氯鹽侵蝕下竹纖維增強混凝土靜動態力學性能試驗研究

張舒翔

（四川農業大學土木工程學院，四川 成都 611830）

混凝土是一種廣泛應用于建筑領域的材料，具有高抗壓強度和經濟性等優點。然而，普通混凝土存在抗裂性能差和抗折強度低等問題[1]。雖然人工合成纖維可以在一定程度上提高混凝土的性能，但是其生產成本較高，就會增加混凝土的綜合成本[2]。竹纖維增強混凝土劈裂抗拉性能較好，能增強延性，減少裂縫，延緩開裂[3]。隨著近海建筑群迅速擴張，越來越多的建筑面臨海水侵蝕的問題。海水侵蝕是近海建筑研究的一個重要領域。

為探究氯鹽侵蝕下對竹纖維增強混凝土強度的影響，該試驗對不同竹纖維長度及摻量下的混凝土開展其靜態和動態的受力性能試驗。探究了在氯鹽侵蝕下竹纖維長度、摻量及氯鹽侵蝕時間對混凝土靜態性能的影響規律以及竹纖維對混凝土動態受力性能的作用規律。

1 試驗材料與方法

試驗選用P·O42.5R 硅酸鹽水泥，粉煤灰選用密度為2300kg/m3的一級粉煤灰，細骨料選用細度模數為2.6 的中砂，粗骨料選用粒徑為5mm～20mm 的碎石，減水劑選用聚羧酸系高效減水劑，所用的水為自來水。試驗所用的竹纖維長度分別為30mm 和45mm，設計的竹纖維體積分數摻量為0%（素混凝土）、1%和2%。竹纖維增強混凝土配合比見表1。

表1 竹纖維增強混凝土配合比

試樣在標準條件（溫度為（20±3） ℃，相對濕度≥90%）下進行養護。制備的試件尺寸包括2 種規格：Φ70 mm×150 mm（用于靜態壓縮試驗）和Φ70 mm×35 mm。共進行4 種類型的試驗：靜態壓縮試驗、靜態劈裂抗拉試驗、動態壓縮試驗和動態劈裂抗拉試驗。其中，靜態壓縮試驗和劈裂抗拉試驗采用電子萬能試驗機完成。動態壓縮和劈裂抗拉試驗采用直徑為74mm 的分離式霍普金森壓桿（SHPB）裝置完成。

2 靜態試驗結果及分析

圖1 為竹纖維增強混凝土的單軸壓縮強度。在竹纖維摻量為1%的混凝土中，竹纖維長度為30 mm 的試件其單軸壓縮強度與素混凝土相比下降了18.9%，竹纖維長度為45 mm 的試件其受壓強度與混凝土相比下降了16.2%。然而，當竹纖維摻量為2%時，與竹纖維摻量為1%的試件相比，其抗壓強度提升了4%～6%。這說明竹纖維量增加可在一定程度上提高竹纖維的抗拉拔結作用，從而直接影響竹纖維增強混凝土的強度。

圖1 竹纖維增強混凝土靜態抗壓強度

圖2 為竹纖維增強混凝土試件的劈裂抗拉強度。在加載過程中，竹纖維增強混凝土試件在開裂后裂縫發展緩慢，由于亂向分布的竹纖維起拉結作用和傳遞應力的作用，裂縫分散為幾條，裂縫寬度也較小，塑性變形較為顯著，延性較好，破壞時也不會突然斷裂崩壞，仍由竹纖維連成整體。從圖2 中可以得出，在一定范圍內，隨著竹纖維摻量增加，可在一定程度上提高竹纖維增強混凝土的劈裂抗拉強度，大約提升了9%～12%。

圖2 竹纖維增強混凝土的靜態劈裂抗拉強度

將圖1 與圖2 對比發現，兩者有相似的變化規律。與竹纖維增強混凝土相比，雖然素混凝土在強度方面略有下降，但是在抗裂性能方面明顯提高。這也進一步證實了竹纖維對混凝土的韌性有一定的提升作用。同時，由于竹纖維存在，混凝土的破壞過程更緩慢。

表2 和表3 分別為在氯鹽不同浸泡時間下的竹纖維增強混凝土試件的抗壓強度和劈裂抗拉強度。顯而易見，在氯鹽侵蝕作用下，無論是素混凝土還是竹纖維增強混凝土的強度均在一定程度上有所下降。隨著浸泡時間增加，混凝土的強度下降得更明顯。對比未浸泡的混凝土試件與在氯鹽溶液中浸泡了90 天的混凝土試件，會發現素混凝土的單軸抗壓強度下降了約40%，而竹纖維增強混凝土均下降了20%～30%。除此之外，素混凝土的劈裂抗拉強度下降約30%，而竹纖維增強混凝土均下降了5%～15%。這說明加入竹纖維，可填充混凝土內部的部分孔隙，在一定程度上提高混凝土的抗氯鹽侵蝕能力。隨著竹纖維摻量增加，混凝土的抗氯鹽侵蝕能力也隨之增強。

表2 氯鹽不同浸泡時間的竹纖維增強混凝土靜態抗壓強度

表3 氯鹽不同浸泡時間的竹纖維增強混凝土靜態劈裂抗拉強度

3 動態試驗結果及分析

該試驗選取竹纖維長度為45 mm的試件進行動態沖擊試驗，分別在竹纖維摻量為0%、1%以及2%的不同應變率條件下，竹纖維增強混凝土動態壓縮應力-應變特征如圖3 所示。

圖3 不同應變率下的竹纖維增強混凝土動態壓縮應力-應變特征

通過觀察可以發現所有實驗組上升線性段，基本不隨應變率及纖維含量變化而變化，即彈性模量變化不大。這也從另一方面反映了應變率和竹纖維對混凝土力學性能的影響與裂紋失穩擴展密切相關。除此之外，與素混凝土相比，竹纖維增強混凝土應力應變曲線的塑性上升段和破壞下降段更平緩，且頂部具有更小的曲率。同時，竹纖維增強混凝土的破壞應變顯著大于素混凝土。根據并結合相近應變率下試樣的破壞情況，對比素混凝土碎塊大小基本均勻，竹纖維增強混凝土碎塊，隨著纖維含量增加，碎塊大小不一，附著較多纖維的碎塊明顯較大。說明竹纖維對混凝土有增強其韌性的作用。

同時，隨著試驗的應變率提高，試樣失效模式逐漸由靜態主裂紋擴展轉變為多裂紋主擴展，試件的抗壓強度增加。同時，由于裂紋擴展速率是有限的，隨著應變率增加，裂紋擴展的滯后現象也越來越明顯，因此抗壓強度增加。在相近的應變率下，竹纖維增強混凝土的抗壓強度基本低于素混凝土。隨著應變率上升，竹纖維增強混凝土與素混凝土的抗壓強度差異性相對較小，這就說明竹纖維對混凝土動態抗壓強度的增強作用并不顯著。

圖4 為高應變率下的氯鹽侵蝕時間對竹纖維增強混凝土的動態抗壓強度的影響。結果表明，在高應變率下，竹纖維增強混凝土的動態抗壓強度仍低于素混凝土。然而，隨著在氯鹽溶液中浸泡時間增長，竹纖維增強混凝土的動態抗壓強度下降的速率比素混凝土慢。素混凝土的動態抗壓強度受到氯鹽侵蝕的影響更明顯。這就說明竹纖維在一定程度上可以提高混凝土抵抗氯鹽侵蝕的能力，并提高混凝土的耐久性。

圖4 高應變率下的氯鹽侵蝕時間對竹纖維增強混凝土的動態壓縮性能影響

表4 為竹纖維增強混凝土在動態劈裂抗拉方面的主要力學參數。竹纖維提高混凝土的劈裂強度對應變率敏感，隨著應變率增加，所有組試樣的劈裂強度單調增加。雖然竹纖維增強混凝土的動態劈裂抗拉強度仍低于素混凝土，但是竹纖維的摻入提高了混凝土的韌性。隨著竹纖維摻量增加，混凝土的動態劈裂抗拉強度也有一定程度地提高。這說明，在沖擊荷載作用下，竹纖維能夠幫助混凝土起到緩沖和吸能，并在混凝土中起到抗拉咬合作用，從而抑制混凝土裂縫的發展，并提高混凝土力學性能的效果。

表4 動態劈裂抗拉下的竹纖維增強混凝土的主要力學參數

4 結論

竹纖維增強混凝土在開裂過程中，橫跨于裂縫上的竹纖維能夠有效地限制混凝土裂縫進一步擴展。這種特性克服了混凝土抗拉強度低、易開裂等固有缺陷，提高了混凝土的變形能力。

竹纖維增強混凝土的強度對應變率敏感。由于裂紋擴展速率有限，隨著應變率增加，竹纖維能夠滯后地阻止裂紋進一步擴展，導致抗壓強度上升。

竹纖維的加入能夠填充混凝土內部的部分孔隙，從而在一定程度上提高混凝土抵抗氯鹽侵蝕的能力，提高混凝土的耐久性。