纖維種類和摻量對纖維混凝土力學性能的影響

■陳貴安 楊建軍 黃進輝 陳康明

（1.廈門百城建設投資有限公司，廈門 361001；2.中鐵十八局集團第一工程有限公司，保定 072750；3.中建海峽建設發展有限公司，福州 350015；4.福州大學，福州 350108）

國內外常以瀝青混凝土柔性鋪裝材料作為鋼橋面鋪裝，但傳統鋼橋面柔性鋪裝存在著2 個工程難題，一是因其需承受車輪荷載的直接作用，再加上局部效應明顯，結構構造復雜等因素，導致鋼橋面板疲勞損傷問題突出，較易發生疲勞開裂[1-2]；二是鋼橋面板和柔性鋪裝材料間的彈性模量差異較大，荷載作用下變形協調性差，導致瀝青鋪裝層極易開裂破損，每隔幾年需進行修復，給社會經濟造成嚴重的影響。

若將纖維混凝土應用到鋼橋面鋪裝結構中，一方面可利用其介于鋼與瀝青混凝土的彈性模量，作為應力過渡層參與結構整體受力，使其結構變為鋼頂板—纖維混凝土組合橋面板，有效提高鋼橋面板局部剛度，緩解應力集中效應，改善疲勞受力性能[3]；另一方面，利用纖維混凝土較高的抗拉強度和良好的耐熱穩定性，防止在負彎矩區段的混凝土出現開裂與變形，進而避免雨水滲入鋪裝層與鋼頂板面層之間的界面引起損傷，從而從減緩柔性鋪裝出現的開裂、車轍、推移和坑槽等病害[4]。 Brandt[5]提出纖維混凝土剛性鋪裝的概念， 即將纖維分散于混凝土，以提高剛性鋪裝的抗拉性能。Sanjuan M A 等[6]研究得出在混凝土凝固期間，聚丙烯纖維能有效控制收縮裂縫；但在抑制混凝土受拉開裂方面，聚丙烯纖維表現不佳，相比之下，鋼纖維能較有效控制混凝土裂縫生成和發展。Scorelli L G 等[7]研究結果表明，纖維長度對混凝土不同的受力階段影響有所區別，短纖維在混凝土小撓度時發揮較大作用，可顯著提升混凝土承載能力和開裂強度，長纖維的增韌效果則在撓度方面發揮較大作用。 韋金峰[8]的研究發現，混凝土抗折強度與鋼纖維摻量及鋼纖維長徑比呈現正相關性， 而混凝土的延性則與纖維種類有關，故同等纖維摻量下，混合纖維增強混凝土的力學性能與延性最佳。 成張佳寧[9]的研究表明，通過摻入聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維和鋼纖維等材料，能夠有效增強高性能混凝土的力學性能，但較高的纖維摻量卻會對高性能混凝土的工作性能產生負作用。

綜上所述，摻入纖維可一定程度提高混凝土力學性能，不同纖維種類和摻量對混凝土力學性能影響不同。 為進一步促進纖維混凝土在鋼橋面鋪裝體系上的應用，有必要進行相關纖維混凝土基礎力學性能試驗研究。 本研究系統分析纖維種類、纖維形狀和纖維摻量等參數對纖維混凝土抗壓強度和抗折強度的影響。

1 纖維混凝土力學性能試驗方法

1.1 配合比和原材料

根據CECS 38-2004《纖維混凝土結構技術規程》[10]，C50 混凝土配合比：水泥510.7 kg/m3、砂565 kg/m3、水192.9 kg/m3、碎石1 005 kg/m3、減水劑0.986 kg/m3。

1.1.1 水泥

采用42.5 普通硅酸鹽水泥，密度為3112 kg/m3。

1.1.2 集料

細集料選用福州地區的河砂， 粗集料選用5～20 mm 粒徑的碎石，二者表觀密度分別為2 580 kg/m3和2 650 kg/m3。

1.1.3 減水劑

選用CX-8 聚羧酸酯高效減水劑。

1.1.4 鋼纖維

選用6 種纖維，分別為鍍銅細鋼纖維（DSF）、端鉤型鋼纖維（GSF）、平直型鋼纖維（PSF）、銑削型鋼纖維（XSF）、玄武巖纖維（BF）與聚丙烯纖維（PF），纖維照片見圖1，纖維參數見表1。

表1 各纖維主要參數

圖1 試驗纖維照片

抗壓試驗采用150 mm×150 mm×150 mm 立方體試塊，抗折試驗采用550 mm×150 mm×150 mm試塊。

1.2 試驗設計

以纖維種類、纖維體積摻量和纖維形狀等作為研究參數，其中纖維種類包括端鉤型鋼纖維、鍍銅細鋼纖維、玄武巖纖維和聚丙烯纖維，纖維體積摻量包括0%、0.5%和1%，纖維形狀包括端鉤型、平直型和銑削型。纖維混凝土力學性能試驗參數見表2。

表2 纖維混凝土力學性能試驗參數

2 結果與分析

各組纖維混凝土抗壓試驗和抗折試驗的破壞照片見圖2、3。 由圖2 可知，GSF-0 組試塊與BF-1組有相同的破壞形態，這2 組的試塊破壞時碎塊朝周圍崩裂，掉落較多，破壞后表面剝落較為明顯，而其他組的混凝土試塊則因纖維能較好地起到增強混凝土基體的粘結效果，開裂后并未出現嚴重局部崩碎剝落的現象。 由圖3 可知，GSF-0 組試塊與BF-1 組的混凝土試塊破壞時出現脆性破壞特征，在荷載作用下被劈裂成兩半，而其他組別的混凝土試塊則僅下緣出現裂縫，并未出現斷裂現象。 從試塊破壞形態來看，除了未摻纖維的GSF-0 組和摻入1%玄武巖纖維的BF-1 組外，大部分試件未表現出明顯的脆性破壞，表明纖維可起到一定的增強增韌作用；纖維混凝土力學性能試驗結果見表3 和表4。

表3 纖維混凝土抗壓試驗結果（單位：MPa）

表4 纖維混凝土抗折試驗結果（單位：MPa）

圖2 抗壓試塊破壞照片

由表3、4 和圖4 可知，不同纖維種類的混凝土強度從低到高到排序為：聚丙烯纖維＜玄武巖纖維＜端鉤型鋼纖維＜鍍銅細鋼纖維，抗壓強度具體數值分別為39.9、47.7、53.6 和68.9 MPa，抗折強度具體數值分別為5.2、5.6、6.8 和7.9 MPa，后2 種纖維混凝土超過了工程設計C50 強度需求，可見鋼纖維對混凝土抗壓強度和抗折強度的提升較其他纖維明顯。

圖4 纖維種類組強度比較

由圖5 可知， 隨著鋼纖維摻量從0%提高至1%，抗壓強度均呈逐漸增大的趨勢，具體數值分別為49.3、51.5 和53.6 MPa， 其中摻量為0.5%和1%的端鉤型鋼纖維混凝土超過了工程設計C50 強度需求，摻量為0.5%和1%的端鉤型鋼纖維混凝土較未摻纖維混凝土抗壓強度提高了4.5%和8.7%，提升效果并不明顯；抗折強度具體數值分別為5.6、6.0和6.8MPa，摻量為0.5%和1%的端鉤型鋼纖維混凝土較未摻纖維混凝土抗折強度提高了7.1%和21.4%，提升效果較抗壓強度有所增加。

圖5 纖維體積摻量組強度比較

由圖6 可知，不同纖維形狀的混凝土抗壓強度從高到低為：銑削型鋼纖維>端鉤型鋼纖維>平直型鋼纖維，但區別并不明顯，具體數值分別為54.3、53.6和52.4 MPa，均超過了工程設計C50 強度需求；而不同纖維形狀的混凝土抗折強度由高到低為：端鉤型鋼纖維>銑削型鋼纖維>平直型鋼纖維，具體數值分別為6.8、6.4 和6.2 MPa，其中摻入端鉤型鋼纖維對混凝土抗折強度提升效果最為顯著。

圖6 纖維形狀組強度比較

綜上，GSF-0 組、BF-1 組和PF-1 組無法滿足工程設計C50 抗壓強度的需求；剩余的鋼纖維混凝土中以DSF-1 組的抗壓和抗折強度最高，但考慮到DSF-1 組所采用的鍍銅細鋼纖維的價格昂貴，經濟指標較低；雖然XSF-1 組的抗壓強度較GSF-1 組高1.3%，但其抗折強度較GSF-1 組低5.9%。故綜合考慮抗壓強度和抗折強度，端鉤型鋼纖維最宜作為工程使用的纖維混凝土材料。

3 結論

（1）4 種纖維混凝土抗壓強度和抗折強度從小到大到排序為聚丙烯纖維＜玄武巖纖維＜端鉤型鋼纖維＜鍍銅細鋼纖維；（2）隨著端鉤型鋼纖維摻量從0%、0.5%增加到1%，纖維混凝土抗壓強度和抗折強度均表現出逐漸增大的趨勢，且混凝土抗折強度提升效果更為顯著；（3）在鋼纖維摻量均為1%的前提下，纖維形狀（銑削型、端鉤型和平直型）對纖維混凝土抗壓強度的影響不如抗拉強度，其中以端鉤型鋼纖維混凝土抗折性能最優；（4）除了未摻纖維的GSF-0 組和摻入1%玄武巖纖維的BF-1 組外，大部分試件未表現出明顯的脆性破壞，表明纖維可起到一定的增強增韌作用；（5）在滿足工程設計C50 抗壓強度的需求的前提下，綜合考慮纖維對抗壓強度和抗折強度的提升效果以及經濟性能，端鉤型鋼纖維最宜作為工程使用的纖維混凝土材料，其纖維摻量宜為1%。