樂(lè)東釗， 姜久紅， 文 韜， 王云飛

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

中國(guó)交通運(yùn)輸部在2015年發(fā)布的《交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，我國(guó)境內(nèi)的公路總里程達(dá)到了457.7公里，公路總密度提高到 47.68 公里/百平方公里，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了世界上大多數(shù)的國(guó)家。由于水泥混凝土與瀝青混凝土相比擁有較高的承載力、較長(zhǎng)的使用時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)[1]，常常被運(yùn)用于道路橋梁工程中。但普通水泥混凝土抗彎以及抗裂性能較差，且養(yǎng)護(hù)與修復(fù)難度極大，所以許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試在水泥混凝土中添加纖維材料來(lái)改善水泥混凝土的各方面性能。鄧宗才[2]等研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)混凝土中加入玻璃纖維后能夠明顯增強(qiáng)其抗彎沖擊性能，提高混凝土的耐久性；李永靖[3]等經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加入一定量的玻璃纖維后，水泥混凝土的抗折以及劈拉強(qiáng)度顯著提升，但對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升并不十分明顯；沈武[4]等經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，耐堿玻璃纖維對(duì)水泥混凝土的抗折以及劈拉強(qiáng)度有很明顯的提高，同時(shí)提高了混凝土的韌性；劉亞飛[5]等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)玻璃纖維能在一定程度上增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度，但是會(huì)減小混凝土的彈性模量；Alireza Dehghan[6]等經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，從回收的玻璃纖維和原始E玻璃纖維中回收的纖維會(huì)對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不良影響，但有助于提高其劈拉強(qiáng)度。Faiz A Mirza[7]等研究發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維可以抑制混凝土裂紋的擴(kuò)展，同時(shí)還能提升混凝土的彎曲韌性。

本試驗(yàn)探究在不同摻量下，普通玻璃纖維、耐堿玻璃纖維對(duì)混凝土流動(dòng)性與力學(xué)性能的影響，分析影響玻璃纖維混凝土流動(dòng)性與力學(xué)性能的因素，為配制更好的纖維混凝土材料提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

選用湖北京蘭P.O 42.5級(jí)水泥，S95級(jí)礦粉；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.5的江砂，細(xì)度模數(shù)2.6的機(jī)砂；粗骨料為粒徑5-25 mm的普通碎石；外加劑采用聚羧酸減水劑，減水率為31%；玻璃纖維為直徑為12 μm，密度為2.68 g/cm3的普通玻璃纖維(GF)，直徑為20 μm，密度為2.72 g/cm3的耐堿玻璃纖維(AR)。

1.2 配合比

混凝土的配合比通過(guò)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55-2011)[8]來(lái)制定，強(qiáng)度為C30。膠凝材料采用水泥與礦粉，水膠比為0.35，減水劑摻量為膠凝材料的2.4%，并在此條件下分別添加0 kg/m3、3 kg/m3、6 kg/m3、9 kg/m3、12 kg/m3的玻璃纖維。配合比如表1所示。

1.3 試件制備與方法

混凝土采用HJS-60型雙臥軸混凝土試驗(yàn)用攪拌機(jī)攪拌，為了避免玻璃纖維在混凝土中分布不均勻，適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)攪拌時(shí)間。玻璃纖維的摻量每增加3 kg/m3，攪拌時(shí)間相應(yīng)地延長(zhǎng)2 min。待攪拌完成后，先使用坍落度測(cè)定儀來(lái)測(cè)定拌和物的坍落度，隨后將拌合物澆筑于模具中，在振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)成型，在試塊成型24 h后脫模，放入有標(biāo)準(zhǔn)條件的養(yǎng)護(hù)室里養(yǎng)護(hù)28 d，取出后清除試塊表面附著的污垢，待試塊上的水分消失。

表1 混凝土配合比

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)[9]和《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS：13-2009)[10]對(duì)玻璃纖維混凝土進(jìn)行抗壓與抗折試驗(yàn)。在YAW-3000型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上對(duì)27個(gè)150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，加載速率為0.5 MPa/s。在CBT1105-D微機(jī)控制電子壓力試驗(yàn)機(jī)上對(duì)27個(gè)150 mm×150 mm×550 mm的棱柱體試塊進(jìn)行抗折試驗(yàn)，加載速率為0.05 MPa/s，抗折試驗(yàn)采取四點(diǎn)彎曲的方法。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 流動(dòng)性

良好的流動(dòng)性是保證澆筑成型的混凝土試塊質(zhì)量的重要因素，試驗(yàn)在保證混凝土的粘聚性能和保水性能良好的情況下，測(cè)定不同玻璃纖維混凝土的坍落度(表2)。

表2 玻璃纖維混凝土的坍落度

從表2可以看出：隨著玻璃纖維摻量的增加，玻璃纖維混凝土的坍落度逐漸降低，當(dāng)玻璃纖維摻量從0增加到12 kg/m3，普通玻璃纖維混凝土的坍落度從210 mm降低到142 mm，普通玻璃纖維混凝土的坍落度從210 mm降低到156 mm。究其原因，玻璃纖維作為拌合物之一，同樣需要水泥砂漿的包裹，這導(dǎo)致包裹砂石等材料的水泥砂漿相對(duì)減少，混凝土原先的整體平衡被打破，流動(dòng)性自然會(huì)受到影響。另一方面，玻璃纖維具有很強(qiáng)的吸附性，其吸水率在正常情況下能夠達(dá)到10%～20%。隨著玻璃纖維摻量的增加，其吸收的水分會(huì)越來(lái)越多，導(dǎo)致混凝土的流動(dòng)性越來(lái)越差。

2.2 抗壓強(qiáng)度

試塊的抗壓破壞形態(tài)如圖1所示。隨著荷載的不斷增加，普通混凝土試塊表面的裂紋越來(lái)越明顯，且擴(kuò)展迅速。當(dāng)達(dá)到極限荷載后，試件在無(wú)任何征兆的情況下突然崩裂破壞，并伴隨著劇烈聲響，同時(shí)試件表面嚴(yán)重剝落。相較于普通混凝土，玻璃纖維混凝土試塊破壞的時(shí)候并沒(méi)有劇烈聲響，裂紋相對(duì)于普通混凝土來(lái)說(shuō)更細(xì)小，擴(kuò)展速度比普通混凝土慢，破壞時(shí)整體性較好。當(dāng)玻璃纖維摻量越多，破壞時(shí)整體性越好。這是由于分布在混凝土中的玻璃纖維起到了關(guān)鍵的橋接作用，阻礙了裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展。

圖 1 混凝土抗壓破壞形態(tài)

混凝土的抗壓強(qiáng)度公式為

其中fcc為立方體的抗壓強(qiáng)度，MPa；F為混凝土試塊的極限荷載，N；A為試塊的受壓面積,mm2。

玻璃纖維摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖2所示。

圖 2 玻璃纖維摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從圖2可以看出，在普通混凝土中摻入3 kg/m3、6 kg/m3、9 kg/m3、12 kg/m3的兩種不同玻璃纖維，普通玻璃纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度較普通混凝土提高了3.3%～14.9%，當(dāng)普通玻璃纖維的摻量為6 kg/m3時(shí)增長(zhǎng)幅度最大。耐堿玻璃纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度較普通混凝土提高了7.1%～23.5%，當(dāng)耐堿玻璃纖維的摻量為9 kg/m3時(shí)增長(zhǎng)幅度最大。這是因?yàn)樵诨炷羶?nèi)部呈空間均勻分布的玻璃纖維與水泥砂漿有效粘結(jié)，減緩了混凝土中裂縫的擴(kuò)展速度，防止新裂縫的出現(xiàn)，在改善混凝土變形性能的同時(shí)，提升了混凝土的抗壓強(qiáng)度。耐堿玻璃纖維對(duì)混凝土抗壓性能改善效果明顯好于普通玻璃纖維，這是因?yàn)槟蛪A玻璃纖維能更好地與水泥砂漿粘結(jié)在一起，同時(shí)普通玻璃纖維的耐腐蝕性差，容易被混凝土中的高堿物質(zhì)所侵蝕，而減弱了對(duì)混凝土力學(xué)性能的改善效果。當(dāng)普通玻璃纖維的摻量超過(guò)6 kg/m3，耐堿玻璃纖維的摻量超過(guò)9 kg/m3后，兩種玻璃纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度不升反降，這是由于摻量過(guò)多，玻璃纖維在攪拌時(shí)容易“結(jié)團(tuán)”，“結(jié)團(tuán)”現(xiàn)象使混凝土內(nèi)部受力不均，并且會(huì)使玻璃纖維之間難以形成有效的纖維網(wǎng)絡(luò)，所以，混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。

2.3 抗折強(qiáng)度

普通混凝土發(fā)生抗折破壞時(shí)表現(xiàn)為明顯的脆性破壞，荷載達(dá)到極限值后瞬間降低，在破壞時(shí)發(fā)生劇烈聲響。而玻璃纖維混凝土在荷載達(dá)到極限值后緩緩降低，且破壞時(shí)僅有很低沉的聲響。

混凝土的抗折強(qiáng)度公式為

其中:ff為棱柱體的抗壓強(qiáng)度，MPa；F為混凝土試塊的極限荷載，N；l為支座間距,mm；b為試塊的截面寬度，mm；h為試塊的截面高度,mm。

玻璃纖維摻量對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響如圖3所示。

圖 3 玻璃纖維摻量對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響

從圖3可以看出，混凝土的抗折強(qiáng)度同樣呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，但抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)的幅度要優(yōu)于抗壓強(qiáng)度。

當(dāng)普通混凝土中分別添加3 kg/m3、6 kg/m3、9 kg/m3、12 kg/m3的兩種不同玻璃纖維后，混凝土的抗折強(qiáng)度得到了不同程度的提升。普通玻璃纖維混凝土的抗折強(qiáng)度較普通混凝土提高了7.7%～32.6%，耐堿玻璃纖維混凝土的抗折強(qiáng)度較普通混凝土提高了15.8%～43.9%，這是因?yàn)楫?dāng)試塊受到應(yīng)力作用后，分布在混凝土內(nèi)部的玻璃纖維可以橋接與傳遞應(yīng)力，減緩了裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，從而提升了混凝土的抗折強(qiáng)度。當(dāng)普通玻璃纖維的摻量為9 kg/m3時(shí)改善效果最佳，耐堿玻璃纖維的摻量為6 kg/m3時(shí)改善效果最佳。摻量繼續(xù)增加后，兩種玻璃纖維混凝土的抗折強(qiáng)度不升反降，這是因?yàn)楫?dāng)摻量過(guò)多時(shí)，玻璃纖維無(wú)法有效地與水泥砂漿粘結(jié)在一起。因此，在探究玻璃纖維對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響時(shí)，需要同時(shí)考慮玻璃纖維的改善效果，與水泥砂漿粘結(jié)不良引起的強(qiáng)度降低這兩方面因素。

2.4 折壓比

混凝土的折壓比為混凝土的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比，它是衡量混凝土力學(xué)性能與脆性性能的一個(gè)重要指標(biāo)，折壓比越大，混凝土的韌性則越強(qiáng)，反之則越弱。表3為不同類型混凝土的折壓比。

表3 混凝土折壓比

由表3可知，相較普通混凝土，當(dāng)摻入玻璃纖維后，混凝土的折壓比有著不同程度的提高，當(dāng)普通玻璃纖維的摻量為9 kg/m3時(shí)，折壓比達(dá)到最大，較普通混凝土提高了21.3%。當(dāng)耐堿玻璃纖維的摻量為6 kg/m3時(shí)，折壓比達(dá)到最大，較普通混凝土提高了23.8%。

玻璃纖維摻量對(duì)混凝土折壓比的影響如圖4所示。

圖 4 玻璃纖維摻量對(duì)混凝土折壓比的影響

從圖4可以看出，當(dāng)混凝土中摻入兩種玻璃纖維后，其折壓比呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，但從整體上來(lái)說(shuō)，折壓比均得到不同程度的提升。這表明玻璃纖維能夠改善混凝土的脆性性能，提高混凝土的韌性。

3 結(jié)論

1)玻璃纖維混凝土的流動(dòng)性隨著玻璃纖維摻量的增加而逐漸降低。

2)玻璃纖維的摻入改善了混凝土的抗壓與抗折破壞形態(tài)，提升了混凝土的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度，耐堿玻璃纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的改善效果要優(yōu)于普通玻璃纖維。當(dāng)耐堿玻璃纖維的摻量為9 kg/m3時(shí)，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度改善最佳，其抗壓強(qiáng)度提高了23.5%。當(dāng)耐堿玻璃纖維的摻量為6 kg/m3時(shí)，對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度改善最佳，其抗折強(qiáng)度提高了43.9%。

3)玻璃纖維的摻入整體上提高了混凝土的折壓比，改善了混凝土的脆性性能，增強(qiáng)了混凝土的韌性。