纤维混凝土强度及弯曲韧性试验研究

彭玉发，胡利超，李洪碧

(内江师范学院，四川 内江 641100)

0 前 言

以水泥浆、砂浆或混凝土作基材，以纤维作增强材料所组成的水泥基复合材料称为纤维混凝土。纤维可控制基体混凝土裂纹的进一步发展，从而提高抗裂性。由于纤维的抗拉强度大、延伸率大，使混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击强度及延伸率和韧性得以提高。纤维混凝土的主要品种有石棉水泥、钢纤维混凝土、玻璃纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土及碳纤维混凝土、植物纤维混凝土和高弹模合成纤维混凝土等。混杂纤维混凝土是一种在混凝土拌合料中加入一种或几种纤维，或者以加入纤维为主辅助加入其他材料的现代化新型混凝土。其可以有效增加混凝土的抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度以及抗扭强度，并显著改善其他性能[1-4]。由于混凝土是现代化建筑施工的主要材料，其性能的研究一直是建筑材料研究的热点问题，特别是通过混杂纤维类改善混凝土性能使之适应工程的需要，在近年来其研究已经取得显著成效，郝维钫等[5]通过钢纤维混凝土劈拉强度、弯曲强度和弯曲韧性的实验，得到其性能随着钢纤维掺量的增加有不同幅度的增长，钢纤维的长径比和根数对混凝土的性能也有影响。姚武等[6]研究了最大骨料粒径、混凝土强度等级、钢纤维掺量及长度等因素对混凝土抗弯性能影响，得到混凝土本身(强度、骨料粒径)与纤维参数(如纤维体积掺量、长度)对钢纤维混凝土韧性具有同样重要的影响。黄国栋等[7]研究了素混凝土、粉煤灰混凝土、层布式混杂纤维混凝土及混杂纤维混凝土抗压强度及劈裂强度，结果表明：粉煤灰会降低混凝土的早期强度但能增加混凝土的和易性，聚丙烯纤维和钢纤维的加入可以明显改善混凝土的脆性，提高混凝土的劈裂强度，若两种纤维混杂掺加改善混凝土的脆性效果更好。本文通过混杂钢纤维和聚丙烯纤维不同体积掺量的混杂纤维混凝土试件各项指标变化，研究混杂纤维对混凝土的强度及增韧阻裂机理。

1 试验概况

1.1 原材料

水泥采用成都某水泥厂的42.5级普通硅酸盐水泥；石英砂：细度模数2.65，含泥量1.5%，堆积密度1 520 kg/m3，钢纤维：长度25～30 mm，等效直径0.6 mm，比重7.7 g/cm3，粗细均匀，无锈；PVA纤维，长度12 mm，等效直径18 μm，比重1.3 g/cm3；粉煤灰：Ⅰ级复合粉煤灰，烧失量5%；水：洁净自来水。

1.2 试验方法

以水胶比、钢纤维/PVA纤维、粉煤灰作为正交实验的四个因素，每个因素均取三水平。考虑到混凝土的工作性能，试验选用的水胶比三个水平为0.31、0.34、0.37；钢纤维选用的体积掺量为0.4%、0.6%、0.8%，聚丙烯纤维选用的体积掺量为0.1%、0.3%、0.5%；不同用量的粉煤灰作用效果不同，粉煤灰采用的三个水平为1.60、1.82、2.16 kg/m3[8]。根据采用的水胶比，得混凝土比重为2 100 kg/m3，沙子用量为胶凝材料的1/2，水的用量分别为338、371、394 kg/m3，砂子用量为554、543、533 kg/m3[1]。

1.3 试件制备

为确定试件的强度指标，试件采用100 mm×100 mm×100 mm标准抗压试件；为确定试件抗折强度，制备100 mm×100 mm×400 mm标准抗折强度试件。试验共制作9组试件，每组3个。制作时，先将砂、混杂纤维混合再加入水泥和粉煤灰搅拌混合均匀后，再加入水拌和充分振捣，入模成型，标准养护箱养护24 h脱模，养护28 d，试验前3 h从养护箱取出晾干[5]。

2 抗压强度试验

加载设备为2 000 kN压力试验机，对试件均匀加载，加载速率为0.5～0.8 MPa，当试件临近破坏，变形剧烈时，停止调整油门，直至试件破坏，记录此时的破坏荷载[9]。

2.1 立方体抗压强度性能分析

立方体抗压强度按以下公式计算：

fce=f/A

(1)

式中，fce为混凝土立方体抗压强度，MPa；f为试件破坏荷载，N；A为试件承压面积，mm2。

测得的强度值乘以尺寸系数0.95，按规范排除异常数值，取三个试件测量值的算术平均值作为该组试件的强度值，得到混杂纤维混凝土抗压强度值，并对试验结果进行分析。

从试验结果分析中可以得到：随着水胶比(A)的不断提高，混凝土的抗压强度逐渐降低，水胶比对混凝土的抗压强度影响较大；随着钢纤维的掺量(B)不断降低，混凝土的抗压强度逐渐降低，钢纤维的加入对混凝土的强度具有提高作用；随着PVA掺量的不断提高(C)，混凝土的抗压强度逐渐降低，PVA对混凝土的抗压强度影响较大；随着水泥与粉煤灰的比值逐渐降低，即当水泥含量的不断降低，粉煤灰的含量不断提高，混凝土的抗压强度逐渐降低，水泥对混凝土的强度有积极作用，粉煤灰降低混凝土的抗压强度；四因素对混凝土抗压强度的影响程度(R)依次为ACDB，水胶比的影响程度最大，钢纤维的影响最小；混杂纤维混凝土的最优配合比为A1B1C1D1，即当水胶比0.31、钢纤维0.8%、PVA纤维0.1%、水泥/粉煤灰2.16时，混凝土强度最大。

其中第一组抗压强度最大，为最优配合比因素，中间六组抗压强度相差不大，最后两组最低为40 MPa。

2.2 立方体变形性能分析

纤维混凝土和素混凝土的破坏相比有较明显的差异：纤维混凝土表现为延性破坏，素混凝土表现为明显的脆性破坏。通过混凝土强度等级C20、C25、C30破损性检测试验发现，素混凝土破坏表现为边缘先出现裂缝，进而试块崩裂，碎屑脱落；混杂纤维混凝土试块不会发生崩裂现象，而是首先出现一些细小裂缝，外形无明显变化，当荷载增大到一定值时，试块出现较大裂缝，试块发生破坏，抗压能力下降，但仍保持完整性，钢纤维贯通裂缝，从细小裂缝可以看到，PVA纤维连接裂缝，保证试验过程中无碎屑脱落。因此混杂纤维混凝土对混凝土抗压到了桥接作用，PVA纤维阻止小裂缝的发展，钢纤维阻止大裂缝的发展，试件破坏后，由于钢纤维的作用，混凝土仍然保持一定的抗压强度[9]。混杂纤维使得混凝土由脆性破坏转化为延性破坏，改善了混凝土的抗压性能。

因此，混杂混凝土随着水胶比和PVA含量的提高，抗压强度降低；随着钢纤维和水泥含量的提高，抗压强度提高；各因素抗压强度最优配合比为：水胶比0.31，钢纤维含量0.8%，PVA含量0.1%，水泥/粉煤灰2.16，混杂纤维改善了混凝土的破坏特性，增强了混凝土的延性，改善了混凝土的抗压强度，保证了混凝土的完整性。

3 弯曲韧性试验

3.1 弯曲韧性试验分析

对于试验正交设计和试验正交表数据采用荷载下降至极限值的85%时的中点挠度来评价混凝土的弯曲韧性，中点挠度越大，韧性越好，吸收能量的能力越强[6]。

从试验结果分析中可以得到：随着水胶比(A)的不断提高，混凝土的弯曲韧性逐渐增大，水胶比对混凝土的韧性具有提高作用；随着钢纤维的掺量(B)不断降低，混凝土的弯曲韧性逐渐降低，钢纤维的加入对混凝土的弯曲韧性具有提高作用；随着PVA掺量的不断提高(C)，混凝土的弯曲韧性逐渐降低，随着PVA纤维的逐渐增多，弯曲韧性越低，对混凝土的弯曲韧性具有抑制作用；随着水泥与粉煤灰的比值(D)逐渐降低，即当水泥含量的不断降低，粉煤灰的含量不断提高，混凝土的弯曲韧性逐渐升高，即粉煤灰对混凝土的弯曲韧性具有贡献作用，水泥会降低混凝土的弯曲韧性；各因素对混凝土的弯曲韧性的影响程度(R)依次为BCAD，钢纤维的影响程度最大，水泥/粉煤灰的影响程度最小。混杂纤维混凝土的最优配合比为A3B1C1D3，即当水胶比0.37、钢纤维体积掺量0.8%、PVA纤维体积掺量0.1%、水泥/粉煤灰1.60 kg/m3时，混凝土的弯曲韧性最强。

3.2 变形性能分析

第一阶段，试验试件如图1所示，随着荷载的逐渐增加，试件出现细小裂缝，一般为3条左右，试件发生轻微弯曲，伴随有裂缝分叉和裂缝拐弯，并且在纯弯段，与配筋混凝土裂缝形式相似，纤维的存在，阻止了裂缝的直线发展，提高了试件的延性和韧性，即纤维的存在提高了混凝土吸收能量的能力。

图1 弯曲韧性试验第一阶段试验部分试件

随着荷载的进一步增加，裂缝继续增大，试件不发生断裂，裂缝很大时仍能承受一定的荷载，可以知道，试件基本发生断裂，混凝土退出工作，由横跨裂缝的钢纤维成为外力的主要承担者，钢纤维能有效改善混凝土的抗拉强度和脆性特征。

3.3 荷载挠度曲线分析

从荷载挠度曲线分析可以得到，素混凝土承受荷载后的极限挠度很小，出现裂缝后，裂缝迅速扩张，承载能力急剧下降，为脆性破坏；混杂纤维混凝土不会出现一拉就断的现象，曲线有明显的转折点，荷载-挠度曲线具有明显的阶段性，经历了弹性阶段-强化阶段，有明显的下降段，在裂缝增大的同时，承载能力逐渐降低，当试件的荷载达到最大时，挠度持续增加，试件仍能承受一定的荷载，试件的延性及韧性和素混凝土相比有很大的提高，使混凝土由脆性破坏转化为延性破坏。

4 结 论

1)分析了各因素对混杂纤维混凝土的抗压强度、变形性能以及韧性的影响，并确定出了各因素影响下混凝土各性能的最优配合比。

2)混杂纤维混凝土的抗压强度随着钢纤维和水泥含量的提高而提高，随着水胶比和PVA含量的降低而降低，最优配合比为水胶比0.31，PVA含量0.1%，钢纤维含量0.8%，水泥/粉煤灰2.16；纤维混凝土韧性随着钢纤维、粉煤灰和水胶比的提高而提高，随着PVA含量的降低而降低，最优配合比为水胶比0.37，PVA含量0.1%，钢纤维含量0.8%，水泥/粉煤灰1.60。

3)混杂纤维可显著改善混凝土的性能，改良混凝土的破坏特征，提升混凝土的韧性和变形能力，使混凝土的吸收能量能力和韧性得到显著的提高，改善混凝土的脆性特征，荷载-挠度曲线出现明显的下降段，由脆性破坏变为延性破坏。

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