唐魁

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)水泥凝土材料自身脆性強(qiáng)和韌性不足的問題，提出在混凝土制備過程中摻入纖維，并分析了纖維種類、纖維長(zhǎng)度和纖維摻量對(duì)混凝土韌性的變化影響。結(jié)果表明：長(zhǎng)鋼纖維對(duì)水泥混凝土增韌效果最好。當(dāng)長(zhǎng)鋼纖維摻量為0.7%時(shí)，混凝土試件韌性最佳，此時(shí)，混凝土試件抗折強(qiáng)度為5.12 MPa，彎曲韌性指數(shù)I10和I20分別比素混凝土增加了291%和415%。將摻量為0.7%的長(zhǎng)鋼纖維混凝土用于路面時(shí)，可減小路面厚度，加大縮縫間距，降低工程造價(jià)，節(jié)約施工和維修成本。

關(guān)鍵詞：鋼纖維混凝土;聚丙烯纖維混凝土;抗折強(qiáng)度;增韌效果

中圖分類號(hào)：TQ340 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）04-0135-04

Abstract： In view of the problems of strong brittleness and insufficient toughness of traditional cement concrete materials， it is proposed to add fiber in the process of concrete preparation. Meanwhile， the influence of fiber type， fiber length and fiber content on toughness of concrete is analyzed. The results show that long steel fiber has the best toughening effect on cement concrete. When the content of long steel fiber is 0.7%， the toughness of concrete specimen is the best. At this time， the bending strength of concrete specimen is 5.12 MPa， and compared with plain concrete， the flexural toughness indexes I10 and I20 are increased by 291% and 415% respectively. When 0.7% long steel fiber concrete is used in pavement， it can reduce pavement thickness， increase shrinkage joint spacing， reduce project cost and save construction and maintenance cost.

Key words：? steel fiber reinforced concrete; polypropylene fiber concrete; bending strength; toughening effect

水泥混凝土是目前較為常見的一種建筑材料，因其材料獲得來源豐富、成本造價(jià)低、承載能力大，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于建筑行業(yè)。但隨著水泥混凝土材料的使用范圍增加，使用環(huán)境也越來越復(fù)雜，混凝土韌性不夠，在自然耦合環(huán)境的作用下，出現(xiàn)開裂損壞的現(xiàn)象，對(duì)整體建筑物造成破壞。因此，如何提升混凝土材料的韌性，是當(dāng)前重點(diǎn)研究的項(xiàng)目。針對(duì)以上問題，國內(nèi)很多專家進(jìn)行了一系列研究，如郭光玲[1]將鋼纖維摻入混凝土試件中，并對(duì)摻入纖維的混凝土試件性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：鋼纖維可有效增強(qiáng)混凝土試件韌性，在受荷載時(shí)，能夠有效預(yù)防混凝土試件出現(xiàn)裂縫。詹奇淇[2]選用玄武巖纖維對(duì)混凝土進(jìn)行改性，研究了玄武巖纖維對(duì)混凝土性能的影響。結(jié)果表明，在混凝土試件中摻入玄武巖纖維后，泡沫混凝土性質(zhì)發(fā)生改變，從脆性材料轉(zhuǎn)變成為韌性材料。以上專家的研究成果證明纖維對(duì)混凝土韌性增強(qiáng)起有效作用，但并未對(duì)纖維種類和長(zhǎng)度對(duì)混凝土性能影響進(jìn)行深入研究?；诖耍疚膹睦w維本身出發(fā)，研究不同纖維對(duì)混凝土增韌機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

本試驗(yàn)主要材料：硅酸鹽水泥（材廣發(fā)建材，P.O42.5）;砂（鴻諾礦產(chǎn)品，細(xì)度模數(shù)2.12）;碎石（永順礦產(chǎn)品，粒徑5～31.5 mm ）;銑削型鋼纖維（宇哲工程橡膠，長(zhǎng)度分別為38 mm，28 mm）;丙烯酸纖維（鵬盈保溫材料，長(zhǎng)度16 cm）;聚羧酸減水劑（英出化工科技，CP）。

本試驗(yàn)主要設(shè)備：快速凍融試驗(yàn)箱（一測(cè)儀器設(shè)備，TDR-II）;萬能試驗(yàn)機(jī)（五星測(cè)試儀器，UTM-9100）;微機(jī)控制抗折試驗(yàn)機(jī)（川測(cè)試驗(yàn)設(shè)備，YAW-300）;混凝土攪拌器（朵麥信息科技，H1650）。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T F30─2014）和《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55─2011）對(duì)混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。具體配比如表1所示。

1.3 試驗(yàn)方法

在H1650型混凝土攪拌機(jī)中依次倒入石子、砂、減水劑和纖維，在低速模式下攪拌120 s。然后加入水泥，繼續(xù)低速攪拌60 s。最后將全部用水量倒入攪拌機(jī)中，先在低速模式下攪拌60 s，再打開高速模式攪拌120 s。將混合物倒入模具，靜置24 h后脫模，將混凝土試件移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，在養(yǎng)護(hù)溫度和相對(duì)濕度分別為（20±3）℃和95%的條件養(yǎng)護(hù)28 d，具體攪拌流程如圖1所示。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 抗折性能

用YAW-300型抗折試驗(yàn)機(jī)對(duì)抗折性能進(jìn)行研究。

1.4.2 彎曲性能

參照 CECS13-2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和JGJ/T 221─2010《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定采用三分點(diǎn)加載方式測(cè)定混凝土的彎曲性能[4]。

1.4.3 抗凍性能

參照（ GB/T 50082─2009）規(guī)定對(duì)混凝土抗凍性能進(jìn)行測(cè)定[5-6]。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖2為所有試件抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。由圖2可知，纖維混凝土的抗折強(qiáng)度皆有所上升，這是因?yàn)槔w維在混凝土內(nèi)部起到一定的架橋連接作用，在混凝土試件破壞過程中形成微裂縫，纖維對(duì)微裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)張起到一定的阻礙作用，對(duì)混凝土試件抗折強(qiáng)度起積極作用。其中鋼纖維對(duì)混凝土的增韌效果高于聚丙烯纖維，這是因?yàn)殇摾w維自身抗折強(qiáng)度遠(yuǎn)大于聚丙烯纖維，因此對(duì)混凝土試件的增強(qiáng)效果也遠(yuǎn)大于聚丙烯纖維[7]。而LS-3和SS-7抗折強(qiáng)度與素混凝土抗折強(qiáng)度接近，這可能是因?yàn)樵谥苽湓嚰倪^程中，沒有加入引氣劑，使得試件表面的空隙率相對(duì)較大，降低了抗折強(qiáng)度。LS-7混凝土試件抗折強(qiáng)度最高，達(dá)到5.12 MPa。繼續(xù)增加鋼纖維摻量，混凝土試件抗折強(qiáng)度反而有所降低，這是因?yàn)槔w維摻量超過一定量以后，會(huì)發(fā)生一定的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土試件的抗折強(qiáng)度有所降低[8]。

2.2 彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

混凝土彎曲韌性結(jié)果如表2所示。由表2可知，鋼纖維混凝土試件彎曲強(qiáng)度指數(shù)最高，聚丙烯混凝土試件與素混凝土試件彎曲性能相近，證明聚丙烯纖維對(duì)混凝土的韌性不產(chǎn)生作用。這是因?yàn)樵谠囼?yàn)過程中，采用0.05 MPa/s的加載速率對(duì)試件施加荷載，直至試件破壞，試件在承受極限荷載時(shí)，受拉區(qū)在跨中出現(xiàn)裂縫并迅速發(fā)展，在此過程中，聚丙烯纖維被拉出，因此沒有起到增韌的作用。而鋼纖維對(duì)混凝土的增韌效果較大，其中LS-7的I10和I20的增韌效果最明顯，分別增加了291%和415%。這是因?yàn)檫m宜的鋼纖維摻量能使鋼纖維均勻地在混凝土中分散，隨著荷載的增加，試件承受極限荷載，受拉區(qū)開裂，此時(shí)鋼纖維發(fā)揮作用，起到一定家橋連接作用，承擔(dān)一部分外力，對(duì)裂縫的延續(xù)有一定的減緩作用，進(jìn)而增加了混凝土試件的韌性。當(dāng)纖維摻量過多，在混凝土內(nèi)部易出現(xiàn)成團(tuán)現(xiàn)象，在受外界荷載時(shí)，纖維被拉斷或被破壞，造成鋼纖維對(duì)混凝土試件增韌效果不明顯。在纖維種類和纖維摻量相同的情況下，短鋼纖維彎曲韌性比相對(duì)較大，這是因?yàn)槎啼摾w維初裂強(qiáng)度低，使得計(jì)算結(jié)果相對(duì)偏大。

2.3 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

圖3為L(zhǎng)S-7混凝土試件和素混凝土試件凍融前后抗折強(qiáng)度的變化。由圖3可知，凍融后的素混凝土試件比凍融前的素混凝土試件抗折強(qiáng)度下降了11.6%，凍融后LS-7混凝土試件僅比凍融前LS-7試件抗折強(qiáng)度下降了10.3%，證明LS-7試件的抗凍性能優(yōu)于素混凝土。

3 鋼纖維混凝土實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)

通過以上的試驗(yàn)制備，將其應(yīng)用到實(shí)際的路面工程中，該混凝土體現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

（1）減小路面厚度：用素混凝土作為面層材料時(shí)，路面厚度一般需要達(dá)到200～300 mm。鋼纖維對(duì)混凝土韌性、抗裂性和抗彎拉、耐疲勞都有明顯優(yōu)化作用，因此厚度達(dá)到110～160 mm就能滿足要求，降低路面厚度，進(jìn)而降低工程造價(jià);

（2）增大橫縫間距：鋼纖維能夠有效阻止早期裂紋形成，這就導(dǎo)致混凝土路面板在尺寸得以改變，因此在混凝土路面板尺寸難以改變。也就是在滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，縮縫間距得到提高，這就節(jié)約了施工和維修成本，有更好的舒適性體驗(yàn)。

4 結(jié)語

本文通過在混凝土中摻入纖維研究了纖維對(duì)混凝土的增韌機(jī)理。通過改變纖維種類、摻量和長(zhǎng)度，研究了纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。具體結(jié)論如下：

（1）所有纖維對(duì)混凝土皆有增韌作用，其中摻量為0.7%的長(zhǎng)鋼纖維（38 mm）對(duì)混凝土的增韌作用最明顯;

（2）聚丙烯纖維對(duì)混凝土試件抗彎拉性能作用不明顯，摻量為0.7%的長(zhǎng)鋼纖維對(duì)混凝土試件抗彎拉性能優(yōu)化較明顯，I10和I20分別比素混凝土增加了291%和415%;

（3）凍融循環(huán)試驗(yàn)后，凍融前后的LS-7混凝土試件和素混凝土抗折強(qiáng)度分別下降10.3%和11.6%，LS-7試件的抗凍性能優(yōu)于素混凝土;

（4）鋼纖維混凝土可用于路面建設(shè)，具有降低厚度，增加縮縫間距和舒適性，降低成本等優(yōu)點(diǎn)。

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