玻璃纖維對混凝土力學性能的影響*

葛 輝，張啟志

（1.駐馬店市建設工程質(zhì)量監(jiān)督站，河南 駐馬店463000；2.黃淮學院，河南 駐馬店463000）

引言

近年來，高性能混凝土能夠有效地提高混凝土的力學性能和耐久性性能，并且還有助于減少材料的浪費，極大地提高了材料的利用率而被廣泛關(guān)注。不少研究學者對高性能混凝土的研發(fā)展開研究，王成啟等發(fā)現(xiàn)超細礦渣粉和粉煤灰微珠可有效改善超高強混凝土的抗壓強度，滿足C100超高強混凝土配制要求[1]。孟亞鋒等用機制砂在混凝土中引入了粉料，增強了混凝土的密實性，從而提高混凝土的彈性模量，可降低混凝土的干縮和徐變[2]。張士山等研究了不同礦物摻合料摻量對耐久性能影響，配制出耐久性能較好的高性能混凝土[3]。焦運攀等采用低水膠比、高摻量礦物摻合料的方法配制滿足要求的高性能混凝土[4]。鄧寶智等根據(jù)在施工過程中的實踐經(jīng)驗，從機制砂的生產(chǎn)配制及應用方面，闡明了機制砂的使用具有良好的經(jīng)濟和社會效益，且基于目前技術(shù)也已經(jīng)具備了大規(guī)模工程應用的能力[5]。葉小林等對比研究了不同石粉含量的混合砂對高性能混凝土早期體積穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明石粉含量為5%的混合砂高性能混凝土自收縮性能最好[6]。陳竹等發(fā)現(xiàn)納米SiO2對混凝土早期強度的影響較為明顯，隨著摻量的增加，混凝土強度出現(xiàn)先提高后降低的變化規(guī)律[7]。范小春等配制出不同聚合乳液摻量的高性能混凝土，并發(fā)現(xiàn)該摻和物能夠明顯地提高混凝土的力學性能[8]。秦力等研究發(fā)現(xiàn)復摻粉煤灰和礦渣的混凝土強度高于單摻礦物摻合料的混凝土[9]。靳瑞杰等充分利用粉煤灰、煤矸石等工業(yè)廢料，配置了高性能混凝土[10]。王晶等利用未經(jīng)淡化處理的海砂配制了超高性能混凝土，并研究了不同鋼纖維摻量等因素對高性能混凝土的抗壓強度、抗折強度的影響，結(jié)果表明綜合考慮高性能混凝土的力學性能和經(jīng)濟性，鋼纖維的最佳摻量為1.5%[11]。李青發(fā)現(xiàn)摻入適量摻合料可改善人工砂混凝土的工作性能，提高混凝土的力學和耐久性能[12]。隋術(shù)波等采用肯尼亞火成巖機制砂配制高性能混凝土，并得出了肯尼亞火成巖的最佳摻量，其中最佳摻量為7%[13]。

上述研究學者主要通過在混凝土中摻入不同的摻合料的方法來實現(xiàn)混凝土性能提升，這一思路也是本文的主要思路。本文主要以玻璃纖維為摻合料，通過試驗來研究玻璃纖維的摻量和密度對混凝土力學性能的影響，并根據(jù)實驗結(jié)果進一步的闡述影響混凝土力學性能的原因。

1 材料與方法

1.1 材料

水泥選用上海森昌實業(yè)有限公司生產(chǎn)的P.O.52.5水泥，其化學組成成分如表1所示。

表1 水泥成分Table 1 The composition of cement

粗、細骨料均由佛山市圣原耐火保溫材料有限公司提供，其中粗骨料粒徑在10～15mm之間，其堆積密度約為1490kg/m3，表觀密度約為2433kg/m3，壓碎指標為4%；細骨料粒徑在0～10mm之間，其堆積密度約為1520kg/m3，表觀密度約為2681kg/m3。水為飲用水；減水劑為濟南瀾海化工有限公司生產(chǎn)的7%的高效減水劑，根據(jù)上述試驗原材料配制混凝土，如表2所示。

表2 混凝土配合比（kg/m3）Table 2 The mixing proportions of concrete（kg/m3）

1.2 方法

為研究玻璃纖維的摻入（0、0.5%、1%、2%和3%）對混凝土的影響，調(diào)整玻璃纖維的密度（300kg/m3、500kg/m3和700kg/m3）。通過由武漢富泰盛機電設備有限公司生產(chǎn)的壓力機測試玻璃纖維混凝土的抗壓強度、抗拉強度和抗彎強度。并對試驗結(jié)果進行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓試驗

在混凝土中摻入不同含量的玻璃纖維，測試纖維密度和摻量變化與混凝土的抗壓強度關(guān)系，如圖1所示。不摻玻璃纖維時（密度為500kg/m3的條件下），混凝土的抗壓強度為53.6MPa，摻入0.5%的玻璃纖維混凝土的抗壓強度為54.1MPa，摻入1%的玻璃纖維混凝土的抗壓強度為54.8MPa，摻入2%的玻璃纖維混凝土的抗壓強度為56.7MPa，摻入3%的玻璃纖維混凝土的抗壓強度為58.1MPa?？梢婋S著玻璃纖維的摻入，纖維混凝土的抗壓強度逐漸增大，但是其增長幅度卻逐漸減少。

圖1 纖維混凝土的抗壓強度變化Fig.1 The changes in the compressive strength of fiber concrete

相同的，隨著玻璃纖維的密度逐漸增大，纖維混凝土的抗壓強度也逐漸增大。以摻入量2%為例，玻璃纖維密度為300kg/m3時，纖維混凝土的抗壓強度為54.9MPa；玻璃纖維密度為500kg/m3時，纖維混凝土的抗壓強度為56.7MPa；玻璃纖維密度為700kg/m3時，纖維混凝土的抗壓強度為57.5MPa。可見，隨著玻璃纖維密度的增大，纖維混凝土的抗壓強度也逐漸增大，但是其增長速率逐漸減少。

進一步分析圖1中的演變規(guī)律可以得出兩方面的原因，一方面是因為在混凝土中摻入玻璃纖維能夠降低混凝土的塑性流動和收縮微裂紋，另一方面玻璃纖維各向均勻地分布于整個混凝土中，使混凝土的抗壓強度得到進一步加強。

2.2 抗拉實驗

在混凝土中摻入不同含量的玻璃纖維，測試纖維密度和摻量變化與混凝土的抗拉強度關(guān)系，如圖2所示。不摻玻璃纖維時（密度為500kg/m3的條件下），混凝土的抗拉強度為3.8MPa，摻入0.5%的玻璃纖維混凝土的抗拉強度為3.9MPa，摻入1%的玻璃纖維混凝土的抗拉強度為4.2MPa，摻入2%的玻璃纖維混凝土的抗拉強度為4.6MPa，摻入3%的玻璃纖維混凝土的抗拉強度為4.8MPa?？梢婋S著玻璃纖維的摻入，纖維混凝土的抗拉強度逐漸增大，但是其增長幅度逐漸減少。

圖2 纖維混凝土的抗拉強度變化Fig.2 The changes in the tensile strength of fiber concrete

相同的，隨著玻璃纖維的密度逐漸增大，纖維混凝土的抗拉強度也逐漸增大。以摻入量2%為例，玻璃纖維密度為300kg/m3時，纖維混凝土的抗拉強度為4.3MPa；玻璃纖維密度為500kg/m3時，纖維混凝土的抗拉強度為4.6MPa；玻璃纖維密度為700kg/m3時，纖維混凝土的抗拉強度為4.8MPa?？梢?，隨著玻璃纖維密度的增大，纖維混凝土的抗拉強度也逐漸增大，但是其增長速率卻逐漸減少。

出現(xiàn)圖2這一規(guī)律，主要是因為纖維的摻入會增加混凝土的密實度。一方面纖維的直徑長度都很小，能夠填充混凝土內(nèi)部之間的空隙；而另一方面由于纖維在混凝土中會分散成為纖維結(jié)構(gòu)，限制混凝土的橫向變形，從而使得混凝土的抗拉強度提高。

2.3 抗彎試驗

在混凝土中摻入不同含量的玻璃纖維，測試纖維密度和摻量變化與混凝土的抗彎強度關(guān)系，如圖4所示。不摻玻璃纖維時（密度為500kg/m3的條件下），混凝土的抗彎強度為6.8MPa，摻入0.5%的玻璃纖維混凝土的抗彎強度為7.1MPa，摻入1%的玻璃纖維混凝土的抗彎強度為7.4MPa，摻入2%的玻璃纖維混凝土的抗彎強度為7.8MPa，摻入3%的玻璃纖維混凝土的抗彎強度為8.1MPa?？梢婋S著玻璃纖維的摻入，纖維混凝土的抗彎強度逐漸增大，但是其增長幅度逐漸減少。

相同的，隨著玻璃纖維的密度逐漸增大，纖維混凝土的抗彎強度也逐漸增大。以摻入量2%為例，玻璃纖維密度為300kg/m3時，纖維混凝土的抗彎強度為7.3MPa；玻璃纖維密度為500kg/m3時，纖維混凝土的抗彎強度為7.8MPa；玻璃纖維密度為700kg/m3時，纖維混凝土的抗彎強度為8.1MPa?？梢?，隨著玻璃纖維密度的增大，纖維混凝土的抗拉強度也逐漸增大，但是其增長速率卻逐漸減少。

圖3 纖維混凝土的抗彎強度變化Fig.3 The changes in the flexural strength of fiber concrete

進一步分析圖3中的演變規(guī)律可以得出兩方面的原因，一方面是因為纖維的存在能夠減少混凝土內(nèi)部及表面的空隙，有效地填充混凝土。而另一方面是因為纖維混凝土在外力的作用下即使發(fā)生開裂，但由于纖維的存在還能承受拉應力。

3 結(jié)論

在混凝土中摻入不同量的玻璃纖維、不同密度的玻璃纖維，通過抗壓試驗、抗拉試驗和抗彎試驗得出玻璃纖維對混凝土的力學性能的影響規(guī)律，并根據(jù)實驗結(jié)果進一步分析了玻璃纖維能夠提高混凝土性能的原因，得出以下結(jié)論：

（1）玻璃纖維能夠降低混凝土的塑性流動，收縮微裂紋并且玻璃纖維呈各向均勻分布于整個混凝土，從而提高混凝土的抗壓強度。

（2）玻璃纖維的直徑長度都很小，在混凝土中會分散成為纖維結(jié)構(gòu)，一方面能夠填充混凝土內(nèi)部之間的空隙，另一方面限制混凝土的橫向變形，從而使得混凝土的抗拉強度提高。

（3）玻璃纖維混凝土在外力的作用下即使發(fā)生開裂，但由于纖維的存在還能承受拉應力，從而提高混凝土的抗彎強度。