氯盐侵蚀下竹纤维增强混凝土静动态力学性能试验研究

张舒翔

（四川农业大学土木工程学院，四川 成都 611830）

混凝土是一种广泛应用于建筑领域的材料，具有高抗压强度和经济性等优点。然而，普通混凝土存在抗裂性能差和抗折强度低等问题[1]。虽然人工合成纤维可以在一定程度上提高混凝土的性能，但是其生产成本较高，就会增加混凝土的综合成本[2]。竹纤维增强混凝土劈裂抗拉性能较好，能增强延性，减少裂缝，延缓开裂[3]。随着近海建筑群迅速扩张，越来越多的建筑面临海水侵蚀的问题。海水侵蚀是近海建筑研究的一个重要领域。

为探究氯盐侵蚀下对竹纤维增强混凝土强度的影响，该试验对不同竹纤维长度及掺量下的混凝土开展其静态和动态的受力性能试验。探究了在氯盐侵蚀下竹纤维长度、掺量及氯盐侵蚀时间对混凝土静态性能的影响规律以及竹纤维对混凝土动态受力性能的作用规律。

1 试验材料与方法

试验选用P·O42.5R 硅酸盐水泥，粉煤灰选用密度为2300kg/m3的一级粉煤灰，细骨料选用细度模数为2.6 的中砂，粗骨料选用粒径为5mm～20mm 的碎石，减水剂选用聚羧酸系高效减水剂，所用的水为自来水。试验所用的竹纤维长度分别为30mm 和45mm，设计的竹纤维体积分数掺量为0%（素混凝土）、1%和2%。竹纤维增强混凝土配合比见表1。

表1 竹纤维增强混凝土配合比

试样在标准条件（温度为（20±3） ℃，相对湿度≥90%）下进行养护。制备的试件尺寸包括2 种规格：Φ70 mm×150 mm（用于静态压缩试验）和Φ70 mm×35 mm。共进行4 种类型的试验：静态压缩试验、静态劈裂抗拉试验、动态压缩试验和动态劈裂抗拉试验。其中，静态压缩试验和劈裂抗拉试验采用电子万能试验机完成。动态压缩和劈裂抗拉试验采用直径为74mm 的分离式霍普金森压杆（SHPB）装置完成。

2 静态试验结果及分析

图1 为竹纤维增强混凝土的单轴压缩强度。在竹纤维掺量为1%的混凝土中，竹纤维长度为30 mm 的试件其单轴压缩强度与素混凝土相比下降了18.9%，竹纤维长度为45 mm 的试件其受压强度与混凝土相比下降了16.2%。然而，当竹纤维掺量为2%时，与竹纤维掺量为1%的试件相比，其抗压强度提升了4%～6%。这说明竹纤维量增加可在一定程度上提高竹纤维的抗拉拔结作用，从而直接影响竹纤维增强混凝土的强度。

图1 竹纤维增强混凝土静态抗压强度

图2 为竹纤维增强混凝土试件的劈裂抗拉强度。在加载过程中，竹纤维增强混凝土试件在开裂后裂缝发展缓慢，由于乱向分布的竹纤维起拉结作用和传递应力的作用，裂缝分散为几条，裂缝宽度也较小，塑性变形较为显著，延性较好，破坏时也不会突然断裂崩坏，仍由竹纤维连成整体。从图2 中可以得出，在一定范围内，随着竹纤维掺量增加，可在一定程度上提高竹纤维增强混凝土的劈裂抗拉强度，大约提升了9%～12%。

图2 竹纤维增强混凝土的静态劈裂抗拉强度

将图1 与图2 对比发现，两者有相似的变化规律。与竹纤维增强混凝土相比，虽然素混凝土在强度方面略有下降，但是在抗裂性能方面明显提高。这也进一步证实了竹纤维对混凝土的韧性有一定的提升作用。同时，由于竹纤维存在，混凝土的破坏过程更缓慢。

表2 和表3 分别为在氯盐不同浸泡时间下的竹纤维增强混凝土试件的抗压强度和劈裂抗拉强度。显而易见，在氯盐侵蚀作用下，无论是素混凝土还是竹纤维增强混凝土的强度均在一定程度上有所下降。随着浸泡时间增加，混凝土的强度下降得更明显。对比未浸泡的混凝土试件与在氯盐溶液中浸泡了90 天的混凝土试件，会发现素混凝土的单轴抗压强度下降了约40%，而竹纤维增强混凝土均下降了20%～30%。除此之外，素混凝土的劈裂抗拉强度下降约30%，而竹纤维增强混凝土均下降了5%～15%。这说明加入竹纤维，可填充混凝土内部的部分孔隙，在一定程度上提高混凝土的抗氯盐侵蚀能力。随着竹纤维掺量增加，混凝土的抗氯盐侵蚀能力也随之增强。

表2 氯盐不同浸泡时间的竹纤维增强混凝土静态抗压强度

表3 氯盐不同浸泡时间的竹纤维增强混凝土静态劈裂抗拉强度

3 动态试验结果及分析

该试验选取竹纤维长度为45 mm的试件进行动态冲击试验，分别在竹纤维掺量为0%、1%以及2%的不同应变率条件下，竹纤维增强混凝土动态压缩应力-应变特征如图3 所示。

图3 不同应变率下的竹纤维增强混凝土动态压缩应力-应变特征

通过观察可以发现所有实验组上升线性段，基本不随应变率及纤维含量变化而变化，即弹性模量变化不大。这也从另一方面反映了应变率和竹纤维对混凝土力学性能的影响与裂纹失稳扩展密切相关。除此之外，与素混凝土相比，竹纤维增强混凝土应力应变曲线的塑性上升段和破坏下降段更平缓，且顶部具有更小的曲率。同时，竹纤维增强混凝土的破坏应变显著大于素混凝土。根据并结合相近应变率下试样的破坏情况，对比素混凝土碎块大小基本均匀，竹纤维增强混凝土碎块，随着纤维含量增加，碎块大小不一，附着较多纤维的碎块明显较大。说明竹纤维对混凝土有增强其韧性的作用。

同时，随着试验的应变率提高，试样失效模式逐渐由静态主裂纹扩展转变为多裂纹主扩展，试件的抗压强度增加。同时，由于裂纹扩展速率是有限的，随着应变率增加，裂纹扩展的滞后现象也越来越明显，因此抗压强度增加。在相近的应变率下，竹纤维增强混凝土的抗压强度基本低于素混凝土。随着应变率上升，竹纤维增强混凝土与素混凝土的抗压强度差异性相对较小，这就说明竹纤维对混凝土动态抗压强度的增强作用并不显著。

图4 为高应变率下的氯盐侵蚀时间对竹纤维增强混凝土的动态抗压强度的影响。结果表明，在高应变率下，竹纤维增强混凝土的动态抗压强度仍低于素混凝土。然而，随着在氯盐溶液中浸泡时间增长，竹纤维增强混凝土的动态抗压强度下降的速率比素混凝土慢。素混凝土的动态抗压强度受到氯盐侵蚀的影响更明显。这就说明竹纤维在一定程度上可以提高混凝土抵抗氯盐侵蚀的能力，并提高混凝土的耐久性。

图4 高应变率下的氯盐侵蚀时间对竹纤维增强混凝土的动态压缩性能影响

表4 为竹纤维增强混凝土在动态劈裂抗拉方面的主要力学参数。竹纤维提高混凝土的劈裂强度对应变率敏感，随着应变率增加，所有组试样的劈裂强度单调增加。虽然竹纤维增强混凝土的动态劈裂抗拉强度仍低于素混凝土，但是竹纤维的掺入提高了混凝土的韧性。随着竹纤维掺量增加，混凝土的动态劈裂抗拉强度也有一定程度地提高。这说明，在冲击荷载作用下，竹纤维能够帮助混凝土起到缓冲和吸能，并在混凝土中起到抗拉咬合作用，从而抑制混凝土裂缝的发展，并提高混凝土力学性能的效果。

表4 动态劈裂抗拉下的竹纤维增强混凝土的主要力学参数

4 结论

竹纤维增强混凝土在开裂过程中，横跨于裂缝上的竹纤维能够有效地限制混凝土裂缝进一步扩展。这种特性克服了混凝土抗拉强度低、易开裂等固有缺陷，提高了混凝土的变形能力。

竹纤维增强混凝土的强度对应变率敏感。由于裂纹扩展速率有限，随着应变率增加，竹纤维能够滞后地阻止裂纹进一步扩展，导致抗压强度上升。

竹纤维的加入能够填充混凝土内部的部分孔隙，从而在一定程度上提高混凝土抵抗氯盐侵蚀的能力，提高混凝土的耐久性。