复合纤维混凝土的力学性能试验研究

张存亮，弓 锐，张存明

(1.西安科技大学 建筑与土木工程学院，西安 710054;2.西安公路研究院，西安 710054;3.济宁市东方建设工程监理有限责任公司，山东 济宁 272000)

混凝土是现代最重要的结构材料，具有抗压强度高、刚度大的特性 ，但抗裂性、抗冲击性和变形能力较差。国内外的许多专家学者将纤维定为增强混凝土性能的核心材料。纤维增强混凝土是将两种或多种不同性能、不同尺寸的纤维掺入混凝土基材中，使其在不同尺寸和性能层次上相互补充，以达到配制高性能混凝土的目的。

1 纤维混凝土的增强机理

1.1 纤维间距理论

纤维间距理论是根据线弹性断裂力学来说明纤维对于裂缝发生和发展的约束作用。这种理论认为，在混凝土内部存在固有缺陷和裂纹，若想提高强度和韧度，必须尽可能减小缺陷程度，降低混凝土体内裂缝端部的应力集中。

ROMUALDI等人对定向纤维混凝土试件进行了抗弯拉与劈裂试验，进一步提出纤维混凝土的强度和韧性只由纤维的平均间距控制的观点。通过试验表明，纤维混凝土的初裂应力与纤维间距的平方根成反比，并且分别提出了在纤维混凝土纤维呈三维乱向分布时纤维平均中心间距¯s的计算公式为

沈荣熹提出的计算公式为

式(1)～式(4)中，d为纤维直径，Vf为纤维体积率，SFS为单位体积纤维混凝土中纤维的表面积。

1.2 复合材料理论

对于复合材料，材料复合的主要目的是改善材料的力学性能。复合材料理论出发点是复合材料构成的混合原理，将纤维增强混凝土看作是增强的复合材料，假定混凝土基体和纤维处于完全黏结的条件下，并且在混凝土基体和纤维连续构成的复合体上，柱状纤维是一维单向配制于基体中的。该复合体的强度是由纤维与基体的体积比和应力所共同决定的。复合材料抗拉强度 σcf为

式中，σcf为复合材料抗拉强度;σft为纤维材料的抗拉强度;σmt为基体混凝土的抗拉强度;Vf为纤维体积;Vm为基体体积;Vc为复合材料体积。

混凝土基体与纤维充分黏结条件为

式中，Ec，Ef，Em分别为复合材料、纤维、基体混凝土弹性模量。

复合材料理论将纤维增强混凝土看作是纤维强化体系，并应用混合原理来推定纤维混凝土的抗拉和抗弯强度，提出了纤维混凝土强度与纤维的掺入量、方向以及黏结力之间的关系。

2 试验方法及试验内容

2.1 试验原材料

水泥采用525#普通硅酸盐水泥;碎石要求具备一定的强度，还应有较好的耐磨性。聚丙烯纤维采用大东和深圳聚丙烯纤维，体积率分别为0.1%、0.2%，其物理特性见表1。

表1 聚丙烯特征参数

钢纤维选用上海“真强”的剪切型钢纤维。形状如图1所示。特征参数见表2。

图1 钢纤维

表2 钢纤维特征参数

2.2 纤维混凝土的配合比及试件

混凝土配合比:水193 g，水泥450 g，砂子 703 g，石子1 054 g。本试验参考《钢纤维混凝土试验方法》的规定，抗压强度试验试件为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件，每组三个试件;抗劈裂试件为150 mm×150 mm×150 mm，每组三个试件;在试件浇筑24 h后脱模并在标准养护室养护28 d，试验前3 h从养护室取出晾干。

3 试验结果及分析

3.1 抗压强度

本试验中，加入不同类型、不同体积率的纤维在28 d的抗压强度见表3。

表3 立方体抗压强度试验结果

相同水灰比条件下，体积率分别为0.8%、1.0%条件下端钩型钢纤维抗压强度比普通混凝土强度提高了18.2%，24.6%，比压痕型钢纤维强度分别提高了15.6%，20.1%，而压痕型钢纤维强度比普通混凝土分别提高了1.06%，3.76%。这说明，钢纤维混凝土的抗压强度与钢纤维的体积掺量及钢纤维的形状相关。随着钢纤维体积率的增大，其抗压强度也增大，且端钩型钢纤维比压痕型提高的速度更快。

相同水灰比条件下，体积率为0.1%，0.2%条件下深圳聚丙烯的抗压强度比普通混凝土提高了2.90%，2.29%，大东聚丙烯比普通混凝土分别提高了13.4%，12.1%。而在体积率分别为0.1%，0.2%时深圳聚丙烯抗压强度比大东的抗压强度分别降低了9.23%，8.70%。这说明，纤维混凝土强度与聚丙烯的品种及体积率相关。聚丙烯混凝土强度比普通混凝土强度大，但随着体积率的增大，大东聚丙烯混凝土强度提高的速度更快。

相同水灰比条件下，当钢纤维体积率为0.8%，深圳聚丙烯体积率分别为0.1%，0.2%时，其28 d的抗压强度比普通混凝土分别提高了13.9%，14.9%;在深圳聚丙烯体积率为0.1%，钢纤维体积率为1.0%时，28 d的抗压强度比普通混凝土强度提高了3.47%。由此说明，复合纤维混凝土强度并非随纤维体积掺量的增加而无限增大，而是存在最优体积率，此试验最优体积率为1.0%。

3.2 劈裂强度

由表4得，当钢纤维体积率为0.8%和1.0%时，3 d，7 d，28 d的劈裂抗拉强度最大都发生在纤维体积率为1.0%左右，且比普通混凝土强度分别提高了41.8%，4.9%，2.1%。这说明，试块的劈裂抗拉强度与纤维混凝土的纤维掺量有关，掺量越大，强度影响越明显。

由表5得，聚丙烯纤维掺量在0.5% ～3.6%时，3 d，7 d，28 d的劈裂抗拉强度都随掺量的增加，其强度先增后减最后再增加。3 d，7 d，28 d的强度最大值都发生在体积掺量为1.0%左右，分别比普通混凝土强度提高了13.5%，11.9%，8.75%。这说明，聚丙烯纤维混凝土的劈裂抗拉强度在早期的提高更明显。

表4 钢纤维混凝土3 d，7 d，28 d劈裂抗拉强度 MPa

表5 聚丙烯纤维混凝土3 d，7 d，28 d劈裂抗拉强度 MPa

由表6得，同水灰比条件下，当钢纤维体积率为0.8%，聚丙烯掺量为 0.1% ～0.2% 时，3 d，7 d，28 d的劈裂抗拉强度分别提高了14.9%，28.2%，2.4%;当聚丙烯体积率为0.2%，钢纤维体积率为0.8% ～1.0%时，3 d，7 d，28 d的劈裂强度分别降低了6.8%，7.05%，2.0%。可见，在纤维所占的体积率为1%左右，劈裂强度最好，随着体积率的增加，纤维掺量的增加，纤维均匀分散变得困难，两种纤维互相抑制，影响了在混凝土中的分散，造成混凝土和易性降低，进而影响纤维混凝土的抗劈裂强度。

表6 复合纤维混凝土3 d，7 d，28 d劈裂强度 MPa

3.3 劈裂破坏特征

由图2(a)可得，在普通混凝土破坏后，裂缝迅速发展并断裂成两半，在开裂过程中有劈裂声，并伴有掉块产生。由图2(b)裂口可得，纤维是被拉断而不是被拔出，表明纤维与混凝土的黏结是良好的。由图2(c)可知，钢纤维在混凝土中拌合均匀，真正起到骨架的作用。以上说明，随着纤维体积率的增大，试块的抗劈裂破坏能力越强，纤维对裂缝的发展有极强的抑制作用。

图2 纤维混凝土劈裂破坏状态

4 结论

1)纤维混凝土抗压强度及抗劈裂强度明显优于普通混凝土。本试验中端钩型钢纤维的抗压强度优于压痕性钢纤维，深圳聚丙烯纤维混凝土比大东聚丙烯纤维混凝土稍差。

2)随着纤维掺量的增加，钢纤维混凝土强度呈现逐渐递增的趋势，聚丙烯纤维混凝土的强度先增加而后减少。

3)验证了复合纤维混凝土在最佳体积率1%条件下，钢—聚丙烯纤维混凝土的力学性能优于其它体积率的钢—聚丙烯复合纤维混凝土性能。

4)从破坏形态上可以看出，纤维的掺入，在一定的体积率下能够很好地预防裂缝的出现，防止裂缝的扩大，能够有效地预防病害的出现。

5)只是室内试验，没有考虑实际施工的影响，需在以后的现场试验中进一步完善。

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