混杂纤维增强混凝土材料的力学性能和耐久性能研究*

周美容，张雪梅

(南通理工学院 建筑工程学院，江苏 南通 226002)

0 引 言

水泥是一种重要的建筑材料，但它很容易在拉力的作用下开裂失效[1-3]。其抗拉强度仅为抗压强度的1/10～1/7，受拉极限延伸率只有0.01%～0.06%，在较低的拉伸变形时就会出现开裂[4]。短纤维的应用可以增强混凝土抗拉裂缝的能力，提高混凝土的吸能能力[5]。高韧性纤维增强混凝土具有提高混凝土延性的能力，自20世纪80年代以来得到了较快发展[6-7]。纤维混凝土的研究主要集中在纤维的几何类型、体积分数和强度对混凝土材料抗弯性能的影响[8-10]，尤其以钢纤维和合成有机纤维研究最多，从纤维的形状、长度、用量等方面研究了钢纤维和合成有机纤维的组合对混凝土抗弯承载力和韧性的影响[11-12]。然而大多数研究只是初步评估纤维增强混凝土构件中纤维的含量以及混杂纤维种类对抗弯能力的影响[13-14]。

等效抗弯强度比通常用来评估纤维增强混凝土抗弯拉伸性能的提高程度[15]。等效抗弯强度比由能量吸收能力和梁试验测得的第一个峰值强度确定，与混凝土中纤维的含量比密切相关[16]。以往大多数研究都是评估单一纤维几何类型和含量对纤维增强混凝土抗弯强度和韧性的影响，即给定单一纤维，根据纤维含量确定其等效抗弯强度比。根据传统纤维类型对水泥基材料增强作用的研究，可知混凝土的抗弯、抗剪性能随着聚合物纤维以及碳纤维含量的增加而提高[17-18]。但是这种强化行为并不是线性上升的，混凝土的抗压强度会随着碳纤维含量的增大而大幅度降低[19]。使用两种或两种以上纤维混杂制成的混凝土复合材料，能够较好地解决这一问题[20]。然而，少有研究重点评估混杂纤维材料的强度与纤维含量配比对纤维混凝土材料的力学性能和耐久性能的影响[21]。

本文采用聚丙烯纤维和碳纤维对混凝土基体进行单独掺杂和混合掺杂，评估了两种纤维添加量和搭配比例对混凝土复合材料的抗弯强度、劈裂抗拉强度和耐久性能的影响，研究了混合纤维掺杂对混凝土材料力学性能和耐久性能的影响规律。

1 实 验

1.1 实验材料

水泥：P.O 42.5型普通硅酸盐水泥，金隅水泥有限公司；粗骨料：石子，尺寸为5～28 mm；细骨料：河砂；聚丙烯纤维：电阻率约为7×1019Ω·cm，熔点在165～173 ℃之间，上海启辰化工科技有限公司；碳纤维：纯度>98%，比表面积为220～280 m2/g，灰分<2.2%，江苏南京韦达复合材料有限公司。根据纤维混凝土技术规程，选用聚丙烯纤维和碳纤维进行混杂，测试纤维增强混凝土的性能，选用纤维材料的性能如表1所示。

表1 纤维材料的主要性能参数Table 1 Main performance parameters of fiber materials

1.2 实验配比

根据聚丙烯纤维和碳纤维的不同掺量设计了9组实验，样品截面尺寸为150 mm×200 mm，梁长为2 000 mm。在梁跨中混凝土表面沿截面高度粘贴6个应变片以测试材料的应变。在普通混凝土基体中进行了纤维单掺杂和纤维混掺杂，纤维增强混凝土材料的配比如表2所示。

表2 纤维增强混凝土材料的实验设计Table 2 Experimental design of fiber reinforced concrete materials

1.3 力学及耐久性能测试

采用KY-D4503微机控制电子万能试验机进行四点弯曲试验和劈裂抗拉强度试验，劈裂抗拉强度试验按照《纤维混凝土试验方法标准》CECS13：2009进行；采用NEL扩散试验方法对样品进行耐久性能测试，通过抗氯离子渗透系数来衡量纤维增强混凝土的耐久性能。

2 结果与讨论

2.1 纤维增强混凝土材料的抗弯性能

图1为纤维增强混凝土材料的抗弯载荷-挠度曲线，其中，PFRC-A表示聚丙烯纤维增强混凝土(聚丙烯纤维掺量为0.3 kg/m3)，CFRC-B表示碳纤维增强混凝土(碳纤维掺量为0.3 kg/m3)，HFRC-B表示混杂纤维增强混凝土(聚丙烯纤维和碳纤维掺量均为0.3 kg/m3)。从图1可以看出，纤维增强混凝土材料在加载过程中的应变硬化及强度随着纤维掺杂种类的不同而不同；单掺聚丙烯纤维的增强效果优于单掺碳纤维的混凝土材料，PFRC-A的抗弯强度最高可达7.8 MPa，且延伸率优于CFRC-B；混杂纤维增强混凝土材料HFRC-B的抗弯强度最高可达8.4 MPa，优于PFRC-A和CFRC-B。

图1 纤维增强混凝土材料的抗弯载荷-挠度曲线Fig 1 Bending load deflection curves of fiber reinforced concrete

从图1(a)和(b)可以看出，PFRC-A和HFRC-B材料抗弯载荷-挠度曲线中，出现了锯齿状应变硬化阶段，表明此时受拉区有多点开裂现象出现，在基体内部产生大量微细裂纹。从图1(c)可以看出,单掺纤维增强混凝土与混杂纤维增强混凝土相比，延伸率较差，较早发生开裂。HFRC-B在较大挠度范围内保持较高的载荷，同时曲线呈现水平发展趋势。说明两种纤维在混凝土中混杂掺杂，比单一种类纤维掺杂，具有更加优异的抗弯性能，聚丙烯纤维和碳纤维同时发挥了高韧性和高强度的优势。

2.2 纤维增强混凝土材料的劈裂抗拉强度

表3为纤维增强混凝土材料的劈裂抗拉强度实验结果。从表3可以看出，当单掺聚丙烯纤维，且其掺量为0.3 kg/m3时，PFRC-A样品劈裂抗拉强度平均值为2.74 MPa；当单掺碳纤维，且其掺量为0.3 kg/m3时，CFRC-B样品的劈裂抗拉强度平均值为3.18 MPa；当混合掺杂聚丙烯纤维和碳纤维，且聚丙烯纤维掺量为0.3 kg/m3，碳纤维掺量为0.1，0.3 和0.6 kg/m3时，HFRC-A、HFRC-B、HFRC-C样品的劈裂抗拉强度平均值分别为3.70，3.78 和3.72 MPa，相比PFRC-A样品的劈裂抗拉强度，分别提高了35.04%，37.96%和35.77%。由此可知，当聚丙烯纤维和碳纤维的掺量均为0.3 kg/m3时，混杂纤维增强混凝土的劈裂抗拉强度提高幅度最大。

分析表3数据可知，混杂纤维增强混凝土材料的劈裂抗拉强度明显高于单一聚丙烯纤维和单一碳纤维增强混凝土材料。在聚丙烯纤维含量一定的情况下，混杂纤维增强混凝土材料的劈裂抗拉强度随着碳纤维掺杂量的增加先增加后减小，说明碳纤维含量较少时，会均匀地分散在混凝土内部，其增强、阻裂作用明显；掺量过大后，碳纤维分散不均匀，使混凝土内部缺陷增多，强度降低。此外，由表3可知，随着碳纤维掺量的增加，纤维增强混凝土材料的拉压比逐渐增大，最终逐渐稳定于0.1值附近。这可能是由于碳纤维的掺入改善了混凝土的界面特性，抑制了混凝土内部受力后裂纹的初步萌生及进一步发展，使得混凝土的脆性进一步降低，改善了混凝土的阻裂效应。

表3 纤维增强混凝土材料的劈裂抗拉强度实验结果Table 3 Experimental results of splitting tensile strength of fiber reinforced concrete

2.3 纤维增强混凝土材料的SEM分析

由2.2的分析可知，混杂纤维增强混凝土材料HFRC-B试件(0.3 kg/m3聚丙烯纤维和0.3 kg/m3碳纤维)的抗弯曲性能最佳，因此选取HFRC-B混凝土试件为对象进行SEM分析。图2为HFRC-B混凝土试件断裂区域的SEM图。从图2(a)可以看出，HFRC-B混凝土试件的断裂区域未发现聚丙烯纤维和碳纤维出现明显团聚现象，两种纤维均与混凝土基体结合良好。从图2(b)可以明显观察到，碳纤维受力剥离留下的痕迹以及断裂的碳纤维，可知碳纤维的断裂形式为拔出断裂和直接断裂，碳纤维在拔出过程中，可以有效耗散能量，提高纤维增强混凝土材料的强度。从图2(c)可以看出，聚丙烯纤维表面附着有混凝土材料，其在拉伸断裂过程中形成了颈缩现象(方框内)，说明聚丙烯纤维发挥出了其韧性和延展性较好的优势。由此可知，碳纤维、聚丙烯纤维与混凝土基体结合良好，碳纤维的拔出效应以及聚丙烯纤维自身的韧性保证了混杂纤维增强混凝土材料的高强度和高韧性，提升了混杂纤维增强混凝土材料的抗拉强度和抗弯性能。

图2 HFRC-B混凝土试件断裂区域的SEM图Fig 2 SEM images of HFRC-B concrete specimen fracture area

2.4 纤维增强混凝土材料的界面结构分析

图3和4分别为聚丙烯纤维增强混凝土和碳纤维增强混凝土界面处的EDS图谱。从图3和4可以看出，聚丙烯纤维增强混凝土和碳纤维增强混凝土界面处的元素种类一致，均为O、Al、Si和Ca元素，只是EDS峰强比不同，说明不同纤维与混凝土界面处的元素比例不同。

图3 聚丙烯纤维增强混凝土界面处的EDS图谱Fig 3 EDS spectrum of interface of polypropylene fiber reinforced concrete

图4 碳纤维增强混凝土界面处EDS图谱Fig 4 EDS spectrum of carbon fiber reinforced concrete interface

表4为聚丙烯纤维增强混凝土和碳纤维增强混凝土界面处的EDS元素分析。

由表4可知，界面处O、Al和Si元素的比例相差并不明显，Si和Ca元素比例区别较大，聚丙烯纤维增强混凝土界面处的Ca/Si比为3.11，而碳纤维增强混凝土界面处的Ca/Si比为1.49。水泥硬化后，纤维增强混凝土材料中水化硅酸钙是水泥砂浆中最重要的强度来源，水化硅酸钙的Ca/Si比在1.5左右。这说明聚丙烯纤维增强混凝土界面处的水化反应不好，而碳纤维增强混凝土界面处的水化反应进行良好，界面强度较高。因此碳纤维增强混凝土材料具有更优的劈裂抗拉强度。

表4 聚丙烯纤维增强混凝土和碳纤维增强混凝土界面处的EDS元素分析Table 4 EDS element analysis of interface between polypropylene fiber reinforced concrete and carbon fiber reinforced concrete

2.5 纤维增强混凝土材料的耐久性能

对不同纤维增强混凝土材料取样，采用NEL法测定抗氯离子渗透系数。表5为不同纤维增强混凝土材料的抗氯离子渗透系数测定结果。从表5可以看出，随着纤维掺量的增大，纤维增强混凝土材料的氯离子扩散系数逐渐减小，且聚丙烯纤维增强混凝土材料的氯离子扩散系数小于碳纤维增强混凝土材料的氯离子扩散系数。对于混杂纤维增强混凝土材料而言，HFRC-C混凝土材料(0.3 kg/m3聚丙烯纤维和0.6 kg/m3碳纤维)的氯离子扩散系数最小，为1.91×10-12m2/s。混杂纤维增强混凝土材料的耐久性优于单纤维增强混凝土材料，显示了混杂纤维的正混杂效应。正混杂效应的出现，主要因为聚丙烯纤维和碳纤维的物理特性不同，尤其是延伸率存在较大差异，碳纤维的高强度和聚丙烯纤维的高韧性，能够有效限制纤维增强混凝土材料内微裂纹的产生，防止毫米级裂纹向厘米级裂缝的进一步扩展；微裂纹的减小可有效减少氯离子在混凝土材料内部的扩散通道，混杂纤维增强混凝土材料的耐久性能得以提高。

表5 不同纤维增强混凝土材料的抗氯离子渗透系数测定结果Table 5 Test results of chloride resistance permeability coefficient of different fiber reinforced concrete materials

3 结 论

(1)力学性能分析表明，混杂纤维增强混凝土材料的抗弯性能明显优于单纤维增强混凝土材料， HFRC-B样品的抗弯强度最高可达8.4 MPa，优于PFRC-A和CFRC-B样品；混杂纤维增强混凝土材料的劈裂抗拉强度明显高于单一聚丙烯纤维和单一碳纤维增强混凝土材料，HFRC-B样品的劈裂抗拉强度平均值达到3.78 MPa，相比PFRC-A样品提高了37.96%。

(2)SEM分析表明，碳纤维、聚丙烯纤维与混凝土基体结合良好，碳纤维的拔出效应以及聚丙烯纤维自身的韧性保证了混杂纤维增强混凝土材料的高强度和高韧性，提升了混杂纤维增强混凝土材料的抗拉强度和抗弯性能。

(3)界面结构分析可知，聚丙烯纤维增强混凝土界面处的Ca/Si比为3.11，而碳纤维增强混凝土界面处的Ca/Si比为1.49。说明聚丙烯纤维增强混凝土界面处的水化反应不好，而碳纤维增强混凝土界面处的水化反应进行良好，界面强度较高。

(4)耐久性分析可知，混杂纤维增强混凝土材料的耐久性能优于单纤维增强混凝土材料，显示了混杂纤维的正混杂效应。这是因为混杂纤维的掺入改善了混凝土的界面特性，碳纤维的高强度和聚丙烯纤维的高韧性，抑制了混凝土内部受力后裂纹的初步萌生及进一步发展，使得混凝土的脆性进一步降低，改善了混凝土的阻裂效应，提高了混凝土材料的耐久性能。