王志杰，王嘉偉，陳鐵衛(wèi)，朱敢平，史瑞瑾

（1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031；2.天津軌道交通集團(tuán)有限公司，天津 300380；3.玖青新材料科技（上海）有限公司，上海 200062）

為提高普通混凝土的抗裂、抗?jié)B、耐磨等耐久性能，國內(nèi)外學(xué)者提出了在混凝土中摻入纖維的復(fù)合材料技術(shù)［1］。在單一纖維混凝土的基礎(chǔ)上，將不同品種纖維按一定比例摻入基體混凝土中，使之互相作用產(chǎn)生纖維混雜效應(yīng)，以期得到更為優(yōu)異的耐久性能［2］。

纖維混凝土常用的合成纖維包括纖維素纖維、聚乙烯醇纖維等［3-4］。纖維素纖維可提高混凝土的抗?jié)B、抗離子侵蝕、抗碳化等耐久性能，在我國已被應(yīng)用于高速鐵路隧道襯砌、無砟軌道板等重大基礎(chǔ)工程中［5-8］。聚乙烯醇纖維可有效提升混凝土的抗裂、抗沖擊等性能，已被廣泛應(yīng)用于隧道、水庫等土建工程中［9-11］。

目前針對纖維素纖維混凝土與聚乙烯醇纖維混凝土已有不少研究。張文瀟［12］對隧道纖維素纖維混凝土在彎拉荷載與環(huán)境因素共同作用下的耐久性、抗高溫爆裂和受壓徐變性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了纖維素纖維作為混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)纖維的可行性。Noushini等［13］研究了不同體積摻量下聚乙烯醇纖維混凝土性能，以彎曲韌性為指標(biāo)，得到了最優(yōu)纖維體積摻量。曹軍偉［14］對混雜纖維混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)研究，揭示了纖維素-聚乙烯醇混雜纖維混凝土不同性能指標(biāo)間的相關(guān)性。但是，目前的研究對于纖維素纖維和聚乙烯醇纖維的混雜效應(yīng)分析還不深入。本文以混凝土軸心抗壓強(qiáng)度為研究指標(biāo)，對纖維素纖維與聚乙烯醇纖維的混雜效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，為分析2 種纖維的混雜效應(yīng)對混凝土韌性及耐久性的影響提供理論依據(jù)。

1 軸心抗壓試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及配合比

混凝土強(qiáng)度等級為C50。試驗(yàn)使用利森P·O 42.5水泥；粗骨料為都江堰5～20 mm 碎石；細(xì)骨料為樂山河砂，細(xì)度模數(shù)2.6；纖維材料采用玖青新材料科技（上海）有限公司提供的纖維素纖維CTF-960（Cellulose Fiber，抗拉強(qiáng)度960 MPa，下文簡稱CTF）、聚乙烯醇纖維 PF-2000（Polyvinyl Alcohol Fiber，抗拉強(qiáng)度2000 MPa，下文簡稱PF），見圖1。外加劑為高性能減水劑（JFL-2C）和防腐阻銹抗裂防水劑（CFA-ZF），摻和料為F類Ⅱ級粉煤灰和礦粉。纖維材料物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1，配合比及材料用量見表2。

圖1 纖維材料圖

表1 纖維材料物理力學(xué)性能指標(biāo)

表2 混凝土配合比及材料用量

1.2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

采用100 mm×100 mm×300 mm 的棱柱體試件，在混凝土中混摻纖維素纖維、聚乙烯醇纖維，養(yǎng)護(hù)成型28 d后，將試件從養(yǎng)護(hù)室取出，測試混凝土軸心抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)方法參照CECS 13：2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［15］。試驗(yàn)工況采取正交組合，有11 種工況。每種3個試件，共33個試件。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件破壞形態(tài)

混凝土試件軸心受壓破壞形態(tài)見圖2。其中：CTF1.0 表示纖維素纖維摻量為1.0 kg/m3的纖維混凝土試件，其余以此類推。

圖2 混凝土試件軸心受壓破壞形態(tài)

由圖2可以看出：素混凝土破壞后試件表面有一條貫穿的斜向主裂縫，裂縫分岔較少；而纖維混凝土試件破壞后表面出現(xiàn)多條斜向裂縫，這是因?yàn)樵诹芽p擴(kuò)展過程中纖維的存在使得裂縫尖端易發(fā)生應(yīng)力重分布。

2.2 結(jié)果分析

纖維混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)βf為

式中：fcpf為纖維混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度；fcp為素混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度。

當(dāng)βf＞1 時，纖維對基體混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度有增大作用；當(dāng)βf＜1 時，纖維對基體混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度有減小作用。通過計(jì)算得到試件軸心抗壓強(qiáng)度，每種工況取3 個試件的平均值，依據(jù)式（1）計(jì)算得到βf，見表3。

表3 混凝土軸心抗壓試驗(yàn)結(jié)果

從表3可知：①CTF 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度隨CTF摻量的增大先增大后減小，CTF 摻量為1.5 kg/m3時軸心抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值63.8 MPa，與素混凝土相比增大了6.8 MPa；PF混凝土軸心抗壓強(qiáng)度隨著PF摻量的增大而減小，PF 摻量在0～2 kg/m3時混凝土軸心抗壓強(qiáng)度減小趨勢較為平緩，PF摻量為3.5 kg/m3時急劇減小到41 MPa，與素混凝土相比減小了16 MPa。②當(dāng)CTF 摻量不變時，隨著PF 摻量增大CTF-PF 混雜纖維混凝土βf逐漸減小，且在 PF 摻量為 3.5 kg/m3時βf大幅減小至0.67。當(dāng)PF 纖維摻量不變時，隨著CTF 摻量增大CTF-PF混雜纖維混凝土βf緩慢增大，但均小于素混凝土。

綜合分析表3數(shù)據(jù)，對于混凝土軸心抗壓強(qiáng)度，纖維單摻情況下CTF 起正向增大作用，PF則起負(fù)向減小作用。當(dāng) 2 種纖維混摻、PF 摻量在 0～2 kg/m3時，再摻入CTF 會產(chǎn)生正混雜效應(yīng)，軸心抗壓強(qiáng)度提高。但是，PF3.5 纖維混凝土軸心抗壓強(qiáng)度為41 MPa，CTF1.2+PF3.5 混雜纖維混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度為38.1 MPa，即CTF 的摻入反而降低了軸心抗壓強(qiáng)度，產(chǎn)生負(fù)混雜效應(yīng)。

3 纖維混雜效應(yīng)對混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律

參考國內(nèi)外針對纖維混雜效應(yīng)的研究方法［16-17］，本文引入纖維混雜效應(yīng)函數(shù)來表征CTF 和PF 混摻對混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的影響。該函數(shù)的值即為βf。

式中：f（x，y，z，…）為纖維混雜效應(yīng)函數(shù)；x，y，z是不同纖維的體積摻量，可由質(zhì)量摻量換算。

針對CTF-PF混雜纖維混凝土，則有

式中：fcp（i，j）為CTF-PF 混雜纖維混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的混雜效應(yīng)函數(shù)；i，j分別為CTF和PF的體積摻量。

利用MATLAB 對試驗(yàn)得到的CTF-PF 混雜纖維混凝土βf與2 種纖維體積摻量進(jìn)行多項(xiàng)式曲面擬合，結(jié)果見圖3。

圖3 CTF-PF 混雜纖維混凝土βf與2 種纖維體積摻量的擬合曲面

相應(yīng)的CTF-PF 混雜纖維混凝土軸心抗壓強(qiáng)度混雜效應(yīng)函數(shù)fcp（i，j）為

相關(guān)系數(shù)R2為 0.982，說明fcp（i，j）可用于表征CTF 和PF單摻、混摻情況下混凝土軸心抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。根據(jù)式（3）和式（4）可通過少量試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測特定摻量CTF-PF 混雜纖維混凝土βf。已知相同配合比的素混凝土軸心抗壓強(qiáng)度時，可利用式（1）預(yù)測相應(yīng)摻量纖維混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度，為以后研究CTF-PF 混摻對混凝土耐久性、彎曲韌性的影響奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

1）在混凝土中摻入纖維素纖維可提高混凝土軸心抗壓強(qiáng)度。隨著纖維素纖維摻量的增大，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度先增大后減小，纖維素纖維的最優(yōu)摻量為1.5 kg/m3，對應(yīng)的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度為63.8 MPa。

2）在基體混凝土中摻入聚乙烯醇纖維會減小混凝土軸心抗壓強(qiáng)度。聚乙烯醇纖維摻量在0～2 kg/m3時混凝土軸心抗壓強(qiáng)度減小幅度并不明顯，但聚乙烯醇纖維摻量為3.5 kg/m3時混凝土軸心抗壓強(qiáng)度明顯減小。

3）聚乙烯醇纖維摻量小于2 kg/m3，纖維素纖維摻量小于1.2 kg/m3時，產(chǎn)生正混雜效應(yīng)，所得混雜纖維混凝土軸心抗壓強(qiáng)度優(yōu)于單摻相應(yīng)摻量聚乙烯醇纖維的混凝土；但聚乙烯醇纖維摻量為3.5 kg/m3時再摻入纖維素纖維會產(chǎn)生負(fù)混雜效應(yīng)，降低混凝土軸心抗壓強(qiáng)度。

4）基于MATLAB 多項(xiàng)式曲面擬合求得纖維混雜效應(yīng)函數(shù)，該函數(shù)可表征纖維素纖維和聚乙烯醇纖維在單摻、混摻情況下軸心抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。