張青松

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074）

0 引言

經(jīng)過70年代歐洲、美、日經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家和80年代的我國(guó)學(xué)者對(duì)鋼纖維增強(qiáng)混凝土的大量探索研究之后發(fā)現(xiàn)纖維確實(shí)能提高混凝土的抗裂、抗拉強(qiáng)度，摻加了鋼纖維的混凝土克服了素混凝土抗拉強(qiáng)度低、延伸率小、脆性等缺點(diǎn)[1]。但是提高的程度有限，而其對(duì)混凝土的韌度提高較為明顯。一方面，高于2%的鋼纖維摻量的混凝土的和易性較差導(dǎo)致施工難度較大；另一方面，傳統(tǒng)的鋼纖維雖然能明顯提高混凝土強(qiáng)度但是價(jià)格昂貴，性價(jià)比不高，除用在特殊要求的場(chǎng)合，因此價(jià)格高和對(duì)混凝土的增強(qiáng)效果低是影響、制約鋼纖維在混凝土中應(yīng)用的兩個(gè)局限[2]。因此本文對(duì)2%體積率以下的鋼纖維摻量增韌作用進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。

根據(jù)有關(guān)測(cè)量斷裂韌度的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，采取標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量試件尺寸。本實(shí)驗(yàn)最終確定超早強(qiáng)混雜纖維混凝土的試件尺寸為：計(jì)算跨徑S取為300mm，厚度B為100mm，高度W為100mm,預(yù)制裂縫高為50mm.

將由萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)繪制的荷載位移圖得到的混雜纖維混凝土的起裂荷載均值分別代入到上公式得到起裂韌度Kic繪成柱狀圖如圖1。

1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。粗石和細(xì)石調(diào)和成所需的骨料，具體比例為粗石比細(xì)石為4比1，粗骨料的最大粒徑為20mm,連續(xù)級(jí)配的石灰石碎石。細(xì)骨料為中粗河沙。高效減水劑為萘系減水劑，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或超過標(biāo)準(zhǔn)中高效減水劑的要求，摻量為水泥用量的0.8%。采用百?gòu)?qiáng)牌超早強(qiáng)劑，摻入該產(chǎn)品可減水18%以上,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，三天可達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度, 能滿足本實(shí)驗(yàn)所需要的超早強(qiáng)的效果, 摻量為水泥量的4%。實(shí)驗(yàn)所用的兩種主要纖維的主要性能參數(shù)見表1所示。由于要考慮鋼纖維拌合料的和易性而影響施工難度，鋼纖維配合比應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境和強(qiáng)度要求進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。初步估算素混凝土的配合比為水泥:水:砂:石=1.00: 0.37: 1.41: 2.22。

表1 2種纖維主要參數(shù)表Table 1 The main parameters of the two fibers.

圖1 ASTM起裂斷裂韌度Fig.1 ASTM initiation fracture toughness

從圖1可以看出：純聚丙烯纖維混凝土的斷裂韌度與素混凝土相比增益比不大，摻加純聚丙烯纖維對(duì)混凝土的韌性起的作用不大，隨著齡期增大聚丙烯纖維對(duì)混凝土的增韌效果越來(lái)越不明顯；在鋼纖維摻量為1.3%的時(shí)，超早強(qiáng)混雜纖維混凝土斷裂性能最好。

隨著齡期的增大，而素混凝土與純聚丙烯纖維混凝土起裂韌度都略有減小，分析認(rèn)為是由于混凝土內(nèi)部密實(shí)度發(fā)生變化使得其彈性模量有小幅度增長(zhǎng)，而斷裂韌性卻略有減少。隨著齡期的增大，摻加了鋼纖維的混雜纖維混凝土的起裂韌度有增大的趨勢(shì)，分析認(rèn)為鋼纖維起到了很好的阻裂作用，且不隨著齡期的增大而減小，說明隨著鋼纖維的加入改變了這種韌性降低的現(xiàn)象。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)5組實(shí)驗(yàn)，包括: 只摻入0.15%的聚丙烯纖維的混凝土(編號(hào)C);初始配合比的素混凝土(編號(hào)P)；鋼纖維摻量分別為0.7%、1.0%、1.3%的3組混雜纖維混凝土(編號(hào)S1,S2,S3)。每組配合比5個(gè)試件，并做7天和14天2個(gè)齡期的試件量，總計(jì)50個(gè)。

實(shí)驗(yàn)采用的是在MTS系列微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲法測(cè)試超早強(qiáng)混雜纖維混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)，三點(diǎn)彎曲法的受力特點(diǎn)是在跨中受到一個(gè)集中荷載，在其中部區(qū)域形成一個(gè)純彎曲段。試驗(yàn)機(jī)上的位移傳感器、力傳感器（量程為1000KN,精度為10N）能通過數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的導(dǎo)入電腦中并自動(dòng)精確繪制圖線。

2 混雜纖維混凝土斷裂性能分析

斷裂韌度Kic是材料在研究混凝土斷裂性能主要的參數(shù)之一，主要是混凝土在抗折實(shí)驗(yàn)中抵抗裂紋擴(kuò)展能力的一個(gè)表現(xiàn)[3]。材料的斷裂韌性Kic與試件厚度B裂紋長(zhǎng)度A和試件高度W有關(guān)，在試驗(yàn)中，按照線彈性斷裂力學(xué)。ASTM建議的斷裂韌性的指標(biāo)Kic的計(jì)算公式如下：

式中P為試件條件荷載的平均值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）素混凝土與純聚丙烯纖維混凝土斷裂韌度很小且相差不大，摻加純聚丙烯纖維對(duì)混凝土的沒有很強(qiáng)的增韌作用;斷裂韌度隨著齡期的增大有略微的減小，是由于阻裂效應(yīng)會(huì)隨著齡期的不斷增大使得其彈性模量有小幅度增長(zhǎng)，而斷裂韌性卻略有減少。

（2）在摻加了鋼纖維的超早強(qiáng)混雜纖維混凝土斷裂性能比素混凝土較大的提高，隨著鋼纖維的摻量的體積率的增加混雜纖維混凝土斷裂性能及其增益比增加較為顯著。隨著齡期的增大，混雜纖維混凝其斷裂性能也增加較為顯著。鋼纖維的加入改變了素混凝土隨齡期增加斷裂性能降低的現(xiàn)象。纖維混雜摻入超早強(qiáng)普通混凝土中，能夠起到較好的改善基體的耗能能力、增強(qiáng)韌性的作用。并且在這過程中，增強(qiáng)韌性的作用是鋼纖維起主導(dǎo)作用。