黃雪林，羅東志，徐習(xí)寶，朱 磊，謝 飛，沈才華，王 森

(1.宿遷市高速鐵路建設(shè)發(fā)展有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710000；3.中交南京交通工程管理有限公司， 江蘇 南京 211800；4.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實驗室，江蘇 南京 210024)

由于纖維混凝土中的纖維具有延緩微裂縫擴(kuò)展和跨越裂縫承受拉應(yīng)力的作用，使得纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度、變形能力、斷裂能和耐久性能顯著提高，因此纖維混凝土作為一種高強(qiáng)度、高韌性混凝土在工程中應(yīng)用越來越普遍[1-6]。在整個纖維混凝土家族中，經(jīng)微觀力學(xué)設(shè)計的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(Engineered Cementition Composite，ECC)以高延性著名[7]，國內(nèi)統(tǒng)稱為超高韌性混凝土(Ultra-high toughness Concrete)[8]。其中有機(jī)纖維(聚乙烯纖維，聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、尼龍纖維、聚酯纖維等合成纖維和天然植物纖維等)具有輕質(zhì)、耐腐蝕、便宜等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為研究的熱點(diǎn)。江世永等[9]利用正交試驗分析方法，以粉煤灰摻量比、水膠比和聚乙烯醇(PVA)纖維摻量為變量因素，根據(jù)高韌性纖維混凝土極限強(qiáng)度和彎曲韌性的影響規(guī)律，指出影響程度主次順序為: PVA 纖維摻量、粉煤灰摻量比、水膠比；當(dāng)粉煤灰摻量比在1.2，PVA 纖維摻量在2%，水膠比不高于0.27時，材料表現(xiàn)出較好的彎曲韌性。于明鑫等[10]采用改性聚丙烯 (PP) 纖維，優(yōu)化傳統(tǒng)PVA纖維水泥基材料(PVA ECC)配合比，其中PP纖維體積摻量分別為 1.0%、1.5%、2.0%三種，制作超強(qiáng)韌性混凝土(PP ECC)，研究指出 PP 纖維能夠提高鋼筋與水泥基材料的極限黏結(jié)強(qiáng)度，提高極限黏結(jié)強(qiáng)度所對應(yīng)的滑移值。王義超等[11]采用12 mm短切超高分子量聚乙烯纖維作為增強(qiáng)材料，研制了以水泥砂漿為基體的超高延性水泥基復(fù)合材料，研究顯示聚乙烯纖維超高的裂縫橋接能力，大大增加了復(fù)合材料的韌性，拉伸峰值強(qiáng)度處的平均拉伸應(yīng)變達(dá)到12%，最大拉伸應(yīng)變達(dá)到13%以上，具有超高的拉伸延性。雖然目前普遍研究顯示了纖維的增韌增強(qiáng)效果，但由于有機(jī)散纖維的改性效果與纖維的長度、數(shù)量以及和基質(zhì)的黏結(jié)性等眾多因素有關(guān)，甚至攪拌工藝也會影響散纖維在混凝土內(nèi)部的分布狀態(tài)，從而影響纖維混凝土的質(zhì)量[12-13]，因此目前纖維增強(qiáng)效果的作用機(jī)理還不是很清楚，工程應(yīng)用還是依托試驗分析進(jìn)行纖維配比的優(yōu)化必選為主。本文對PVA 纖維、超高分子聚乙烯(UPE)纖維以及兩種纖維混合3類情況進(jìn)行了試驗研究，分析了不同纖維不同配比下纖維混凝土的強(qiáng)度變化規(guī)律，為纖維作用機(jī)理研究提供了參考，并為工程應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

1 試驗概況

1.1 試樣的制作

試樣原材料包括：水泥、石子、砂、水、減水劑、纖維。石子，5 mm～20 mm的連續(xù)級配，含泥量1.9%，不大于3%，符合制作C35-C55混凝土的要求。水，南京地區(qū)自來水。減水劑，HPWR高性能減水劑，減水率26%，泌水率45%，含氣量2.5%。砂，河砂細(xì)度模數(shù)2.6。水泥，“海螺牌”P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

不同纖維的外觀見圖1。其中聚乙烯醇PVA纖維為常州天怡工程纖維公司生產(chǎn)。具體參數(shù)見表1。

表1 PVA纖維力學(xué)參數(shù)性能信息表

超高分子量聚乙烯UPE為湖南中泰特種裝備有限責(zé)任公司生產(chǎn)，具體參數(shù)如表2所示。

表2 UPE纖維力學(xué)性能信息表

圖1 不同纖維的外觀圖

1.2 試驗方案

試驗主要針對聚乙烯醇纖維 PVA、超高分子量聚乙烯纖維 UPE、兩種纖維各占一半，3類情況的纖維體積摻入量分別為0.05%、0.1%、0.2%、0.4%，長度為12 mm，試件尺寸為15 cm×15 cm×30 cm(軸心抗壓強(qiáng)度試驗試樣)，分別進(jìn)行不同齡期抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度變化規(guī)律的試驗研究，并分析抗折比的變化規(guī)律，抗壓抗折試驗一體機(jī)采用江蘇卓恒測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的HG-YH300BD微機(jī)電液伺服壓力試驗機(jī)，提供最大試壓壓力300 kN，最大抗折試驗力20 kN。

制樣步驟如下：首先將砂、石子、水泥依次倒入混凝土攪拌鍋中，干拌2 min，至砂、石子、水泥混合料均勻。其次將水、纖維、減水劑混合后邊攪拌邊倒入攪拌鍋中，混合物加完后繼續(xù)攪拌2 min。最后將混凝土分層澆筑在試模中，并放振動臺振搗密實，放置陰涼處蓋膜澆水養(yǎng)護(hù)。

1.3 試樣材料配比方案

試樣組的組名以及相應(yīng)成分配比如表3所示。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同纖維不同摻入量時纖維混凝土抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律分析

PVA 纖維組、UPE 纖維組、混合纖維組試樣不同齡期抗壓強(qiáng)度(本文實驗分析值為5塊試樣去掉最大值和最小值后的平均值)變化規(guī)律見圖2—圖4。

表3 纖維增強(qiáng)硅酸鹽混凝土的試樣組份配比表

圖2 PVA纖維混凝土抗壓強(qiáng)度示意圖

圖3 UPE纖維混凝土抗壓強(qiáng)度示意圖

抗壓強(qiáng)度分布規(guī)律顯示：未添加纖維的混凝土的早期抗壓強(qiáng)度均最高，3 d抗壓強(qiáng)度為35.3 MPa，其中單摻 PVA纖維的混凝土的3 d抗壓強(qiáng)度相對最低約為30 MPa。說明纖維的加入，在初期沒有發(fā)揮橋接作用，降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度。UPE纖維組的初期強(qiáng)度相對較高，說明 UPE 纖維與混凝土的結(jié)合力比 PVA纖維好。

圖4 混合摻加PVA和UPE纖維混凝土抗壓強(qiáng)度示意圖

不同齡期強(qiáng)度增長速度分布規(guī)律顯示：纖維混凝土7 d前的強(qiáng)度增長速率基本都大于普通混凝土，說明纖維與混凝土基質(zhì)之間的橋接作用在7 d后就開始顯現(xiàn)，強(qiáng)度明顯增加。7 d后的增長速率放緩，但纖維比普通混凝土增長速率快，因此纖維的橋接作用對抗壓強(qiáng)度的增加是明顯的。

2.2 不同纖維不同摻入量時纖維混凝土抗折強(qiáng)度變化規(guī)律分析

PVA 纖維組、UPE 纖維組、混合纖維組試樣不同齡期抗折強(qiáng)度變化規(guī)律見圖5—圖7。

抗折強(qiáng)度分布規(guī)律顯示：摻入纖維后的抗折強(qiáng)度均大于素混凝土的抗折強(qiáng)度；其中UPE纖維組的7 d齡期抗折強(qiáng)度增加最明顯，纖維摻入量0.2%時抗折強(qiáng)度增加最大達(dá)54%；PVA 纖維組的7 d齡期抗折強(qiáng)度增幅平均最小，纖維摻入量0.2%時抗折強(qiáng)度增加最大約14%；混合纖維組的抗折強(qiáng)度介于兩類單摻情況之間，但接近UPE纖維組情況，從經(jīng)濟(jì)性看，由于PVA纖維比UPE便宜，因此混合纖維的綜合效益最高。

圖5 PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度示意圖

圖6 UPE纖維混凝土抗折強(qiáng)度示意圖

圖7 混合摻加UPE+PVA纖維混凝土抗折強(qiáng)度示意圖

2.3 不同纖維不同摻入量時纖維混凝土折壓比變化規(guī)律分析

PVA 纖維組、UPE 纖維組、混合纖維組試樣不同齡期折壓比變化規(guī)律見圖8—圖10。

圖8 單摻PVA纖維混凝土折壓比示意圖

圖9 單摻UPE纖維混凝土的折壓比示意圖

圖10 復(fù)摻UPE和PVA纖維混凝土折壓比示意圖

除了UPE纖維組和混合纖維組在纖維摻量0.1%時，28 d后最終的折壓比略小于素混凝土的折壓比0.118(此時的纖維混凝土的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均大于素混凝土，說明破裂面上纖維的阻裂作用是明顯的，即可以增強(qiáng)混凝土塑性變形能力，增強(qiáng)混凝土介質(zhì)連續(xù)性，緩和試件承載 產(chǎn)生的應(yīng)力集中，抑制混凝土早期裂縫形成及發(fā)展[14]。 但抗壓強(qiáng)度的增幅遠(yuǎn)大于抗折強(qiáng)度的增幅，從而導(dǎo)致折壓比減小)，其他的試樣折壓比均增加了，說明大部分情況下，在抗折斷裂面上，幾乎所有貫穿的纖維都參與阻裂作用，而抗壓時，微裂紋的擴(kuò)展形式和路徑多樣，直接參與阻裂的纖維相對較少，而且抗壓強(qiáng)度本身值比較大，因此折壓比一般都呈現(xiàn)增大規(guī)律，總體上纖維的增韌效果比較明顯。

2.4 不同纖維不同摻入量時28 d強(qiáng)度分布規(guī)律分析

28 d齡期的混凝土水化程度較高，內(nèi)部膠凝成分趨于穩(wěn)定因而力學(xué)性能較穩(wěn)定，能充分反映混凝土終期力學(xué)性能指標(biāo)，是實際工程應(yīng)用的主要參考依據(jù)。28 d齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、折壓比統(tǒng)計見圖11—圖13。

(1) 28 d抗壓強(qiáng)度分布規(guī)律分析。針對UPE纖維混凝土，UPE體積摻量0.1%時抗壓強(qiáng)度最大，較素混凝土抗壓強(qiáng)度提高24.4%，達(dá)56 MPa；摻加0.2%和0.3%的纖維時，強(qiáng)度提高率分別為3%和-3%；纖維體積摻量增加至0.4%時，強(qiáng)度提高率增加為10%。這種抗壓強(qiáng)度變化的規(guī)律與張玉武[15]摻加UPE纖維的立方體試塊抗壓強(qiáng)度規(guī)律比較類似：他分別摻加0.3%、0.5%、0.7%、1.0%的UPE纖維(加捻成線)，得出結(jié)果為0.3%纖維增強(qiáng)效果明顯，0.5%和0.7%提高率下降，1.0%提高率增加但仍不及0.3%摻量的提高率。所以，兩者的試驗不同地方為，本試驗采用的是UPE纖維單絲，而張玉武添加的是加捻400根單絲組成的纖維線，因此總摻入量不同，但總體的規(guī)律一致，說明該規(guī)律主要是受纖維的根數(shù)量影響比較大。

圖11 28 d齡期的纖維混凝土抗壓強(qiáng)度

圖12 28 d齡期纖維混凝土抗折強(qiáng)度

圖13 28 d齡期纖維混凝土折壓比

針對PVA纖維混凝土，隨著纖維含量增加，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律，摻加體積摻量為0.3%時的抗壓強(qiáng)度最大，比素混凝土抗壓值提高6.6%，為48.4 MPa。

針對復(fù)合纖維混凝土，抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律與單摻UPE纖維的變化規(guī)律類似，但隨著摻量變化浮動更小，在復(fù)摻纖維體積摻量0.1%時抗壓強(qiáng)度提高率最高為16.5%，最大抗壓強(qiáng)度53 MPa。

(2) 28 d抗折強(qiáng)度分布規(guī)律分析。單摻PVA和UPE纖維混凝土的抗折強(qiáng)度均隨著纖維的摻量出現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律，從提升抗折性能分析，PVA纖維的最佳摻量為0.2%和0.3%之間，28 d齡期的抗折強(qiáng)度分別為6.8 MPa、6.6 MPa，最大提高率為26%；UPE纖維的最佳摻量為0.1%，28 d齡期的抗折強(qiáng)度為6.1 MPa，提高率為16.7%；復(fù)合摻加的最佳摻量為0.4%，28 d齡期的抗折強(qiáng)度為6.6 MPa，提高率為24.1%。說明PVA纖維對抗折強(qiáng)度提高最明顯，復(fù)合纖維情況下，由于PVA纖維減少，抗折強(qiáng)度最大值也減小，但用一半含量的UPE纖維替換PVA纖維導(dǎo)致的最大抗折強(qiáng)度降低很少，但由于兩種纖維的彈性模量大于混凝土的程度不同，協(xié)同變形的能力不同，破壞時起到了過渡的作用，協(xié)同變形作用下的抗壓強(qiáng)度最大值比單摻入PVA要強(qiáng)很多，說明兩種不同彈性模量的纖維在微裂紋擴(kuò)展過程中起到形成過渡協(xié)同作用的效果。

(3) 28 d折壓強(qiáng)度比分布規(guī)律分析?；炷恋恼蹓罕仍诤线m的纖維摻量較高。單摻 PVA 纖維含量為0.2%時增韌效果最佳，折壓比最大為0.147，提升24.5%(素混凝土的折壓比0.118)；單摻 UPE 纖維含量為0.2%～0.3%的增韌效果最佳，折壓比最大為0.138，提升16.9%；混合纖維含量為0.3%～0.4%的增韌效果最佳，折壓比最大為0.136，提升15.3%。整體上纖維的增韌效果比較明顯。

3 結(jié) 論

(1) 纖維增加對混凝土的強(qiáng)度增加作用是有限的，纖維混凝土的力學(xué)性能與纖維的種類、摻量、摻加方式(單摻，混合摻)、纖維分布的均勻性等都有關(guān)，其最佳摻量影響因素眾多，具體設(shè)計時應(yīng)根據(jù)施工工程的控制條件結(jié)合實際原材料配比等條件現(xiàn)場試驗確定。

(2) 雖然 UPE 纖混凝土強(qiáng)度增強(qiáng)效果好，但由于制樣過程中 UPE 纖維很難分散均勻，當(dāng)纖維摻量大于0.1%時，隨著纖維量增多，流動性變差，纖維的分散性離散性變大，強(qiáng)度反而降低。而 PVA 分散相對比較均勻，28 d的抗壓強(qiáng)度離散性相對較小，抗折強(qiáng)度最大值提高率最高，說明其總體粘結(jié)阻裂效果較好。

(3) 混合纖維(UPE和PVA纖維體積含量 1∶1)混凝土試樣28 d的抗折強(qiáng)度分布在6.0 MPa～6.6 MPa之間，離散性最小，抗折強(qiáng)度最佳摻量為0.4%，此時抗折強(qiáng)度為6.6 MPa，提高率為24.1%；抗壓強(qiáng)度達(dá)49 MPa，提高率為8%；折壓比為0.135，提升14.4%?；旌侠w維由于其黏結(jié)阻裂效果有一個過渡，對抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的提高有一定綜合作用效應(yīng)，而且混合纖維經(jīng)濟(jì)性更好，因此建議采用混合纖維，其最佳纖維含量為0.3%～0.4%。