纤维自密实混凝土抗拉性能试验研究

秦晋彪

摘要：混凝土由于其耐久性、耐火性好，就地取材方便，整体性和可塑性好成为当今工程结构的主要材料。但是也存在自重大、抗拉强度低容易开裂的毛病。纤维混凝土的产生充分地缓解了混凝土易开裂的问题，但开裂现象仍然时有发生。为寻找解决纤维混凝土开裂问题的办法，本次试验通过对自密实混凝土试件掺入不同纤维以及不同的纤维掺和量后进行轴向拉伸试验，通过拉伸试验从而来得到不同混凝土试件的应力一应变全曲线，然后通过对所得到曲线进行分析，得出掺入不同纤维以及不同的纤维掺和量对自密实混凝土轴拉特性的影响。来论证纤维混凝土最佳的纤维掺和形式。

关键词：纤维自密实混凝土；应力一应变；轴拉性能

1背景简述

混凝土结构的破坏，其产生原因是因为所受的拉应力或剪应力超过了混凝土结构的自身承载能力。

在实际生产过程中，由于纤维混凝土相比普通混凝土拥有优良的抗拉性能所以广泛应用于桥面防水保护层、隧道衬砌喷射等。在项目实际生产中纤维混凝土虽得到有效推广应用，但仍存在混凝土强度不足的现象，混凝土开裂情况时常发生。究其原因固然有施工过程中的违规操作行为，但同时也存在纤维的掺和量和掺和形式不尽如意的情况。

（图1、2为在建客运专线桥面防水保护层裂缝，防水保护层所使用材料为普通細石聚丙烯纤维混凝土。）

在实际生产过程中，中铁十七局集团第三工程有限公司负责施工的多条客运专线均已广泛采用纤维混凝土，大大地缓解了防水保护层开裂问题。但如上图所示，纤维混凝土出现裂缝的情况也时有发生。电缆槽保护层由于面积相对较小，裂缝相对不明显，而桥面防水层裂缝却极为明显。裂缝的产生为各工程项目的后续施工带来不便。处理起来费时费力，影响后续施工的进行，造成时间上与经济上的双重损失。同时也可能影响到企业声誉与发展。

在纤维自密实混凝土中，乱向分布的纤维可以阻碍混凝土结构内的微观细微裂缝的形成，同时也可以阻滞宏观裂缝的扩大，并且在混凝土出现裂缝以后，继续吸收部分能量，从而使混凝土抗拉强度能够得到有效的提升。并且由于自密实混凝土具有良好的流动性，通过混凝土的流动性可以使所掺纤维能够更加均匀的分布于整体结构当中，使得混凝土受力更加均匀，从而让混凝土的抗拉强度可以够得到有效的提高。

1.1试件拉伸所面临的问题

①混凝土试件非匀质性。由于在制作混凝土试件的过程中误差是在所难免的，即便误差在合理的范围内，混凝土试件内部也一定会存在细微裂缝，并且无法控制裂缝的分布，所以所受拉力不会平均分布于试件的同一截面上。不仅如此，在逐渐增大拉力的过程中，旧裂缝会逐渐增大，且还有新的裂缝出现，使得混凝土试件的受力情况随时都在变化，由此可知，在轴拉试验过程中，不存在混凝土试件的完全均匀受拉情况。②应力集中严重。应力集中会导致试验失败，这是因为若应力过于集中，试验中试件的断裂位置通常不受控制，落在应变测量区域之外。③试验系统刚度不足。若试验系统刚度不足，试验荷载超过最大荷载后试件立即断裂，无法获得曲线的下降段部分，无法获得完成的应力应变全曲线，因此为获得稳定的全曲线，必须增加试验机的刚度，本次试验通过加装刚性杆来提高试验机的刚度。

1.2加载速率对轴拉试验的影响

应变的加载速率直接影响着混凝土试件的轴拉性能。随着应变速率的变化，混凝土试件拉伸强度也会出现变化，两者之间呈正比，一旦应变速率高到一定数值，混凝土试件骨料就会被破坏。究其原因发现随着应力加载速率的增加，混凝土试件内部细微裂缝扩展不及应力的加载速率，从而造成混凝土试件骨料破坏。

2试验设计

2.1试验材料

本试验选用的材料包括：不同类型的高性能纤维、减水剂、硅粉、粉煤灰、骨料（最大粒径不超过15 mm）、普通硅酸盐水泥。

本次试验配合比如表l所示，纤维的混杂方式如表2所示。

2.2试验内容

本次试验在综合参考分析了国内外很多相关试验的基础上，确定了不同纤维掺量的钢纤维及混杂纤维自密实混凝土的优化配合比。采用等截面试件及粘贴法，将2块钢板用建筑结构胶分别粘贴在试件两端，放置3d后开始试验，在MTS试验机上进行试验。加载速率为开始以0.5mm/min加载，直至接近开裂临界转为0.2mm/min。在轴拉试验中，串联试验机与试件。试验前在与混凝土试件的平行方向上安装刚性杆从而增加系统的整体刚度，并且在拉伸过程中与混凝土试件同时受拉，如此能够提高系统整体的刚度，并获得完整的曲线。本次试验所制作的混凝土试件共24个，结构尺寸为100mmx100mmx400mm。在试验过程中在混凝土试件4边分别安装4个LVDT位移传感器来测量混凝土轴向的形变，同时在混凝土试件的4个侧面布置应变片来监测混凝土开裂前的应变，试验使用imc数据采集仪来采集试验数据。试验装置图如图4。

3试验结果

本次试验不同混凝土试件的拉伸试验数据如图5-8所示。试验中取4个应变片的平均值为应变。

4结果分析

单轴拉应力状态下，任何新裂缝的发生和生长都将减少有效承载面积，因此轴拉应力状态抑制裂缝的趋势较压应力状态要小得多，故裂缝扩展阶段较短，线弹性状态过后，试件迅速破坏。当混凝土因开裂而失去承载力以后，由于纤维的继续作用而使试件仍残余一些拉应力。

根据图5和图6可以得出掺入PP纤维可以有效的提升混凝土试件抗拉性能。由图4中PP6、PP8的曲线可以得出当PP纤维的掺入量达到一定数量后混凝土试件抗拉强度虽有所增加但增加不明显。根据图7、图8中曲线可以得出钢纤维的掺入能显著提高混凝土试件的抗拉强度，对比SF20（35）与SF20PP2（35）以及SF40与SF40PP3两组图像，可以对比出，同时掺入PP纤维和钢纤维的混凝土试件在混凝土开裂后仍能吸收部分能量与单一纤维相比抗拉性能有部分提升。综合以上凸显可以得出同时加入钢纤维与PP纤维，在两种纤维的共同作用下，混凝土的抗拉强度与单一纤维混凝土相比得到明显的提升，混合纤维在整个拉伸试验过程中表现了出良好的正混杂效应，可以确定混合纤维对混凝土性能的提升优于单一纤维。endprint

PP纤维和钢纤维既可以有效地提高混凝土试件的抗拉强度并且也能够有效地提高混凝土试件峰值荷载所对应的应变。纤维之所以对混凝土试件抗拉强度的提升具有增强作用，首先是由于在混凝土试件的拉伸过程中，拉伸变形的主要原因是由于混凝土试件原有的初始裂缝在拉力的作用下不断扩张变大而产生的，而纤维作为裂缝的约束体在拔出过程中纤维与机体界面的粘结力与纤维的异形造成的机械力给混凝土裂缝尖端增加了阻止裂缝扩展的应力场，从而增加了混凝土试件的抗拉强度。其次是在混凝土的早龄期，由于混凝土试件在中纤维的存在有效的抑制了混凝土试件收缩裂缝的产生。从而使混凝土试件在完全硬化后的抗拉强度能够得到显著的提高。

5结论

①PP纤维和钢纤维都既能有效地提高混凝土试件的抗拉强度同时也能有效地提升混凝土的峰值应变。但是只掺入PP纤维对混凝土试件抗拉性能的提高有限，而钢纤维的掺入却能显著提高混凝土试件的抗拉强度。

②纤维之所以对混凝土试件抗拉具有增强作用，首先是因为在拉伸过程中试件的拉伸变形来自于混凝土试件初始裂缝的不断扩张变大，而纤维作为裂缝的约束体在试验过程中纤维与机体界面的粘结力与纤维的异形造成的机械力给混凝土裂缝尖端增加了一阻止裂缝扩展的应力场，在应力场的作用下使得混凝土试件的抗拉强度得到明显提升。其次因为纤维的乱向分布对混凝土早龄期的收縮裂缝具有明显的抑制作用，进而提高了混凝土硬化后的抗拉强度。

③虽然PP纤维抗拉强度与钢纤维相比较低，但是PP纤维与试件机体粘结性能更好，所以在试验过程中致使绝大部分的PP纤维被拉断。而钢纤维因为纤维自身强度相对较高并且与试件机体的粘结性能不如PP纤维，在试验过程中钢纤维大多数是被拔出的。

④同时加入两种纤维，与只加入单一纤维相比抗拉强度明显得到提升，在两种纤维的共同作用下，混合纤维可以表现出良好的正混杂效应，抗拉强度得到明显的提升。

6结语

钢纤维混凝土抗拉性能虽然更好，但成本相对较高。而掺入混杂纤维的混凝土与钢纤维混凝土相比抗拉强度相差无几，成本却得到下降，而与单一聚丙烯纤维混凝土相比，又可以有效的提升混凝土的抗拉强度，减少裂缝产生。自密实纤维混凝土与普通纤维混凝土相比，由于流动性较好，不存在普通混凝土振捣不足导致纤维分部不均匀的情况。所以自密实纤维混凝土可以使得混凝土受力能够更加均匀。endprint