鋼—聚丙烯纖維混凝土纖維增強(qiáng)作用機(jī)理研究

魏金源　厲帥　　張勇　劉宏偉

壓能力的影響，對兩種纖維不同摻量的混雜纖維混凝土進(jìn)行壓縮試驗，并設(shè)計素混凝土作為對照實驗。通過對壓縮過程的破壞現(xiàn)象進(jìn)行分析，結(jié)合纖維混雜效應(yīng)理論，得出了混雜纖維對混凝土的增強(qiáng)作用規(guī)律。

關(guān)鍵詞：混雜纖維；混凝土；壓縮試驗；理論分析

作為應(yīng)用范圍最廣，使用量最大的土木工程材料，混凝土的強(qiáng)度一直是人們最為關(guān)注的性能指標(biāo)。然而混凝土弱點是脆性強(qiáng)、塑性差，受外力作用易產(chǎn)生裂縫并造成性能的下降。許多學(xué)者長期以來探索彌補(bǔ)混凝土這些缺陷的方法，纖維混凝土由此而產(chǎn)生。已有研究表明，將各種纖維摻入混凝土基體中，不僅可以限制混凝土內(nèi)部收縮裂縫的萌發(fā)，并且阻礙外力作用下裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。文章通過對混凝土中摻入鋼纖維及聚丙烯纖維，并對其進(jìn)行靜態(tài)壓縮試驗，通過對壓縮破壞過程進(jìn)行分析，著重闡述了纖維對混凝土的增強(qiáng)作用機(jī)理的理論分析。

1 試驗

1.1 試驗材料

（1）水：市用自來水；（2）水泥：普通的425硅酸鹽水泥；（3）石子：5-10mm碎石；（4）砂：細(xì)度模數(shù)為2.6，滿足建筑Ⅱ類砂標(biāo)準(zhǔn)；（5）鋼纖維及聚丙烯纖維參數(shù)見表1。

1.2 試驗設(shè)計

本實驗在中國礦業(yè)大學(xué)巖土力學(xué)重點實驗室進(jìn)行，采用MTS816靜力學(xué)實驗系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)抗壓強(qiáng)度實驗，經(jīng)過攪拌、振搗、脫模，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28d，于實驗前4h取出等待試驗，混凝土配合比見表2。

本實驗共設(shè)計了鋼纖維與聚丙烯纖維的單摻混凝土體積摻量分別取0.5%、1%、1.5%三個水平，以及兩種纖維的同時摻入，控制總參量不變，采取全水平試驗。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試件破壞結(jié)果

從試件的物理破壞過程可以看出，混凝土材料在承受荷載前已存在微裂紋和微孔洞等損傷，隨著荷載的不斷增大，這些初始損傷會誘發(fā)開裂，逐漸擴(kuò)展，直至斷裂。試件受壓破壞過程均為：開始加載、初裂產(chǎn)生、峰值應(yīng)力、最終破壞四個過程。

2.2 理論分析

復(fù)合材料力學(xué)理論認(rèn)為復(fù)合材料是由多相組成的，可以按各相疊加原理計算復(fù)合材料的彈性模量和強(qiáng)度等指標(biāo)。纖維混凝土就是一種復(fù)合材料，使用該理論的前提假設(shè)是：（1）認(rèn)為纖維和基體都是彈性變形體，且變形在橫向上相等；（2）纖維與基體產(chǎn)生相應(yīng)應(yīng)變；（3）纖維排列方向與應(yīng)力方向相同，且均勻連續(xù)；（4）纖維與基體無相對滑動。

由線彈性斷裂力學(xué)可知，混凝土內(nèi)部有各種大小缺陷，如微裂紋、孔洞等。當(dāng)外力施加時，應(yīng)力集中現(xiàn)象會出現(xiàn)在這些薄弱部位，并引起裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，直至結(jié)構(gòu)的破壞。因此，在混凝土中加入纖維或混雜纖維后，混凝土在受力產(chǎn)生破壞時，纖維能夠限制裂縫或孔洞的萌發(fā)和發(fā)展，提高混凝土的阻裂性能，實現(xiàn)混凝土的增強(qiáng)、增韌。

3 結(jié)語

通過纖維中心間距來看。與單摻纖維混凝土相比，混雜纖維的摻入，增加了單位體積內(nèi)的纖維根數(shù)，導(dǎo)致纖維間距變小。另外，高低彈模的纖維組合和不同形狀的纖維組合在裂紋孔隙內(nèi)部發(fā)揮協(xié)同作用，提高了抗裂能力。這主要表現(xiàn)在兩個方面，一方面，高彈模的鋼纖維橫跨在裂紋之間，減弱了裂縫之間的拉應(yīng)力，應(yīng)力集中被削弱，起到增強(qiáng)材料的作用；另一方面，低彈模的聚丙烯纖維可以在混凝土內(nèi)部形成多點開裂，提高混凝土的裂后變形能力。因此，混雜與單摻纖維混凝土和素混凝土相比，明顯改善了混凝土的物理和力學(xué)性能，具有更高的抗壓強(qiáng)度。

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基金項目：文章為國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目階段性成果，項目編號：51508565；文章為國家自然科學(xué)基金面上項目階段性成果，項目編號：51478462。

作者簡介：魏金源（1992- ），男，江西南昌人，碩士，空軍勤務(wù)學(xué)院機(jī)場工程與保障系，研究方向：防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程。