不同纖維及摻量對混凝土的強度影響規(guī)律分析

黃雪林，羅東志，徐習寶，朱 磊，謝 飛，沈才華，王 森

(1.宿遷市高速鐵路建設發(fā)展有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710000；3.中交南京交通工程管理有限公司， 江蘇 南京 211800；4.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210024)

由于纖維混凝土中的纖維具有延緩微裂縫擴展和跨越裂縫承受拉應力的作用，使得纖維混凝土的抗拉強度、變形能力、斷裂能和耐久性能顯著提高，因此纖維混凝土作為一種高強度、高韌性混凝土在工程中應用越來越普遍[1-6]。在整個纖維混凝土家族中，經(jīng)微觀力學設計的纖維增強水泥基復合材料(Engineered Cementition Composite，ECC)以高延性著名[7]，國內統(tǒng)稱為超高韌性混凝土(Ultra-high toughness Concrete)[8]。其中有機纖維(聚乙烯纖維，聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、尼龍纖維、聚酯纖維等合成纖維和天然植物纖維等)具有輕質、耐腐蝕、便宜等優(yōu)點，逐漸成為研究的熱點。江世永等[9]利用正交試驗分析方法，以粉煤灰摻量比、水膠比和聚乙烯醇(PVA)纖維摻量為變量因素，根據(jù)高韌性纖維混凝土極限強度和彎曲韌性的影響規(guī)律，指出影響程度主次順序為: PVA 纖維摻量、粉煤灰摻量比、水膠比；當粉煤灰摻量比在1.2，PVA 纖維摻量在2%，水膠比不高于0.27時，材料表現(xiàn)出較好的彎曲韌性。于明鑫等[10]采用改性聚丙烯 (PP) 纖維，優(yōu)化傳統(tǒng)PVA纖維水泥基材料(PVA ECC)配合比，其中PP纖維體積摻量分別為 1.0%、1.5%、2.0%三種，制作超強韌性混凝土(PP ECC)，研究指出 PP 纖維能夠提高鋼筋與水泥基材料的極限黏結強度，提高極限黏結強度所對應的滑移值。王義超等[11]采用12 mm短切超高分子量聚乙烯纖維作為增強材料，研制了以水泥砂漿為基體的超高延性水泥基復合材料，研究顯示聚乙烯纖維超高的裂縫橋接能力，大大增加了復合材料的韌性，拉伸峰值強度處的平均拉伸應變達到12%，最大拉伸應變達到13%以上，具有超高的拉伸延性。雖然目前普遍研究顯示了纖維的增韌增強效果，但由于有機散纖維的改性效果與纖維的長度、數(shù)量以及和基質的黏結性等眾多因素有關，甚至攪拌工藝也會影響散纖維在混凝土內部的分布狀態(tài)，從而影響纖維混凝土的質量[12-13]，因此目前纖維增強效果的作用機理還不是很清楚，工程應用還是依托試驗分析進行纖維配比的優(yōu)化必選為主。本文對PVA 纖維、超高分子聚乙烯(UPE)纖維以及兩種纖維混合3類情況進行了試驗研究，分析了不同纖維不同配比下纖維混凝土的強度變化規(guī)律，為纖維作用機理研究提供了參考，并為工程應用提供了指導。

1 試驗概況

1.1 試樣的制作

試樣原材料包括：水泥、石子、砂、水、減水劑、纖維。石子，5 mm～20 mm的連續(xù)級配，含泥量1.9%，不大于3%，符合制作C35-C55混凝土的要求。水，南京地區(qū)自來水。減水劑，HPWR高性能減水劑，減水率26%，泌水率45%，含氣量2.5%。砂，河砂細度模數(shù)2.6。水泥，“海螺牌”P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

不同纖維的外觀見圖1。其中聚乙烯醇PVA纖維為常州天怡工程纖維公司生產。具體參數(shù)見表1。

表1 PVA纖維力學參數(shù)性能信息表

超高分子量聚乙烯UPE為湖南中泰特種裝備有限責任公司生產，具體參數(shù)如表2所示。

表2 UPE纖維力學性能信息表

圖1 不同纖維的外觀圖

1.2 試驗方案

試驗主要針對聚乙烯醇纖維 PVA、超高分子量聚乙烯纖維 UPE、兩種纖維各占一半，3類情況的纖維體積摻入量分別為0.05%、0.1%、0.2%、0.4%，長度為12 mm，試件尺寸為15 cm×15 cm×30 cm(軸心抗壓強度試驗試樣)，分別進行不同齡期抗壓強度、抗折強度變化規(guī)律的試驗研究，并分析抗折比的變化規(guī)律，抗壓抗折試驗一體機采用江蘇卓恒測控技術有限公司生產的HG-YH300BD微機電液伺服壓力試驗機，提供最大試壓壓力300 kN，最大抗折試驗力20 kN。

制樣步驟如下：首先將砂、石子、水泥依次倒入混凝土攪拌鍋中，干拌2 min，至砂、石子、水泥混合料均勻。其次將水、纖維、減水劑混合后邊攪拌邊倒入攪拌鍋中，混合物加完后繼續(xù)攪拌2 min。最后將混凝土分層澆筑在試模中，并放振動臺振搗密實，放置陰涼處蓋膜澆水養(yǎng)護。

1.3 試樣材料配比方案

試樣組的組名以及相應成分配比如表3所示。

2 試驗結果及分析

2.1 不同纖維不同摻入量時纖維混凝土抗壓強度變化規(guī)律分析

PVA 纖維組、UPE 纖維組、混合纖維組試樣不同齡期抗壓強度(本文實驗分析值為5塊試樣去掉最大值和最小值后的平均值)變化規(guī)律見圖2—圖4。

表3 纖維增強硅酸鹽混凝土的試樣組份配比表

圖2 PVA纖維混凝土抗壓強度示意圖

圖3 UPE纖維混凝土抗壓強度示意圖

抗壓強度分布規(guī)律顯示：未添加纖維的混凝土的早期抗壓強度均最高，3 d抗壓強度為35.3 MPa，其中單摻 PVA纖維的混凝土的3 d抗壓強度相對最低約為30 MPa。說明纖維的加入，在初期沒有發(fā)揮橋接作用，降低了混凝土的抗壓強度。UPE纖維組的初期強度相對較高，說明 UPE 纖維與混凝土的結合力比 PVA纖維好。

圖4 混合摻加PVA和UPE纖維混凝土抗壓強度示意圖

不同齡期強度增長速度分布規(guī)律顯示：纖維混凝土7 d前的強度增長速率基本都大于普通混凝土，說明纖維與混凝土基質之間的橋接作用在7 d后就開始顯現(xiàn)，強度明顯增加。7 d后的增長速率放緩，但纖維比普通混凝土增長速率快，因此纖維的橋接作用對抗壓強度的增加是明顯的。

2.2 不同纖維不同摻入量時纖維混凝土抗折強度變化規(guī)律分析

PVA 纖維組、UPE 纖維組、混合纖維組試樣不同齡期抗折強度變化規(guī)律見圖5—圖7。

抗折強度分布規(guī)律顯示：摻入纖維后的抗折強度均大于素混凝土的抗折強度；其中UPE纖維組的7 d齡期抗折強度增加最明顯，纖維摻入量0.2%時抗折強度增加最大達54%；PVA 纖維組的7 d齡期抗折強度增幅平均最小，纖維摻入量0.2%時抗折強度增加最大約14%；混合纖維組的抗折強度介于兩類單摻情況之間，但接近UPE纖維組情況，從經(jīng)濟性看，由于PVA纖維比UPE便宜，因此混合纖維的綜合效益最高。

圖5 PVA纖維混凝土抗折強度示意圖

圖6 UPE纖維混凝土抗折強度示意圖

圖7 混合摻加UPE+PVA纖維混凝土抗折強度示意圖

2.3 不同纖維不同摻入量時纖維混凝土折壓比變化規(guī)律分析

PVA 纖維組、UPE 纖維組、混合纖維組試樣不同齡期折壓比變化規(guī)律見圖8—圖10。

圖8 單摻PVA纖維混凝土折壓比示意圖

圖9 單摻UPE纖維混凝土的折壓比示意圖

圖10 復摻UPE和PVA纖維混凝土折壓比示意圖

除了UPE纖維組和混合纖維組在纖維摻量0.1%時，28 d后最終的折壓比略小于素混凝土的折壓比0.118(此時的纖維混凝土的抗折強度和抗壓強度均大于素混凝土，說明破裂面上纖維的阻裂作用是明顯的，即可以增強混凝土塑性變形能力，增強混凝土介質連續(xù)性，緩和試件承載 產生的應力集中，抑制混凝土早期裂縫形成及發(fā)展[14]。 但抗壓強度的增幅遠大于抗折強度的增幅，從而導致折壓比減小)，其他的試樣折壓比均增加了，說明大部分情況下，在抗折斷裂面上，幾乎所有貫穿的纖維都參與阻裂作用，而抗壓時，微裂紋的擴展形式和路徑多樣，直接參與阻裂的纖維相對較少，而且抗壓強度本身值比較大，因此折壓比一般都呈現(xiàn)增大規(guī)律，總體上纖維的增韌效果比較明顯。

2.4 不同纖維不同摻入量時28 d強度分布規(guī)律分析

28 d齡期的混凝土水化程度較高，內部膠凝成分趨于穩(wěn)定因而力學性能較穩(wěn)定，能充分反映混凝土終期力學性能指標，是實際工程應用的主要參考依據(jù)。28 d齡期的混凝土抗壓強度、抗折強度、折壓比統(tǒng)計見圖11—圖13。

(1) 28 d抗壓強度分布規(guī)律分析。針對UPE纖維混凝土，UPE體積摻量0.1%時抗壓強度最大，較素混凝土抗壓強度提高24.4%，達56 MPa；摻加0.2%和0.3%的纖維時，強度提高率分別為3%和-3%；纖維體積摻量增加至0.4%時，強度提高率增加為10%。這種抗壓強度變化的規(guī)律與張玉武[15]摻加UPE纖維的立方體試塊抗壓強度規(guī)律比較類似：他分別摻加0.3%、0.5%、0.7%、1.0%的UPE纖維(加捻成線)，得出結果為0.3%纖維增強效果明顯，0.5%和0.7%提高率下降，1.0%提高率增加但仍不及0.3%摻量的提高率。所以，兩者的試驗不同地方為，本試驗采用的是UPE纖維單絲，而張玉武添加的是加捻400根單絲組成的纖維線，因此總摻入量不同，但總體的規(guī)律一致，說明該規(guī)律主要是受纖維的根數(shù)量影響比較大。

圖11 28 d齡期的纖維混凝土抗壓強度

圖12 28 d齡期纖維混凝土抗折強度

圖13 28 d齡期纖維混凝土折壓比

針對PVA纖維混凝土，隨著纖維含量增加，抗壓強度出現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律，摻加體積摻量為0.3%時的抗壓強度最大，比素混凝土抗壓值提高6.6%，為48.4 MPa。

針對復合纖維混凝土，抗壓強度變化規(guī)律與單摻UPE纖維的變化規(guī)律類似，但隨著摻量變化浮動更小，在復摻纖維體積摻量0.1%時抗壓強度提高率最高為16.5%，最大抗壓強度53 MPa。

(2) 28 d抗折強度分布規(guī)律分析。單摻PVA和UPE纖維混凝土的抗折強度均隨著纖維的摻量出現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律，從提升抗折性能分析，PVA纖維的最佳摻量為0.2%和0.3%之間，28 d齡期的抗折強度分別為6.8 MPa、6.6 MPa，最大提高率為26%；UPE纖維的最佳摻量為0.1%，28 d齡期的抗折強度為6.1 MPa，提高率為16.7%；復合摻加的最佳摻量為0.4%，28 d齡期的抗折強度為6.6 MPa，提高率為24.1%。說明PVA纖維對抗折強度提高最明顯，復合纖維情況下，由于PVA纖維減少，抗折強度最大值也減小，但用一半含量的UPE纖維替換PVA纖維導致的最大抗折強度降低很少，但由于兩種纖維的彈性模量大于混凝土的程度不同，協(xié)同變形的能力不同，破壞時起到了過渡的作用，協(xié)同變形作用下的抗壓強度最大值比單摻入PVA要強很多，說明兩種不同彈性模量的纖維在微裂紋擴展過程中起到形成過渡協(xié)同作用的效果。

(3) 28 d折壓強度比分布規(guī)律分析。混凝土的折壓比在合適的纖維摻量較高。單摻 PVA 纖維含量為0.2%時增韌效果最佳，折壓比最大為0.147，提升24.5%(素混凝土的折壓比0.118)；單摻 UPE 纖維含量為0.2%～0.3%的增韌效果最佳，折壓比最大為0.138，提升16.9%；混合纖維含量為0.3%～0.4%的增韌效果最佳，折壓比最大為0.136，提升15.3%。整體上纖維的增韌效果比較明顯。

3 結 論

(1) 纖維增加對混凝土的強度增加作用是有限的，纖維混凝土的力學性能與纖維的種類、摻量、摻加方式(單摻，混合摻)、纖維分布的均勻性等都有關，其最佳摻量影響因素眾多，具體設計時應根據(jù)施工工程的控制條件結合實際原材料配比等條件現(xiàn)場試驗確定。

(2) 雖然 UPE 纖混凝土強度增強效果好，但由于制樣過程中 UPE 纖維很難分散均勻，當纖維摻量大于0.1%時，隨著纖維量增多，流動性變差，纖維的分散性離散性變大，強度反而降低。而 PVA 分散相對比較均勻，28 d的抗壓強度離散性相對較小，抗折強度最大值提高率最高，說明其總體粘結阻裂效果較好。

(3) 混合纖維(UPE和PVA纖維體積含量 1∶1)混凝土試樣28 d的抗折強度分布在6.0 MPa～6.6 MPa之間，離散性最小，抗折強度最佳摻量為0.4%，此時抗折強度為6.6 MPa，提高率為24.1%；抗壓強度達49 MPa，提高率為8%；折壓比為0.135，提升14.4%?；旌侠w維由于其黏結阻裂效果有一個過渡，對抗壓強度和抗折強度的提高有一定綜合作用效應，而且混合纖維經(jīng)濟性更好，因此建議采用混合纖維，其最佳纖維含量為0.3%～0.4%。