玄武巖/聚丙烯腈混雜纖維混凝土力學性能及最優(yōu)纖維摻量研究

曾振海，李傳習，柯璐，聶潔

玄武巖/聚丙烯腈混雜纖維混凝土力學性能及最優(yōu)纖維摻量研究

曾振海，李傳習，柯璐，聶潔

(長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114)

為得到力學性能較優(yōu)的混雜纖維混凝土設計方法，研究纖維混雜效應及纖維最佳摻配量。選用玄武巖纖維(B纖維)和聚丙烯腈纖維(P纖維)，通過對不同纖維體積摻量的混凝土試件進行抗壓、劈裂抗拉和彎曲韌性等力學性能試驗，得到各纖維摻量下混凝土的抗壓強度、抗壓彈性模量、抗拉強度、抗彎承載力和彎曲應力?應變曲線，并據(jù)此計算纖維混雜效應系數(shù)和韌度比。研究結果表明：纖維的摻入對混凝土抗壓彈性模量影響很小，對抗拉、抗彎強度和韌度比有明顯提升，但抗壓強度略有下降?；祀s纖維混凝土的抗壓、抗拉、抗彎強度和韌度比等力學性能總體上優(yōu)于單一纖維混凝土。纖維混雜效應系數(shù)分析表明，2種纖維間具有良好的混雜效應。當B纖維和P纖維體積摻量分別為0.15%和0.11%時，纖維混凝土力學性能綜合最優(yōu)。同時，該摻配量下的混凝土早齡期(3 d和7 d)的力學性能亦優(yōu)于素混凝土。

混雜纖維混凝土；混雜效應；力學性能；應力?應變曲線；纖維摻量

混凝土自問世以來經(jīng)過近200年的發(fā)展，已成為當代最主要的建筑材料之一，但其最大缺點為荷載作用下的脆性破壞以及耐久性問題[1]。摻入纖維是改善混凝土基體的抗拉和抗彎等力學性能的有效途徑[2]。由于纖維混凝土的力學性能很大程度上決定于纖維性能，而每種纖維的性能都有一定的局限性，因此單獨摻入某一種纖維對混凝土基體的增強作用有限，若將不同性質(zhì)的纖維混雜，纖維之間可以通過性能優(yōu)勢互補使得基體在不同層次和受載階段有著更優(yōu)異的性能[3?5]。楊成蛟等[6]將鋼纖維(steel fiber，SF)和聚丙烯纖維(polypropylenefiber，PF)進行混雜，進行了混凝土的抗折等力學試驗，結果表明2種纖維具有良好的混雜效應，混凝土抗壓和抗折等力學性能優(yōu)于素混凝土和單摻纖維混凝土，并且當鋼纖維和聚丙烯纖維的體積摻量分別為0.7%和0.3%時混凝土的抗折強度提高幅度最大。潘惠敏[7]研究了玄武巖纖維(basalt fiber，BF)對基體的力學性能的影響，結果顯示摻入玄武巖纖維可有效提高混凝土的抗壓和抗折強度，最大提高幅度分別達20%和22%。賀晶晶等[8]研究了玄武巖?聚丙烯混雜纖維混凝土的力學性能，結果顯示混雜纖維混凝土的劈拉和抗折強度明顯高于素混凝土和單摻纖維混凝土。已有研究[6?10]中，纖維混雜方式大多選用鋼纖維、聚丙烯纖維或玄武巖纖維進行混雜，而對于玄武巖纖維和聚丙烯腈纖維混雜的研究鮮有報道。研究表明，纖維的摻入還可以提高混凝土的早齡期強度[11?12]。本研究將玄武巖纖維(B纖維)和聚丙烯腈纖維(P纖維)混雜制作纖維混凝土，開展混雜纖維混凝土抗壓、抗拉、抗壓彈性模量和彎曲韌性試驗，與素混凝土和單一纖維試驗結果進行比較。在彎曲韌性試驗中將得到試塊底部跨中受拉區(qū)應力?應變曲線并通過擬合得出每個試塊彎曲應力和應變間的函數(shù)關系式，經(jīng)函數(shù)積分獲得各試塊的韌度比。隨后綜合各力學性能試驗結果得出2種纖維增強混凝土基體的最佳摻量組合。本文還將研究最佳纖維混雜摻配量下的混凝土和素混凝土早齡期(3 d和7 d)的立方體抗壓、劈裂抗拉和抗彎承載力等力學性能，以期驗證該混雜纖維混凝土的早齡期力學性能。

1 試驗方案

1.1 纖維特性與纖維體積摻量

選用武漢中鼎經(jīng)濟發(fā)展有限公司生產(chǎn)的玄武巖纖維(B纖維)和聚丙烯腈纖維(P纖維)。纖維具體的材料特性如表1所示，其中，為纖維密度；b為抗拉強度；為彈性模量；為纖維長度；為纖維直徑；為纖維斷裂伸長率。纖維體積摻量如表2所示。

1.2 混凝土配合比及試件尺寸

采用石門海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P.0 52.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料為連續(xù)級配碎石(粒徑5~31.5 mm)；細骨料為含泥量低且級配良好的黃砂；衡陽邦奧偉業(yè)環(huán)保建材科技有限公司生產(chǎn)的高效減水劑，減水率為31.2%；自來水。除纖維以體積分數(shù)計量外，其余材料用量均按質(zhì)量計，稱量的精確度滿足規(guī)范要求混凝土強度等級為C55。具體配比如表3所示。

表1 纖維材料特性

表2 纖維體積摻量

表3 混凝土配合比

試驗試塊分別按照《水工混凝土試驗規(guī)程》SL 352—2006和《纖維混凝土試驗方法標準》CECS：2009規(guī)定制作。立方體抗壓和劈裂抗拉試驗試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，軸心抗壓和抗壓彈性模量試塊尺寸為150 mm×150 mm× 300 mm，抗彎韌性試驗試塊尺寸為150 mm×150 mm×550 mm，每組澆筑3個。

1.3 拌和工藝與試驗方法

試驗方法參考《水工混凝土試驗規(guī)程》SL 352—2006和《纖維混凝土試驗方法標準》CECS：2009中立方體抗壓、抗拉、抗壓彈性模量和抗彎韌性試驗方法進行。立方體抗壓、抗壓彈性模量、劈裂抗拉和軸心抗壓試驗選用2 000 kN YES-2000B型伺服試驗機，加載速率控制在6~7 kN/s。

彎曲韌性試驗采用三分點加載，同時在試塊底面跨中橫向依次黏貼3個長度為50 mm的電阻應變片，如圖1所示。每隔60 s讀取一次應變值，取算數(shù)平均值作為試塊跨中的受拉應變值，并記錄所對應的彎曲荷載，試驗加載采用恒速率控制，加載速率為0.2 mm/min，直至試塊破壞時終止試驗。

單位：mm

2 試驗結果與分析

2.1 纖維對混凝土抗壓性能的影響

素混凝土(plain concrete, PC)和纖維混凝土試塊的立方體抗壓和軸心抗壓試驗結果對比如圖2和圖3所示。對于立方體抗壓強度：1) 總體趨勢上，單摻或者混摻纖維使基體的立方體抗壓強度有所下降，下降幅度為0.6%~17%。僅當BF體積摻量在0.15%及其附近(±0.05%)、PF體積摻量在0.09%及其附近(±0.02%)時抗壓強度較素混凝土(PC)略有提升(1.5%~1.6%)。分析原因為在混凝土攪拌及硬化過程中，纖維因自身重力作用下沉，出現(xiàn)基體內(nèi)纖維分布不均勻，同時產(chǎn)生纖維沉底和結團現(xiàn)象，從而導致基體內(nèi)出現(xiàn)空洞，產(chǎn)生了薄弱截面，同時在一定程度上影響基體的密實性，進而導致混凝土基體的抗壓性能下降。2) 對于玄武巖纖維混凝土(BFRC)的抗壓性能，隨著纖維體積摻量的增加呈現(xiàn)先減后增的趨勢；對于聚丙烯腈纖維混凝土(PFRC)和混雜纖維混凝土(HFRC)的抗壓性能，隨著纖維體積摻量的增加呈先減后增再減的趨勢；分析原因為：在纖維摻量較小時，基體內(nèi)的纖維形成有效“承載網(wǎng)絡”的數(shù)量也較少，這些網(wǎng)絡之間由于數(shù)量不足不能相互搭接反而影響了混凝土基體的密實性導致抗壓強度下降；當纖維體積摻量逐漸增多到一定數(shù)量時，隨著“承載網(wǎng)絡”的增多并相互之間搭接形成“傳力橋”，可以在基體內(nèi)部裂縫產(chǎn)生和發(fā)展過程中起到抑制作用，也可當裂縫已出現(xiàn)時纖維可以對裂縫周圍的基體產(chǎn)生拉拽作用，從而提升抗壓強度；但當纖維體積摻量過大時，基體內(nèi)的纖維數(shù)量過多，纖維之間形成互相干擾，影響基體內(nèi)部的密實性和黏結性，導致混凝土抗壓強度下降。3) 當PF體積摻量在0.07%～0.09%區(qū)間時，SF體積摻量在0.1%～0.2%區(qū)間時，PFRC試塊的抗壓強度都要優(yōu)于BFRC。4)混雜纖維對基體抗壓強度產(chǎn)生的“負作用”要低于單摻纖維，原因是BF和PF 2種纖維擁有各自的優(yōu)勢性能，當混雜時2種纖維能在基體內(nèi)做到“揚長避短”，起到了很好的協(xié)同作用。綜上所述，抗壓性能相對較優(yōu)的有H-5，H-6和H-8試塊；5) 由圖2可看出各纖維混凝土的軸心抗壓強度的變化趨勢與立方體抗壓結果變化趨勢類似；6) 綜合立方體和軸心抗壓試驗結果，本試驗中纖維最優(yōu)摻配量為V=0.15%，V=0.09%(H-5試塊)。

圖2 纖維摻量對立方體抗壓強度的影響

2.2 試塊破壞形態(tài)

PC，BFRC和PFRC試塊在立方體抗壓試驗中，當荷載達到最大值時立即減小，PC試塊表面脫落破損嚴重，最終呈現(xiàn)“工”字形或錐形，見圖4(a)。BFRC試塊表面脫落現(xiàn)象要明顯好于PC，見圖4(b)；HFRC試塊在抗壓試驗中，當荷載達到最大值后不會立即減小而是會出現(xiàn)一定的滯后，且大部分試塊在破壞時表面不會自行脫落，總體上還能保持原形狀，見圖4(c)。由破壞形態(tài)上可以驗證上文中提到的纖維可對裂縫周圍的基體有拉拽的作用，也可對裂縫的發(fā)展產(chǎn)生一定的抑制作用。對于混凝土試塊的軸心抗壓試驗中的破壞形態(tài)則與立方體抗壓試驗基本相同。

圖3 纖維摻量對軸心抗壓強度的影響

(a) PC；(b) BFRC；(c) HFRC

2.3 纖維對混凝土抗拉性能的影響

PC試塊和纖維混凝土試塊的劈裂抗拉試驗結果對比如圖5所示。結果表明：1) 纖維的摻入可顯著提升混凝土基體的抗拉性能，在纖維混雜情況下，除了H-1和H-4試塊較PC略有下降外其余試塊都有較大提升，最大增幅可達18.6%；2) 對于單摻纖維混凝土，除了BF體積摻量為0.1%的BFRC試塊較PC下降5.5外，其余所有單摻纖維試塊的抗拉性能都好于PC，增幅范圍為1.5%～17.5%。同時對于BFRC試塊和PFRC試塊，抗拉強度隨著纖維體積摻量的增加而增大；3) 當BF體積摻量在0%～15%區(qū)間時，PF體積摻量為0.09%和0.11%的抗拉強度要明顯優(yōu)于摻量為0%和0.07%系列，這是因為在總纖維摻量不大時細小而低彈性模量的PF在拌和過程中較均勻分散到基體內(nèi)，改善了基體內(nèi)部的纖維分布情況，使出現(xiàn)較大纖維間距和基體內(nèi)部早期裂縫的概率大大降低。但是，當BF體積摻量達到0.2%時，PF摻量0.11%系列抗拉強度急劇下降，說明纖維總量過大時就會使上文所述的“負作用”效應凸顯出來；4) PF體積摻量為0%和0.07%的試塊抗拉強度隨著BF摻量的增加而呈先減后增的趨勢，而PF體積摻量為0.09%和0.11%的試塊則是先增后減。這是因為多種纖維在試塊受載的不同階段和不同結構層次上所發(fā)揮的協(xié)同作用會隨著纖維體積摻量的變化而變化，同時纖維過多時會使基體性能出現(xiàn)下降；5) 劈裂抗拉試驗結果顯示，BF摻量為0.15%、PF摻量為0.11%時(H-6)試塊的抗拉強度最高，較PC提高了18.6%。

圖5 纖維摻量對劈裂抗拉強度的影響

2.4 纖維對混凝土抗壓彈性模量的影響

各纖維混凝土試塊的抗壓彈性模量試驗結果與PC對比如圖6所示。可以看出各纖維混凝土試塊的抗壓彈性模量相較PC變化范圍很小，上下波動的幅度最高僅為4.1%，因其試驗值很大程度上取決于軸心抗壓強度值，故其總體變化趨勢也相似于軸心抗壓強度。根據(jù)材料力學中的疊加原理，復合體的彈性模量可以認為是基體和纖維各自彈性模量與體積率的乘機之和式(1)。所以，在纖維摻量絕對值較低的情況下，又考慮到纖維混凝土出現(xiàn)的“負作用”，其彈性模量的變化是很有限的。

式中：E為纖維混凝土彈性模量；Eft，EB和EP分別為素混凝土、BF和PF的彈性模量a；VB和VP分別為BF和PF的體積摻量。

2.5 抗彎韌度比的計算

彎曲應力可按式(2)計算。纖維對混凝土起到的增韌作用或者纖維混凝土的變形能力通常用韌度來表述。本文每個試塊的韌度通過受彎荷載應力?應變曲線計算求得。各混凝土試塊的應力?應變曲線如圖6所示。

式中：為彎曲荷載，N；為跨度，=3，mm；和分別為試塊截面寬度和高度，mm。

試驗中發(fā)現(xiàn)，隨著荷載的增加，小梁底面的裂縫不斷增大，當裂縫發(fā)展到一定寬度時，跨中拉應變發(fā)生明顯突變，甚至變?yōu)樨撝?，此時電阻應變片已經(jīng)被拉斷。再者，PC達到彎曲承載峰值后很快斷裂進而失去繼續(xù)承載能力。因此，本文只繪出試驗小梁達到彎曲荷載峰值前的應力?應變曲線。

計算面積時將每個試塊的應力?應變曲線進行多項式函數(shù)擬合，然后通過求解積分算出每個試塊應力?應變曲線所包圍的面積，該面積即為試塊對應的彎曲韌度。本文中以PC試塊曲線所包圍的面積作為單位面積，各纖維混凝土試塊的韌度與PC之比為韌度比。表4給出了每種混凝土試塊的抗彎峰值應力σ(精確至0.01 MPa)、抗彎彈性模量E(精確至1 MPa)、跨中最大裂縫寬度和韌度比(精確至0.01)。

(a) PC和BFRC；(b) PC和PFRC；(c) PC和H-1～H-4；(d) PC和H-5～H-9

由圖7和表4可以看出：1) PC試塊在達到彎曲應力峰值后很快破壞而失去變形能力，呈現(xiàn)出明顯的脆性破壞；而纖維混凝土試塊在峰值后還保持有一定的變形能力，顯示出較明顯的塑性破壞。 2) 圖7(a)顯示不同纖維體積摻量下BFRC試塊的應力?應變曲線在與PC相交之前斜率較大，說明在變形的前半階段隨著荷載的增加，BF起到了延緩變形的作用，一定程度上增加了基體的韌性；3) 當PF體積摻量在0.07%～0.09%之間時，PFRC試塊的應變率或斜率小于PC，此時PF同樣起到了延緩變形的作用。當PF體積摻量增加到0.11%時出現(xiàn)上文所提到的“負作用”，PFRC試塊的應變率較大； 4) 抗彎峰值的計算結果顯示：當BFRC試塊中纖維體積摻量在0～0.2%范圍時其抗彎峰值隨著纖維的增多而增大；當PFRC試塊中纖維體積摻量在0～0.115%范圍時其抗彎峰值呈先增再減的趨勢；對于HFRC試塊，當BF體積摻量保持不變時，其抗彎峰值隨著PF體積摻量的增加而基本呈現(xiàn)遞增的趨勢，當PF體積摻量保持不變時，其抗彎峰值隨著BF的增加大致呈先增后減；5) 韌度比的計算結果顯示：對于單摻纖維混凝土試塊，在本文纖維體積摻量范圍內(nèi)，其韌度比隨著纖維體積摻量的增加基本呈現(xiàn)遞增的趨勢。而對于HFRC試塊，當BF摻量保持不變時，其韌度比隨著PF的增加而基本呈遞增的趨勢；當PF摻量保持不變時，其韌度比隨著BF的增加而呈遞減趨勢。說明在本研究指定的纖維摻量范圍內(nèi)，PF對于基體的增韌效果要優(yōu)于BF。6) 當纖維摻量多大時，對HFRC試塊的韌度比也會產(chǎn)生“負作用”，例如H-7和H-9試塊，兩者相較具有最優(yōu)韌度比的H-6試塊下降了34%后18%，但HFRC試塊的韌度比全部優(yōu)于單摻纖維 試塊。

表4 韌度比計算結果

2.6 纖維對早齡期混凝土力學性能的影響

通過試驗結果及計算可得到本試驗中混雜纖維摻配量的相對最佳組合為V=0.15%，V=0.11% (H-6試塊)。其與PC試塊早齡期(3 d和7 d)的立方體抗壓強度f，劈裂抗拉強度f和抗彎承載力σ試驗結果如表5所示。

結果表明：纖維亦可顯著增強早齡期混凝土力學性能。其中，H-6試塊3 d齡期的立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗彎承載力分別達到自身28 d強度的88.1%，82.0%和77.5%，相較3 d齡期的PC提高了7.3%，20.6%和18.8%；H-6試塊7 d齡期3項強度值分別達到自身28 d強度的91.7%，90.5%和87.2%，相較7 d齡期的PC提高了3.3%，18.8%和22.1%。

表5 H-6試塊和素混凝土試塊的早齡期力學性能試驗結果

3 纖維混雜效應系數(shù)計算

通過纖維混雜效應系數(shù)的理論角度評價玄武巖纖維和聚丙烯腈纖維間的混雜效應。纖維混雜效應系數(shù)的計算同時考慮各單摻纖維的作用，基于文獻[10?11]，本文采用式(3)計算纖維混雜效應系數(shù)：

式中：為纖維混雜效應系數(shù)；為HFRC試塊的力學性能試驗結果；S為單摻纖維試塊的力學性能結果；φ為單摻纖維體積分數(shù)。

式(3)為針對單摻纖維而計算的纖維混雜系數(shù)，因此此處忽略了PC試塊的試驗結果，當＞0.5時相對單摻纖維混凝土而產(chǎn)生正效應，＜0.5時產(chǎn)生負效應。同時，結合上文試驗數(shù)據(jù)分析，本節(jié)針對性計算HFRC試塊立方體抗壓、劈裂抗拉和抗彎承載力的纖維混雜系數(shù)，其結果如表6所示，f為HFRC試塊的強度，f為對應相同體積摻量的單纖維混凝土試塊的強度?？煽闯觯豪w維混雜效應系數(shù)結果與上文中各試驗結果對比基本吻合。當＜0.5時，HFRC試塊的力學性能略弱于等體積率的單一纖維混凝土，說明在此時2種纖維的摻量組合下纖維混雜效應呈現(xiàn)負值，當＞0.5時，HFRC試塊的性能優(yōu)于單一纖維混凝土，此時摻量組合下的纖維混雜效應為正。

表6 纖維混雜效應系數(shù)計算結果

4 結論

1) 纖維的摻入可較顯著提升混凝土基體的劈裂抗拉和彎曲韌性等力學性能，但同時也使混凝土基體的抗壓強度有一定程度的下降。單摻玄武巖纖維、單摻聚丙烯腈纖維和纖維混雜時，混凝土劈裂抗拉性能較PC分別最大提高5.5%，12.9%和18.6%；抗彎峰值較PC分別最大提高18.3%，29.9%和34.8%；韌度比最大分別為2.5，2.7和4.4；立方體抗壓強度較PC分別最大提高?12.9%，?5.6%和1.6%；軸心抗壓強度相較PC最大提高?3.9%，2.8%和1.3%。

2) 纖維的摻入對于混凝土基體的抗壓彈性模量影響很小，單摻和混摻纖維情況下纖維對混凝土基體的抗壓彈性模量的影響幅度在?4.1%～1.3%之間。同時纖維亦可增強早齡期混凝土的抗壓、抗拉和抗彎等力學性能。

3) 通過試驗數(shù)據(jù)分析結果以及纖維混雜效應系數(shù)的計算結果，在本文中所指定的纖維體積摻量范圍內(nèi)，顯示出了玄武巖纖維和聚丙烯腈纖維間良好的混雜效應。綜合所有試驗數(shù)據(jù)以及計算結果，本文得出的玄武巖和聚丙烯腈纖維的混雜最佳摻配量為V=0.15%，V=0.11%。

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Study on mechanical properties and optimum fiber content for basalt/polyacrylonitrile hybrid fiber reinforced concrete

ZENG Zhenhai, LI Chuanxi, KE Lu, NIE Jie

(School of Civil Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China)

In order to obtain the design method of hybrid fiber reinforced concrete with improved mechanical properties, the hybrid effects of fiber addition and optimal fiber content were studied. In this paper, basalt fiber (B fiber) and polyacrylonitrile fiber (P fiber) were adopted. The mechanical properties such as compressive strength, splitting tensile strength and bending toughness of concrete specimens with different fiber contents by volume were tested. The compressive strength, compressive modulus of elasticity, tensile strength, flexural capacity and bending stress-strain curves of concrete with different fiber contents by volume were obtained, and the coefficient of hybrid effect and the ratio of toughness were calculated accordingly. The results show that the addition of fiber has little effect on the compressive modulus of elasticity of concrete, and the tensile strength, flexural strength and toughness ratio significantly increase; however, the compressive strength slightly decreases. The mechanical properties of hybrid fiber reinforced concrete, such as compressive strength, tensile strength, flexural strength and toughness ratio, are better than those of single fiber reinforced concrete. The analysis of the coefficient of fiber hybrid effect shows that there is a good hybrid effect between the two types of fibers. When the contents by volume of B fiber and P fiber are 0.15% and 0.11%, respectively, the overall mechanical performance of fiber reinforced concrete is the best; meanwhile, the mechanical properties of the early age concrete (3 d and 7 d) with this admixture are better than those of the plain concrete.

hybrid fiber reinforced concrete; mixed effect; mechanical properties; stress-strain curve; fiber volume fraction

TB3333

A

1672 ? 7029(2020)10 ? 2549 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200451

2020?05?27

國家自然科學基金資助項目(51778069，51708047，51978081)

柯璐(1991?)，男，湖北黃梅人，博士，從事高性能復合材料與工程應用研究；E?mail：clkelu@foxmail.com

(編輯 蔣學東)