宋 敏 馬文飛 張?jiān)讫?/p>

（吉林建筑大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130118）

0 引言

混凝土被廣泛應(yīng)用在建筑、橋梁、道路建設(shè)中。但普通水泥混凝土自身屬于脆性材料，易開(kāi)裂，而混凝土開(kāi)裂很難修復(fù)?；炷翐郊永w維是有效改善水泥基復(fù)合材料韌性和強(qiáng)度的重要方法之一，目前比較常用的纖維類(lèi)型有碳纖維、鋼纖維、天然纖維、聚合物和玻璃纖維等。不同纖維的性能存在明顯差異，混雜纖維相較于單一纖維可能會(huì)產(chǎn)生協(xié)同的混雜效應(yīng)，充分發(fā)揮各種纖維的增韌和增強(qiáng)效應(yīng)[1,2]。有研究者試驗(yàn)探討了纖維混雜對(duì)混凝土抗沖擊、抗彎和抗拉強(qiáng)度的影響，結(jié)果顯示纖維混雜能夠發(fā)揮協(xié)同作用，有利于阻止裂縫的形成與發(fā)展，增強(qiáng)混凝土的抗沖擊性能［3,4］。本文將通過(guò)抗壓試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)研究摻雜鋼纖維與耐堿玻璃纖維對(duì)混凝土的力學(xué)性能的影響，從而得出混凝土中最佳的纖維摻量。

1 纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響研究成果

鋼纖維混凝土在纖維增強(qiáng)混凝土中有很大的應(yīng)用前景。Shi等[5]根據(jù)研究得出體積摻量為1.0%的鋼纖維能較好地抑制裂縫的開(kāi)展，使混凝土韌性達(dá)到最大值。高丹盈等[6,7]通過(guò)單軸受壓試驗(yàn)對(duì)鋼纖維再生混凝土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)摻入鋼纖維使再生混凝土發(fā)生剪切破壞，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線更加飽滿，說(shuō)明了鋼纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)具有優(yōu)越作用。

玻璃纖維混凝土在增強(qiáng)混凝土的韌性方面也有不小的作用。WC Wang 等[8]研究發(fā)現(xiàn)在混凝土中加入短玻璃纖維時(shí)，如果纖維量過(guò)大則會(huì)降低混凝土的抗折強(qiáng)度，當(dāng)加入的玻璃纖維足夠長(zhǎng)時(shí)，抗折強(qiáng)度會(huì)隨著纖維用量的增加而增加。Paulmakesh等[9]的研究表明0.75%的摻量是最佳纖維百分比，且隨著纖維百分比的增加試件強(qiáng)度逐漸下降，說(shuō)明玻璃纖維對(duì)混凝土的韌性就具有明顯提升。

混雜纖維混凝土是由水泥、砂子、骨料和混雜纖維等材料混合而成，其中的混雜纖維可以提高混凝土的耐久性和其他性能。混雜纖維混凝土通常比傳統(tǒng)的混凝土更耐久、更可靠，且具有更好的抗裂性能和沖擊性能，因此被廣泛用于各種重載和高耐久性的結(jié)構(gòu)中。混雜纖維通常采用不同種類(lèi)和長(zhǎng)度的纖維，如鋼纖維、聚丙烯纖維等，這些纖維可以增加混凝土的抵抗性能，從而提高混凝土的抗裂和抗沖擊能力。Raj D S ,Ramachandran A[10]研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維和混雜纖維(鋼纖維與聚丙烯纖維)對(duì)混凝土梁抗剪性能的影響，結(jié)果表明混雜纖維混凝土的劈拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彈性模量均高于鋼纖維混凝土。混雜纖維在混凝土中的作用機(jī)理是通過(guò)形成一個(gè)連續(xù)的纖維網(wǎng)絡(luò)，吸收和分散力量，限制和分散裂縫的形成和擴(kuò)展，從而提高混凝土的耐久性和其他性能。

2 試驗(yàn)研究

2.1 原材料及配合比

2.1.1 原材料

（1）水泥：吉林亞泰水泥有限公司生產(chǎn)，P·Ⅱ水泥，強(qiáng)度等級(jí)52.5，密度3.65g/cm3。

（2）骨料：機(jī)制砂級(jí)配如圖1所示。

圖1 機(jī)制砂級(jí)配

（3）粉煤灰：河北盛意礦產(chǎn)品貿(mào)易有限公司生產(chǎn)，Ⅰ級(jí)粉煤灰，細(xì)度10.6%，含水量0.11，強(qiáng)度活性指數(shù)74%。

（4）硅灰：含水量0.65%，SiO2含量90.14%。

（5）減水劑：HLX 聚羧酸高性能減水劑，減水率30%，含氣量3%。

（6）水：實(shí)驗(yàn)室用水，符合規(guī)范要求。

（7）鋼纖維：武義能大金屬制品有限公司生產(chǎn)的鍍銅鋼纖維，直徑0.20 ㎜,長(zhǎng)度12.91 ㎜，抗拉強(qiáng)度3015MPa。

（8）耐堿玻璃纖維：匯爾杰新材料科技股份有限公司生產(chǎn)的耐堿玻璃纖維，線密度2553tex，含水率0.12%，斷裂強(qiáng)度0.33N/tex，單纖維直徑13.1μm。

2.1.2 配合比

膠凝材料中水泥65%，硅灰15%，粉煤灰20%；水在材料中的體積摻量為20%；減水劑體積摻量為0.1%；鋼纖維的摻量有1.0%、1.5%、2.0%三種，耐堿玻璃纖維的摻量有1.0%、1.5%、2.0%、2.5%四種，一共12 組試驗(yàn)。試驗(yàn)的水膠比為0.2，砂膠比為0.7。具體配合比見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比（單位：kg/m3）

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

本試驗(yàn)拌合物采用《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080-2016）的規(guī)定進(jìn)行拌合制備，采用機(jī)械攪拌，振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)成型，室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。攪拌中，為防止纖維攪拌不充分，發(fā)生成團(tuán)現(xiàn)象，攪拌時(shí)先加入機(jī)制砂攪拌30s，之后邊攪拌邊加入稱好的玻璃纖維，加入玻璃纖維時(shí)必須慢慢攪拌，使得玻璃纖維較均勻地分布在混凝土中；玻璃纖維全部加入后，充分?jǐn)嚢?0s；再加入水泥、硅灰、粉煤灰充分?jǐn)嚢?0s，然后再用20㎜的篩網(wǎng)用搖篩的方式加入鋼纖維，最后加入水，讓其充分?jǐn)嚢?0s。試驗(yàn)所用儀器如圖2所示。

圖2 混凝土試塊制備儀器

本試驗(yàn)制備100mm×100mm×100mm 的試塊72塊，100mm×100mm×400mm 的棱柱體試塊36 塊。試驗(yàn)測(cè)試了試塊的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度3個(gè)力學(xué)性能，由此測(cè)試鋼纖維與玻璃纖維對(duì)混凝土試塊性能的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 抗壓強(qiáng)度

纖維摻量對(duì)混凝土試塊28d抗折強(qiáng)度的影響如圖3所示。由圖3可知，混凝土試塊的抗折強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與劈裂抗拉強(qiáng)度大致相同，即為先升后降。其中抗折強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的增加而增加，玻璃纖維摻量為2%時(shí)，試塊的抗折強(qiáng)度變化率為13.17%、9.99%；玻璃纖維在摻量為2%時(shí)，試塊的抗折強(qiáng)度最高，當(dāng)鋼纖維摻量在2%時(shí)，試塊的抗折強(qiáng)度隨玻璃纖維摻量增加而變化的幅度為0.34%、24.19%、-18.74%。由圖3可知，鋼纖維與耐堿玻璃纖維對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度都有影響，呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。其中，鋼纖維和耐堿玻璃纖維對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響都是先提升后降低。在耐堿玻璃纖維摻量為2%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高，當(dāng)摻量提升至2.5%時(shí)抗壓強(qiáng)度略有下降，從含鋼纖維摻量為1.5%的試塊中可以看出，隨著玻璃纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度相較于上一組的強(qiáng)度變化為1.93%、8.51%、-4.58%；在鋼纖維的摻量為1.5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高，在鋼纖維摻量提升至2%時(shí)抗壓強(qiáng)度有所下降但仍高于鋼纖維摻量為1%時(shí)的抗壓強(qiáng)度。觀察玻璃纖維摻量為2%的試塊可知，隨著鋼纖維摻量的增加混凝土的強(qiáng)度變化為17.47%、-7.82%。

圖3 混凝土試塊28d抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼纖維與玻璃纖維都可以提升混凝土的抗壓強(qiáng)度，但纖維摻量過(guò)高時(shí)混凝土強(qiáng)度就會(huì)下降。這是因?yàn)楫?dāng)試塊受到豎向荷載時(shí)，試塊會(huì)發(fā)生橫向變形，而內(nèi)部的纖維依靠與機(jī)體的粘結(jié)力來(lái)限制試塊橫向變形，延緩裂縫發(fā)展，鋼纖維的抗裂性能更加的優(yōu)越，所以鋼纖維對(duì)試塊抗壓性能的提升要高于玻璃纖維所帶來(lái)的提升，而當(dāng)鋼纖維與玻璃纖維超過(guò)1.5%與2%時(shí)，此時(shí)混凝土中的玻璃纖維摻量過(guò)多，攪拌時(shí)分散不均勻，包裹在玻璃纖維表面的水泥漿體變少，纖維與基體之間的粘結(jié)力下降，這使得纖維還未達(dá)到自身的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)就被拔出基體之中，抗拉能力沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)，導(dǎo)致混凝土試塊抗壓強(qiáng)度降低；鋼纖維在試塊的澆筑與振動(dòng)中，由于自重會(huì)發(fā)生沉降，導(dǎo)致鋼纖維在試塊中分布不均勻，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，混凝土試塊出現(xiàn)缺陷，導(dǎo)致混凝土試塊提前被破壞。在本試驗(yàn)中抗壓強(qiáng)度最優(yōu)的試塊的纖維摻量為：鋼纖維1.5%，玻璃纖維2%。

3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

纖維摻量對(duì)混凝土試塊劈裂抗拉強(qiáng)度的影響如圖4 所示。由圖4 可知，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著纖維摻量的增加呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì)，即先升后降。但在玻璃纖維摻量一定的情況下，混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著鋼纖維的摻量增加而增加，觀察玻璃纖維摻量為2%的混凝土試塊，隨著鋼纖維摻量增加混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度的變化為16.39%、11.12%；而玻璃纖維不同，觀察鋼纖維摻量為2%的混凝土試塊，隨著玻璃纖維摻量的增加混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度的變化為46.25%、4.28%、-10.27%。

圖4 混凝土試塊劈裂抗拉強(qiáng)度

試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度在鋼纖維與玻璃纖維的影響下都有提升，且劈裂抗拉強(qiáng)度隨鋼纖維增加而增加，這是因?yàn)殇摾w維具有良好的抗拉性能，它與混凝土一起吸收能量，阻止混凝土試塊的開(kāi)裂，直至鋼纖維停止發(fā)揮作用，且本試驗(yàn)中使用的鋼纖維為12mm的長(zhǎng)纖維，較之短纖維更不易被拔出而導(dǎo)致混凝土抗拉強(qiáng)度降低；而玻璃纖維摻量在0～2%之間時(shí)，混凝土試塊的抗拉強(qiáng)度在提升，這時(shí)混凝土試塊中的玻璃纖維量達(dá)到最優(yōu)，玻璃纖維之間分布較為均勻，間距也較小，這時(shí)玻璃纖維能夠提供的抗拉性能得到最大程度的發(fā)揮，當(dāng)超過(guò)2%時(shí)，玻璃纖維就不能很好地分散在混凝土試塊中，從而抗拉強(qiáng)度下降。在本試驗(yàn)中劈裂抗拉性能最好的試塊的纖維摻量為：鋼纖維2%，玻璃纖維2%。

3.3 抗折強(qiáng)度

纖維摻量對(duì)混凝土試塊抗折強(qiáng)度的影響如圖5 所示。根據(jù)圖5可知，混凝土試塊的抗折強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與劈裂抗拉強(qiáng)度大致相同，即為先升后降。其中抗折強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的增加而增加，玻璃纖維摻量為2%時(shí)，試塊的抗折強(qiáng)度變化率為13.17%、9.99%；玻璃纖維在摻量為2%時(shí)，試塊的抗折強(qiáng)度最高，當(dāng)鋼纖維摻量在2%時(shí)，試塊的抗折強(qiáng)度隨玻璃纖維摻量增加而變化的幅度為0.34%、24.19%、-18.74%。

圖5 混凝土試塊抗折強(qiáng)度

試驗(yàn)結(jié)果表明，玻璃纖維與鋼纖維都可以增加試塊的抗折強(qiáng)度，提升混凝土的韌性。纖維間距理論認(rèn)為，在混凝土內(nèi)部存在固有缺陷，如要提高強(qiáng)度，必須盡可能減小缺陷程度，提高材料的韌性，即抗變形能力，降低混凝土體內(nèi)裂縫端部的應(yīng)力集中系數(shù)。纖維在脆性材料中起阻止裂縫擴(kuò)展的作用。本試驗(yàn)中的纖維摻量對(duì)混凝土試塊抗折性能的影響與其對(duì)劈裂抗拉性能的影響大體相似，鋼纖維由于其出色的抗拉性能對(duì)混凝土試塊的抗折強(qiáng)度起到了很大的提升作用；在混凝土試塊中存在臨界纖維體積率，當(dāng)玻璃纖維體積率大于一定量時(shí)才會(huì)起到明顯的增強(qiáng)作用，本試驗(yàn)中玻璃纖維體積摻量達(dá)到2%時(shí)，混凝土試塊的抗折強(qiáng)度得到的提升最大，當(dāng)超過(guò)2%時(shí)，混凝土試塊中的纖維就會(huì)發(fā)生纖維分散不均勻，纖維與基體之間的粘結(jié)力下降，抗折能力下降。本試驗(yàn)中最優(yōu)的纖維摻量為：鋼纖維2%，玻璃纖維2%。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于抗壓試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)、抗折試驗(yàn)3種力學(xué)性能試驗(yàn)，研究了耐堿玻璃纖維與鋼纖維混摻對(duì)混凝土性能的影響，得出如下結(jié)論：

（1）鋼纖維與玻璃纖維都可以提升混凝土的抗壓強(qiáng)度，但相較于玻璃纖維而言，鋼纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升更大。

（2）鋼纖維與玻璃纖維對(duì)混凝土試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度都有提升，但當(dāng)玻璃纖維摻量超過(guò)2%后就會(huì)降低。

（3）本次試驗(yàn)中所有的抗壓試塊、劈裂抗拉試塊與抗折試塊在測(cè)試中只出現(xiàn)裂縫，沒(méi)有出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，更沒(méi)有直接被破壞。這表明鋼纖維與玻璃纖維可以提高混凝土的抗裂性能。

（4）不同玻璃纖維摻量對(duì)于抗壓強(qiáng)度的提升為1.93%、8.51%、-4.58%，對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的提升分別為46.25%、4.28%、-10.27% 與0.34%、24.19%、-18.74%。可知玻璃纖維對(duì)混凝土的劈裂抗拉與抗折性能的提升要大于對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升。

（5）最優(yōu)纖維混摻摻量為：鋼纖維2%，玻璃纖維2%。