張存亮，弓 銳，張存明

(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，西安 710054;2.西安公路研究院，西安 710054;3.濟寧市東方建設工程監(jiān)理有限責任公司，山東 濟寧 272000)

混凝土是現代最重要的結構材料，具有抗壓強度高、剛度大的特性 ，但抗裂性、抗沖擊性和變形能力較差。國內外的許多專家學者將纖維定為增強混凝土性能的核心材料。纖維增強混凝土是將兩種或多種不同性能、不同尺寸的纖維摻入混凝土基材中，使其在不同尺寸和性能層次上相互補充，以達到配制高性能混凝土的目的。

1 纖維混凝土的增強機理

1.1 纖維間距理論

纖維間距理論是根據線彈性斷裂力學來說明纖維對于裂縫發(fā)生和發(fā)展的約束作用。這種理論認為，在混凝土內部存在固有缺陷和裂紋，若想提高強度和韌度，必須盡可能減小缺陷程度，降低混凝土體內裂縫端部的應力集中。

ROMUALDI等人對定向纖維混凝土試件進行了抗彎拉與劈裂試驗，進一步提出纖維混凝土的強度和韌性只由纖維的平均間距控制的觀點。通過試驗表明，纖維混凝土的初裂應力與纖維間距的平方根成反比，并且分別提出了在纖維混凝土纖維呈三維亂向分布時纖維平均中心間距ˉs的計算公式為

沈榮熹提出的計算公式為

式(1)～式(4)中，d為纖維直徑，Vf為纖維體積率，SFS為單位體積纖維混凝土中纖維的表面積。

1.2 復合材料理論

對于復合材料，材料復合的主要目的是改善材料的力學性能。復合材料理論出發(fā)點是復合材料構成的混合原理，將纖維增強混凝土看作是增強的復合材料，假定混凝土基體和纖維處于完全黏結的條件下，并且在混凝土基體和纖維連續(xù)構成的復合體上，柱狀纖維是一維單向配制于基體中的。該復合體的強度是由纖維與基體的體積比和應力所共同決定的。復合材料抗拉強度 σcf為

式中，σcf為復合材料抗拉強度;σft為纖維材料的抗拉強度;σmt為基體混凝土的抗拉強度;Vf為纖維體積;Vm為基體體積;Vc為復合材料體積。

混凝土基體與纖維充分黏結條件為

式中，Ec，Ef，Em分別為復合材料、纖維、基體混凝土彈性模量。

復合材料理論將纖維增強混凝土看作是纖維強化體系，并應用混合原理來推定纖維混凝土的抗拉和抗彎強度，提出了纖維混凝土強度與纖維的摻入量、方向以及黏結力之間的關系。

2 試驗方法及試驗內容

2.1 試驗原材料

水泥采用525#普通硅酸鹽水泥;碎石要求具備一定的強度，還應有較好的耐磨性。聚丙烯纖維采用大東和深圳聚丙烯纖維，體積率分別為0.1%、0.2%，其物理特性見表1。

表1 聚丙烯特征參數

鋼纖維選用上?！罢鎻姟钡募羟行弯摾w維。形狀如圖1所示。特征參數見表2。

圖1 鋼纖維

表2 鋼纖維特征參數

2.2 纖維混凝土的配合比及試件

混凝土配合比:水193 g，水泥450 g，砂子 703 g，石子1 054 g。本試驗參考《鋼纖維混凝土試驗方法》的規(guī)定，抗壓強度試驗試件為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，每組三個試件;抗劈裂試件為150 mm×150 mm×150 mm，每組三個試件;在試件澆筑24 h后脫模并在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d，試驗前3 h從養(yǎng)護室取出晾干。

3 試驗結果及分析

3.1 抗壓強度

本試驗中，加入不同類型、不同體積率的纖維在28 d的抗壓強度見表3。

表3 立方體抗壓強度試驗結果

相同水灰比條件下，體積率分別為0.8%、1.0%條件下端鉤型鋼纖維抗壓強度比普通混凝土強度提高了18.2%，24.6%，比壓痕型鋼纖維強度分別提高了15.6%，20.1%，而壓痕型鋼纖維強度比普通混凝土分別提高了1.06%，3.76%。這說明，鋼纖維混凝土的抗壓強度與鋼纖維的體積摻量及鋼纖維的形狀相關。隨著鋼纖維體積率的增大，其抗壓強度也增大，且端鉤型鋼纖維比壓痕型提高的速度更快。

相同水灰比條件下，體積率為0.1%，0.2%條件下深圳聚丙烯的抗壓強度比普通混凝土提高了2.90%，2.29%，大東聚丙烯比普通混凝土分別提高了13.4%，12.1%。而在體積率分別為0.1%，0.2%時深圳聚丙烯抗壓強度比大東的抗壓強度分別降低了9.23%，8.70%。這說明，纖維混凝土強度與聚丙烯的品種及體積率相關。聚丙烯混凝土強度比普通混凝土強度大，但隨著體積率的增大，大東聚丙烯混凝土強度提高的速度更快。

相同水灰比條件下，當鋼纖維體積率為0.8%，深圳聚丙烯體積率分別為0.1%，0.2%時，其28 d的抗壓強度比普通混凝土分別提高了13.9%，14.9%;在深圳聚丙烯體積率為0.1%，鋼纖維體積率為1.0%時，28 d的抗壓強度比普通混凝土強度提高了3.47%。由此說明，復合纖維混凝土強度并非隨纖維體積摻量的增加而無限增大，而是存在最優(yōu)體積率，此試驗最優(yōu)體積率為1.0%。

3.2 劈裂強度

由表4得，當鋼纖維體積率為0.8%和1.0%時，3 d，7 d，28 d的劈裂抗拉強度最大都發(fā)生在纖維體積率為1.0%左右，且比普通混凝土強度分別提高了41.8%，4.9%，2.1%。這說明，試塊的劈裂抗拉強度與纖維混凝土的纖維摻量有關，摻量越大，強度影響越明顯。

由表5得，聚丙烯纖維摻量在0.5% ～3.6%時，3 d，7 d，28 d的劈裂抗拉強度都隨摻量的增加，其強度先增后減最后再增加。3 d，7 d，28 d的強度最大值都發(fā)生在體積摻量為1.0%左右，分別比普通混凝土強度提高了13.5%，11.9%，8.75%。這說明，聚丙烯纖維混凝土的劈裂抗拉強度在早期的提高更明顯。

表4 鋼纖維混凝土3 d，7 d，28 d劈裂抗拉強度 MPa

表5 聚丙烯纖維混凝土3 d，7 d，28 d劈裂抗拉強度 MPa

由表6得，同水灰比條件下，當鋼纖維體積率為0.8%，聚丙烯摻量為 0.1% ～0.2% 時，3 d，7 d，28 d的劈裂抗拉強度分別提高了14.9%，28.2%，2.4%;當聚丙烯體積率為0.2%，鋼纖維體積率為0.8% ～1.0%時，3 d，7 d，28 d的劈裂強度分別降低了6.8%，7.05%，2.0%?？梢?，在纖維所占的體積率為1%左右，劈裂強度最好，隨著體積率的增加，纖維摻量的增加，纖維均勻分散變得困難，兩種纖維互相抑制，影響了在混凝土中的分散，造成混凝土和易性降低，進而影響纖維混凝土的抗劈裂強度。

表6 復合纖維混凝土3 d，7 d，28 d劈裂強度 MPa

3.3 劈裂破壞特征

由圖2(a)可得，在普通混凝土破壞后，裂縫迅速發(fā)展并斷裂成兩半，在開裂過程中有劈裂聲，并伴有掉塊產生。由圖2(b)裂口可得，纖維是被拉斷而不是被拔出，表明纖維與混凝土的黏結是良好的。由圖2(c)可知，鋼纖維在混凝土中拌合均勻，真正起到骨架的作用。以上說明，隨著纖維體積率的增大，試塊的抗劈裂破壞能力越強，纖維對裂縫的發(fā)展有極強的抑制作用。

圖2 纖維混凝土劈裂破壞狀態(tài)

4 結論

1)纖維混凝土抗壓強度及抗劈裂強度明顯優(yōu)于普通混凝土。本試驗中端鉤型鋼纖維的抗壓強度優(yōu)于壓痕性鋼纖維，深圳聚丙烯纖維混凝土比大東聚丙烯纖維混凝土稍差。

2)隨著纖維摻量的增加，鋼纖維混凝土強度呈現逐漸遞增的趨勢，聚丙烯纖維混凝土的強度先增加而后減少。

3)驗證了復合纖維混凝土在最佳體積率1%條件下，鋼—聚丙烯纖維混凝土的力學性能優(yōu)于其它體積率的鋼—聚丙烯復合纖維混凝土性能。

4)從破壞形態(tài)上可以看出，纖維的摻入，在一定的體積率下能夠很好地預防裂縫的出現，防止裂縫的擴大，能夠有效地預防病害的出現。

5)只是室內試驗，沒有考慮實際施工的影響，需在以后的現場試驗中進一步完善。

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