超早强混杂纤维混凝土断裂性能的研究

张青松

（重庆交通大学土木工程学院， 重庆 400074）

0 引言

经过70年代欧洲、美、日经济发达的国家和80年代的我国学者对钢纤维增强混凝土的大量探索研究之后发现纤维确实能提高混凝土的抗裂、抗拉强度，掺加了钢纤维的混凝土克服了素混凝土抗拉强度低、延伸率小、脆性等缺点[1]。但是提高的程度有限，而其对混凝土的韧度提高较为明显。一方面，高于2%的钢纤维掺量的混凝土的和易性较差导致施工难度较大；另一方面，传统的钢纤维虽然能明显提高混凝土强度但是价格昂贵，性价比不高，除用在特殊要求的场合，因此价格高和对混凝土的增强效果低是影响、制约钢纤维在混凝土中应用的两个局限[2]。因此本文对2%体积率以下的钢纤维掺量增韧作用进行相关的实验研究。

根据有关测量断裂韧度的测试标准，采取标准测量试件尺寸。本实验最终确定超早强混杂纤维混凝土的试件尺寸为：计算跨径S取为300mm，厚度B为100mm，高度W为100mm,预制裂缝高为50mm.

将由万能试验机绘制的荷载位移图得到的混杂纤维混凝土的起裂荷载均值分别代入到上公式得到起裂韧度Kic绘成柱状图如图1。

1 实验材料和实验方法

1.1 实验材料

实验采用42.5级普通硅酸盐水泥。粗石和细石调和成所需的骨料，具体比例为粗石比细石为4比1，粗骨料的最大粒径为20mm,连续级配的石灰石碎石。细骨料为中粗河沙。高效减水剂为萘系减水剂，各项性能指标均达到或超过标准中高效减水剂的要求，掺量为水泥用量的0.8%。采用百强牌超早强剂，掺入该产品可减水18%以上,在标准养护条件下，三天可达设计强度, 能满足本实验所需要的超早强的效果, 掺量为水泥量的4%。实验所用的两种主要纤维的主要性能参数见表1所示。由于要考虑钢纤维拌合料的和易性而影响施工难度，钢纤维配合比应根据使用环境和强度要求进行合理的设计。初步估算素混凝土的配合比为水泥:水:砂:石=1.00: 0.37: 1.41: 2.22。

表1 2种纤维主要参数表Table 1 The main parameters of the two fibers.

图1 ASTM起裂断裂韧度Fig.1 ASTM initiation fracture toughness

从图1可以看出：纯聚丙烯纤维混凝土的断裂韧度与素混凝土相比增益比不大，掺加纯聚丙烯纤维对混凝土的韧性起的作用不大，随着龄期增大聚丙烯纤维对混凝土的增韧效果越来越不明显；在钢纤维掺量为1.3%的时，超早强混杂纤维混凝土断裂性能最好。

随着龄期的增大，而素混凝土与纯聚丙烯纤维混凝土起裂韧度都略有减小，分析认为是由于混凝土内部密实度发生变化使得其弹性模量有小幅度增长，而断裂韧性却略有减少。随着龄期的增大，掺加了钢纤维的混杂纤维混凝土的起裂韧度有增大的趋势，分析认为钢纤维起到了很好的阻裂作用，且不随着龄期的增大而减小，说明随着钢纤维的加入改变了这种韧性降低的现象。

1.2 实验方法

实验共设计5组实验，包括: 只掺入0.15%的聚丙烯纤维的混凝土(编号C);初始配合比的素混凝土(编号P)；钢纤维掺量分别为0.7%、1.0%、1.3%的3组混杂纤维混凝土(编号S1,S2,S3)。每组配合比5个试件，并做7天和14天2个龄期的试件量，总计50个。

实验采用的是在MTS系列微机控制电子万能试验机进行三点弯曲法测试超早强混杂纤维混凝土的各项指标，三点弯曲法的受力特点是在跨中受到一个集中荷载，在其中部区域形成一个纯弯曲段。试验机上的位移传感器、力传感器（量程为1000KN,精度为10N）能通过数据自动采集系统将数据准确的导入电脑中并自动精确绘制图线。

2 混杂纤维混凝土断裂性能分析

断裂韧度Kic是材料在研究混凝土断裂性能主要的参数之一，主要是混凝土在抗折实验中抵抗裂纹扩展能力的一个表现[3]。材料的断裂韧性Kic与试件厚度B裂纹长度A和试件高度W有关，在试验中，按照线弹性断裂力学。ASTM建议的断裂韧性的指标Kic的计算公式如下：

式中P为试件条件荷载的平均值。

3 实验结论

（1）素混凝土与纯聚丙烯纤维混凝土断裂韧度很小且相差不大，掺加纯聚丙烯纤维对混凝土的没有很强的增韧作用;断裂韧度随着龄期的增大有略微的减小，是由于阻裂效应会随着龄期的不断增大使得其弹性模量有小幅度增长，而断裂韧性却略有减少。

（2）在掺加了钢纤维的超早强混杂纤维混凝土断裂性能比素混凝土较大的提高，随着钢纤维的掺量的体积率的增加混杂纤维混凝土断裂性能及其增益比增加较为显著。随着龄期的增大，混杂纤维混凝其断裂性能也增加较为显著。钢纤维的加入改变了素混凝土随龄期增加断裂性能降低的现象。纤维混杂掺入超早强普通混凝土中，能够起到较好的改善基体的耗能能力、增强韧性的作用。并且在这过程中，增强韧性的作用是钢纤维起主导作用。