纖維塑性混凝土在活動斷裂帶隧道設計中的力學試驗

周啟坤，陳興碧，周 航

（1.貴州恒安檢測科技有限公司，貴州 遵義 563000；2.遵義混凝土鑫技術服務有限公司，貴州 遵義 563000）

1 引言

纖維塑性混凝土具有更大的韌性和延展性，可以更好地吸收應變能。通過抗壓強度、劈裂抗拉強度、延展性和韌性確定混凝土的力學特性。

2 樣品制備

2.1 聚乙烯醇纖維

聚乙烯醇（PVA）纖維具有較高的強度、較高的彈性模量和較低的斷裂伸長率，并且PVA纖維與水泥的粘結力很強，在工程應用中優于聚丙烯纖維、聚酯纖維等其他纖維。PVA纖維的物理性能指標表（略）。主要研究了纖維體積分數對塑性混凝土力學性能和變形性能的影響。

2.2 正交試驗

選取水泥、水、膨潤土、粘土、砂、石子等6個主要因素進行正交試驗。以28 d齡期試件的抗壓強度、劈裂抗拉強度、彈性模量和拉壓比作為評價指標。最后確定了最優配合比，研究了不同纖維體積分數（0%、0.10%、0.20%、0.30%和0.40%）塑性混凝土在單軸壓縮和劈裂拉伸試驗下的應力-應變曲線和破壞特征。

2.3 纖維塑性混凝土試件

塑性混凝土試件按以下步驟制備。首先，將纖維拌入水泥中，充分混合，以水泥作為分散材料使纖維均勻分散。先將砂和石子放入攪拌機中攪拌30 s，然后加入膨潤土和粘土繼續攪拌30 s，最后加入水泥纖維混合料并加水繼續攪拌2 min。倒出拌合好的混凝土，按照《混凝土質量控制標準》進行坍落度試驗，確定混凝土的和易性。坍落度試驗測試完畢后，將新鮮混凝土倒入模具中制備尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的立方體試件。每個編號均制備6個試件，其中3個用于單軸壓縮試驗，另外3個用于劈裂拉伸試驗，根據《水工塑性混凝土試驗規程》進行測試，萬能試驗機的加載速率為0.05 kN/s。試驗前，試件在標準養護室內（溫度為20±2 ℃，濕度為95±0.5%）養護28 d。取3個數據的平均值作為最終測試結果。

3 測試結果和討論

3.1 和易性

塑性混凝土坍落度隨纖維體積分數的變化規律結果顯示，隨著纖維體積分數的增加，混合料的坍落度逐漸減小。由于PVA 纖維的隨機分布，使混合料的摩擦阻力和剪切阻力增大，同時降低了混合料的流動性。此外，PVA纖維的表面和內部也會吸收一定量的水，可能導致混合料中的自由水減少。由于這兩個原因，坍落度值急劇下降。由坍落度曲線可知，當纖維體積分數小于0.20%時，坍落度下降得更快，當纖維體積分數大于0.20%時，坍落度下降較為緩慢。

3.2 單軸壓縮試驗及結果

混凝土在不同纖維體積分數時單軸壓縮試驗的應力-應變曲線如圖1 所示。加載開始時，不同纖維體積分數的試件均處于壓實狀態，應力-應變曲線基本重合。隨著試驗的進行，應力-應變曲線開始出現輕微偏離。在應力-應變曲線出現第一個拐點后，應力迅速增加，應變變化很小。不同纖維體積分數的試件峰值應力差異較大。達到峰值之后，應力隨應變的增大而減小。纖維體積分數對應力下降速率和最終殘余強度有較大影響。產生這種結果的主要原因是內部的纖維產生粘合效應，提高了抗拉強度。同時，纖維韌性阻礙了裂縫發展，既延緩了破壞過程，又使試件保持一定完整性。

圖1 塑性混凝土單軸壓縮試驗應力-應變曲線圖

塑性混凝土不同纖維體積分數的抗壓強度的變化規律如圖2所示。在其他摻量相同的情況下，隨著纖維體積分數的增加，塑性混凝土的抗壓強度逐漸增大。當纖維體積分數為0.10%時，纖維塑性混凝土的抗壓強度為3.13 MPa，低于對照組。當纖維體積分數從0.10%增加到0.20%時，混凝土抗壓強度為3.64 MPa，增加了16.30%。當纖維體積分數超過0.20%時，抗壓強度增長緩慢。纖維對塑性混凝土的影響主要。首先是纖維與基體之間的結合力；其次是纖維的填充效果；最后是纖維的吸水性。纖維的體積分數越大，吸水率越大。因此，隨著纖維體積分數的增加，基體水膠比減小，單軸抗壓強度增大。然而，當纖維體積分數增加到一定程度時，纖維的填充效果開始起主要作用。與吸水率相反，充填效應的增加會導致抗壓強度的降低，綜合效應導致單軸抗壓強度緩慢增加。

圖2 塑性混凝土不同纖維體積分數的抗壓強度圖

3.3 劈裂拉伸試驗及結果

塑性混凝土不同纖維體積分數的劈裂抗拉強度的變化規律如圖3 所示。可以看出，塑性混凝土的劈裂抗拉強度總體上隨著PVA 纖維體積分數的增加而增大。當體積分數從0.10%增加到0.20%時，混凝土的劈裂抗拉強度增加了0.12 MPa（增加32.43%），體積分數從0.20%增加到0.30%時，混凝土的劈裂抗拉強度僅增加了0.02 MPa（增加4.08%）。纖維體積分數為0.20%是劈裂抗拉強度增長的分界點。

圖3 塑性混凝土不同纖維體積分數的劈裂抗拉強度圖

3.4 拉壓比

纖維塑性混凝土的拉壓比隨著PVA纖維體積分數的增加而增大。摻入PVA纖維的塑性混凝土拉壓比大于對照組的拉壓比。較大的比值意味著纖維塑性混凝土的脆性較小，塑性變形能力較大，極大地有利于連接材料的柔韌性。

3.5 彈性模量和韌性指數

摻入纖維后的塑性混凝土彈性模量均小于對照組，纖維體積分數為0.20%時的彈性模量大于其它纖維摻量時的彈性模量。可能是制備樣品時纖維會吸收水分，隨著纖維體積的增加，可加工性變低，導致混凝土的彈性模量減小。塑性混凝土的韌性指數隨纖維體積分數的增加而線性增加。纖維對提高塑性混凝土基體的韌性有顯著作用。

4 結語

①纖維體積分數小于0.20%時，纖維塑性混凝土的單軸抗壓強度隨著纖維體積分數的增加而下降，纖維體積分數大于0.20%時，隨著纖維體積分數的增加，單軸抗壓強度略有增加。纖維塑性混凝土的拉壓比大于對照組。表明纖維塑性混凝土脆性小，塑性變形能力大，可以吸收斷層引起的變形。②彈性模量與纖維體積分數的相關性不顯著。應綜合考慮纖維的強度、變形性能和分散性，選擇合理的纖維體積分數。