单掺、混杂纤维对混凝土抗折强度的影响

李建勋，詹炳根

（1.安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽 合肥 230031；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

1 引言

纤维混凝土是在混凝土材料中掺入纤维形成的一种水泥基复合材料。水泥混凝土强度虽然很高，但是普遍存在的缺点是抗折强度相对较低，同时缺乏良好的韧性、脆性大[1]。如果在水泥中掺入纤维增强其抗折强度，这样就既可以保留混凝土的优点，又可以减少混凝土的缺陷，使混凝土的运用前景更加广阔。混凝土中可以单掺某种纤维增强其抗折强度，也可以掺入多种纤维。不同性质的纤维混合在一起协同工作，共同提高混凝土的抗折强度，使混凝土性能得到极大提高[2]。混杂纤维可以限制各种裂纹的发展状态，增强混凝土的强度，比单纤维具有更好的物理力学性能。文献[2]中提到纤维对混凝土的抗折性能影响，实验结果表明，纤维确实能够有效提高混凝土的抗折性能，认为玄武岩纤维的含量为2 kg/m³～2.5 kg/m³较为合适。如果含量高于此范围，那么混凝土的抗折强度会有所降低。文献[4]对选取的六种掺量短切玄武岩，分别进行了折、压、拉三种实验，试验结果表明，混凝土的抗压强度几乎没有变化，抗折强度随纤维掺量增加而提高。文献[5]中研究表明，随着玄武岩纤维含量的不断提高，可以使玄武岩纤维混凝土的早期抗折强度有较大提高，而后期提高不太显著。文献[6]中研究表明，较高强度的C50级自密实混凝土的韧性和抗折强度在混杂纤维掺量增加时，抗折强度还会略有下降，文中数据的峰值点较为明显，在保证混凝土的基本性能的同时，还要提高其抗折性能，建议纤维的最佳体积掺量在0.13%左右。文献[7]中表明两种纤维混杂后一同加入混凝土时，对混凝土的抗压性能影响不明显，但是抗折强度会明显增加。

本文研究的是单掺玄武岩纤维和玄武岩、聚乙烯醇混杂纤维对水泥混凝土抗折强度的影响。通过选用三种长度不同的纤维和四种不相同的体积掺量，研制纤维混凝土来进行抗折强度的试验，并且通过对实验数据的分析及对纤维在混凝土中的作用效用，分别探讨纤维种类、纤维长度、纤维体积掺量这三个不同因素对C30和C60两种混凝土抗折强度的影响，文中同时还同单掺玄武岩纤维混凝土的抗折强度进行对比，并且分析探讨了其原理。

2 原材料及试验

2.1 原材料

实验的原材料有硅酸盐水泥、细集料、粗集料、减水剂、纤维和水等。

①常见的水泥品种有硅酸盐水泥、矿渣水泥等。本实验采用芜湖海螺公司生产的硅酸盐水泥。

②实验采用的萘系减水剂是安徽马鞍山混凝土搅拌公司提供，外观呈棕褐色黏稠液，其具有高效减水率、与普通硅酸盐水泥适应性好的特点。

③实验中使用的聚乙烯醇纤维（PVA）是安徽高新材料股份公司提供。

2.2 试验方法

本文通过改变纤维长度、纤维掺量和纤维种类这三个条件来研究其对配置C30和C60混凝土抗压强度的影响，采用5cm、10cm、15cm三种长度的纤维和0、0.05、0.10、0.15%四种体积掺量的纤维；选取单掺、复掺玄武岩和聚乙烯醇纤维的方式进行研究。

实验过程中，我们选取对混凝土抗折强度影响最好的纤维掺量，固定此掺量，然后选取长度不同的纤维进行混杂，混杂的比例为1：1，在此基础上继续研究不同长度的纤维在混杂之后对水泥基材料抗折强度的影响。实验方案是选取C30和C60混凝土配合比，改变上述三个因素，将纤维直接添加到混凝土中而不改变混凝土的其他实验成分。这种实验方案思路清晰，不同数据的选择可以直接反映纤维类型、长度和掺量改变对混凝土抗折强度的影响，对于后面的数据处理和分析是有利的。C30级混凝土实验表格见表1、表2所示，C60级与C30级实验表格相同，不再叙述。

玄武岩纤维C30混凝土试验 表1

聚乙烯醇、玄武岩混杂纤维C30混凝土试验 表2

2.3 抗折强度试验

抗折强度试验所用仪器为微机控制电液伺服压力机，抗折试验要求应满足以下规定：

①试件尺寸为150mm×150mm×550mm，28d龄期后取出3个试件进行测定，实验前对表面杂物进行清除。

②取加载速度为5N/s，开动电机，记录破坏荷载Pf（N）

③抗折强度的结果按照下式计算：

式中：ff——混凝土抗折强度；

F——破坏荷载（N）；

l——支座间跨度（mm）；

h——试件截面高度（mm）；

b——试件截面宽度（mm）。

测试结果的准确性有以下规定：3个试件为1组，若有1个试件断裂位于加载点外侧，取剩余2组试件抗折强度平均值，若有2个试件位于加载点外侧，试验无效。若都位于加载点内侧，取3个试件的平均值为结果。

3 实验结果与分析

3.1 玄武岩纤维对混凝土抗折强度的影响

如图1所示四种掺量下纤维对C30和C60两种混凝土抗折强度的影响。

图1 玄武岩纤维对C30、C60级混凝土抗折性能的影响

从图1中得出两种混凝土的抗折强度随纤维掺量增加明显提升，比如纤维长度为10mm时，掺量为0.15%的C30级混凝土抗折强度比掺量为0.05%的提高了6%，C60级混凝土提高了12.6%，效果更加明显。在相同体积掺量下玄武岩纤维长度越长，其抗折强度也越高，掺量在0.15%时，长度为15mm的C30级混凝土抗折强度比长度为5mm的增长了3.2%，C60级混凝土增长了7.5%。无论是通过数据分析，或是通过图1的直观感受，都可以得出两点结论：①纤维掺入量越高，长度越长，其对抗折强度表现的效果越好；②纤维在C60级混凝土中对抗折强度的作用好于C30级混凝土。

分析出现上述现象的原因可以知道在掺加玄武岩纤维后，有效减少了混凝土中微裂缝的出现及其扩张，在混凝土的裂缝附近也起到了“桥接”的作用，即使受到较大的外力出现了裂缝，也不太可能发生类似于素混凝土那样的脆性破坏，而是可以继续承担外力的作用保持混凝土的整体性，使混凝土的裂缝开展速度大幅度减弱。

将纤维长度同是15mm的C30和C60级玄武岩纤维混凝土抗折强度，同基准素混凝土抗折强度的比值进行对比，结果见图4所示。

从图2中明显可以看出，无论是低强还是高强混凝土，玄武岩纤维都能对混凝土抗折强度起到增强的作用，随着纤维掺量提高而增加。图中还显示，对比C30级与C60级混凝土，较低掺量的纤维（0.05%）对低强度等级混凝土的抗折强度影响更明显，而0.10%纤维掺量对C60混凝土抗折强度影响超过C30。当纤维掺量继续提高到0.015%时，C60混凝土的抗折强度进一步提升，这表明纤维掺量的增加对高强度等级混凝土影响更为有效。其他长度的纤维也得到类似的结论。

图2 两种强度等级下玄武岩纤维混凝土与基准混凝土抗折强度的比较

3.2 混杂纤维对混凝土抗折强度的影响

混杂纤维和单掺玄武岩纤维一样通过三种因素来研究混杂纤维对C30级和C60级混凝土抗折强度的影响。试验结果如图3、图4所示，分别表示C30和C60级标准养护28d后，四种掺量下混杂纤维对抗折强度的影响。

图3 混杂纤维对C30、C60级混凝土抗折性能的影响

图4 两种强度等级混杂纤维混凝土与基准混凝土抗折强度的比较

从图3可知，混杂纤维掺量增加时，抗折强度提高，C30和C60混凝土抗折强度都得到了明显的提高。在混杂纤维长度方面，对于长度为10mm的混杂纤维，C30级混凝土的抗折强度最大，比长度为15mm的混杂纤维强度略高，与单掺玄武岩纤维不同，值得注意，C60级混凝土则是长度为15mm的混杂纤维表现最佳。由图4看出，混杂纤维与基准混凝土抗折强度的比值和上文玄武岩纤维的情况类似，只不过混杂纤维对混凝土抗折强度的数值要高于在玄武岩纤维的数值。

为了更深入研究混杂不同长度的纤维对混凝土抗折的影响，纤维的掺量维持在0.15%，纤维之间两两混杂，试验结果见表3和图5所示。

不同长度玄武岩与聚乙烯醇纤维混杂后抗折强度的实验结果 表3

图5 不同长度纤维混杂对混凝土抗折强度的影响

从图5和表3可以很明显得出，15 mm的玄武岩纤维与10mm的PVA纤维混杂之后，其抗折强度为4.62MPa，要大于同为10mm的玄武岩纤维和PVA纤维混杂（4.35MPa)的结果，同时也大于长度为15mm的玄武岩纤维和PVA 纤维混杂（4.30MPa）的结果。可见，不同长度纤维混杂后比相同长度纤维混杂的效果更加优越。对于上述的这种情况，可以从以下方面加以解释。

①研究发现，混凝土破坏有大致三个过程，由小裂缝到亚临界最终失稳破坏[8]。实践中可知，当混凝土在外力作用下逐渐破坏，试件内部的裂缝都是稳定发展，而不是一旦出现裂缝，混凝土就会立刻迅速扩张，而不同长度的纤维相比于同长度的纤维更好于混凝土的空隙，提供了混凝土之间的粘结力。

②在裂缝存在的混凝土上继续增加外力，其端部逐渐出现微裂区，科研人员称微裂区为断裂的过程区(fracture process zone,简称FPZ)，以四点弯曲实验中[9]的混凝土小梁为例，承受外部力之后，混凝土跨中部位下端有很多的微小裂缝出现，离受力位置越远其相应的裂缝也越少，同时裂缝的角度也变得越小。当混凝土承担的荷载在不断增加的时候，微裂缝区域裂缝也会增多，扩开的角度也会变得越来越大，最后变得可以看见，这个过程我们称之为微裂缝临界开展[10]。与此同时，裂缝向周围发展又会进一步促使混凝土继续产生新的裂缝，上述的过程就是裂缝开展过程。

③对于混杂纤维混凝土，纤维的存在对阻碍裂缝的开展有明显效果。选择几种长度不同的纤维掺入到混凝土中，几何尺寸较小的纤维能够对混凝土内部的结构起到“桥接”作用，可以有效阻止微裂缝的发展，进而贯穿结构成为宏观的主裂缝，如图6（a）所示。宏观裂缝一般形成在受荷载作用最大的部位，而且还会随着结构的变形逐渐扩展，这时尺寸大的纤维承担主要的抗裂作用，外力增加时，试件最终就会开裂破坏，如图6（b）所示。对于混凝土抗裂而言，长度不同的纤维能够更好地协同工作，之间的交互作用使得彼此之间发挥最大的效用，使得混凝土开裂所需的能量提升[11]，发挥纤维对混凝土增强增韧的效果。

3.3 玄武岩纤维与混杂纤维对混凝土抗折强度的对比研究

将玄武岩纤维和聚乙烯醇、玄武岩混杂纤维对混凝土抗折强度比较，相同强度等级的放在一张柱状图中表示，见图6所示。

图6 C30、C60级纤维混凝土的抗折强度值

由图6可知，玄武岩纤维和混杂纤维有相似的规律。混凝土的抗折强度随着纤维掺量和长度的增加而提高，C30和C60混凝土的结论一致。通过试验表明，保证其他条件不变时，对于C30和C60混凝土而言，掺入混杂纤维要比玄武岩纤维的抗裂效果更好。如掺入长度为5mm的C60级混凝土，其纤维体积掺量在0.05%时，掺入混杂纤维混凝土的抗折强度是掺入玄武岩纤维的1.03倍；纤维体积掺量为0.10%时，前者是后者的1.08倍。纤维体积掺量为0.15%时，前者是后者的1.08倍。同时试验数据表明，纤维掺量越高，混杂纤维的优势表现更为突出。

总而言之，其他条件没有变化时，混杂纤维在混凝土抗折性能方面的正向效果好于玄武岩纤维。这是由于两种混杂纤维在荷载作用下协同工作，共同抵抗混凝土的抗裂，提高了混凝土裂开所需的能量，增强了混凝土的韧性。

4 结论

①无论是C30级还是C60级混凝土，随着玄武岩纤维掺量的提高，或是长度的增加，混凝土的抗折强度都会大幅度提高。

②两种纤维之间的混杂效果对于提升混凝土的抗裂性能好于相同长度的两种纤维。

③其他条件不变的情况下，混杂纤维对混凝土抗折强度的作用效果比单掺玄武岩要好。