譚 成

(遼寧江河水利水電工程建設監(jiān)理有限公司，遼寧 沈陽 110000)

鋼纖維水工混凝土是一種應用前景非常廣闊的新型復合材料，一出現(xiàn)就成為了學術界與工程界的關注焦點。工程實踐表明，鋼纖維能夠改善混凝土性能，相較于普通混凝土表現(xiàn)出許多優(yōu)點，如化學與物理耐久性較好、徐變和抗收縮性優(yōu)異以及強度-重量的比值大幅增加等[1]。目前，工程實踐中應用最廣泛的纖維有聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維和鋼纖維等。鄧宗才等[2]將聚乙烯醇纖維摻入混凝土內，并利用三分點加載法探討其抗彎韌性，結果顯示兩種纖維混摻表現(xiàn)出較好的協(xié)同效應，可以明顯改善梁的抗彎韌性；李正等[3]分析了鋼-聚丙烯纖維的協(xié)同影響作用，結果發(fā)現(xiàn)鋼纖維、聚丙烯纖維和兩者的混摻比例均會影響混凝土力學性能，摻0.3%聚丙烯纖維和3%鋼纖維時的增強效果最明顯；王軍等[4]利用SEM掃描電鏡和力學試驗研究鋼纖維混凝土，結果表明鋼纖維的加入可在一定程度上增強劈裂抗拉和抗壓強度，摻量過高反而會降低其力學性能與整體性。徐巍巍等[5]采用單軸受壓試驗研究了鋼纖維的體積率、試件的尺寸和形態(tài)效應對纖維混凝土彈性模量、破壞形態(tài)以及抗壓性能的影響；劉艷杰等[6]通過研究鋼纖維試件的破壞機理及形態(tài)，揭示了混凝土強度受鋼纖維摻量的影響規(guī)律，為充分利用鋼纖維的增強作用確定最優(yōu)摻入率。然而，針對纖維混凝土抗折和抗壓強度等代表性力學參數(shù)的測定還未形成統(tǒng)一標準。根據(jù)上述研究成果，本文利用四點抗折的靜力學試驗和標準試塊的單軸抗壓試驗，探討分析纖維水工混凝土的應力-應變關系及其破壞形態(tài)。

1 配合比設計

加入纖維可以有效改善水工混凝土的韌性、延性、整體性及其強度，本研究選用鋼纖維和聚乙烯纖維兩種材料，控制體積摻率為2%，纖維參數(shù)如表1，使用纖維混凝土材料制備試驗所用試件。

表1 纖維參數(shù)

本試驗所用原材料主要有纖維、納米SiO2、石英粉、納米CaCO3、水泥、粗砂、中砂、細砂、粉煤灰和減水劑，結合前期試驗設計及有關資料提供的內容，合理計算混凝土配合比，以揭示水工混凝土力學性能受纖維以及納米材料的影響作用，如表2。

表2 配合比設計

2 試驗方法

2.1 抗壓試驗

水工混凝土抗壓強度利用單軸受壓法進行測試，采用100 mm的立方體標準鑄鐵模具將拌合物制作成型，混合料機械攪拌流程具體如下：(1)參照設計配合比提前準備好所需原材料，然后將石英粉、粉煤灰、納米鈣和砂子加入攪拌機，攪拌5min至原材料均勻混合；(2)加入防凍水、減水劑以及總用水量70%的水；(3)均勻拌和后再倒入硅灰與水泥，并將另外30%的水加入；(4)在攪拌機持續(xù)工作的情況下，待攪拌機攪拌均勻后緩慢持續(xù)的加入鋼纖維，然后再攪拌5 min直至纖維充分混合；(5)從攪拌機中倒出拌合物，并裝入預先備好的模具，編號標記。

入模后表面覆蓋薄膜，先灑水養(yǎng)護24 h，再移入90℃熱水浴養(yǎng)護48 h，完成以上處理后取出自然養(yǎng)護28 d，采用YAW-2000型微機控制試驗機按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行力學試驗，試驗對照組為未摻任何纖維組，主要測試步驟如下：(1)在試驗機下固定端安置混凝土試件，調整上加載端使其靠近試件但不接觸；(2)安裝位移傳感器，控制電腦使試件與加載端接觸，調整初始值0；(3)點擊啟動，逐級加載直至試件被完全破壞。通過多次調整和試驗最終確定以下加載方式：采用力控制的方法作為開始階段的加載方式，按照2 kN/s的增加速率將力加載至50 kN，為保證加載端與試驗試塊完全接觸維持20 s；然后利用位移控制的方式加載到1 400 kN，加載端位移速率為0.4 mm/min，維持20 s；最后，調整加載速率至0.2 mm/min，當剩余強度接近試塊破壞峰值的40%時試驗停止，并準確紀錄相關數(shù)據(jù)。為確定試塊的應力曲線需要測定其豎向位移，應將2個位移計對稱安裝在壓力計的上壓頭處，以此測定受力方向上混凝土試件的變形和試驗力-位移曲線。

2.2 抗折試驗

參照現(xiàn)行標準有關要求，采用400 mm×100 mm×100 mm的混凝土試塊和YAW-2000型電液伺服壓力微機控制試驗機測定抗折強度，試塊的澆筑、成型和養(yǎng)護方式與抗壓試驗相同。將細鋼條先粘在試件上，然后與位移計連接，啟動測試并導出中部變形數(shù)據(jù)，由于現(xiàn)行標準未明確抗折強度加載流程，通過多次調整和試驗最終確定以下加載方式：整個試驗過程實行位移控制的加載方式，連續(xù)均勻加載速率0.2 mm/s，在滿足安全防護要求的情況下人工觀察試塊的破壞過程，并準確記錄試驗數(shù)據(jù)。

3 結果與分析

3.1 抗壓試驗數(shù)據(jù)

通過對比試件抗壓破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn)，未摻纖維的素混凝土試塊發(fā)生X交叉型剪切破壞，抗壓試驗表現(xiàn)出典型的環(huán)箍效應，隨著不斷加載混凝土碎片逐漸迸出，達到峰值強度時突然破壞，失去整體性，最后只有殘留芯部，該混凝土材料屬于脆性破壞[7-8]。摻聚丙烯纖維混凝土試件先在邊緣處出現(xiàn)裂縫，持續(xù)加載裂縫開始變寬，進一步發(fā)展形成貫穿裂縫；而摻鋼纖維混凝土表面產(chǎn)生多條微裂縫，隨著不斷加載出現(xiàn)多道裂紋，混凝土產(chǎn)生脫皮現(xiàn)象，纖維被拔出，該過程可以聽到嗤嗤響聲，加載到峰值強度后微裂縫貫通，進一步發(fā)展成大裂縫，承壓截面面積增加使試塊向外鼓脹，宏觀上表現(xiàn)為裂而不散的情況，纖維混凝土具有較好的完整性，該材料屬于塑性破壞。

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，摻鋼纖維混凝土具有較多的裂紋數(shù)量，微裂縫發(fā)展相對飽滿均勻，纖維對基體延性的增強效應充分發(fā)揮；摻聚丙烯纖維混凝土少有碎片剝落，受壓微裂縫數(shù)量較少，混凝土開裂后微裂紋擴展貫通，形成幾條主裂縫致使試件發(fā)生破壞，相較于鋼纖維其整體性較差。設F、A代表試塊的破壞荷載(N)和承壓面積(mm2)，利用下式計算混凝土抗壓強度fcc，即：

(1)

應力-應變曲線檢測結果顯示摻聚乙烯纖維、鋼纖維和未摻纖維素混凝土的抗壓強度依次為88 MPa、110 MPa、51 MPa。因此，纖維的摻入可以明顯提高水工混凝土抗壓強度，其中摻鋼纖維、聚乙烯纖維相較于素混凝土的抗壓強度增加2.16倍和1.72倍，并且鋼纖維的增強作用優(yōu)于聚乙烯纖維，這是因為摻入的鋼纖維能夠約束混凝土橫向變形，使得混凝土彈性模量明顯提升。另外，纖維的加入可以提高基體與纖維之間的界面強度及其黏結力，薄弱層減少，改變基體的變形能力和破壞形態(tài)。從作用機理上，首先在界面區(qū)發(fā)生破壞形成裂縫，纖維逐漸發(fā)揮橋架作用效應，在受壓過程中很難將纖維拔出，從而使得纖維對基體的增韌和增強效果得以充分發(fā)揮[8]。

3.2 抗折試驗數(shù)據(jù)

通過對比試件抗折破壞形態(tài)可知，在施加荷載達到峰值前，對照組的素混凝土標準試件表面發(fā)現(xiàn)少數(shù)微裂縫，整體形態(tài)變化不明顯，達到峰值后無任何征兆就發(fā)生瞬間斷裂破壞，試件折成兩半失去完整性，大斷裂面貫穿試件的破壞面，該混凝土材料屬脆性破壞。隨著荷載的增加摻鋼纖維混凝土試件中的纖維逐漸被拔出，該過程可以聽到拉拔聲音，并進一步發(fā)展成多條微裂紋，荷載達到峰值后出現(xiàn)1條主裂縫，裂縫不斷變寬延伸，薄弱面發(fā)展成破壞面，結構完全失效，但該過程出現(xiàn)的許多微裂縫在一定程度上提供了斷裂緩沖時間[9]。加載斷裂過程中，摻聚乙烯纖維混凝土試件有許多微裂縫圍繞在主斷裂面周圍，支座處甚至也分布有微裂紋，這些微裂紋使得構件的延性和能耗能力明顯增強，有利于推遲構件的失效過程，改善結構整體康能能力，纖維對基體延性的改善作用充分發(fā)揮，混凝土韌性和整體性較好。

設F、l代表試塊的最大破壞荷載和制作間的跨度(mm)，b、h代表試塊的界面寬度(mm)和高度，本試驗l取300 mm，b、h相等均取100 mm，采用下式計算混凝土抗折強度ft，即：

(2)

荷載-位移曲線檢測結果表明摻鋼纖維、聚乙烯纖維和未摻纖維素混凝土的極限荷載依次為42 kN、22 kN、14 kN，采用上式計算抗折強度依次為12.6 MPa、6.6 MPa、4.2 MPa，，其中摻鋼纖維、聚乙烯纖維相較于素混凝土的抗折強度增加3.00倍和1.57倍。因此，鋼纖維對提高混凝土抗折強度更加明顯，鋼纖維的存在使得裂縫處骨料與鋼纖維之間的黏結力明顯增加，對裂縫的發(fā)展起到有效的抑制作用，從而增強了混凝土的韌性和抗裂能力，混凝土可以承受的最大拉力也明顯提高。從界面力學上，可將產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因歸結于水工混凝土基體的界面黏結強度較低，纖維的摻入可以隨機分布在基體內，在一定程度上改善其與基體的接觸面，兩者的相互搭接形成新的化學黏著力，在承受荷載時這種黏結作用發(fā)揮橋架效應，為有效傳遞界面應力提供了可靠保證，并對基體內部的微裂縫發(fā)展產(chǎn)生約束，增強混凝土的抗折強度[10-12]。

4 結語

(1)纖維的摻入可以明顯提高水工混凝土抗壓強度，其中摻鋼纖維、聚乙烯纖維相較于素混凝土的抗壓強度增加2.16倍和1.72倍，并且鋼纖維的增強作用優(yōu)于聚乙烯纖維，這是因為摻入的鋼纖維能夠約束混凝土橫向變形，使得混凝土彈性模量明顯提升。

(2)摻鋼纖維、聚乙烯纖維相較于素混凝土的抗折強度增加3.00倍和1.57倍，鋼纖維對提高水工混凝土抗折強度更加明顯。鋼纖維的存在使得裂縫處骨料與鋼纖維之間的黏結力明顯增加，對裂縫的發(fā)展起到有效的抑制作用，從而增強了混凝土的韌性和抗裂能力，混凝土可以承受的最大拉力也明顯提高。