纤维对水工混凝土力学性能的影响研究

谭 成

(辽宁江河水利水电工程建设监理有限公司，辽宁 沈阳 110000)

钢纤维水工混凝土是一种应用前景非常广阔的新型复合材料，一出现就成为了学术界与工程界的关注焦点。工程实践表明，钢纤维能够改善混凝土性能，相较于普通混凝土表现出许多优点，如化学与物理耐久性较好、徐变和抗收缩性优异以及强度-重量的比值大幅增加等[1]。目前，工程实践中应用最广泛的纤维有聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维和钢纤维等。邓宗才等[2]将聚乙烯醇纤维掺入混凝土内，并利用三分点加载法探讨其抗弯韧性，结果显示两种纤维混掺表现出较好的协同效应，可以明显改善梁的抗弯韧性；李正等[3]分析了钢-聚丙烯纤维的协同影响作用，结果发现钢纤维、聚丙烯纤维和两者的混掺比例均会影响混凝土力学性能，掺0.3%聚丙烯纤维和3%钢纤维时的增强效果最明显；王军等[4]利用SEM扫描电镜和力学试验研究钢纤维混凝土，结果表明钢纤维的加入可在一定程度上增强劈裂抗拉和抗压强度，掺量过高反而会降低其力学性能与整体性。徐巍巍等[5]采用单轴受压试验研究了钢纤维的体积率、试件的尺寸和形态效应对纤维混凝土弹性模量、破坏形态以及抗压性能的影响；刘艳杰等[6]通过研究钢纤维试件的破坏机理及形态，揭示了混凝土强度受钢纤维掺量的影响规律，为充分利用钢纤维的增强作用确定最优掺入率。然而，针对纤维混凝土抗折和抗压强度等代表性力学参数的测定还未形成统一标准。根据上述研究成果，本文利用四点抗折的静力学试验和标准试块的单轴抗压试验，探讨分析纤维水工混凝土的应力-应变关系及其破坏形态。

1 配合比设计

加入纤维可以有效改善水工混凝土的韧性、延性、整体性及其强度，本研究选用钢纤维和聚乙烯纤维两种材料，控制体积掺率为2%，纤维参数如表1，使用纤维混凝土材料制备试验所用试件。

表1 纤维参数

本试验所用原材料主要有纤维、纳米SiO2、石英粉、纳米CaCO3、水泥、粗砂、中砂、细砂、粉煤灰和减水剂，结合前期试验设计及有关资料提供的内容，合理计算混凝土配合比，以揭示水工混凝土力学性能受纤维以及纳米材料的影响作用，如表2。

表2 配合比设计

2 试验方法

2.1 抗压试验

水工混凝土抗压强度利用单轴受压法进行测试，采用100 mm的立方体标准铸铁模具将拌合物制作成型，混合料机械搅拌流程具体如下：(1)参照设计配合比提前准备好所需原材料，然后将石英粉、粉煤灰、纳米钙和砂子加入搅拌机，搅拌5min至原材料均匀混合；(2)加入防冻水、减水剂以及总用水量70%的水；(3)均匀拌和后再倒入硅灰与水泥，并将另外30%的水加入；(4)在搅拌机持续工作的情况下，待搅拌机搅拌均匀后缓慢持续的加入钢纤维，然后再搅拌5 min直至纤维充分混合；(5)从搅拌机中倒出拌合物，并装入预先备好的模具，编号标记。

入模后表面覆盖薄膜，先洒水养护24 h，再移入90℃热水浴养护48 h，完成以上处理后取出自然养护28 d，采用YAW-2000型微机控制试验机按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行力学试验，试验对照组为未掺任何纤维组，主要测试步骤如下：(1)在试验机下固定端安置混凝土试件，调整上加载端使其靠近试件但不接触；(2)安装位移传感器，控制电脑使试件与加载端接触，调整初始值0；(3)点击启动，逐级加载直至试件被完全破坏。通过多次调整和试验最终确定以下加载方式：采用力控制的方法作为开始阶段的加载方式，按照2 kN/s的增加速率将力加载至50 kN，为保证加载端与试验试块完全接触维持20 s；然后利用位移控制的方式加载到1 400 kN，加载端位移速率为0.4 mm/min，维持20 s；最后，调整加载速率至0.2 mm/min，当剩余强度接近试块破坏峰值的40%时试验停止，并准确纪录相关数据。为确定试块的应力曲线需要测定其竖向位移，应将2个位移计对称安装在压力计的上压头处，以此测定受力方向上混凝土试件的变形和试验力-位移曲线。

2.2 抗折试验

参照现行标准有关要求，采用400 mm×100 mm×100 mm的混凝土试块和YAW-2000型电液伺服压力微机控制试验机测定抗折强度，试块的浇筑、成型和养护方式与抗压试验相同。将细钢条先粘在试件上，然后与位移计连接，启动测试并导出中部变形数据，由于现行标准未明确抗折强度加载流程，通过多次调整和试验最终确定以下加载方式：整个试验过程实行位移控制的加载方式，连续均匀加载速率0.2 mm/s，在满足安全防护要求的情况下人工观察试块的破坏过程，并准确记录试验数据。

3 结果与分析

3.1 抗压试验数据

通过对比试件抗压破坏形态发现，未掺纤维的素混凝土试块发生X交叉型剪切破坏，抗压试验表现出典型的环箍效应，随着不断加载混凝土碎片逐渐迸出，达到峰值强度时突然破坏，失去整体性，最后只有残留芯部，该混凝土材料属于脆性破坏[7-8]。掺聚丙烯纤维混凝土试件先在边缘处出现裂缝，持续加载裂缝开始变宽，进一步发展形成贯穿裂缝；而掺钢纤维混凝土表面产生多条微裂缝，随着不断加载出现多道裂纹，混凝土产生脱皮现象，纤维被拔出，该过程可以听到嗤嗤响声，加载到峰值强度后微裂缝贯通，进一步发展成大裂缝，承压截面面积增加使试块向外鼓胀，宏观上表现为裂而不散的情况，纤维混凝土具有较好的完整性，该材料属于塑性破坏。

通过对比分析发现，掺钢纤维混凝土具有较多的裂纹数量，微裂缝发展相对饱满均匀，纤维对基体延性的增强效应充分发挥；掺聚丙烯纤维混凝土少有碎片剥落，受压微裂缝数量较少，混凝土开裂后微裂纹扩展贯通，形成几条主裂缝致使试件发生破坏，相较于钢纤维其整体性较差。设F、A代表试块的破坏荷载(N)和承压面积(mm2)，利用下式计算混凝土抗压强度fcc，即：

(1)

应力-应变曲线检测结果显示掺聚乙烯纤维、钢纤维和未掺纤维素混凝土的抗压强度依次为88 MPa、110 MPa、51 MPa。因此，纤维的掺入可以明显提高水工混凝土抗压强度，其中掺钢纤维、聚乙烯纤维相较于素混凝土的抗压强度增加2.16倍和1.72倍，并且钢纤维的增强作用优于聚乙烯纤维，这是因为掺入的钢纤维能够约束混凝土横向变形，使得混凝土弹性模量明显提升。另外，纤维的加入可以提高基体与纤维之间的界面强度及其黏结力，薄弱层减少，改变基体的变形能力和破坏形态。从作用机理上，首先在界面区发生破坏形成裂缝，纤维逐渐发挥桥架作用效应，在受压过程中很难将纤维拔出，从而使得纤维对基体的增韧和增强效果得以充分发挥[8]。

3.2 抗折试验数据

通过对比试件抗折破坏形态可知，在施加荷载达到峰值前，对照组的素混凝土标准试件表面发现少数微裂缝，整体形态变化不明显，达到峰值后无任何征兆就发生瞬间断裂破坏，试件折成两半失去完整性，大断裂面贯穿试件的破坏面，该混凝土材料属脆性破坏。随着荷载的增加掺钢纤维混凝土试件中的纤维逐渐被拔出，该过程可以听到拉拔声音，并进一步发展成多条微裂纹，荷载达到峰值后出现1条主裂缝，裂缝不断变宽延伸，薄弱面发展成破坏面，结构完全失效，但该过程出现的许多微裂缝在一定程度上提供了断裂缓冲时间[9]。加载断裂过程中，掺聚乙烯纤维混凝土试件有许多微裂缝围绕在主断裂面周围，支座处甚至也分布有微裂纹，这些微裂纹使得构件的延性和能耗能力明显增强，有利于推迟构件的失效过程，改善结构整体康能能力，纤维对基体延性的改善作用充分发挥，混凝土韧性和整体性较好。

设F、l代表试块的最大破坏荷载和制作间的跨度(mm)，b、h代表试块的界面宽度(mm)和高度，本试验l取300 mm，b、h相等均取100 mm，采用下式计算混凝土抗折强度ft，即：

(2)

荷载-位移曲线检测结果表明掺钢纤维、聚乙烯纤维和未掺纤维素混凝土的极限荷载依次为42 kN、22 kN、14 kN，采用上式计算抗折强度依次为12.6 MPa、6.6 MPa、4.2 MPa，，其中掺钢纤维、聚乙烯纤维相较于素混凝土的抗折强度增加3.00倍和1.57倍。因此，钢纤维对提高混凝土抗折强度更加明显，钢纤维的存在使得裂缝处骨料与钢纤维之间的黏结力明显增加，对裂缝的发展起到有效的抑制作用，从而增强了混凝土的韧性和抗裂能力，混凝土可以承受的最大拉力也明显提高。从界面力学上，可将产生上述现象的原因归结于水工混凝土基体的界面黏结强度较低，纤维的掺入可以随机分布在基体内，在一定程度上改善其与基体的接触面，两者的相互搭接形成新的化学黏着力，在承受荷载时这种黏结作用发挥桥架效应，为有效传递界面应力提供了可靠保证，并对基体内部的微裂缝发展产生约束，增强混凝土的抗折强度[10-12]。

4 结语

(1)纤维的掺入可以明显提高水工混凝土抗压强度，其中掺钢纤维、聚乙烯纤维相较于素混凝土的抗压强度增加2.16倍和1.72倍，并且钢纤维的增强作用优于聚乙烯纤维，这是因为掺入的钢纤维能够约束混凝土横向变形，使得混凝土弹性模量明显提升。

(2)掺钢纤维、聚乙烯纤维相较于素混凝土的抗折强度增加3.00倍和1.57倍，钢纤维对提高水工混凝土抗折强度更加明显。钢纤维的存在使得裂缝处骨料与钢纤维之间的黏结力明显增加，对裂缝的发展起到有效的抑制作用，从而增强了混凝土的韧性和抗裂能力，混凝土可以承受的最大拉力也明显提高。