混雜纖維混凝土的力學(xué)性能及應(yīng)用分析

李昕　李海英

摘 要：纖維在混凝土中的應(yīng)用日益廣泛，但由于纖維的性能和尺度不同，混凝土的力學(xué)性能亦不同。筆者從纖維混凝土入手，通過試驗(yàn)研究混雜纖維混凝土與普通混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能，最后提出在實(shí)際工程中的應(yīng)用，以期對以后混雜纖維混凝土的進(jìn)一步研究有所裨益。

關(guān)鍵詞：混雜纖維；混凝土；力學(xué)性能；應(yīng)用

纖維混凝土是由抗裂性大、彈性模量高的纖維和抗拉強(qiáng)度不同的混凝土組合而成的復(fù)合材料，具有提高基材抗拉強(qiáng)度、阻止擴(kuò)展基材中的缺陷、延緩新裂紋出現(xiàn)、增強(qiáng)基材變形能力等特點(diǎn)，在土木工程中逐步得到廣泛的應(yīng)用。纖維的種類不同對混凝土力學(xué)性能的影響亦不同，經(jīng)不同纖維的單摻和混雜試驗(yàn)，比較混雜纖維材料間的性能，以產(chǎn)生性能可靠，社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益均理想的纖維材料。

1 試驗(yàn)原材料及配合比

水泥：普通硅膠鹽水泥，粗集料：粒徑為5-10mm的碎石，細(xì)集料：細(xì)度模數(shù)為2.65的中粗河沙，減水劑：具有高效早強(qiáng)等特點(diǎn)，其摻量為水泥量的1.2%，纖維：纖維種類及其性能指標(biāo)如下表1.

經(jīng)正交試驗(yàn)計(jì)算得出普通混凝土最優(yōu)配合比水泥：水：石子：沙：減水劑=1：0.4：1.8：2.2：0.012，1m3普通混凝土水泥使用量450kg/m3，再分別依次摻入仿鋼纖維、聚丙烯纖維、鋼纖維等配制成普通混凝土。

2 力學(xué)性能比較

與普通混凝土相比，摻加適量混雜纖維的混凝土各種強(qiáng)度均明顯提高，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）若仿鋼纖維摻量為0.6%時(shí)，則混雜混凝土的抗壓、抗折、抗拉等強(qiáng)度均提高；（2）若聚丙烯纖維摻量為0.9kg/m3時(shí)，混雜纖維混凝土的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均有一定程度的提高；（3）若聚丙烯纖維摻量為0.1%，同時(shí)仿鋼纖維摻量為0.6%時(shí)，混雜纖維混凝土的各項(xiàng)強(qiáng)度均有很大程度的提高，且各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)綜合最優(yōu)。混雜纖維混凝土既可提高混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度，又可抑制混凝土裂縫的出現(xiàn)，而普通混凝土裂縫寬度較大，損害程度較嚴(yán)重，且損害多發(fā)在骨科斷裂處；混雜纖維混凝土試塊裂而不碎，整體性較好，表明混雜纖維的合理使用可充分發(fā)揮不同纖維的優(yōu)良性能，既可增強(qiáng)混雜纖維混凝土的各項(xiàng)強(qiáng)度，又可阻止混凝土裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。

經(jīng)試驗(yàn)測得混雜纖維混凝土的力學(xué)性能如下表2。

由表2可知，與仿鋼纖維和聚丙烯纖維相比，鋼纖維對混雜纖維混凝土的增強(qiáng)效果較好，原因在于鋼纖維的高彈性模量和與水泥砂漿機(jī)體的強(qiáng)咬合力。鋼纖維28d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度均高于普通混凝土，而仿鋼纖維與聚丙烯纖維的各項(xiàng)強(qiáng)度均較普通混凝土有一定程度提高，而提高幅度均低于鋼纖維和混雜纖維。鋼纖維對混凝土的各項(xiàng)強(qiáng)度提高較明顯，但鋼纖維所配制成的混凝土成本較高，比重較大，攪拌時(shí)不易分散，且很容易出現(xiàn)銹蝕；由仿鋼纖維與聚丙烯纖維摻合而成的混雜纖維具有較好的分散性，雖強(qiáng)度不及鋼纖維，但差別并不明顯，成本較低，在某些混凝土中可取代鋼纖維的應(yīng)用。

3 在實(shí)際工程中應(yīng)用

3.1 混雜纖維在地鐵等隧道工程中應(yīng)用

與國外混雜纖維的應(yīng)用相比，國內(nèi)混雜纖維的相關(guān)研究起步較晚，研究及應(yīng)用均落后于發(fā)達(dá)國家。但近年來發(fā)展較快，已逐步進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的試驗(yàn)研究及應(yīng)用階段，如上海地鐵建設(shè)公司攜手同濟(jì)大學(xué)混凝土材料研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展混雜纖維混凝土管片的研究，從材料、制造和結(jié)構(gòu)檢測這3個(gè)方面分析并研究地鐵隧道混雜纖維混凝土管片的新技術(shù)，并在上海市M6地鐵線建立鋼纖維混凝土管片試驗(yàn)段50m，并設(shè)置不同功能的應(yīng)變膜系統(tǒng)、鋼筋計(jì)系統(tǒng)和光纖光柵傳感器系統(tǒng)等組合成地鐵隧道安全監(jiān)控系統(tǒng)，并定時(shí)記錄地鐵管片在施工及運(yùn)行中的變形、應(yīng)力數(shù)據(jù)，并系統(tǒng)分析地鐵管片的優(yōu)點(diǎn)及特性。數(shù)據(jù)表明，此地鐵試驗(yàn)段工作狀況安全可靠，且狀態(tài)良好。

3.2 混雜纖維在加固工程中應(yīng)用

混雜纖維在加固工程中的應(yīng)用日益普遍，為增強(qiáng)混雜纖維混凝土的加固效果，在應(yīng)用中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的問題：（1）參照混雜纖維混凝土在建筑或橋梁修補(bǔ)及加固工程中的應(yīng)用資料，選擇材料、設(shè)計(jì)配合比和正交試驗(yàn)，然后分析混雜纖維混凝土中不同纖維摻量對混凝土纖維力學(xué)性能的影響，以確定最佳纖維摻量和混雜比例；（2）重視混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)的加載裝置，IMP動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集，測試儀器安裝與調(diào)試，并結(jié)合符合材料理論、纖維間距理論及斷裂力學(xué)理論等進(jìn)一步分析混雜纖維在加固工程中應(yīng)用的加固與增韌機(jī)理。

混雜纖維混凝土是一種力學(xué)性能優(yōu)良的工程材料，與普通混凝土相比，具有較好的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及劈裂中抗折強(qiáng)度，可在很大程度上延長工程竣工后的使用壽命，且有效解決普通混凝土路面出現(xiàn)磨損、碎裂、斷裂等問題，具有良好的應(yīng)用價(jià)值和前景。

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基金項(xiàng)目：論文為“不同摻量的木質(zhì)素纖維混凝土的基本力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究”的成果之一，項(xiàng)目編號(hào)：2014QJ02。