層布式陶瓷纖維混凝土抗彎沖擊性能試驗研究*

肖 嫻，高 林,2，劉昆雄，郭凱旋

(1.華北理工大學建筑工程學院，河北 唐山 063210； 2.河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210)

0 引言

在預制裝配式混凝土結構中，脆斷性和抗彎沖擊性能不足等問題始終存在，而纖維混凝土的應用較好地解決了此類問題，并在工程中得到廣泛應用[1-2]。常見的纖維混凝土中，將鋼纖維、聚丙烯纖維等作為增強材料，通過纖維與混凝土的復雜作用，有效提升混凝土力學性能[3-4]。

陶瓷纖維為性能優異的無機纖維，具有容重小、耐火性強、絕熱性好、抗沖擊能力強和不易發生化學反應等優異性能，有著世界“第五能源產品”的美稱[5-6]。可將陶瓷纖維作為增強材料，將其摻入混凝土中，以提升混凝土力學性能，但目前對混凝土力學性能提升程度的研究較少。

在纖維混凝土生產過程中，通常采用混摻式，易造成纖維混凝土出現結團嚴重、攪拌不均勻、流動性差等問題[7-8]。盧哲安等[9-10]提出了層布式鋼纖維混凝土，將鋼纖維分層布置于混凝土中，采用1層混凝土+1層鋼纖維的工藝形式，有效避免了混摻式纖維混凝土存在的問題。

將層布式陶瓷纖維混凝土應用于預制裝配式混凝土墻板中，既可充分發揮陶瓷纖維對混凝土的增強性能，又可避免混摻式纖維混凝土存在的生產工藝問題，可提升預制墻板抵御沖擊荷載及爆炸、汽車或不明物體撞擊的性能。本文對層布式陶瓷纖維混凝土抗彎沖擊性能進行研究，以期為工程應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 原材料與配合比

試驗所用原材料包括P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥、河砂(細度模數2.7)、5～20mm連續級配碎石、聚羧酸粉體高效減水劑、陶瓷纖維(白色，長6mm，直徑0.003mm，密度2 600kg/m3)。混凝土基體強度等級為C30，配合比為水泥∶粗骨料∶細骨料∶水∶減水劑∶粉煤灰=277.65∶992.5∶875.4∶180.0∶694.12∶69.41(kg/m3)。

1.2 試件制作

層布式陶瓷纖維混凝土制作過程與普通混凝土略有不同，具體過程如下：①按照比例稱取適量水泥、粉煤灰、石、中砂、減水劑、水及陶瓷纖維；②將石、砂和10%水倒入已潤濕的攪拌機中，攪拌30s；③加剩余的水，攪拌30s；④加水泥，攪拌180s；⑤將攪拌機中的混凝土料卸出；⑥將拌制完成的混凝土分層裝入550mm×150mm×150mm(長×寬×高)標準試模中；⑦素混凝土經攪拌后，澆筑第1層3cm厚混凝土，人工鋪撒第1層陶瓷纖維；⑧澆筑第2層3cm厚混凝土，人工鋪撒第2層陶瓷纖維；⑨澆筑第3層3cm厚混凝土，人工鋪撒第3層陶瓷纖維；⑩澆筑第4層3cm厚混凝土；將試件置于養護室中養護。

由于本次試驗混凝土試件數量較多，因此不對混凝土試件進行順序編號，而是利用混凝土強度等級、陶瓷纖維體積摻量、陶瓷纖維層數進行編號，如C30-0-0指強度等級為C30的素混凝土試件，C30-0.2-3指混凝土強度等級為C30、陶瓷纖維體積摻量為0.2%、陶瓷纖維共3層的試件。

1.3 試驗方法

根據GB/T 21120—2018《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》中的有關規定自制落球沖擊試驗設備，其中，落球重3.0kg，套管高300mm，套管內徑110mm(約為落球直徑的1.5倍)，為防止落球將混凝土試件砸壞，在落球落點處放置1塊鋼墊板。以應變片數據發生突變為初裂沖擊次數確定依據(受拉區表面產生第1條裂縫)，以底部裂縫貫穿整個截面為破壞沖擊次數確定依據，初裂沖擊次數和破壞沖擊次數取值均應符合規范要求。因試驗條件有限，僅通過動態數據采集系統采集應變片應變數據，未設置加速度計參與數據采集，加載裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置

2 試驗結果與分析

2.1 試件破壞狀態

抗彎沖擊性能試驗初期，落球每次自由下落至混凝土試件上表面后，發出響亮且清脆的聲音，隨后落球反彈2，3次，由于混凝土試件上部設置了墊板，試件上表面未被砸碎。隨著試驗的進行，試件出現第1條裂縫，此時落球落到混凝土試件上表面后，發出的聲響變的較沉悶。隨著試驗的繼續進行，混凝土試件開始出現肉眼可見的變形，直至最后完全破壞(見圖2)。

圖2 典型試件破壞狀態

素混凝土試件破壞層面較平整，試件一經開裂，在持續的沖擊荷載作用下迅速破壞。因此，素混凝土試件初裂沖擊次數與破壞沖擊次數相差較小，表現出了較明顯的脆性。層布式陶瓷纖維混凝土試件破壞面較粗糙，且試件初裂沖擊次數和破壞沖擊次數均多于素混凝土試件。

2.2 陶瓷纖維體積摻量對層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊性能的影響

以抗彎沖擊耗能為評價指標時，陶瓷纖維體積摻量對層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊性能的影響如圖3所示。由圖3可知，當陶瓷纖維體積摻量固定時，陶瓷纖維層數對試件抗彎沖擊性能起決定性作用，即陶瓷纖維層數越多，試件抗彎沖擊性能提升效果越好；當陶瓷纖維層數固定時，試件抗彎沖擊耗能隨著陶瓷纖維體積摻量的增加呈先增大后減小的趨勢，當陶瓷纖維體積摻量為0.2%時，對試件抗彎沖擊性能的提升效果最好。

圖3 陶瓷纖維體積摻量的影響(抗彎沖擊耗能)

相較于素混凝土試件，陶瓷纖維體積摻量為0.1%，0.2%，0.3%的層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊耗能最大提高幅度分別為52.2%，119.2%，84.4%。

以初裂沖擊次數、破壞沖擊次數及二者差值為評價指標時，陶瓷纖維體積摻量對層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊性能的影響如圖4所示。由圖4可知，當陶瓷纖維層數固定時，試件初裂沖擊次數、破壞沖擊次數及二者差值均隨著陶瓷纖維體積摻量的增加呈先增大后減小的趨勢；當陶瓷纖維體積摻量為0.2%時，不同陶瓷纖維層數下的試件初裂沖擊次數、破壞沖擊次數及二者差值均達最大值。

圖4 陶瓷纖維體積摻量的影響(沖擊次數)

相較于素混凝土試件，陶瓷纖維體積摻量為0.1%，0.2%，0.3%的層布式陶瓷纖維混凝土試件初裂沖擊次數最大提高幅度分別為45.4%，113.6%，81.8%，破壞沖擊次數最大提高幅度分別為53.3%，123.3%，90%，初裂沖擊次數與破壞沖擊次數差值最大提高幅度分別為75%，150%，112.5%。

由以上2種評價方式可知，層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊性能隨著陶瓷纖維體積摻量的增加呈先提高后降低的變化，綜合來看，陶瓷纖維最佳體積摻量為0.2%。

2.3 陶瓷纖維層數對層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊性能的影響

以抗彎沖擊耗能為評價指標時，陶瓷纖維層數對層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊性能的影響如圖5所示。由圖5可知，當陶瓷纖維層數固定時，陶瓷纖維體積摻量對試件抗彎沖擊性能的影響程度從高到低排序依次為0.2%，0.3%，0.1%；當陶瓷纖維體積摻量固定時，試件抗彎沖擊耗能隨著陶瓷纖維層數的增加而增加，但增加幅度逐漸減小。

圖5 陶瓷纖維層數的影響(抗彎沖擊耗能)

相較于素混凝土試件，陶瓷纖維層數為1，2，3層的層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊耗能最大提高幅度分別為71.4%，103.6%，119.2%。

以初裂沖擊次數、破壞沖擊次數及二者差值為評價指標時，陶瓷纖維層數對層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊性能的影響如圖6所示。由圖6可知，當陶瓷纖維體積摻量固定時，試件初裂沖擊次數、破壞沖擊次數及二者差值均隨著陶瓷纖維層數的增加而增大，但增加幅度逐漸減小。

圖6 陶瓷纖維層數的影響(沖擊次數)

相較于素混凝土試件，陶瓷纖維層數為1，2，3層的層布式陶瓷纖維混凝土試件初裂沖擊次數最大提高幅度分別為63.4%，100%，113.6%，破壞沖擊次數最大提高幅度分別為73.3%，106.7%，123.3%，初裂沖擊次數與破壞沖擊次數差值最大提高幅度分別為100%，125%，150%。

由以上分析可知，層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊性能與陶瓷纖維層數呈正相關關系，但隨著陶瓷纖維層數的增加，試件抗彎沖擊性能提升幅度逐漸降低。綜合來看，當陶瓷纖維層數為2，3層時，試件抗彎沖擊性能差異較小，由于2層陶瓷纖維施工更便捷，因此將其確定為最佳布置層數。

3 陶瓷纖維增強機理

通過對試件制作過程、試驗過程及破壞形態的觀察，對陶瓷纖維改善試件抗彎沖擊性能的機理進行分析，主要表現在以下方面。

1)混凝土是由多種材料混合而成的，在正常的混凝土試件制作過程中，會因多種原因導致試件本身存在一定缺陷，如振搗不均勻、骨料下沉等。由于本試驗采用層布式的方式添加陶瓷纖維，分層振搗更充分，且陶瓷纖維起攔截作用，攔截骨料的下沉，保證混凝土內部不同材料分布的均勻性，提高混凝土均質性等內在性能，避免出現混凝土內部由于空隙或裂縫引起的應力集中現象，從而充分發揮混凝土的性能。

2)陶瓷纖維屬于柔性纖維，柔性纖維極限伸長率大、抵抗變形能力強，大量亂向分布的陶瓷纖維在一定程度上提高了混凝土試件極限拉伸應變及斷裂能。

3)依照斷裂力學理論，在沖擊荷載作用下，混凝土試件受到沖擊破壞，主要是由混凝土內部裂縫的產生和擴展導致的，無論何種材料，裂縫的產生和擴展均需消耗能量，其中新裂縫產生所需的能量遠大于裂縫擴展所需的能量。由于陶瓷纖維非常細，大量陶瓷纖維分散在混凝土中，在試件內部形成抗空間支撐體系。同時，纖細的陶瓷纖維與粗大的粉煤灰顆粒、水泥顆粒、砂粒等充分接觸，減少了混凝土試件內部微裂縫的產生。陶瓷纖維具有較高的彈性模量和黏結強度，增加了微裂縫擴展所需的能量，且陶瓷纖維拔出及拔斷過程同樣需要消耗大量的能量，所以有效提高了混凝土試件抗彎沖擊性能。

4 經濟性分析

當陶瓷纖維摻量為0.34～3.1kg/m3時，層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊性能較素混凝土試件可提高26.7%～119.2%。已有研究表明[11-12]，當玄武巖纖維摻量為2，2.5kg/m3時，玄武巖纖維混凝土試件抗彎沖擊性能較素混凝土試件可提高50%～180%；當鋼纖維摻量為30，50，80kg/m3時，層布式鋼纖維混凝土試件抗彎沖擊性能較素混凝土試件可提高60%～240%。目前陶瓷纖維、玄武巖纖維及鋼纖維價格分別約為6 050，7 200，4 100元/t，經粗略測算，當層布式陶瓷纖維混凝土試件、玄武巖纖維混凝土試件、層布式鋼纖維混凝土試件獲得相同的抗彎沖擊性能時，層布式陶瓷纖維混凝土試件成本最低，具有廣闊的應用空間。

5 結語

1)綜合來看，陶瓷纖維最優體積摻量為0.2%，陶瓷纖維最優布設層數為2層。

2)以抗彎沖擊耗能為評價指標時，當陶瓷纖維體積摻量固定時，陶瓷纖維層數越多，試件抗彎沖擊性能提升效果越好；當陶瓷纖維層數固定時，試件抗彎沖擊耗能隨著陶瓷纖維體積摻量的增加呈先增大后減小的趨勢。

3)以初裂沖擊次數、破壞沖擊次數及二者差值為評價指標時，當陶瓷纖維層數固定時，試件初裂沖擊次數、破壞沖擊次數及二者差值均隨著陶瓷纖維體積摻量的增加呈先增大后減小的趨勢；當陶瓷纖維體積摻量為0.2%時，不同陶瓷纖維層數下的試件初裂沖擊次數、破壞沖擊次數及二者差值均達較優效果值。

4)以抗彎沖擊耗能為評價指標時，當陶瓷纖維層數固定時，陶瓷纖維體積摻量對試件抗彎沖擊性能的影響程度從高到低排序依次為0.2%，0.3%，0.1%；當陶瓷纖維體積摻量固定時，試件抗彎沖擊耗能隨著陶瓷纖維層數的增加而增加，但增加幅度逐漸減小。

5)以初裂沖擊次數、破壞沖擊次數及二者差值為評價指標時，當陶瓷纖維體積摻量固定時，試件初裂沖擊次數、破壞沖擊次數及二者差值均隨著陶瓷纖維層數的增加而增大，但增加幅度逐漸減小。

6)陶瓷纖維作為性能優異的柔性纖維，可提高混凝土抗彎沖擊性能，且成本較低，具有廣闊的應用空間。