纤维种类和掺量对纤维混凝土力学性能的影响

■陈贵安 杨建军 黄进辉 陈康明

（1.厦门百城建设投资有限公司，厦门 361001；2.中铁十八局集团第一工程有限公司，保定 072750；3.中建海峡建设发展有限公司，福州 350015；4.福州大学，福州 350108）

国内外常以沥青混凝土柔性铺装材料作为钢桥面铺装，但传统钢桥面柔性铺装存在着2 个工程难题，一是因其需承受车轮荷载的直接作用，再加上局部效应明显，结构构造复杂等因素，导致钢桥面板疲劳损伤问题突出，较易发生疲劳开裂[1-2]；二是钢桥面板和柔性铺装材料间的弹性模量差异较大，荷载作用下变形协调性差，导致沥青铺装层极易开裂破损，每隔几年需进行修复，给社会经济造成严重的影响。

若将纤维混凝土应用到钢桥面铺装结构中，一方面可利用其介于钢与沥青混凝土的弹性模量，作为应力过渡层参与结构整体受力，使其结构变为钢顶板—纤维混凝土组合桥面板，有效提高钢桥面板局部刚度，缓解应力集中效应，改善疲劳受力性能[3]；另一方面，利用纤维混凝土较高的抗拉强度和良好的耐热稳定性，防止在负弯矩区段的混凝土出现开裂与变形，进而避免雨水渗入铺装层与钢顶板面层之间的界面引起损伤，从而从减缓柔性铺装出现的开裂、车辙、推移和坑槽等病害[4]。 Brandt[5]提出纤维混凝土刚性铺装的概念， 即将纤维分散于混凝土，以提高刚性铺装的抗拉性能。Sanjuan M A 等[6]研究得出在混凝土凝固期间，聚丙烯纤维能有效控制收缩裂缝；但在抑制混凝土受拉开裂方面，聚丙烯纤维表现不佳，相比之下，钢纤维能较有效控制混凝土裂缝生成和发展。Scorelli L G 等[7]研究结果表明，纤维长度对混凝土不同的受力阶段影响有所区别，短纤维在混凝土小挠度时发挥较大作用，可显著提升混凝土承载能力和开裂强度，长纤维的增韧效果则在挠度方面发挥较大作用。 韦金峰[8]的研究发现，混凝土抗折强度与钢纤维掺量及钢纤维长径比呈现正相关性， 而混凝土的延性则与纤维种类有关，故同等纤维掺量下，混合纤维增强混凝土的力学性能与延性最佳。 成张佳宁[9]的研究表明，通过掺入聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维和钢纤维等材料，能够有效增强高性能混凝土的力学性能，但较高的纤维掺量却会对高性能混凝土的工作性能产生负作用。

综上所述，掺入纤维可一定程度提高混凝土力学性能，不同纤维种类和掺量对混凝土力学性能影响不同。 为进一步促进纤维混凝土在钢桥面铺装体系上的应用，有必要进行相关纤维混凝土基础力学性能试验研究。 本研究系统分析纤维种类、纤维形状和纤维掺量等参数对纤维混凝土抗压强度和抗折强度的影响。

1 纤维混凝土力学性能试验方法

1.1 配合比和原材料

根据CECS 38-2004《纤维混凝土结构技术规程》[10]，C50 混凝土配合比：水泥510.7 kg/m3、砂565 kg/m3、水192.9 kg/m3、碎石1 005 kg/m3、减水剂0.986 kg/m3。

1.1.1 水泥

采用42.5 普通硅酸盐水泥，密度为3112 kg/m3。

1.1.2 集料

细集料选用福州地区的河砂， 粗集料选用5～20 mm 粒径的碎石，二者表观密度分别为2 580 kg/m3和2 650 kg/m3。

1.1.3 减水剂

选用CX-8 聚羧酸酯高效减水剂。

1.1.4 钢纤维

选用6 种纤维，分别为镀铜细钢纤维（DSF）、端钩型钢纤维（GSF）、平直型钢纤维（PSF）、铣削型钢纤维（XSF）、玄武岩纤维（BF）与聚丙烯纤维（PF），纤维照片见图1，纤维参数见表1。

表1 各纤维主要参数

图1 试验纤维照片

抗压试验采用150 mm×150 mm×150 mm 立方体试块，抗折试验采用550 mm×150 mm×150 mm试块。

1.2 试验设计

以纤维种类、纤维体积掺量和纤维形状等作为研究参数，其中纤维种类包括端钩型钢纤维、镀铜细钢纤维、玄武岩纤维和聚丙烯纤维，纤维体积掺量包括0%、0.5%和1%，纤维形状包括端钩型、平直型和铣削型。纤维混凝土力学性能试验参数见表2。

表2 纤维混凝土力学性能试验参数

2 结果与分析

各组纤维混凝土抗压试验和抗折试验的破坏照片见图2、3。 由图2 可知，GSF-0 组试块与BF-1组有相同的破坏形态，这2 组的试块破坏时碎块朝周围崩裂，掉落较多，破坏后表面剥落较为明显，而其他组的混凝土试块则因纤维能较好地起到增强混凝土基体的粘结效果，开裂后并未出现严重局部崩碎剥落的现象。 由图3 可知，GSF-0 组试块与BF-1 组的混凝土试块破坏时出现脆性破坏特征，在荷载作用下被劈裂成两半，而其他组别的混凝土试块则仅下缘出现裂缝，并未出现断裂现象。 从试块破坏形态来看，除了未掺纤维的GSF-0 组和掺入1%玄武岩纤维的BF-1 组外，大部分试件未表现出明显的脆性破坏，表明纤维可起到一定的增强增韧作用；纤维混凝土力学性能试验结果见表3 和表4。

表3 纤维混凝土抗压试验结果（单位：MPa）

表4 纤维混凝土抗折试验结果（单位：MPa）

图2 抗压试块破坏照片

由表3、4 和图4 可知，不同纤维种类的混凝土强度从低到高到排序为：聚丙烯纤维＜玄武岩纤维＜端钩型钢纤维＜镀铜细钢纤维，抗压强度具体数值分别为39.9、47.7、53.6 和68.9 MPa，抗折强度具体数值分别为5.2、5.6、6.8 和7.9 MPa，后2 种纤维混凝土超过了工程设计C50 强度需求，可见钢纤维对混凝土抗压强度和抗折强度的提升较其他纤维明显。

图4 纤维种类组强度比较

由图5 可知， 随着钢纤维掺量从0%提高至1%，抗压强度均呈逐渐增大的趋势，具体数值分别为49.3、51.5 和53.6 MPa， 其中掺量为0.5%和1%的端钩型钢纤维混凝土超过了工程设计C50 强度需求，掺量为0.5%和1%的端钩型钢纤维混凝土较未掺纤维混凝土抗压强度提高了4.5%和8.7%，提升效果并不明显；抗折强度具体数值分别为5.6、6.0和6.8MPa，掺量为0.5%和1%的端钩型钢纤维混凝土较未掺纤维混凝土抗折强度提高了7.1%和21.4%，提升效果较抗压强度有所增加。

图5 纤维体积掺量组强度比较

由图6 可知，不同纤维形状的混凝土抗压强度从高到低为：铣削型钢纤维>端钩型钢纤维>平直型钢纤维，但区别并不明显，具体数值分别为54.3、53.6和52.4 MPa，均超过了工程设计C50 强度需求；而不同纤维形状的混凝土抗折强度由高到低为：端钩型钢纤维>铣削型钢纤维>平直型钢纤维，具体数值分别为6.8、6.4 和6.2 MPa，其中掺入端钩型钢纤维对混凝土抗折强度提升效果最为显著。

图6 纤维形状组强度比较

综上，GSF-0 组、BF-1 组和PF-1 组无法满足工程设计C50 抗压强度的需求；剩余的钢纤维混凝土中以DSF-1 组的抗压和抗折强度最高，但考虑到DSF-1 组所采用的镀铜细钢纤维的价格昂贵，经济指标较低；虽然XSF-1 组的抗压强度较GSF-1 组高1.3%，但其抗折强度较GSF-1 组低5.9%。故综合考虑抗压强度和抗折强度，端钩型钢纤维最宜作为工程使用的纤维混凝土材料。

3 结论

（1）4 种纤维混凝土抗压强度和抗折强度从小到大到排序为聚丙烯纤维＜玄武岩纤维＜端钩型钢纤维＜镀铜细钢纤维；（2）随着端钩型钢纤维掺量从0%、0.5%增加到1%，纤维混凝土抗压强度和抗折强度均表现出逐渐增大的趋势，且混凝土抗折强度提升效果更为显著；（3）在钢纤维掺量均为1%的前提下，纤维形状（铣削型、端钩型和平直型）对纤维混凝土抗压强度的影响不如抗拉强度，其中以端钩型钢纤维混凝土抗折性能最优；（4）除了未掺纤维的GSF-0 组和掺入1%玄武岩纤维的BF-1 组外，大部分试件未表现出明显的脆性破坏，表明纤维可起到一定的增强增韧作用；（5）在满足工程设计C50 抗压强度的需求的前提下，综合考虑纤维对抗压强度和抗折强度的提升效果以及经济性能，端钩型钢纤维最宜作为工程使用的纤维混凝土材料，其纤维掺量宜为1%。