纖維增強型水泥混凝土抗變形分析及應用

唐 魁

（新疆鐵道勘察設計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830011）

水泥混凝土是目前較為常見的一種建筑材料，因其材料獲得來源豐富、成本造價低、承載能力大，操作簡單等優點，被廣泛用于建筑行業。但隨著水泥混凝土材料的使用范圍增加，使用環境也越來越復雜，混凝土韌性不夠，在自然耦合環境的作用下，出現開裂損壞的現象，對整體建筑物造成破壞。因此，如何提升混凝土材料的韌性，是當前重點研究的項目。針對以上問題，國內很多專家進行了一系列研究，如郭光玲將鋼纖維摻入混凝土試件中，并對摻入纖維的混凝土試件性能進行研究。結果表明：鋼纖維可有效增強混凝土試件韌性，在受荷載時，能夠有效預防混凝土試件出現裂縫。詹奇淇選用玄武巖纖維對混凝土進行改性，研究了玄武巖纖維對混凝土性能的影響。結果表明，在混凝土試件中摻入玄武巖纖維后，泡沫混凝土性質發生改變，從脆性材料轉變成為韌性材料。以上專家的研究成果證明纖維對混凝土韌性增強起有效作用，但并未對纖維種類和長度對混凝土性能影響進行深入研究。基于此，本文從纖維本身出發，研究不同纖維對混凝土增韌機理。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

本試驗主要材料：硅酸鹽水泥（材廣發建材，P.O42.5）；砂（鴻諾礦產品，細度模數2.12）；碎石（永順礦產品，粒徑5~31.5 mm ）；銑削型鋼纖維（宇哲工程橡膠，長度分別為38 mm，28 mm）；丙烯酸纖維（鵬盈保溫材料，長度16 cm）；聚羧酸減水劑（英出化工科技，CP）。

本試驗主要設備：快速凍融試驗箱（一測儀器設備，TDR-II）；萬能試驗機（五星測試儀器，UTM-9100）；微機控制抗折試驗機（川測試驗設備，YAW-300）；混凝土攪拌器（朵麥信息科技，H1650）。

1.2 配合比設計

依據《公路水泥混凝土路面施工技術細則》（JTG/T F30─2014）和《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55─2011）對混凝土配合比進行設計。具體配比如表1所示。

表1 混凝土基本配合比設計Tab.1 Basic mix proportion design of concrete

1.3 試驗方法

在H1650型混凝土攪拌機中依次倒入石子、砂、減水劑和纖維，在低速模式下攪拌120 s。然后加入水泥，繼續低速攪拌60 s。最后將全部用水量倒入攪拌機中，先在低速模式下攪拌60 s，再打開高速模式攪拌120 s。將混合物倒入模具，靜置24 h后脫模，將混凝土試件移入標準養護室，在養護溫度和相對濕度分別為（20±3）℃和95%的條件養護28 d，具體攪拌流程如圖1所示。

圖1 攪拌流程圖Fig.1 Flow chart of mixing

1.4 性能測試

用YAW-300型抗折試驗機對抗折性能進行研究。

參照 CECS13-2009《纖維混凝土試驗方法標準》和JGJ/T 221─2010《纖維混凝土應用技術規程》規定采用三分點加載方式測定混凝土的彎曲性能。

參照（ GB/T 50082─2009）規定對混凝土抗凍性能進行測定。

2 結果與討論

2.1 抗折強度試驗結果

圖2為所有試件抗折強度試驗結果。由圖2可知，纖維混凝土的抗折強度皆有所上升，這是因為纖維在混凝土內部起到一定的架橋連接作用，在混凝土試件破壞過程中形成微裂縫，纖維對微裂縫的產生和擴張起到一定的阻礙作用，對混凝土試件抗折強度起積極作用。其中鋼纖維對混凝土的增韌效果高于聚丙烯纖維，這是因為鋼纖維自身抗折強度遠大于聚丙烯纖維，因此對混凝土試件的增強效果也遠大于聚丙烯纖維。而LS-3和SS-7抗折強度與素混凝土抗折強度接近，這可能是因為在制備試件的過程中，沒有加入引氣劑，使得試件表面的空隙率相對較大，降低了抗折強度。LS-7混凝土試件抗折強度最高，達到5.12 MPa。繼續增加鋼纖維摻量，混凝土試件抗折強度反而有所降低，這是因為纖維摻量超過一定量以后，會發生一定的結團現象，導致混凝土試件的抗折強度有所降低。

圖2 抗折強度試驗結果Fig.2 Results of bending strength test

2.2 彎曲強度試驗結果

混凝土彎曲韌性結果如表2所示。由表2可知，鋼纖維混凝土試件彎曲強度指數最高，聚丙烯混凝土試件與素混凝土試件彎曲性能相近，證明聚丙烯纖維對混凝土的韌性不產生作用。這是因為在試驗過程中，采用0.05 MPa/s的加載速率對試件施加荷載，直至試件破壞，試件在承受極限荷載時，受拉區在跨中出現裂縫并迅速發展，在此過程中，聚丙烯纖維被拉出，因此沒有起到增韌的作用。而鋼纖維對混凝土的增韌效果較大，其中LS-7的I和I的增韌效果最明顯，分別增加了291%和415%。這是因為適宜的鋼纖維摻量能使鋼纖維均勻地在混凝土中分散，隨著荷載的增加，試件承受極限荷載，受拉區開裂，此時鋼纖維發揮作用，起到一定家橋連接作用，承擔一部分外力，對裂縫的延續有一定的減緩作用，進而增加了混凝土試件的韌性。當纖維摻量過多，在混凝土內部易出現成團現象，在受外界荷載時，纖維被拉斷或被破壞，造成鋼纖維對混凝土試件增韌效果不明顯。在纖維種類和纖維摻量相同的情況下，短鋼纖維彎曲韌性比相對較大，這是因為短鋼纖維初裂強度低，使得計算結果相對偏大。

表2 混凝土彎曲韌性結果Tab.2 Results of flexural toughness of concrete

2.3 凍融循環試驗結果

圖3為LS-7混凝土試件和素混凝土試件凍融前后抗折強度的變化。由圖3可知，凍融后的素混凝土試件比凍融前的素混凝土試件抗折強度下降了11.6%，凍融后LS-7混凝土試件僅比凍融前LS-7試件抗折強度下降了10.3%，證明LS-7試件的抗凍性能優于素混凝土。

圖3 LS-7混凝土試件和素混凝土試件凍融前后抗折強度的變化Fig.3 Change of bending strength of LS-7 concrete specimen and plain concrete specimen before and after freezing and thawing

3 鋼纖維混凝土實際應用特點

通過以上的試驗制備，將其應用到實際的路面工程中，該混凝土體現出以下特點：

（1）減小路面厚度：用素混凝土作為面層材料時，路面厚度一般需要達到200~300 mm。鋼纖維對混凝土韌性、抗裂性和抗彎拉、耐疲勞都有明顯優化作用，因此厚度達到110~160 mm就能滿足要求，降低路面厚度，進而降低工程造價；

（2）增大橫縫間距：鋼纖維能夠有效阻止早期裂紋形成，這就導致混凝土路面板在尺寸得以改變，因此在混凝土路面板尺寸難以改變。也就是在滿足設計標準的情況下，縮縫間距得到提高，這就節約了施工和維修成本，有更好的舒適性體驗。

4 結語

本文通過在混凝土中摻入纖維研究了纖維對混凝土的增韌機理。通過改變纖維種類、摻量和長度，研究了纖維對混凝土力學性能的影響。具體結論如下：

（1）所有纖維對混凝土皆有增韌作用，其中摻量為0.7%的長鋼纖維（38 mm）對混凝土的增韌作用最明顯；

（2）聚丙烯纖維對混凝土試件抗彎拉性能作用不明顯，摻量為0.7%的長鋼纖維對混凝土試件抗彎拉性能優化較明顯，I和I分別比素混凝土增加了291%和415%；

（3）凍融循環試驗后，凍融前后的LS-7混凝土試件和素混凝土抗折強度分別下降10.3%和11.6%，LS-7試件的抗凍性能優于素混凝土；

（4）鋼纖維混凝土可用于路面建設，具有降低厚度，增加縮縫間距和舒適性，降低成本等優點。