纤维混凝土受力研究及其在工程中的应用

□文/陈文渊 李 浩

混凝土作为当代应用最广泛的建筑材料，有易成型、能耗低、耐久性好、价格便宜等优点，但混凝土自重大、脆性大、抗拉强度低等弱点限制了它大范围的使用。因此人们致力于混凝土向轻质、高强、改变脆性等方向发展，采用纤维增强混凝土是混凝土改性的一个重要手段，它可使混凝土的抗拉强度、变形能力、耐荷能力大大提高。纤维混凝土是以水泥净浆、砂浆或混凝土做基材，以非连续的短纤维或连续的长纤维增强材所组成的水泥基复合材料的总称，通常简称为“纤维混凝土”。

为验证纤维混凝土的受力性能，以配筋率为1.1%的混凝土简支梁为对象进行研究。

1 试验

1.1 目的

验证聚丙烯纤维和玻璃纤维对混凝土简支梁力学性能的影响。

1.2 对象

试件为3根掺加聚丙烯纤维的钢筋混凝土简支梁，3根掺加玻璃纤维的钢筋混凝土简支梁，纤维掺量为0.9 kg/m3；3根普通钢筋混凝土简支梁。截面尺寸及配筋见图1。

1.3 装置

加荷设备。电动油泵、千斤顶、静态电阻应变仪、百分表、电子秤、压力传感器、裂缝测量仪、钢卷尺及其他工具等。

1.4 方法

采用分级加载，在开裂荷载以前分5级。试件自重和分配梁不计。裂缝的发生和发展用眼睛观察，裂缝宽度用裂缝宽度观测仪或读数显微镜测量，每级荷载下的裂缝发展情况在构件上绘出并注明荷载级别，记录相应的裂缝宽度。为准确测定发裂荷载值，试验过程中应注意观察第一条裂缝的出现。

1.5 步骤

1）按开裂荷载的20%分级算出加载值。

2）贴好应变片，做好防潮防水处理，引出导线，装好百分表。

3）进行3级预载试验，测取读数，观察试件、装置和仪表工作是否正常并及时排除发现的问题。

4）开始正式试验，利用液压同步加载系统，分级加载，每级加载后约5 min，进行全部仪表读数，读数前必须检查一次荷载值是否正确并保持恒定。

2 数据分析

1）裂缝范围及初裂荷载。各梁的裂缝范围及初裂荷载比较见表1。

表1 各梁的裂缝范围及初裂荷载

由表1可以看出，纤维混凝土梁比普通混凝土梁的裂缝出现较晚，初裂荷载提高；在施加的荷载值较小时，裂缝宽度相对较小。随荷载增大到一定程度后，纤维混凝土梁和普通混凝土梁的裂缝形态基本无差异。

掺加聚丙烯纤维混凝土梁的初裂荷载值为6.0 kN，掺加玻璃纤维混凝土梁的初裂荷载值为6.5 kN，普通混凝土梁的初裂荷载值5.3 kN，说明掺加聚丙烯纤维和玻璃纤维后，混凝土梁的初裂荷载分别提高了13%和22%。

从整根梁看，到破坏时，普通混凝土梁有裂缝平均范围为1.441 m；而掺加聚丙烯纤维的混凝土梁有裂缝平均范围为1.381 m，下降了4%；掺加玻璃纤维的混凝土梁有裂缝平均范围为1.232 m，下降了14%。

2）试验梁的裂缝数及裂缝间距。各梁的裂缝范围及初裂荷载比较见表2。

由表2可以看出，掺入聚丙烯纤维和玻璃纤维对梁的主裂缝间距基本无影响。纤维组织构件开裂的机理比较复杂，根据上述试验结果初步可作如下解释：

（1）聚丙烯纤维和玻璃纤维能缓和裂缝尖端的应力集中现象，从而阻碍裂缝开展；

（2）跨越裂缝的聚丙烯纤维和玻璃纤维基体保持一定的粘结力，使这些纤维及未裂混凝土共同承担裂缝截面上的部分拉力，从而降低了裂缝截面上的钢筋应力；

（3）钢筋与聚丙烯纤维和玻璃纤维混凝土间的粘结锚固力较普通混凝土提高，使钢筋的粘结滑移减少，降低了钢筋的平均应变，使主裂缝间纤维混凝土平均拉应变较普通混凝土有显著提高，从而降低了主裂缝宽度。

3 试验小结

1）聚丙烯纤维和玻璃纤维能有效地增强混凝土的抗拉能力，使梁的抗裂度和正截面抗弯承载力得到提高。

2）在梁正常工作状态下，聚丙烯纤维和玻璃纤维能有效地阻止裂缝的扩展，与受拉钢筋协同工作，共同承担拉力，从而减小了梁的裂缝宽度，提高了梁的刚度，减小了梁的变形。

3）在梁进入破坏阶段后，聚丙烯纤维和玻璃纤维可以提高梁的延性。

4）在阻裂能力和提高初裂荷载方面，玻璃纤维要稍强于聚丙烯纤维。

4 纤维混凝土在实际工程中的应用

纤维混凝土在实际工程中得到广泛应用并且取得了良好的效果。天津出入境检验检疫局综合试验楼项目总建筑面积58 354 m2，其中地上建筑面积46 990 m2，地下建筑面积11 364 m2。地上18层，地下2层，人防等级为核六级常六级，框架-剪力墙结构。

地下室长度为100 m，超长且未设置结构缝，故在地下室混凝土中加入聚丙烯纤维，以解决结构超长，防止混凝土开裂。

框架-剪力墙结构形式对抗震不利，故在单榀框架柱混凝土中掺加聚丙烯纤维，掺量1.0 kg/m3，以增加结构的延性，从而较好地提高了结构的抗震性能。

建成一年多以来，未在地下室及侧墙和地上混凝土部分发现裂缝。混凝土中加入了聚丙烯纤维后，提高了钢筋混凝土的抗拉、抗压和抗弯性能；降低了混凝土的收缩，抗裂和抗疲劳性能显著提高，有效的减少了混凝土裂缝的产生；聚丙烯纤维混凝土具有比普通混凝土更好地硬化后性能和抗裂疲劳性能。

［1］黄承逵.纤维混凝土结构［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［2］冯乃谦.高性能混凝土结构［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［3］赵国藩，彭少民，黄承逵.钢纤维混凝土结构［M］.北京：中国建筑工业出版社，1999.

［4］龚 益，沈荣熹，李清海.杜拉纤维在土建工程中的应用［M］.北京：机械工业出版，2002.

［5］徐至钧.纤维混凝土技术及应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，2003.

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［7］欧阳斌.聚丙烯纤维砼在地下室墙中的应用研究［D］.浙江：浙江大学，2005.

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