纖維混雜效應對混凝土軸心抗壓強度的影響

王志杰，王嘉偉，陳鐵衛(wèi)，朱敢平，史瑞瑾

（1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031；2.天津軌道交通集團有限公司，天津 300380；3.玖青新材料科技（上海）有限公司，上海 200062）

為提高普通混凝土的抗裂、抗?jié)B、耐磨等耐久性能，國內(nèi)外學者提出了在混凝土中摻入纖維的復合材料技術(shù)［1］。在單一纖維混凝土的基礎上，將不同品種纖維按一定比例摻入基體混凝土中，使之互相作用產(chǎn)生纖維混雜效應，以期得到更為優(yōu)異的耐久性能［2］。

纖維混凝土常用的合成纖維包括纖維素纖維、聚乙烯醇纖維等［3-4］。纖維素纖維可提高混凝土的抗?jié)B、抗離子侵蝕、抗碳化等耐久性能，在我國已被應用于高速鐵路隧道襯砌、無砟軌道板等重大基礎工程中［5-8］。聚乙烯醇纖維可有效提升混凝土的抗裂、抗沖擊等性能，已被廣泛應用于隧道、水庫等土建工程中［9-11］。

目前針對纖維素纖維混凝土與聚乙烯醇纖維混凝土已有不少研究。張文瀟［12］對隧道纖維素纖維混凝土在彎拉荷載與環(huán)境因素共同作用下的耐久性、抗高溫爆裂和受壓徐變性能進行了試驗研究，分析了纖維素纖維作為混凝土內(nèi)養(yǎng)護纖維的可行性。Noushini等［13］研究了不同體積摻量下聚乙烯醇纖維混凝土性能，以彎曲韌性為指標，得到了最優(yōu)纖維體積摻量。曹軍偉［14］對混雜纖維混凝土進行了試驗研究，揭示了纖維素-聚乙烯醇混雜纖維混凝土不同性能指標間的相關(guān)性。但是，目前的研究對于纖維素纖維和聚乙烯醇纖維的混雜效應分析還不深入。本文以混凝土軸心抗壓強度為研究指標，對纖維素纖維與聚乙烯醇纖維的混雜效應進行試驗研究，為分析2 種纖維的混雜效應對混凝土韌性及耐久性的影響提供理論依據(jù)。

1 軸心抗壓試驗

1.1 試驗材料及配合比

混凝土強度等級為C50。試驗使用利森P·O 42.5水泥；粗骨料為都江堰5～20 mm 碎石；細骨料為樂山河砂，細度模數(shù)2.6；纖維材料采用玖青新材料科技（上海）有限公司提供的纖維素纖維CTF-960（Cellulose Fiber，抗拉強度960 MPa，下文簡稱CTF）、聚乙烯醇纖維 PF-2000（Polyvinyl Alcohol Fiber，抗拉強度2000 MPa，下文簡稱PF），見圖1。外加劑為高性能減水劑（JFL-2C）和防腐阻銹抗裂防水劑（CFA-ZF），摻和料為F類Ⅱ級粉煤灰和礦粉。纖維材料物理力學性能指標見表1，配合比及材料用量見表2。

圖1 纖維材料圖

表1 纖維材料物理力學性能指標

表2 混凝土配合比及材料用量

1.2 試驗工況設計

采用100 mm×100 mm×300 mm 的棱柱體試件，在混凝土中混摻纖維素纖維、聚乙烯醇纖維，養(yǎng)護成型28 d后，將試件從養(yǎng)護室取出，測試混凝土軸心抗壓強度。試驗方法參照CECS 13：2009《纖維混凝土試驗方法標準》［15］。試驗工況采取正交組合，有11 種工況。每種3個試件，共33個試件。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試件破壞形態(tài)

混凝土試件軸心受壓破壞形態(tài)見圖2。其中：CTF1.0 表示纖維素纖維摻量為1.0 kg/m3的纖維混凝土試件，其余以此類推。

圖2 混凝土試件軸心受壓破壞形態(tài)

由圖2可以看出：素混凝土破壞后試件表面有一條貫穿的斜向主裂縫，裂縫分岔較少；而纖維混凝土試件破壞后表面出現(xiàn)多條斜向裂縫，這是因為在裂縫擴展過程中纖維的存在使得裂縫尖端易發(fā)生應力重分布。

2.2 結(jié)果分析

纖維混凝土的軸心抗壓強度增強系數(shù)βf為

式中：fcpf為纖維混凝土的軸心抗壓強度；fcp為素混凝土的軸心抗壓強度。

當βf＞1 時，纖維對基體混凝土的軸心抗壓強度有增大作用；當βf＜1 時，纖維對基體混凝土的軸心抗壓強度有減小作用。通過計算得到試件軸心抗壓強度，每種工況取3 個試件的平均值，依據(jù)式（1）計算得到βf，見表3。

表3 混凝土軸心抗壓試驗結(jié)果

從表3可知：①CTF 混凝土軸心抗壓強度隨CTF摻量的增大先增大后減小，CTF 摻量為1.5 kg/m3時軸心抗壓強度達到最大值63.8 MPa，與素混凝土相比增大了6.8 MPa；PF混凝土軸心抗壓強度隨著PF摻量的增大而減小，PF 摻量在0～2 kg/m3時混凝土軸心抗壓強度減小趨勢較為平緩，PF摻量為3.5 kg/m3時急劇減小到41 MPa，與素混凝土相比減小了16 MPa。②當CTF 摻量不變時，隨著PF 摻量增大CTF-PF 混雜纖維混凝土βf逐漸減小，且在 PF 摻量為 3.5 kg/m3時βf大幅減小至0.67。當PF 纖維摻量不變時，隨著CTF 摻量增大CTF-PF混雜纖維混凝土βf緩慢增大，但均小于素混凝土。

綜合分析表3數(shù)據(jù)，對于混凝土軸心抗壓強度，纖維單摻情況下CTF 起正向增大作用，PF則起負向減小作用。當 2 種纖維混摻、PF 摻量在 0～2 kg/m3時，再摻入CTF 會產(chǎn)生正混雜效應，軸心抗壓強度提高。但是，PF3.5 纖維混凝土軸心抗壓強度為41 MPa，CTF1.2+PF3.5 混雜纖維混凝土的軸心抗壓強度為38.1 MPa，即CTF 的摻入反而降低了軸心抗壓強度，產(chǎn)生負混雜效應。

3 纖維混雜效應對混凝土軸心抗壓強度的影響規(guī)律

參考國內(nèi)外針對纖維混雜效應的研究方法［16-17］，本文引入纖維混雜效應函數(shù)來表征CTF 和PF 混摻對混凝土軸心抗壓強度的影響。該函數(shù)的值即為βf。

式中：f（x，y，z，…）為纖維混雜效應函數(shù)；x，y，z是不同纖維的體積摻量，可由質(zhì)量摻量換算。

針對CTF-PF混雜纖維混凝土，則有

式中：fcp（i，j）為CTF-PF 混雜纖維混凝土軸心抗壓強度的混雜效應函數(shù)；i，j分別為CTF和PF的體積摻量。

利用MATLAB 對試驗得到的CTF-PF 混雜纖維混凝土βf與2 種纖維體積摻量進行多項式曲面擬合，結(jié)果見圖3。

圖3 CTF-PF 混雜纖維混凝土βf與2 種纖維體積摻量的擬合曲面

相應的CTF-PF 混雜纖維混凝土軸心抗壓強度混雜效應函數(shù)fcp（i，j）為

相關(guān)系數(shù)R2為 0.982，說明fcp（i，j）可用于表征CTF 和PF單摻、混摻情況下混凝土軸心抗壓強度的變化規(guī)律。根據(jù)式（3）和式（4）可通過少量試驗數(shù)據(jù)預測特定摻量CTF-PF 混雜纖維混凝土βf。已知相同配合比的素混凝土軸心抗壓強度時，可利用式（1）預測相應摻量纖維混凝土的軸心抗壓強度，為以后研究CTF-PF 混摻對混凝土耐久性、彎曲韌性的影響奠定基礎。

4 結(jié)論

1）在混凝土中摻入纖維素纖維可提高混凝土軸心抗壓強度。隨著纖維素纖維摻量的增大，混凝土軸心抗壓強度先增大后減小，纖維素纖維的最優(yōu)摻量為1.5 kg/m3，對應的混凝土軸心抗壓強度為63.8 MPa。

2）在基體混凝土中摻入聚乙烯醇纖維會減小混凝土軸心抗壓強度。聚乙烯醇纖維摻量在0～2 kg/m3時混凝土軸心抗壓強度減小幅度并不明顯，但聚乙烯醇纖維摻量為3.5 kg/m3時混凝土軸心抗壓強度明顯減小。

3）聚乙烯醇纖維摻量小于2 kg/m3，纖維素纖維摻量小于1.2 kg/m3時，產(chǎn)生正混雜效應，所得混雜纖維混凝土軸心抗壓強度優(yōu)于單摻相應摻量聚乙烯醇纖維的混凝土；但聚乙烯醇纖維摻量為3.5 kg/m3時再摻入纖維素纖維會產(chǎn)生負混雜效應，降低混凝土軸心抗壓強度。

4）基于MATLAB 多項式曲面擬合求得纖維混雜效應函數(shù)，該函數(shù)可表征纖維素纖維和聚乙烯醇纖維在單摻、混摻情況下軸心抗壓強度的變化規(guī)律。