鋼纖維和聚丙烯纖維高性能混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

杰德?tīng)杽e克 ，趙海濤 ，巴合特別克 ，周澄 ，加勒哈斯拜

（1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)水利學(xué)科專(zhuān)業(yè)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，江蘇 南京 210098；3.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引言

高性能混凝土（High Performance Concrete，HPC）在普通混凝土原有性能的基礎(chǔ)上大幅度提高了各種性能指標(biāo)，包括耐久性、施工性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等，這使得HPC在各種工程中有著廣泛的應(yīng)用。但實(shí)際工程中HPC易開(kāi)裂，對(duì)混凝土耐久性造成較大影響。在HPC中摻加纖維，可以提高其抗裂性[1]。目前，較為常用的纖維為鋼纖維和聚丙烯纖維[2-3]。本文對(duì)3種不同摻量的鋼纖維和聚丙烯纖維HPC進(jìn)行抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究，分析纖維摻量對(duì)HPC力學(xué)性能的影響，并通過(guò)回歸分析給出抗壓和劈拉強(qiáng)度計(jì)算公式。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：海螺牌P·O42.5水泥；河砂：細(xì)度模數(shù)為2.46；碎石：5～25 mm連續(xù)級(jí)配；萘系高效減水劑：粉狀，減水率18%～25%；粉煤灰：Ⅰ級(jí)，主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等；鋼纖維：陜西神木錦界工業(yè)園區(qū)生產(chǎn)，長(zhǎng)度37 mm，直徑0.5 mm；聚丙烯纖維：河北廊坊大城昊軒建材廠，長(zhǎng)度 12 mm，直徑18～45 μm，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表 1。

表1 聚丙烯纖維的主要性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)配比

本試驗(yàn)基準(zhǔn)HPC配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（水）∶m（砂）∶m（石）∶m（減水劑）=380∶100∶150∶692∶1128∶7.2，在基準(zhǔn)HPC配合比基礎(chǔ)上，分別摻加占材料總質(zhì)量1%、2%、3%的鋼纖維和0.2%、0.3%、0.4%的聚丙烯纖維，共7組試件，每組澆筑12塊，分別用于測(cè)試抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度。

1.3 試驗(yàn)方法

HPC的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度按照SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試。拌制方法為：先向攪拌機(jī)中倒入砂、水泥和部分石子，接著加入部分纖維，攪拌0.5 min后再倒入剩余的石子，接著一邊攪拌一邊繼續(xù)加剩余的所有纖維，以確保纖維能夠分散均勻，最后加入摻有減水劑的拌合水，攪拌1 min后將拌制好的混凝土倒出攪拌機(jī)。

制作尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，利用TYA-2000型電液式壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，加載速率為0.4 MPa/s，劈拉強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，加載速率為0.05 MPa/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 試件的破壞形態(tài)

在立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，相比于未摻纖維的素混凝土，鋼纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土的破壞過(guò)程呈現(xiàn)出較好的塑性，纖維混凝土外層剝落的碎片依靠纖維粘連在一起，保持了較好的整體性。由于試驗(yàn)過(guò)程中纖維的散亂分布，橫跨裂縫處的纖維起到了阻止裂縫擴(kuò)展的作用，并限制了裂縫在骨料之間的擴(kuò)展和貫通，延緩了裂縫的擴(kuò)展。因而可知，纖維混凝土受壓、變形和破壞特征明顯優(yōu)于普通素混凝土，由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄋ苄缘钠茐男螒B(tài)。當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載后繼續(xù)加壓，可觀察到試塊仍具備一定程度的抗壓性能[4]。

2種纖維混凝土立方體試件在劈裂抗拉試驗(yàn)中，受拉處的上下表面出現(xiàn)了幾條微裂縫，縫隙呈豎向分布，試件破壞時(shí)部分連接在一起，出現(xiàn)大裂縫時(shí)荷載下降的速度明顯低于素混凝土，且破壞時(shí)的聲音明顯小于素混凝土，這表明摻入纖維后，混凝土塑性提高，具有較好的劈裂抗拉性能[5]。

2.2 鋼纖維摻量對(duì)HPC抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響（見(jiàn)表2）

表2 鋼纖維摻量對(duì)HPC抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

由表2可見(jiàn)，隨著鋼纖維摻量的增加，HPC的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度均先提高后降低；當(dāng)鋼纖維摻量在0～1%時(shí)，HPC的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的增加而提高，并在摻量為1%時(shí)達(dá)到最大，分別為63.1、3.74 MPa，較未摻纖維的素混凝土分別提高2.60%、53.9%；當(dāng)鋼纖維摻量超過(guò)1%后，抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度反而有所降低，鋼纖維摻量為3%時(shí)，HPC的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度甚至低于不摻鋼纖維的素混凝土。

2.3 聚丙烯纖維摻量對(duì)HPC抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響（見(jiàn)表3）

表3 聚丙烯纖維摻量對(duì)HPC抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

由表3可見(jiàn)：

（1）聚丙烯纖維摻量為0～0.3%時(shí)，隨著聚丙烯摻量的增加，HPC的抗壓強(qiáng)度不斷降低，在聚丙烯纖維摻量為0.3%時(shí)達(dá)到最低，為55.2 MPa；當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.4%時(shí)，HPC的抗壓強(qiáng)度急劇提高，達(dá)到71.1 MPa，較素混凝土提高15.6%。少量聚丙烯纖維對(duì)HPC的抗壓強(qiáng)度有降低作用，當(dāng)摻量大于某一值后，其抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)急劇提高的現(xiàn)象，這與文獻(xiàn)[6]的研究結(jié)果相似。

（2）聚丙烯纖維摻量小于0.3%時(shí)，HPC的劈裂抗拉強(qiáng)度相對(duì)于未摻加纖維的素混凝土略有提高；當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.4%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度急劇提高，達(dá)到4.11 MPa，較素混凝土提高69.1%。這與文獻(xiàn)[6]的結(jié)果相似。

2.4 機(jī)理分析

文獻(xiàn)[7]研究表明，鋼纖維摻量存在一個(gè)最優(yōu)范圍使得抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高值，若摻量超過(guò)此范圍，抗壓強(qiáng)度提高效果不明顯。在鋼纖維HPC抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉試驗(yàn)中，隨著鋼纖維摻量的增加，抗壓及劈裂抗拉強(qiáng)度均呈先提高后降低的趨勢(shì)。纖維摻量較小時(shí)，HPC受壓引起的橫向膨脹變形受到鋼纖維的拉結(jié)約束，間接起到了提高強(qiáng)度的作用，因此強(qiáng)度呈提高的趨勢(shì)；隨著鋼纖維摻量逐漸增大，分散問(wèn)題越發(fā)突出，內(nèi)部出現(xiàn)過(guò)多的薄弱層面，另一方面是由于過(guò)多纖維的摻入同時(shí)也引入了過(guò)多的內(nèi)部缺陷和裂縫，因此強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。故對(duì)鋼纖維來(lái)講，摻量不宜過(guò)高，最佳摻量為1%[8-10]。

隨著聚丙烯纖維摻量的增加，HPC的抗壓強(qiáng)度先降低后提高。造成抗壓強(qiáng)度降低主要有兩方面的原因：一是當(dāng)少量纖維加入HPC時(shí)會(huì)在纖維的表面附著一層水泥砂漿，也就是說(shuō)HPC中膠凝材料含量減小，從而對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生消弱作用；二是由于纖維摻量較少，還不足以在HPC內(nèi)部形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來(lái)提高HPC的力學(xué)性能，使得纖維對(duì)HPC的增強(qiáng)效果小于消弱效果，HPC的力學(xué)性能就會(huì)有所下降。而當(dāng)纖維摻量繼續(xù)增加時(shí)，纖維可以在HPC內(nèi)部形成類(lèi)似的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，發(fā)揮其增強(qiáng)作用，即纖維的增強(qiáng)效果大于消弱效果，此時(shí)HPC的力學(xué)性能隨之提高[11]。

聚丙烯纖維摻量較少時(shí)HPC的劈裂抗拉強(qiáng)度變化不大；但當(dāng)摻量超過(guò)一定范圍后，強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。起始強(qiáng)度變化不大的原因：一是纖維在混凝土內(nèi)部分布不均，出現(xiàn)結(jié)團(tuán)等缺陷所致；二是纖維摻量增加后會(huì)使纖維間距小于臨界值，使纖維相互交叉和纏繞，減少了纖維與基體的接觸面。摻量超過(guò)一定范圍，劈裂抗拉強(qiáng)度急劇提高，其原因與聚丙烯纖維HPC抗壓強(qiáng)度變化機(jī)理類(lèi)似。

3 強(qiáng)度擬合計(jì)算公式

參照CECS 38：2004《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于鋼纖維增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的計(jì)算公式，單摻鋼纖維和聚丙烯纖維HPC抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中：fcu、fts——未摻纖維HPC的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；

ffcu、ffts——纖維混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；

λcw——纖維含量特征值；

Vcw——纖維體積含量；

lcw——纖維長(zhǎng)度，mm；

dcw——纖維直徑，mm；

αcw1、αcw2——纖維HPC的抗壓強(qiáng)度影響系數(shù)；

αtw1、αtw2——纖維HPC的劈裂抗拉強(qiáng)度影響系數(shù)。

經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析得到的計(jì)算公式見(jiàn)表4。

表4 各試驗(yàn)的擬合公式

圖1～圖4為鋼纖維HPC和聚丙烯纖維HPC抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比。

圖1 鋼纖維HPC抗壓強(qiáng)度對(duì)比

圖2 聚丙烯纖維HPC抗壓強(qiáng)度對(duì)比

圖3 鋼纖維HPC劈裂抗拉強(qiáng)度對(duì)比

圖4 聚丙烯纖維HPC劈裂抗拉強(qiáng)度對(duì)比

由圖1～圖4可以看出，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好，趨勢(shì)相同。

4 結(jié)論

（1）鋼纖維對(duì)HPC抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度有一定的提升作用，均隨著鋼纖維摻量的增加呈先提高后降低的趨勢(shì)。摻入少量聚丙烯纖維對(duì)HPC抗壓強(qiáng)度有減弱作用，當(dāng)摻量超過(guò)某范圍時(shí)抗壓強(qiáng)度急劇提高；摻入少量聚丙烯纖維對(duì)HPC劈拉強(qiáng)度影響不大，當(dāng)摻量達(dá)到一定值時(shí)HPC的劈裂抗拉強(qiáng)度急劇提高。

（2）鋼纖維HPC的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度到達(dá)峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的鋼纖維摻量均為1%，聚丙烯纖維HPC的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度到達(dá)峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的摻量均為0.4%。

（3）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，擬合出摻加鋼纖維和聚丙烯纖維HPC的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度的計(jì)算公式，擬合效果較好。

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