纖維增強(qiáng)型水泥混凝土抗變形分析及應(yīng)用

唐 魁

（新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 830011）

水泥混凝土是目前較為常見(jiàn)的一種建筑材料，因其材料獲得來(lái)源豐富、成本造價(jià)低、承載能力大，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于建筑行業(yè)。但隨著水泥混凝土材料的使用范圍增加，使用環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，混凝土韌性不夠，在自然耦合環(huán)境的作用下，出現(xiàn)開(kāi)裂損壞的現(xiàn)象，對(duì)整體建筑物造成破壞。因此，如何提升混凝土材料的韌性，是當(dāng)前重點(diǎn)研究的項(xiàng)目。針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)很多專家進(jìn)行了一系列研究，如郭光玲將鋼纖維摻入混凝土試件中，并對(duì)摻入纖維的混凝土試件性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：鋼纖維可有效增強(qiáng)混凝土試件韌性，在受荷載時(shí)，能夠有效預(yù)防混凝土試件出現(xiàn)裂縫。詹奇淇選用玄武巖纖維對(duì)混凝土進(jìn)行改性，研究了玄武巖纖維對(duì)混凝土性能的影響。結(jié)果表明，在混凝土試件中摻入玄武巖纖維后，泡沫混凝土性質(zhì)發(fā)生改變，從脆性材料轉(zhuǎn)變成為韌性材料。以上專家的研究成果證明纖維對(duì)混凝土韌性增強(qiáng)起有效作用，但并未對(duì)纖維種類和長(zhǎng)度對(duì)混凝土性能影響進(jìn)行深入研究?；诖?，本文從纖維本身出發(fā)，研究不同纖維對(duì)混凝土增韌機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

本試驗(yàn)主要材料：硅酸鹽水泥（材廣發(fā)建材，P.O42.5）；砂（鴻諾礦產(chǎn)品，細(xì)度模數(shù)2.12）；碎石（永順礦產(chǎn)品，粒徑5~31.5 mm ）；銑削型鋼纖維（宇哲工程橡膠，長(zhǎng)度分別為38 mm，28 mm）；丙烯酸纖維（鵬盈保溫材料，長(zhǎng)度16 cm）；聚羧酸減水劑（英出化工科技，CP）。

本試驗(yàn)主要設(shè)備：快速凍融試驗(yàn)箱（一測(cè)儀器設(shè)備，TDR-II）；萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（五星測(cè)試儀器，UTM-9100）；微機(jī)控制抗折試驗(yàn)機(jī)（川測(cè)試驗(yàn)設(shè)備，YAW-300）；混凝土攪拌器（朵麥信息科技，H1650）。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F30─2014）和《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55─2011）對(duì)混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體配比如表1所示。

表1 混凝土基本配合比設(shè)計(jì)Tab.1 Basic mix proportion design of concrete

1.3 試驗(yàn)方法

在H1650型混凝土攪拌機(jī)中依次倒入石子、砂、減水劑和纖維，在低速模式下攪拌120 s。然后加入水泥，繼續(xù)低速攪拌60 s。最后將全部用水量倒入攪拌機(jī)中，先在低速模式下攪拌60 s，再打開(kāi)高速模式攪拌120 s。將混合物倒入模具，靜置24 h后脫模，將混凝土試件移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，在養(yǎng)護(hù)溫度和相對(duì)濕度分別為（20±3）℃和95%的條件養(yǎng)護(hù)28 d，具體攪拌流程如圖1所示。

圖1 攪拌流程圖Fig.1 Flow chart of mixing

1.4 性能測(cè)試

用YAW-300型抗折試驗(yàn)機(jī)對(duì)抗折性能進(jìn)行研究。

參照 CECS13-2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和JGJ/T 221─2010《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定采用三分點(diǎn)加載方式測(cè)定混凝土的彎曲性能。

參照（ GB/T 50082─2009）規(guī)定對(duì)混凝土抗凍性能進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖2為所有試件抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。由圖2可知，纖維混凝土的抗折強(qiáng)度皆有所上升，這是因?yàn)槔w維在混凝土內(nèi)部起到一定的架橋連接作用，在混凝土試件破壞過(guò)程中形成微裂縫，纖維對(duì)微裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)張起到一定的阻礙作用，對(duì)混凝土試件抗折強(qiáng)度起積極作用。其中鋼纖維對(duì)混凝土的增韌效果高于聚丙烯纖維，這是因?yàn)殇摾w維自身抗折強(qiáng)度遠(yuǎn)大于聚丙烯纖維，因此對(duì)混凝土試件的增強(qiáng)效果也遠(yuǎn)大于聚丙烯纖維。而LS-3和SS-7抗折強(qiáng)度與素混凝土抗折強(qiáng)度接近，這可能是因?yàn)樵谥苽湓嚰倪^(guò)程中，沒(méi)有加入引氣劑，使得試件表面的空隙率相對(duì)較大，降低了抗折強(qiáng)度。LS-7混凝土試件抗折強(qiáng)度最高，達(dá)到5.12 MPa。繼續(xù)增加鋼纖維摻量，混凝土試件抗折強(qiáng)度反而有所降低，這是因?yàn)槔w維摻量超過(guò)一定量以后，會(huì)發(fā)生一定的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土試件的抗折強(qiáng)度有所降低。

圖2 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Results of bending strength test

2.2 彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

混凝土彎曲韌性結(jié)果如表2所示。由表2可知，鋼纖維混凝土試件彎曲強(qiáng)度指數(shù)最高，聚丙烯混凝土試件與素混凝土試件彎曲性能相近，證明聚丙烯纖維對(duì)混凝土的韌性不產(chǎn)生作用。這是因?yàn)樵谠囼?yàn)過(guò)程中，采用0.05 MPa/s的加載速率對(duì)試件施加荷載，直至試件破壞，試件在承受極限荷載時(shí)，受拉區(qū)在跨中出現(xiàn)裂縫并迅速發(fā)展，在此過(guò)程中，聚丙烯纖維被拉出，因此沒(méi)有起到增韌的作用。而鋼纖維對(duì)混凝土的增韌效果較大，其中LS-7的I和I的增韌效果最明顯，分別增加了291%和415%。這是因?yàn)檫m宜的鋼纖維摻量能使鋼纖維均勻地在混凝土中分散，隨著荷載的增加，試件承受極限荷載，受拉區(qū)開(kāi)裂，此時(shí)鋼纖維發(fā)揮作用，起到一定家橋連接作用，承擔(dān)一部分外力，對(duì)裂縫的延續(xù)有一定的減緩作用，進(jìn)而增加了混凝土試件的韌性。當(dāng)纖維摻量過(guò)多，在混凝土內(nèi)部易出現(xiàn)成團(tuán)現(xiàn)象，在受外界荷載時(shí)，纖維被拉斷或被破壞，造成鋼纖維對(duì)混凝土試件增韌效果不明顯。在纖維種類和纖維摻量相同的情況下，短鋼纖維彎曲韌性比相對(duì)較大，這是因?yàn)槎啼摾w維初裂強(qiáng)度低，使得計(jì)算結(jié)果相對(duì)偏大。

表2 混凝土彎曲韌性結(jié)果Tab.2 Results of flexural toughness of concrete

2.3 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

圖3為L(zhǎng)S-7混凝土試件和素混凝土試件凍融前后抗折強(qiáng)度的變化。由圖3可知，凍融后的素混凝土試件比凍融前的素混凝土試件抗折強(qiáng)度下降了11.6%，凍融后LS-7混凝土試件僅比凍融前LS-7試件抗折強(qiáng)度下降了10.3%，證明LS-7試件的抗凍性能優(yōu)于素混凝土。

圖3 LS-7混凝土試件和素混凝土試件凍融前后抗折強(qiáng)度的變化Fig.3 Change of bending strength of LS-7 concrete specimen and plain concrete specimen before and after freezing and thawing

3 鋼纖維混凝土實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)

通過(guò)以上的試驗(yàn)制備，將其應(yīng)用到實(shí)際的路面工程中，該混凝土體現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

（1）減小路面厚度：用素混凝土作為面層材料時(shí)，路面厚度一般需要達(dá)到200~300 mm。鋼纖維對(duì)混凝土韌性、抗裂性和抗彎拉、耐疲勞都有明顯優(yōu)化作用，因此厚度達(dá)到110~160 mm就能滿足要求，降低路面厚度，進(jìn)而降低工程造價(jià)；

（2）增大橫縫間距：鋼纖維能夠有效阻止早期裂紋形成，這就導(dǎo)致混凝土路面板在尺寸得以改變，因此在混凝土路面板尺寸難以改變。也就是在滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，縮縫間距得到提高，這就節(jié)約了施工和維修成本，有更好的舒適性體驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)在混凝土中摻入纖維研究了纖維對(duì)混凝土的增韌機(jī)理。通過(guò)改變纖維種類、摻量和長(zhǎng)度，研究了纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。具體結(jié)論如下：

（1）所有纖維對(duì)混凝土皆有增韌作用，其中摻量為0.7%的長(zhǎng)鋼纖維（38 mm）對(duì)混凝土的增韌作用最明顯；

（2）聚丙烯纖維對(duì)混凝土試件抗彎拉性能作用不明顯，摻量為0.7%的長(zhǎng)鋼纖維對(duì)混凝土試件抗彎拉性能優(yōu)化較明顯，I和I分別比素混凝土增加了291%和415%；

（3）凍融循環(huán)試驗(yàn)后，凍融前后的LS-7混凝土試件和素混凝土抗折強(qiáng)度分別下降10.3%和11.6%，LS-7試件的抗凍性能優(yōu)于素混凝土；

（4）鋼纖維混凝土可用于路面建設(shè)，具有降低厚度，增加縮縫間距和舒適性，降低成本等優(yōu)點(diǎn)。