%，明顯降低了成本[5－8]。然而，由于纖維只是添加在上下表面，其中間部分十分脆弱。在此基礎(chǔ)上，為有效地結(jié)合鋼纖維在增加混凝土強度和韌性方面的性能以及聚丙烯纖維在提高耐久性方面的功效，采用層布式鋼－聚丙烯混雜纖維混凝土，即把聚丙烯纖維均勻分布于混凝土中，而把鋼纖維均勻分布于試件的上下表面一定厚度表層內(nèi)，以得到增強增韌效果好且價格便宜的層布式混雜纖維混凝土[9－11]。同濟大學(xué)姚武等[12]研究了碳－鋼混雜纖維混凝土的抗壓、抗拉、彎曲韌性等性能。黃國棟等[13]研究了強度為CF40混雜纖維混凝土在14 d、28 d、56 d的抗壓強度和劈裂強度。朱海堂等[14]對混雜纖維高強混凝土試件進行楔劈拉伸試驗?？梢娤嚓P(guān)學(xué)者對混雜纖維混凝土進行的研究工作中，選取的混凝土強度、纖維類型、纖維摻量等各有不同，對鋼－聚丙烯混雜纖維混凝土的力學(xué)性能研究仍有大量工作需要開展。

在現(xiàn)有理論和試驗基礎(chǔ)上，本實驗通過改變纖維的摻加方式，對設(shè)計強度為C50的層布式混雜纖維混凝土進行立方體抗壓和劈裂抗拉試驗，研究層布式混雜纖維對混凝土的增強效果和作用機理。

1 試驗內(nèi)容與方法

為了對C、PFRC、LSFRC和 LHFRC進行力學(xué)性能對比，分別對四種混凝土進行立方體抗壓和劈裂抗拉試驗。

混凝土膠凝材料為華新42.5普通硅酸鹽水泥，減水劑為FDN－2000早強高效減水劑。連續(xù)級配碎石作為粗骨料，粒徑取5 mm～30 mm，中粗砂作為細(xì)骨料，細(xì)度模數(shù)取為2.6。鋼纖維為上海貝爾卡特鋼纖維公司生產(chǎn)的端勾型鋼纖維，其主要參數(shù)見表1;聚丙烯纖維為廊坊華能化工有限公司生產(chǎn)的聚丙烯纖維，其主要參數(shù)見表2。

表1 鋼纖維物理力學(xué)性能指標(biāo)

表2 聚丙烯纖維物理力學(xué)性能指標(biāo)

本試驗制備C、PFRC、LSFRC和 LHFRC四種材料，素混凝土設(shè)計強度等級為 C50?；炷敛牧系呐浜媳纫姳?。

表3 四種類型混凝土配合比

2 抗壓性能試驗結(jié)果及分析

2.1 抗壓強度結(jié)果及分析

測試抗壓強度的試件為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，混凝土立方體抗壓強度代表值計算式為，式中:fcu為混凝土立方體抗壓強度，MPa;F為極限荷載，N;A為受壓面積，mm2。四種材料的立方體抗壓強度試驗結(jié)果見表4。

表4 立方體抗壓強度試驗結(jié)果

由表4可知，PFRC的立方體抗壓強度比C低3.9%;LSFRC和LHFRC的立方體抗壓強度分別比C高4.9%和4.3%;LHFRC的立方體抗壓強度比PFRC高8.6%，比LSFRC低0.5%。聚丙烯纖維會使混凝土立方體抗壓強度有所降低，鋼纖維會使混凝土立方體抗壓強度有所提高，但是二者增強和減弱效果均不明顯。

2.2 受壓破壞形態(tài)及分析

四種材料的立方體抗壓強度試驗試件破壞形態(tài)如圖1所示。

從破壞形態(tài)來看，C在破壞時表現(xiàn)為典型的脆斷，出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象，屬于脆性破壞。壓碎時出現(xiàn)整面壓碎脫落現(xiàn)象，并且邊緣破壞嚴(yán)重。由于環(huán)箍效應(yīng)，破壞后呈“上下粗，中間細(xì)”的形狀。而PFRC內(nèi)大量均勻分布的纖維形成纖維網(wǎng)，在破壞時并不像C那樣出現(xiàn)崩碎和強度的突然降低，出現(xiàn)不剝落和破碎的裂縫，整體性較好。LSFRC和LHFRC呈現(xiàn)出相當(dāng)大的延性，開裂后裂縫有一個明顯的開展過程，出現(xiàn)破壞征兆，使混凝土表現(xiàn)出延性破壞的性質(zhì)。受壓時LSFRC由于纖維僅分布在兩個側(cè)面的表面，與之相鄰另外兩個側(cè)面并沒有摻雜鋼纖維，裂縫較寬且長，混凝土逐漸剝離掉落;LHFRC破壞時裂紋小于LSFRC，試件很完整，整體性表現(xiàn)良好。

圖1 四種材料立方體抗壓強度試驗破壞圖

在受壓破壞中，聚丙烯纖維等合成纖維有一定的阻裂作用，但鋼纖維的阻裂作用更大。加入的纖維在混凝土中產(chǎn)生了新的界面即“纖維—混凝土界面”，這形成了新的破壞因素。特別是聚丙烯纖維摻量大時，需要大量的水泥漿體進行包裹，使振搗困難，基于以上原因，PFRC的抗壓強度會適當(dāng)降低。而在進行立方體抗壓強度試驗時，LSFRC和LHFRC中間的混凝土部分會受壓膨脹，兩個側(cè)面摻有鋼纖維的表面能有效限制膨脹作用，進而使抗壓強度增大。所以說，LSFRC和LHFRC的強度增長是由于鋼纖維發(fā)揮了阻裂作用。

聚丙烯纖維的加入可以使混凝土發(fā)揮一定的延性作用。鋼纖維的層布摻入或鋼纖維與聚丙烯纖維的混雜摻入能夠有效改變混凝土的破壞特征，使延性作用更明顯，即由脆性破壞變?yōu)檠有云茐?。LHFRC和LSFRC比PFRC具有更加良好的破壞形態(tài)，原因是鋼纖維的阻裂效果比聚丙烯纖維大得多，并因此導(dǎo)致強度的提高。

3 抗拉性能試驗結(jié)果及分析

3.1 劈裂抗拉強度結(jié)果及分析

測試劈裂抗拉強度的試件同樣選用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，將劈裂抗拉強度作為表征混凝土抗拉強度的特征值?；炷僚芽估瓘姸扔嬎闶綖?fts=0.637，式中 fts為混凝土劈裂抗拉強度，MPa;F為試件破壞荷載，N;A為試件劈裂面面積，mm2。四種材料的劈裂抗拉試驗結(jié)果及拉壓比見表5。

表5 四種材料的劈裂抗拉試驗結(jié)果及拉壓比表

由表5可知:PFRC、LSFRC和LHFRC的劈裂抗拉強度分別比 C高出5.19%、10.86%和12.59%;LHFRC的劈裂抗拉強度比PFRC和LSFRC的分別高出 7.04% 和 1.56% 。

LHFRC能夠有效提高混凝土的劈裂抗拉強度，并且其抗拉性能比PFRC和LSFRC都高，即比摻入一種纖維時提高混凝土性能更多，可見層布式混雜纖維混凝土在提高劈裂抗拉強度方面，能夠集聚丙烯纖維混凝土和層布式鋼纖維混凝土二者優(yōu)點于一身。但是LHFRC與LSFRC的劈裂抗拉強度十分接近，這說明摻加層布式鋼纖維對混凝土劈拉強度的提高遠(yuǎn)大于摻填聚丙烯纖維對混凝土劈拉強度的提高。

四種材料的拉壓比均在1/12～1/14之間，層布式混雜纖維的摻入提高了混凝土的拉壓比，說明層布式混雜纖維的摻入對混凝土抗拉強度的提高較為明顯。

3.2 劈裂抗拉破壞形態(tài)及分析

四種材料的劈裂抗拉試驗破壞形態(tài)如圖2所示。

C劈裂抗拉試驗試件沿劈裂線發(fā)生脆性斷裂，PFRC劈裂抗拉試驗試件斷裂時有一定的延性，而LSFRC和LHFRC試件沿劈裂線發(fā)生延性拉裂。從破壞形態(tài)來看，PFRC略好于 C;LSFRC和 LHFRC均保持良好的整體性，LHFRC試件裂縫處可見上下兩層鋼纖維交錯排列，LHFRC的裂縫小于LSFRC，可見LSFRC和LHFRC均具有較好的延性。

圖2 四種材料的劈裂抗拉試驗破壞形態(tài)圖

在混凝土硬化過程中聚丙烯纖維可以減少初始裂縫的產(chǎn)生，從而減少材料的內(nèi)部缺陷，間接增強了混凝土的抗拉強度。由于聚丙烯纖維的彈性模量只有3.8×103MPa，因此可以在混凝土初裂階段發(fā)揮阻裂作用。鋼纖維的彈性模量遠(yuǎn)高于混凝土的彈性模量，在混凝土開裂后上下兩層鋼纖維可以約束裂縫發(fā)展。鋼纖維和混凝土之間具有良好的粘結(jié)效果，在裂縫擴展階段，混凝土基體將荷載傳遞給鋼纖維，提高了材料的劈裂抗拉強度。

4 層布式混雜纖維混凝土增強機理分析

混凝土硬化過程中，混凝土骨料會在重力作用下逐漸下沉。在振實過程中，上下兩層撒布的鋼纖維會由于密度的差異在混凝土中四處分散開來，從而形成亂向的交叉分布，加上聚丙烯纖維均勻分散于基體混凝土中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以會阻止骨料的下沉，減少了硬化過程中的基體收縮，從而減少原始微裂紋的萌發(fā)。

另外，由于水分的蒸發(fā)和轉(zhuǎn)移會引起混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，裂紋的存在使混凝土在受到荷載作用時發(fā)生應(yīng)力集中，從而使裂紋逐漸擴展。纖維在混凝土中主要起橋接裂縫的作用[15]。聚丙烯纖維的存在能夠限制混凝土的開裂，延緩裂縫出現(xiàn)的時間。但是由于聚丙烯纖維彈性模量較低，它的阻裂作用有限，主要在較低拉應(yīng)力情況下起作用。拉應(yīng)力較大時，具有高彈性模量的鋼纖維將發(fā)揮突出的增強作用。

宏觀裂縫出現(xiàn)后，此時聚丙烯纖維因彈性模量很低承受不住如此大的拉應(yīng)力就會破壞，相應(yīng)的拉應(yīng)力會傳遞給鋼纖維，鋼纖維擔(dān)負(fù)的拉應(yīng)力將變得更大。可見，聚丙烯纖維與鋼纖維在裂縫開展的過程中分別對混凝土起約束作用，從而提高混凝土的強度。

從試件的破壞形態(tài)來看，LHFRC試件的破壞形態(tài)與C有較大的區(qū)別。在抗壓試驗中，C試件裂縫數(shù)量少而裂縫很寬。在劈拉試驗中，混凝土試件劈裂斷開。LHFRC的表現(xiàn)明顯不同，其抗壓試件裂縫細(xì)密，劈拉試驗試件破壞時雖然開裂但仍能保持為整體。

5 結(jié)論

通過對C、PFRC、LSFRC和 LHFRC四種材料的抗壓、劈裂抗拉性能和增強機理的研究，得到如下結(jié)論:

(1)在立方體抗壓強度方面，PFRC的立方體抗壓強度比C低3.9%，即聚丙烯纖維的摻入會使C的立方體抗壓強度減小;LSFRC的立方體抗壓強度比C高4.9%，即層布式鋼纖維的摻入會使C的立方體抗壓強度提高。但這兩種纖維對立方體抗壓強度的影響效果均不明顯;

(2)在劈裂抗拉強度方面，PFRC、LSFRC和LHFRC的劈裂抗拉強度分別比 C高出5.19%、10.86%和12.59%，即聚丙烯纖維和層布式鋼纖維均能使混凝土的劈裂抗拉強度顯著提高，而且層布式混雜纖維能夠綜合二者的優(yōu)點，實現(xiàn)優(yōu)勢疊加;

(3)在破壞形態(tài)方面，纖維可以改變材料的破壞性狀，C發(fā)生脆性破壞，PFRC破壞時有較好的延性，LHFRC和LSFRC均發(fā)生延性破壞并體現(xiàn)了良好的變形性能。

[1]陳潤鋒，張國防，顧國芳.我國合成纖維混凝土研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].建筑材料學(xué)報，2001，4(2):167-173.

[2]孫 偉，錢紅萍，貢浩平.纖維混雜及其與膨脹劑復(fù)合對水泥基材料的物理性能的影響[J].硅酸鹽學(xué)報，2004，28(2):95-100.

[3]杜向琴.碳－聚丙烯混雜纖維混凝土力學(xué)性能試驗研究[J].路基工程，2010(6):130-132.

[4]王 凱，張義順，王信剛.低摻量S－P混雜纖維增強增韌的作用研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，35(10):1209-1211.

[5]張王杰.層布式鋼纖維混凝土路面力學(xué)分析[J].華東公路，2009(5):26-29.

[6]盧哲安，羅國榮，陳應(yīng)波，等.上下層布式鋼纖維混凝土的抗折強度和增強機理研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2001，23(1):55-59.

[7]祝國華，葉 奮，吳志勇.層布式鋼纖維混凝土鋼纖維摻量試驗研究[J].華東公路，2008(1):67-70.

[8]倪鐵權(quán)，盧哲安，張明遠(yuǎn).層布式鋼纖維混凝土典型路面板厚度表的研制[J].路基工程，2009(1):69-70.

[9]賀東青，董志華.層布式混雜纖維混凝土的抗沖擊性能[J].新型建筑材料，2009(6):17-19.

[10]袁海慶，朱繼東，陳景濤.層布式混雜纖維對混凝土抗彎性能的改善及其在路面設(shè)計中的應(yīng)用[J].混凝土與水泥制品，2003(4):41-43.

[11]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研究[J].混凝土與水泥制品，2009(1):45-47.

[12]姚 武，蔡江寧，陳 兵.混雜纖維增韌高性能混凝土的研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報，2002，24(1):42-44.

[13]黃國棟，馬芹永.混雜纖維混凝土力學(xué)性能試驗研究與分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2010，6(2):329-333.

[14]朱海堂，高丹盈，王占橋.混雜纖維高強混凝土斷裂性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2010，31(1):41-46.

[15]劉勝兵，徐禮華.混雜纖維對高性能混凝土拉壓比的影響[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報，2012，34(9)17-21.