纖維混凝土強(qiáng)度及彎曲韌性試驗(yàn)研究

彭玉發(fā)，胡利超，李洪碧

(內(nèi)江師范學(xué)院，四川 內(nèi)江 641100)

0 前 言

以水泥漿、砂漿或混凝土作基材，以纖維作增強(qiáng)材料所組成的水泥基復(fù)合材料稱為纖維混凝土。纖維可控制基體混凝土裂紋的進(jìn)一步發(fā)展，從而提高抗裂性。由于纖維的抗拉強(qiáng)度大、延伸率大，使混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊強(qiáng)度及延伸率和韌性得以提高。纖維混凝土的主要品種有石棉水泥、鋼纖維混凝土、玻璃纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土及碳纖維混凝土、植物纖維混凝土和高彈模合成纖維混凝土等?；祀s纖維混凝土是一種在混凝土拌合料中加入一種或幾種纖維，或者以加入纖維為主輔助加入其他材料的現(xiàn)代化新型混凝土。其可以有效增加混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及抗扭強(qiáng)度，并顯著改善其他性能[1-4]。由于混凝土是現(xiàn)代化建筑施工的主要材料，其性能的研究一直是建筑材料研究的熱點(diǎn)問題，特別是通過混雜纖維類改善混凝土性能使之適應(yīng)工程的需要，在近年來其研究已經(jīng)取得顯著成效，郝維鈁等[5]通過鋼纖維混凝土劈拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲韌性的實(shí)驗(yàn)，得到其性能隨著鋼纖維摻量的增加有不同幅度的增長，鋼纖維的長徑比和根數(shù)對混凝土的性能也有影響。姚武等[6]研究了最大骨料粒徑、混凝土強(qiáng)度等級、鋼纖維摻量及長度等因素對混凝土抗彎性能影響，得到混凝土本身(強(qiáng)度、骨料粒徑)與纖維參數(shù)(如纖維體積摻量、長度)對鋼纖維混凝土韌性具有同樣重要的影響。黃國棟等[7]研究了素混凝土、粉煤灰混凝土、層布式混雜纖維混凝土及混雜纖維混凝土抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度，結(jié)果表明：粉煤灰會降低混凝土的早期強(qiáng)度但能增加混凝土的和易性，聚丙烯纖維和鋼纖維的加入可以明顯改善混凝土的脆性，提高混凝土的劈裂強(qiáng)度，若兩種纖維混雜摻加改善混凝土的脆性效果更好。本文通過混雜鋼纖維和聚丙烯纖維不同體積摻量的混雜纖維混凝土試件各項(xiàng)指標(biāo)變化，研究混雜纖維對混凝土的強(qiáng)度及增韌阻裂機(jī)理。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

水泥采用成都某水泥廠的42.5級普通硅酸鹽水泥；石英砂：細(xì)度模數(shù)2.65，含泥量1.5%，堆積密度1 520 kg/m3，鋼纖維：長度25～30 mm，等效直徑0.6 mm，比重7.7 g/cm3，粗細(xì)均勻，無銹；PVA纖維，長度12 mm，等效直徑18 μm，比重1.3 g/cm3；粉煤灰：Ⅰ級復(fù)合粉煤灰，燒失量5%；水：潔凈自來水。

1.2 試驗(yàn)方法

以水膠比、鋼纖維/PVA纖維、粉煤灰作為正交實(shí)驗(yàn)的四個因素，每個因素均取三水平?？紤]到混凝土的工作性能，試驗(yàn)選用的水膠比三個水平為0.31、0.34、0.37；鋼纖維選用的體積摻量為0.4%、0.6%、0.8%，聚丙烯纖維選用的體積摻量為0.1%、0.3%、0.5%；不同用量的粉煤灰作用效果不同，粉煤灰采用的三個水平為1.60、1.82、2.16 kg/m3[8]。根據(jù)采用的水膠比，得混凝土比重為2 100 kg/m3，沙子用量為膠凝材料的1/2，水的用量分別為338、371、394 kg/m3，砂子用量為554、543、533 kg/m3[1]。

1.3 試件制備

為確定試件的強(qiáng)度指標(biāo)，試件采用100 mm×100 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)抗壓試件；為確定試件抗折強(qiáng)度，制備100 mm×100 mm×400 mm標(biāo)準(zhǔn)抗折強(qiáng)度試件。試驗(yàn)共制作9組試件，每組3個。制作時，先將砂、混雜纖維混合再加入水泥和粉煤灰攪拌混合均勻后，再加入水拌和充分振搗，入模成型，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)24 h脫模，養(yǎng)護(hù)28 d，試驗(yàn)前3 h從養(yǎng)護(hù)箱取出晾干[5]。

2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

加載設(shè)備為2 000 kN壓力試驗(yàn)機(jī)，對試件均勻加載，加載速率為0.5～0.8 MPa，當(dāng)試件臨近破壞，變形劇烈時，停止調(diào)整油門，直至試件破壞，記錄此時的破壞荷載[9]。

2.1 立方體抗壓強(qiáng)度性能分析

立方體抗壓強(qiáng)度按以下公式計算：

fce=f/A

(1)

式中，fce為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；f為試件破壞荷載，N；A為試件承壓面積，mm2。

測得的強(qiáng)度值乘以尺寸系數(shù)0.95，按規(guī)范排除異常數(shù)值，取三個試件測量值的算術(shù)平均值作為該組試件的強(qiáng)度值，得到混雜纖維混凝土抗壓強(qiáng)度值，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

從試驗(yàn)結(jié)果分析中可以得到：隨著水膠比(A)的不斷提高，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，水膠比對混凝土的抗壓強(qiáng)度影響較大；隨著鋼纖維的摻量(B)不斷降低，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，鋼纖維的加入對混凝土的強(qiáng)度具有提高作用；隨著PVA摻量的不斷提高(C)，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，PVA對混凝土的抗壓強(qiáng)度影響較大；隨著水泥與粉煤灰的比值逐漸降低，即當(dāng)水泥含量的不斷降低，粉煤灰的含量不斷提高，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，水泥對混凝土的強(qiáng)度有積極作用，粉煤灰降低混凝土的抗壓強(qiáng)度；四因素對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響程度(R)依次為ACDB，水膠比的影響程度最大，鋼纖維的影響最?。换祀s纖維混凝土的最優(yōu)配合比為A1B1C1D1，即當(dāng)水膠比0.31、鋼纖維0.8%、PVA纖維0.1%、水泥/粉煤灰2.16時，混凝土強(qiáng)度最大。

其中第一組抗壓強(qiáng)度最大，為最優(yōu)配合比因素，中間六組抗壓強(qiáng)度相差不大，最后兩組最低為40 MPa。

2.2 立方體變形性能分析

纖維混凝土和素混凝土的破壞相比有較明顯的差異：纖維混凝土表現(xiàn)為延性破壞，素混凝土表現(xiàn)為明顯的脆性破壞。通過混凝土強(qiáng)度等級C20、C25、C30破損性檢測試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，素混凝土破壞表現(xiàn)為邊緣先出現(xiàn)裂縫，進(jìn)而試塊崩裂，碎屑脫落；混雜纖維混凝土試塊不會發(fā)生崩裂現(xiàn)象，而是首先出現(xiàn)一些細(xì)小裂縫，外形無明顯變化，當(dāng)荷載增大到一定值時，試塊出現(xiàn)較大裂縫，試塊發(fā)生破壞，抗壓能力下降，但仍保持完整性，鋼纖維貫通裂縫，從細(xì)小裂縫可以看到，PVA纖維連接裂縫，保證試驗(yàn)過程中無碎屑脫落。因此混雜纖維混凝土對混凝土抗壓到了橋接作用，PVA纖維阻止小裂縫的發(fā)展，鋼纖維阻止大裂縫的發(fā)展，試件破壞后，由于鋼纖維的作用，混凝土仍然保持一定的抗壓強(qiáng)度[9]?；祀s纖維使得混凝土由脆性破壞轉(zhuǎn)化為延性破壞，改善了混凝土的抗壓性能。

因此，混雜混凝土隨著水膠比和PVA含量的提高，抗壓強(qiáng)度降低；隨著鋼纖維和水泥含量的提高，抗壓強(qiáng)度提高；各因素抗壓強(qiáng)度最優(yōu)配合比為：水膠比0.31，鋼纖維含量0.8%，PVA含量0.1%，水泥/粉煤灰2.16，混雜纖維改善了混凝土的破壞特性，增強(qiáng)了混凝土的延性，改善了混凝土的抗壓強(qiáng)度，保證了混凝土的完整性。

3 彎曲韌性試驗(yàn)

3.1 彎曲韌性試驗(yàn)分析

對于試驗(yàn)正交設(shè)計和試驗(yàn)正交表數(shù)據(jù)采用荷載下降至極限值的85%時的中點(diǎn)撓度來評價混凝土的彎曲韌性，中點(diǎn)撓度越大，韌性越好，吸收能量的能力越強(qiáng)[6]。

從試驗(yàn)結(jié)果分析中可以得到：隨著水膠比(A)的不斷提高，混凝土的彎曲韌性逐漸增大，水膠比對混凝土的韌性具有提高作用；隨著鋼纖維的摻量(B)不斷降低，混凝土的彎曲韌性逐漸降低，鋼纖維的加入對混凝土的彎曲韌性具有提高作用；隨著PVA摻量的不斷提高(C)，混凝土的彎曲韌性逐漸降低，隨著PVA纖維的逐漸增多，彎曲韌性越低，對混凝土的彎曲韌性具有抑制作用；隨著水泥與粉煤灰的比值(D)逐漸降低，即當(dāng)水泥含量的不斷降低，粉煤灰的含量不斷提高，混凝土的彎曲韌性逐漸升高，即粉煤灰對混凝土的彎曲韌性具有貢獻(xiàn)作用，水泥會降低混凝土的彎曲韌性；各因素對混凝土的彎曲韌性的影響程度(R)依次為BCAD，鋼纖維的影響程度最大，水泥/粉煤灰的影響程度最小?；祀s纖維混凝土的最優(yōu)配合比為A3B1C1D3，即當(dāng)水膠比0.37、鋼纖維體積摻量0.8%、PVA纖維體積摻量0.1%、水泥/粉煤灰1.60 kg/m3時，混凝土的彎曲韌性最強(qiáng)。

3.2 變形性能分析

第一階段，試驗(yàn)試件如圖1所示，隨著荷載的逐漸增加，試件出現(xiàn)細(xì)小裂縫，一般為3條左右，試件發(fā)生輕微彎曲，伴隨有裂縫分叉和裂縫拐彎，并且在純彎段，與配筋混凝土裂縫形式相似，纖維的存在，阻止了裂縫的直線發(fā)展，提高了試件的延性和韌性，即纖維的存在提高了混凝土吸收能量的能力。

圖1 彎曲韌性試驗(yàn)第一階段試驗(yàn)部分試件

隨著荷載的進(jìn)一步增加，裂縫繼續(xù)增大，試件不發(fā)生斷裂，裂縫很大時仍能承受一定的荷載，可以知道，試件基本發(fā)生斷裂，混凝土退出工作，由橫跨裂縫的鋼纖維成為外力的主要承擔(dān)者，鋼纖維能有效改善混凝土的抗拉強(qiáng)度和脆性特征。

3.3 荷載撓度曲線分析

從荷載撓度曲線分析可以得到，素混凝土承受荷載后的極限撓度很小，出現(xiàn)裂縫后，裂縫迅速擴(kuò)張，承載能力急劇下降，為脆性破壞；混雜纖維混凝土不會出現(xiàn)一拉就斷的現(xiàn)象，曲線有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，荷載-撓度曲線具有明顯的階段性，經(jīng)歷了彈性階段-強(qiáng)化階段，有明顯的下降段，在裂縫增大的同時，承載能力逐漸降低，當(dāng)試件的荷載達(dá)到最大時，撓度持續(xù)增加，試件仍能承受一定的荷載，試件的延性及韌性和素混凝土相比有很大的提高，使混凝土由脆性破壞轉(zhuǎn)化為延性破壞。

4 結(jié) 論

1)分析了各因素對混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度、變形性能以及韌性的影響，并確定出了各因素影響下混凝土各性能的最優(yōu)配合比。

2)混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維和水泥含量的提高而提高，隨著水膠比和PVA含量的降低而降低，最優(yōu)配合比為水膠比0.31，PVA含量0.1%，鋼纖維含量0.8%，水泥/粉煤灰2.16；纖維混凝土韌性隨著鋼纖維、粉煤灰和水膠比的提高而提高，隨著PVA含量的降低而降低，最優(yōu)配合比為水膠比0.37，PVA含量0.1%，鋼纖維含量0.8%，水泥/粉煤灰1.60。

3)混雜纖維可顯著改善混凝土的性能，改良混凝土的破壞特征，提升混凝土的韌性和變形能力，使混凝土的吸收能量能力和韌性得到顯著的提高，改善混凝土的脆性特征，荷載-撓度曲線出現(xiàn)明顯的下降段，由脆性破壞變?yōu)檠有云茐摹?/p>

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