纖維自密實混凝土抗拉性能試驗研究

秦晉彪

摘要：混凝土由于其耐久性、耐火性好，就地取材方便，整體性和可塑性好成為當今工程結構的主要材料。但是也存在自重大、抗拉強度低容易開裂的毛病。纖維混凝土的產(chǎn)生充分地緩解了混凝土易開裂的問題，但開裂現(xiàn)象仍然時有發(fā)生。為尋找解決纖維混凝土開裂問題的辦法，本次試驗通過對自密實混凝土試件摻入不同纖維以及不同的纖維摻和量后進行軸向拉伸試驗，通過拉伸試驗從而來得到不同混凝土試件的應力一應變?nèi)€，然后通過對所得到曲線進行分析，得出摻入不同纖維以及不同的纖維摻和量對自密實混凝土軸拉特性的影響。來論證纖維混凝土最佳的纖維摻和形式。

關鍵詞：纖維自密實混凝土；應力一應變；軸拉性能

1背景簡述

混凝土結構的破壞，其產(chǎn)生原因是因為所受的拉應力或剪應力超過了混凝土結構的自身承載能力。

在實際生產(chǎn)過程中，由于纖維混凝土相比普通混凝土擁有優(yōu)良的抗拉性能所以廣泛應用于橋面防水保護層、隧道襯砌噴射等。在項目實際生產(chǎn)中纖維混凝土雖得到有效推廣應用，但仍存在混凝土強度不足的現(xiàn)象，混凝土開裂情況時常發(fā)生。究其原因固然有施工過程中的違規(guī)操作行為，但同時也存在纖維的摻和量和摻和形式不盡如意的情況。

（圖1、2為在建客運專線橋面防水保護層裂縫，防水保護層所使用材料為普通細石聚丙烯纖維混凝土。）

在實際生產(chǎn)過程中，中鐵十七局集團第三工程有限公司負責施工的多條客運專線均已廣泛采用纖維混凝土，大大地緩解了防水保護層開裂問題。但如上圖所示，纖維混凝土出現(xiàn)裂縫的情況也時有發(fā)生。電纜槽保護層由于面積相對較小，裂縫相對不明顯，而橋面防水層裂縫卻極為明顯。裂縫的產(chǎn)生為各工程項目的后續(xù)施工帶來不便。處理起來費時費力，影響后續(xù)施工的進行，造成時間上與經(jīng)濟上的雙重損失。同時也可能影響到企業(yè)聲譽與發(fā)展。

在纖維自密實混凝土中，亂向分布的纖維可以阻礙混凝土結構內(nèi)的微觀細微裂縫的形成，同時也可以阻滯宏觀裂縫的擴大，并且在混凝土出現(xiàn)裂縫以后，繼續(xù)吸收部分能量，從而使混凝土抗拉強度能夠得到有效的提升。并且由于自密實混凝土具有良好的流動性，通過混凝土的流動性可以使所摻纖維能夠更加均勻的分布于整體結構當中，使得混凝土受力更加均勻，從而讓混凝土的抗拉強度可以夠得到有效的提高。

1.1試件拉伸所面臨的問題

①混凝土試件非勻質(zhì)性。由于在制作混凝土試件的過程中誤差是在所難免的，即便誤差在合理的范圍內(nèi)，混凝土試件內(nèi)部也一定會存在細微裂縫，并且無法控制裂縫的分布，所以所受拉力不會平均分布于試件的同一截面上。不僅如此，在逐漸增大拉力的過程中，舊裂縫會逐漸增大，且還有新的裂縫出現(xiàn)，使得混凝土試件的受力情況隨時都在變化，由此可知，在軸拉試驗過程中，不存在混凝土試件的完全均勻受拉情況。②應力集中嚴重。應力集中會導致試驗失敗，這是因為若應力過于集中，試驗中試件的斷裂位置通常不受控制，落在應變測量區(qū)域之外。③試驗系統(tǒng)剛度不足。若試驗系統(tǒng)剛度不足，試驗荷載超過最大荷載后試件立即斷裂，無法獲得曲線的下降段部分，無法獲得完成的應力應變?nèi)€，因此為獲得穩(wěn)定的全曲線，必須增加試驗機的剛度，本次試驗通過加裝剛性桿來提高試驗機的剛度。

1.2加載速率對軸拉試驗的影響

應變的加載速率直接影響著混凝土試件的軸拉性能。隨著應變速率的變化，混凝土試件拉伸強度也會出現(xiàn)變化，兩者之間呈正比，一旦應變速率高到一定數(shù)值，混凝土試件骨料就會被破壞。究其原因發(fā)現(xiàn)隨著應力加載速率的增加，混凝土試件內(nèi)部細微裂縫擴展不及應力的加載速率，從而造成混凝土試件骨料破壞。

2試驗設計

2.1試驗材料

本試驗選用的材料包括：不同類型的高性能纖維、減水劑、硅粉、粉煤灰、骨料（最大粒徑不超過15 mm）、普通硅酸鹽水泥。

本次試驗配合比如表l所示，纖維的混雜方式如表2所示。

2.2試驗內(nèi)容

本次試驗在綜合參考分析了國內(nèi)外很多相關試驗的基礎上，確定了不同纖維摻量的鋼纖維及混雜纖維自密實混凝土的優(yōu)化配合比。采用等截面試件及粘貼法，將2塊鋼板用建筑結構膠分別粘貼在試件兩端，放置3d后開始試驗，在MTS試驗機上進行試驗。加載速率為開始以0.5mm/min加載，直至接近開裂臨界轉(zhuǎn)為0.2mm/min。在軸拉試驗中，串聯(lián)試驗機與試件。試驗前在與混凝土試件的平行方向上安裝剛性桿從而增加系統(tǒng)的整體剛度，并且在拉伸過程中與混凝土試件同時受拉，如此能夠提高系統(tǒng)整體的剛度，并獲得完整的曲線。本次試驗所制作的混凝土試件共24個，結構尺寸為100mmx100mmx400mm。在試驗過程中在混凝土試件4邊分別安裝4個LVDT位移傳感器來測量混凝土軸向的形變，同時在混凝土試件的4個側面布置應變片來監(jiān)測混凝土開裂前的應變，試驗使用imc數(shù)據(jù)采集儀來采集試驗數(shù)據(jù)。試驗裝置圖如圖4。

3試驗結果

本次試驗不同混凝土試件的拉伸試驗數(shù)據(jù)如圖5-8所示。試驗中取4個應變片的平均值為應變。

4結果分析

單軸拉應力狀態(tài)下，任何新裂縫的發(fā)生和生長都將減少有效承載面積，因此軸拉應力狀態(tài)抑制裂縫的趨勢較壓應力狀態(tài)要小得多，故裂縫擴展階段較短，線彈性狀態(tài)過后，試件迅速破壞。當混凝土因開裂而失去承載力以后，由于纖維的繼續(xù)作用而使試件仍殘余一些拉應力。

根據(jù)圖5和圖6可以得出摻入PP纖維可以有效的提升混凝土試件抗拉性能。由圖4中PP6、PP8的曲線可以得出當PP纖維的摻入量達到一定數(shù)量后混凝土試件抗拉強度雖有所增加但增加不明顯。根據(jù)圖7、圖8中曲線可以得出鋼纖維的摻入能顯著提高混凝土試件的抗拉強度，對比SF20（35）與SF20PP2（35）以及SF40與SF40PP3兩組圖像，可以對比出，同時摻入PP纖維和鋼纖維的混凝土試件在混凝土開裂后仍能吸收部分能量與單一纖維相比抗拉性能有部分提升。綜合以上凸顯可以得出同時加入鋼纖維與PP纖維，在兩種纖維的共同作用下，混凝土的抗拉強度與單一纖維混凝土相比得到明顯的提升，混合纖維在整個拉伸試驗過程中表現(xiàn)了出良好的正混雜效應，可以確定混合纖維對混凝土性能的提升優(yōu)于單一纖維。endprint

PP纖維和鋼纖維既可以有效地提高混凝土試件的抗拉強度并且也能夠有效地提高混凝土試件峰值荷載所對應的應變。纖維之所以對混凝土試件抗拉強度的提升具有增強作用，首先是由于在混凝土試件的拉伸過程中，拉伸變形的主要原因是由于混凝土試件原有的初始裂縫在拉力的作用下不斷擴張變大而產(chǎn)生的，而纖維作為裂縫的約束體在拔出過程中纖維與機體界面的粘結力與纖維的異形造成的機械力給混凝土裂縫尖端增加了阻止裂縫擴展的應力場，從而增加了混凝土試件的抗拉強度。其次是在混凝土的早齡期，由于混凝土試件在中纖維的存在有效的抑制了混凝土試件收縮裂縫的產(chǎn)生。從而使混凝土試件在完全硬化后的抗拉強度能夠得到顯著的提高。

5結論

①PP纖維和鋼纖維都既能有效地提高混凝土試件的抗拉強度同時也能有效地提升混凝土的峰值應變。但是只摻入PP纖維對混凝土試件抗拉性能的提高有限，而鋼纖維的摻入?yún)s能顯著提高混凝土試件的抗拉強度。

②纖維之所以對混凝土試件抗拉具有增強作用，首先是因為在拉伸過程中試件的拉伸變形來自于混凝土試件初始裂縫的不斷擴張變大，而纖維作為裂縫的約束體在試驗過程中纖維與機體界面的粘結力與纖維的異形造成的機械力給混凝土裂縫尖端增加了一阻止裂縫擴展的應力場，在應力場的作用下使得混凝土試件的抗拉強度得到明顯提升。其次因為纖維的亂向分布對混凝土早齡期的收縮裂縫具有明顯的抑制作用，進而提高了混凝土硬化后的抗拉強度。

③雖然PP纖維抗拉強度與鋼纖維相比較低，但是PP纖維與試件機體粘結性能更好，所以在試驗過程中致使絕大部分的PP纖維被拉斷。而鋼纖維因為纖維自身強度相對較高并且與試件機體的粘結性能不如PP纖維，在試驗過程中鋼纖維大多數(shù)是被拔出的。

④同時加入兩種纖維，與只加入單一纖維相比抗拉強度明顯得到提升，在兩種纖維的共同作用下，混合纖維可以表現(xiàn)出良好的正混雜效應，抗拉強度得到明顯的提升。

6結語

鋼纖維混凝土抗拉性能雖然更好，但成本相對較高。而摻入混雜纖維的混凝土與鋼纖維混凝土相比抗拉強度相差無幾，成本卻得到下降，而與單一聚丙烯纖維混凝土相比，又可以有效的提升混凝土的抗拉強度，減少裂縫產(chǎn)生。自密實纖維混凝土與普通纖維混凝土相比，由于流動性較好，不存在普通混凝土振搗不足導致纖維分部不均勻的情況。所以自密實纖維混凝土可以使得混凝土受力能夠更加均勻。endprint