新型棒状聚丙烯纤维混凝土抗剪性能试验与比较

丁春林，张国防，张 骅

（1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海200092；2.同济大学 材料科学与工程学院，上海200092；3.上海裕之杰企业管理有限公司，上海200030）

混凝土抗剪强度是混凝土基本力学性能之一，实际工程中，混凝土结构由于纯剪应力导致破坏的情况一般很少，因而混凝土抗剪强度指标一直被人们忽视.然而随着混凝土材料应用领域的不断扩大和研究工作的不断深入，混凝土的抗剪性能已开始受到人们重视，特别是近年来，随着城市地铁和交通基础设施的迅速发展，采用新奥法和浅埋暗挖法施工的隧道日益增多，而这种施工方法要求喷射混凝土衬砌具有较高的抗剪强度和变形能力，以防衬砌在地压作用下受剪破坏，因此，混凝土抗剪强度是这种施工方法的主要设计指标之一［1-2］.此外，对于高层建筑剪力墙和梁柱节点的局部增强［3-5］、以及桥面的补强与修补［6-7］，抗剪强度也是结构设计中一个重要的衡量指标.为改善混凝土抗剪强度和变形能力，学者们为此开展了大量的研究，如：文献［8］建议隧道衬砌采用喷射纤维增强混凝土，以改善衬砌混凝土抗剪、弯曲等力学性能，并对喷射纤维增强混凝土的设计与施工技术进行了规范；文献［9］采用平板试验，研究对比了钢纤维混凝土板和常见钢筋网增强混凝土板的冲剪应力和弯曲韧性，阐明了隧道衬砌采用喷射钢纤维混凝土的有效性；文献［10］试验研究了静荷载作用下钢纤维混凝土梁的弯曲韧性和板的能量吸收性质，研究结果显示：与钢筋网喷射混凝土衬砌相比，采用喷射钢纤维混凝土衬砌，其厚度可大大减小；文献［11-13］试验研究了钢纤维、碳纤维和玻璃纤维对混凝土试件、混凝土剪力墙与梁抗剪强度和变形性能的影响；文献［14-15］试验研究了玻璃纤维、碳纤维、及混杂纤维对桥梁车道板的增强作用.在上述研究的这些混凝土增强纤维中，钢纤维增强混凝土技术尽管应用得比较成熟，但钢纤维搅拌时易结团，分散均匀性差，不易施工，且钢纤维对于硫离子或氯离子等引起的锈蚀问题随之而来，严重影响混凝土的寿命；碳纤维也是较理想的混凝土增强增韧材料，但因价格昂贵和操作困难而在实际工程中受到一定限制；而玻璃纤维混凝土暴露于大气中一段时间后，其强度和韧性会有大幅度下降，加之玻璃纤维耐碱性不好，目前应用较少.聚丙烯纤维作为一种新型的高分子建筑材料，具有化学稳定性好、密度小、不吸水、价格低等优点.本次研究采用的最新引进日产棒状X 型聚丙烯纤维（图1），除具有普通丝状或网状聚丙烯纤维特点外，它抗拉强度高，外形和截面独特，与混凝土之间咬合力好；在混凝土中易分散均匀，避免钢纤维在混凝土施工中易结团现象；且耐热和耐碱性好，具有永久不生锈的特性（图2）.本文针对最新引进的这种新型纤维，对不同基体强度、不同纤维掺量的混凝土抗剪性能进行试验研究，并与钢纤维混凝土进行试验对比，同时探讨了不同掺量纤维混凝土抗剪强度拟合计算公式.

图1 棒状聚丙烯纤维示意图Fig.1 Sketch of rod-like polypropylene fiber

图2 钢纤维混凝土与棒状聚丙烯纤维混凝土锈蚀比较Fig.2 Comparison of rusting of steel fiber concrete and rod-like polypropylene fiber concrete

1 混凝土抗剪强度试验

1.1 试验材料与配合比

试验配制的混凝土强度等级为C30和C50两种系列，分别采用安徽宁国海螺水泥厂生产的海螺牌42.5R 普通硅酸盐水泥和52.5R 硅酸盐水泥；粗集料采用5～20 mm 碎石，连续级配，产地浙江温岭；细集料采用河砂，产地福建闽江.聚丙烯纤维为日本生产的棒状X 型聚丙烯纤维，截面面积为0.363 mm2，纤维长度40 mm，抗拉强度经试验平均达到525MPa，拉伸弹性模量为4142MPa，其他各项性能指标参见文献［16］.钢纤维为上海青浦某厂家生产，截面为波痕型，长度30mm，等效直径0.8mm，长径比38，抗拉强度685MPa，其他性能达到或超过标准YB／T 151—1999的规定.经过计算和试配，最后得到C30系列混凝土配合比（kg·m-3）为：水泥∶砂∶石∶水=380∶680∶1 149∶179，棒状X 型聚丙烯纤维和钢纤维掺量分别为混凝土体积的0.1%，0.3%，0.5%，1%；C50 系列混凝土配合比（kg·m-3）为：水泥∶砂∶石∶水=451∶601∶1 178∶183，同样，棒状X 型聚丙烯纤维和钢纤维掺量分别为混凝土体积的0.1%，0.3%，0.5%，1%，同时通过掺加SN-Ⅱ型高效减水剂将混凝土的坍落度控制在50～70 mm.

1.2 试验方法

纤维混凝土抗剪强度试验主要参照GB／T50081—2002以及CECS13—89进行，具体要求和步骤如下：

（1）试件要求

采用100mm×100mm×300mm 棱柱体试件，每组4个试件.试件制作及养护符合相关标准规定.

（2）试验设备

试验主要设备包括带有球形铰支座的压力试验机和符合CECS13—89规范要求的抗剪夹具.

（3）试验步骤

①试件经标准养护取出，测定试件尺寸和检查外观，并尽快进行试验以保持原有的干湿状态；

②将抗剪夹具套在试件两个相对的非成型面上，夹具应与试件靠紧，将夹具套摆成水平位置并用固紧螺丝固定，如图3所示；

图3 混凝土抗剪强度试验照片Fig.3 Photos for shear strength test of concrete

③加荷前，夹具上下支座必须对中，开动试验机，当上压板与试件接近时，调整球形铰支座，使接触均衡；在试验进行过程中如发生偏斜现象，应立即停止试验重新对中；

④加荷应连续匀速进行，加荷速度控制在0.06～0.10 MPa·s-1，直至试件剪断为止；试件剪断后，应立即卸荷以防损坏夹具，记录最大破坏荷载.

⑤检查破坏面，若破坏面不在预定位置，则试验结果无效.

1.3 试验结果计算

混凝土试件的抗剪强度按下式计算：

式中：f为混凝土抗剪强度，MPa；F为混凝土剪切破坏荷载，N；b为试件平均宽度，mm；h为试件平均高度，mm.

以4个试件测值的算术平均值作为该组试件的拉剪强度值.4个测值中的最大值或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的15%，则把最大及最小值一并舍除，取两中间值的平均值作为该组试件的抗剪强度，如两个测值与平均值相差超过15%，则该试验结果无效.

4个试验结果中如一个不在预定破坏面，则取其他3个的算术平均值作为抗剪强度值，4个试验中如有两个不在预定破坏面，则该试验结果无效.

2 试验结果及分析

2.1 纤维种类对纤维混凝土抗剪强度影响

根据试验数据，整理得到C30和C50系列棒状聚丙烯纤维混凝土和钢纤维混凝土抗剪强度试验结果如表1～表2所示.

表1 C30系列纤维混凝土抗剪强度与纤维掺量关系Tab.1 Relationship between shear strength and fiber content of different fiber concrete of serial C30

表2 C50系列纤维混凝土抗剪强度与纤维掺量关系Tab.2 Relationship between shear strength and fiber content of different fiber concrete of serial C50

由表1～表2 分析可知：纤维掺量在0.1%～1.0%，除个别掺量试件外，棒状聚丙烯纤维混凝土抗剪强度比基准混凝土增大8.6%～20.5%不等，钢纤维混凝土抗剪强度比基准混凝土增大0.2%～42.6%不等，且同掺量钢纤维对混凝土抗剪强度的提高比棒状聚丙烯纤维要大.

分析表明：在混凝土中掺加棒状聚丙烯纤维和钢纤维，由于乱向分布纤维的抗拉和牵扯作用，纤维混凝土的抗剪强度将有所提高；另一方面，由于钢纤维比棒状聚丙烯纤维的弹性模量和抗拉强度大，故钢纤维对混凝土抗剪强度的提高比棒状聚丙烯纤维要大.

2.2 基体强度对纤维混凝土抗剪强度影响

由表1～表2 分析可知：纤维掺量在0.1%～1.0%，C30系列棒状聚丙烯纤维混凝土抗剪强度比基准混凝土提高8.6%～20.5%，同掺量C50系列棒状聚丙烯纤维混凝土抗剪强度变化范围在-6.3%～18.6%；而C30系列钢纤维混凝土抗剪强度比基准混凝土提高9.3%～42.6%，同掺量C50系列钢纤维混凝土抗剪强度比基准混凝土提高0.2%～37.6%.分析可知，纤维对C30混凝土抗剪强度的改善一般比高强C50混凝土要好.

2.3 纤维掺量对纤维混凝土抗剪强度影响

图4是根据试验数据整理得到的纤维掺量与混凝土抗剪强度关系图.

由图4分析可知：棒状聚丙烯纤维混凝土抗剪强度基本随着纤维掺量增加呈现先增大后下降或减弱的趋势，而钢纤维混凝土抗剪强度则随着纤维掺量增加而增大.分析原因在于：随着纤维掺量的增大，棒状聚丙烯纤维混凝土在试验中易产生泌水现象，引起混凝土抗剪强度的下降，而钢纤维混凝土基本没有泌水现象发生.

图4 纤维混凝土抗剪强度随纤维掺量变化关系图Fig.4 Relationship of fiber content and shear strength of fiber concrete

另一方面，当纤维掺量在0.5%以内时，棒状聚丙烯纤维混凝土抗剪强度增大幅度与同掺量钢纤维混凝土抗剪强度增大幅度接近；当纤维体积掺量大于0.5%时，棒状聚丙烯纤维混凝土抗剪强度增大幅度明显低于同掺量钢纤维混凝土抗剪强度增大幅度.原因是：当纤维掺量不大时，尽管棒状聚丙烯纤维的弹性模量和抗拉强度比钢纤维小，但由于棒状聚丙烯纤维密度小，每立方混凝土投入纤维的数量（根数）比同掺量钢纤维多，相应纤维混凝土试件截面中棒状聚丙烯纤维数量比钢纤维多，因此，棒状聚丙烯纤维对混凝土抗剪强度的改善也得到提高.

2.4 纤维混凝土抗剪强度拟合计算公式

表3是根据试验数据拟合得到的不同强度纤维混凝土在不同纤维掺量下的抗剪强度拟合计算公式.从拟合公式的拟合优度系数分析，除C50系列中棒状聚丙烯纤维混凝土拟合公式外，其余各公式拟合优度系数R2值均接近1，说明拟合效果较好.表4为试验值与拟合公式计算值的比较，由表4分析可知，试验值与计算值比较吻合，最大误差为5.8%，最小仅为0.1%.分析可知，拟合公式应用于同类纤维混凝土，将具有一定的参考价值.

表3 纤维混凝土抗剪强度随纤维掺量变化的拟合公式Tab.3 Fitting formulas for shear strength of fiber concrete

3 结论

根据试验研究结果，可得到以下几点结论：

（1）在混凝土中掺加棒状聚丙烯纤维和钢纤维，混凝土抗剪强度随纤维掺量有不同程度的增大.总的来看，棒状聚丙烯纤维对混凝土抗剪强度的提高比同掺量钢纤维要小，但它可避免钢纤维施工易结团、易锈蚀等不足，应用于地下隧道喷混凝土衬砌具有一定优势；此外，两种纤维对C30混凝土抗剪强度的提高幅度要大于高强C50混凝土.

表4 纤维混凝土抗剪强度试验值与拟合公式计算值比较Tab.4 Comparison on test results and calculation results from formulas of shear strength of fiber concrete

（2）棒状聚丙烯纤维混凝土抗剪强度随着纤维掺量增加表现为先增大后下降或增势减弱的趋势，钢纤维混凝土抗剪强度则随着纤维掺量增加而增大.当纤维掺量在0.5%以内时，棒状聚丙烯纤维混凝土抗剪强度增大幅度与同掺量钢纤维混凝土抗剪强度增大幅度比较接近，掺量大于0.5%时，棒状聚丙烯纤维对混凝土抗剪强度的改善效果会降低，且明显低于钢纤维.可见，在混凝土中掺加棒状聚丙烯纤维，其掺量宜控制在一定范围之内（0.3%～0.5%），一方面，抗剪性能改善的效果会更明显，另一方面，造价比钢纤维也更显优势.

（3）根据试验拟合得到的不同纤维掺量混凝土抗剪强度拟合计算公式，其计算值与试验值比较吻合，这些拟合公式应用于同类纤维混凝土工程具有一定参考价值.

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