单掺和混掺纤维对全轻混凝土力学性能影响试验研究

王彩峰,李洁宇

(1.河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000 ； 2.深圳市永达信工程造价咨询有限公司河南分公司，河南 郑州 451400)

单掺和混掺纤维对全轻混凝土力学性能影响试验研究

王彩峰1,李洁宇2

(1.河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000 ； 2.深圳市永达信工程造价咨询有限公司河南分公司，河南 郑州 451400)

本文试验研究钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维的单掺和混掺对全轻混凝土力学性能的影响。试验结果表明：全轻混凝土中单掺或混掺纤维对其抗压强度和轴心抗压强度提高较小，而对劈裂抗拉强度提高较大。其中，钢纤维对于全轻混凝土强度提高效果优于聚丙烯纤维和玄武岩纤维；从试件受压破坏状态分析，双掺纤维比单掺纤维破坏延性较好，能够发挥不同纤维的特点，与全轻混凝土破坏相比具有坏而不碎的特点。通过分析三种纤维的混杂效应，混掺钢纤维和玄武岩纤维对于提高全轻混凝土力学性能达到最优，且钢纤维成为影响其混杂效应的主要因素。

全轻纤维混凝土；钢纤维；聚丙烯纤维；玄武岩纤维；力学性能

轻骨料混凝土是由轻骨料、陶砂、水泥、水、减水剂等组成的复合材料，其表观密度不大于1 950 kg/m3。轻骨料混凝土相对普通混凝土具有轻质、保温、隔音、抗震、抗冲击等一列优良性能[1-2]。但由于轻骨料混凝土弹性模量低，其抗压强度、抗拉强度和抗折强度较低，容易产生脆性破坏，因此工程中常应用在围护和非承重结构[3-4]。为了克服自身缺陷对其使用范围的限制，通过掺入纤维可以有效提高轻骨料混凝土的强度和延展性能，尤其对轻骨料混凝土的抗裂缝能力和抗冲击性能方面效果显著[5-8]。

试验研究表明，混凝土中掺入纤维后，纤维能够在混凝土中起到“二次微筋”作用，提高混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗折强度以及弹性模量，改善其脆性破坏过程[9-10]，因此纤维混凝土的试验研究受到各国学者们的重视。纤维的掺入方式有单掺和混掺，单掺某种纤维来提高轻骨料混凝土的各项性能，其作用效果受到限制，如果采用混合掺入不同的纤维，让其均匀分散于轻骨料混凝土中，就可以使分散在混凝土骨料之间的纤维形成均匀连续的纤维网，可以更加有效阻止裂缝产生和扩展，达到预期效果[11-14]。已有文献中，如Mojtaba Tabatabaeian[15]、A. Razmi[16]、王艳[17]等通过控制投放纤维的数量进行试验研究，分析出不同纤维的最优掺量对混凝土力学性能的影响。虽然对于纤维混凝土的研究很早都已经涉及，但是由于混杂纤维混凝土的复杂性能，对于纤维混凝土的增强机理没有一个统一的模型公式[18]，为了更深入地研究混掺纤维的破坏机理，本文从多个角度去分析纤维轻骨料混凝土的破坏特征。

1 试 验

1.1 主要试验材料及性能

(1) 水泥：焦作坚固牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥；

(2) 粉煤灰：焦作电厂生产的Ⅱ 级粉煤灰，满足GB/T1596-2005要求；

(3) 粗骨料：洛阳正全实业有限公司生产的700级碎石型陶粒，其堆积密度为610 kg/m3，筒压强度为3.5 MPa，粒径大小为5～15 mm；

(4) 细骨料：洛阳正全实业有限公司生产的800级页岩陶砂，粒径≤5 mm，堆积密度880 kg/m3，细度模数2.33～3.36，连续级配；

(5) 纤维：钢纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维，各项指标见表1；

(6) 减水剂：聚羟酸母液高效减水剂，掺量为胶凝材料的1.8%；

(7) 水：普通自来水。

表1 纤维性能指标

1.2 试验配合比设计

通过本课题组前期试验结果，参照《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ51-2002)，在已适配好的全轻混凝土LC30基础上掺入纤维，结合《纤维混凝土应用技术规程》(JGJ/T221-2010)，分别以体积掺量1%钢纤维(以下简称SF)、体积掺量0.2%玄武岩纤维(以下简称BF)和质量掺量0.9 kg/m3聚丙烯纤维(以下简称PPF)，详细配合比见表2。

表2 轻骨料混凝土配合比

1.3 试验方法

拌和混凝土之前，轻骨料提前24 h预湿，试验采用二次投料方法，使用强制式搅拌机拌和，搅拌操作按照规范JGJ51-2002中的规定，试件脱模后采用洒水盖塑料薄膜养护。按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2001)相关标准，测定全轻混凝土和纤维混凝土的力学性能。其中，制作100 mm×100 mm×100 mm立方体试块，进行7 d、28 d抗压强度、28 d劈裂抗拉强度，同时制作100 mm×100 mm×300 mm长方体试件进行轴心抗压强度测定，试验设备采用WAW-1000微机控制电液伺服万能试验机进行强度测试。

2 试验结果及分析

2.1 试件的抗压破坏形态

图1和图2分别是全轻混凝土和纤维全轻混凝土的抗压破坏效果图。从图1能够看到全轻混凝土发生了脆性破坏，其原因是轻骨料混凝土本身内部存在微缺陷，轻骨料筒压强度低于砂浆的强度，其破坏的裂缝是从骨料向桨体迅速扩展。在受压破坏的过程中，由于混凝土中的骨料内部存在孔隙，受压破坏过程中带有微小塑性的破坏。图2相比图1最大的区别是试件发生的塑性变形较大，破坏后能够保持试件的完整性，其表面无大的剥落和碎裂现象，其主要原因是纤维在混凝土中起到拉结和缠绕骨料作用。

纤维全轻混凝土的破坏可以分成三个阶段：首先，混凝土承受荷载时，微裂纹首次在骨料的界面出现，此时伴随着骨料破坏；其次，随着荷载的不断升高，裂纹扩展到骨料和水泥桨体界面过渡区；最后，当骨料和水泥桨体之间的粘结不能承受载荷，荷载将转移到纤维和水泥桨体之间的拉结力承受，随着荷载达到峰值时，混凝土试件出现多条小裂缝，伴随着裂缝不断贯通，试件呈现出塑性破坏[19]。

图1全轻混凝抗压破坏图2纤维混凝土抗压破坏

2.2 纤维对全轻混凝土抗压强度的影响

纤维全轻混凝土7 d、28 d抗压强度值见表3，抗压强度与掺入纤维方式不同之间的关系，如图3所示。掺入纤维的轻骨料混凝土，7 d抗压强度相对于全轻混凝土分别提高了19.64%、2.36%、-2.57%、8.88%、9.94%、-3.63%，钢纤维单掺时7 d抗压强度提高最快，而单掺玄武岩纤维、混掺玄武岩纤维/聚丙烯纤维的抗压强度低于全轻混凝土，导致这种现象出现可能是纤维混凝土前期水化时，纤维与其中的胶凝材料还没充分粘结牢固。

纤维混凝土相比28 d全轻混凝土抗压强度，试件的抗压强度分别提高了12%、5.35%、1.56%、11.4%、16.4%、-3.9%，混掺玄武岩纤维/聚丙烯纤维这组降低了3.9%，其它各组强度均有提高。从图3能够看出，钢纤维对于全轻混凝土抗压强度提高效果优于聚丙烯纤维和玄武岩纤维。通过数据分析7 d时钢纤维混凝土抗压强度值达到28 d全轻混凝土强度值的85.0%，原因是由于7 d全轻混凝土中胶凝材料未充分水化，砂浆的强度较低，而钢纤维具有高抗拉和高弹模的特性，作为增强7 d抗压强度的主要作用，但纤维和骨料之间的结合还存在缺陷，钢纤维的加入在提高混凝土的抗压强度上受到一定的限制。

表3 抗压强度数据

图3 不同龄期抗压强度

2.3 纤维对全轻混凝土劈拉抗拉强度和轴心抗压强度影响

2.3.1 劈裂抗拉性能

全轻混凝土通过单掺和混掺三种纤维(SF、PPF、BF)28 d的劈裂抗拉强度和轴心抗压强度，其数据见表4，纤维掺入方式不同与劈裂抗拉强度之间的关系见图7。劈裂抗拉试验荷载-位移曲线见图5。随着纤维的加入全轻混凝土的抗拉强度显著提高，纤维轻骨料混凝土相对全轻混凝土劈裂抗拉强度分别提高75.31%、23.87%、37.45%、78.60%、98.77%、52.26%，其中钢纤维/玄武岩纤维、钢纤维/聚丙烯纤维混掺抗拉强度分别提高98.77%、78.60%，这说明混掺纤维的轻骨料混凝土在劈裂抗拉强度上比单一掺入纤维时提高强度更高，这是由于混合纤维的掺入能够发挥各自的优势，有效缓解裂缝的产生和发展。

表4 劈裂抗拉和轴心抗压强度数据

注：(1)fts、fc分别表示混凝土劈裂抗拉强度和轴心抗压强度

图4纤维混凝土的劈裂抗拉强度图5荷载-位移曲线

由图5劈裂抗拉过程荷载-位移曲线可以看出，钢纤维、钢纤维/玄武岩纤维、钢纤维/聚丙烯纤维的混掺能够显著改善轻骨料混凝土的脆性破坏，SF+BF-6、SF+PPF-5、SF-2这三条曲线走势相同，随着荷载的升高位移逐渐增加，达到峰值荷载后位移还能缓慢增长，其破坏是一个塑性发展的过程。通过对比这三种曲线，可知SF-2钢纤维单掺对于前期荷载增长慢，后期位移发生量不大。从图5中能够看出，钢纤维/玄武岩纤维、钢纤维/聚丙烯纤维混掺效果较好，增韧效果优于单掺纤维，表现出很好的协同混杂效应。分析其原因，主要是单掺一种纤维时只能发挥本身的一种特性，相比混掺纤维而言，掺入的纤维具有不同尺度和不同力学性能，在混凝土中能够形成空间网状结构[20]，受荷载作用下，能够迅速阻止裂缝的扩展，从而提高混凝土的韧性。对于LC-1、PPF-3、BF-4、BF+PPF-7这四条曲线能够看出荷载到达峰值点位移的发生量很小，当荷载超过峰值点后迅速发生跌落，发生脆性破坏。

2.3.2 轴心抗压强度

纤维混凝土轴心抗压强度见图6。通过图6能够看出，掺入纤维对于全轻混凝土轴心抗压强度分别提高19.59%、0.61%、5.10%、14.90%、22.86%、-2.49%。其中，SF+BF-6轴心抗压强度提高最多，达到了22.86%，这说明钢纤维/玄武岩纤维混掺能够发挥两种纤维优点，且钢纤维在其中发挥主要作用；而PPF+BF-7轴心抗压强度下降2.49%，这两种纤维混掺对混凝土轴心抗压强度起到负相关作用。

图6 轴心抗压强度

4 纤维混杂效应

为了进一步说明混掺纤维对全轻混凝土性能的影响，引入了纤维的混杂增强效应系数[21]：

(1)

其中：f是纤维混凝土的强度，fm是基准全轻混凝土的强度；βcu、βt、βc分别表示抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗压强度的增强效应系数。当β﹥1时，纤维对混凝土基体起到正混杂效应，而β≤1时，纤维对混凝土基体起到负混杂效应。表5给出混杂纤维全轻混凝土的增强效应和混杂系数。

表5 纤维混凝土混杂效应系数

图7 纤维混杂效应图

如图7所示，混掺纤维对全轻混凝土抗压强度和轴心抗压强度影响较小，而对劈裂抗拉强度影响较大，且起到正混杂效应，强度提高明显。从图7可以看出，单掺钢纤维时呈现出明显的正混杂效应明显；单掺聚丙烯和单掺玄武岩纤维混杂效应不明显；钢纤维和聚丙烯纤维混杂呈现出较好的正混杂效应；钢纤维和玄武岩纤维混杂时比其它单掺或混掺纤维具有良好的混杂效应；玄武岩纤维与聚丙烯纤维混杂，对于抗压强度和轴心抗压强度出现了较小的负混杂效应，对于劈裂抗拉强度呈现正混杂效应。从表5可知：钢纤维的掺入会显著提高混杂效应系数，钢纤维和玄武岩纤维混掺对抗压强度、劈裂抗拉强度和轴心抗压强度正混杂效应相对其他各组达到最优，当这两种纤维同时混杂时，纤维之间分散均匀，不出现纠缠和成团现象，从而使纤维在混凝土中起到良好的加筋作用。

综上所述，钢纤维和玄武岩纤维混杂有利于提高全轻混凝土的力学性能，但是单掺或混杂纤维时要综合考虑对混凝土性能的影响，通过本次试验能够看出在混掺纤维时钢纤维成为了混杂效应影响的主要因素。

5 结论

(1) 钢纤维对全轻混凝土强度提高效果优于聚丙烯纤维和玄武岩纤维，对于混凝土增强增韧效果明显；

(2) 钢纤维/玄武岩纤维、钢纤维/聚丙烯纤维混掺较全轻混凝土强度具有显著提高，其中抗压强度分别提高8.88%、9.94%，劈裂抗拉强度分别提高78.75%、98.77%，轴心抗压强度分别提高14.9%、22.86%；

(3) 纤维混凝土破坏形态相对全轻混凝土变化较大，荷载达到峰值点后随着承载力的下降位移逐渐增大，呈现出较好的塑性变形；试件破坏后裂而不碎，整体性较好，适合作为抗震结构；

(4) 通过分析三种纤维的混杂效应，混掺钢纤维/玄武岩纤维对于提高全轻混凝土力学性能达到最优，且钢纤维成为影响其混杂效应的主要因素；

(5) 玄武岩纤维/聚丙烯纤维单掺或混掺对抗压强度、轴心抗压强度影响较小，对劈拉抗拉强度有一定的提高，但从整体性能来看这两种纤维混掺效果不如单掺好。

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Experimentalstudyonmechanicalpropertiesofall-lightweightconcretewithsingleandmixedfiber

WANG CAI-feng , LI Jie-yu

(1.SchoolofCivilEngineering,HenanPolytechnicUniversity,JiaozuoHenan454000,China; 2.ShenzhenYongdaxinEngineeringCostConsultingCo.Ltd.,HenanBranch,ZhengzhouHenan451400,China.)

The experiment studies the effect on the mechanical properties of all-lightweight concrete (ALWC) in which steel fiber (SF), polypropylene fiber (PPF) and basalt fiber (BF) are incorporated with a single incorporation and mixed one. The compressive strength and axial compressive strength of the single or mixed fiber in all lightweight concrete are small, but the splitting tensile strength is improved greatly. The effect of steel fiber on the strength of all light concrete is better than that of polypropylene fiber and basalt fiber. From the analysis of compressive failure condition of specimens, the damage ductility of double fiber fibers is better than that of single fiber, and the characteristics of different fibers can be played. Compared with the damage of the whole lightweight concrete, it has the characteristics of bad and not broken; By analyzing the hybrid effect of three kinds of fibers, the blending of steel fiber and basalt fiber can improve the mechanical properties of the whole light concrete, and the steel fiber becomes the main factor affecting the hybrid effect.

ALWC; steel fiber; PPF; BF; mechanical characteristics

2017-06-12

国家自然科学基金(41172317)

王彩峰(1991-)，男，河南周口人，硕士。

1674-7046(2017)05-0050-07

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.05.010

TU528.2

A