钢纤维及混杂纤维混凝土力学性能试验

摘要：为了研究钢纤维和混杂纤维对混凝土力学性能的影响，分别对不同体积掺量的钢纤维混凝土（SFRC）和钢-聚丙烯-聚乙烯醇混杂纤维混凝土（HFRC）进行立方体抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验，并设置一组普通混凝土（NC）作为对照。试验结果表明：在混凝土中掺入适量钢纤维或混杂纤维，均能有效提高混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度。其中混杂纤维对混凝土抗压强度的增强作用更明显，最大抗压强度值较素混凝土提高了14.3%；而钢纤维对混凝土劈裂抗拉强度的增强作用更明显，最大劈裂抗拉强度值较素混凝土提高了55.5%。

关键词：纤维混凝土；立方体抗压强度；劈裂抗拉强度

0引言

混凝土作为土木工程领域中最常见的一种建筑材料，在经济性、可塑性和耐久性方面均表现出明显的优势，但因为混凝土结构本身易开裂、脆性显著等缺点，限制了其进一步发展和应用。相关研究表明，在混凝土中掺入纤维能有效改善混凝土的力学性能，提高混凝土的抗裂、阻裂及变形能力。目前应用最为广泛的纤维种类有钢纤维、聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维等。王军［1］通过对不同掺量的钢纤维混凝土进行力学试验及SEM电镜分析，发现掺入钢纤维后，混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度有不同程度的提高，但掺量过大会降低混凝土的整体性，使力学性能下降。李正［2］等人研究了不同比例混掺的钢-聚丙烯纤维混凝土的力学性能。结果表明，钢纤维掺量、聚丙烯纤维掺量以及二者的混掺比例，对混凝土的力学强度指标均有影响。当钢纤维掺量为3%，聚丙烯纤维掺量为0.3%时，纤维的增强作用最明显。邓宗才［3］在层布式钢纤维混凝土梁中混掺聚乙烯醇纤维，通过三分点加载试验方法研究混杂纤维混凝土梁的抗弯韧性。结果表明，聚乙烯醇纤维与钢纤维混掺有很好的协同作用，混凝土梁的抗弯韧性得到改善。在前人已有的试验基础上，本文考虑单掺钢纤维和混掺钢-聚丙烯-聚乙烯醇纤维，对混凝土进行立方体抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验，进一步探究钢纤维和混杂纤维对混凝土力学性能的影响，为将来工程应用提供参考借鉴。

1试验方案

1.1试验材料和配合比

试验选用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，细骨料选用细度模数为3.2的粗砂，粗骨料使用粒径为5~20mm连续级配的人工碎石，减水剂采用聚羧酸高效减水剂。纤维采用聚丙烯纤维（PP）、聚乙烯醇纤维（PVA）以及钢纤维（SF）三种，纤维的性能参数如表1所示。制备三组不同掺量水平的钢纤维混凝土试件，在此基础上，另外混掺聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维，得到三组混杂纤维混凝土试件，同时设置一组普通混凝土试件作为对照。钢纤维体积率分别为0.5%、1.0%、1.5%，各组试件的最终配合比如表2所示。

1.2试验方法

参照CECS13:89《钢纤维混凝土试验方法》［4］，采用RMT万能试验机进行立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试验。试件的尺寸为标准立方体，每组试验制作3个试块，均在标准养护条件下养护28d。立方体抗压强度按照公式（1）进行计算，每组数据取算术平均值作为最终试验结果。fcu=Fmax/A（1）式中：fcu为混凝土立方体抗压强度（MPa），Fmax为试件破坏荷载（N），A为试件承压面积（mm2）。劈裂抗拉强度按照公式（2）进行计算，最后的试验结果同样取算术平均值。fts=0.6371Fmax/A（2）式中：fts为混凝土的劈裂抗拉强度（MPa），Fmax为试件破坏荷载（N），A为试件劈裂面积（mm2）。

2试验结果分析

2.1试验现象及破坏形态

部分试件的破坏形态如图1所示，其中（a）、（b）、（c）分别为素混凝土、钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土的受压破坏形态，（d）、（e）分别为素混凝土和纤维混凝土的劈拉破坏形态。在立方体抗压强度试验中，可以看到素混凝土试件在边角处先发生剥落，表面出现多条裂纹，最后在荷载作用下迅速崩裂，表现出明显的脆性特征。而钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土在荷载作用下仍保持一定的整体性，呈现出多缝开裂、裂而不碎的破坏形态，具有明显的塑性特征。在劈裂抗拉强度试验中，可以看到素混凝土试件底部首先出现裂纹，在荷载持续作用下，裂纹迅速扩展，试件突然发生破坏，劈裂为两半。而纤维混凝土的试件表面只观察到数条裂缝，横跨裂缝处的纤维起到了很好的桥接作用，限制了裂缝的延伸和扩展。破坏后的试件仍连接在一起，并未出现突然破坏和劈裂断开的现象。

2.2立方体抗压强度

立方体抗压强度的试验结果如表3所示。与素混凝土相比，掺入纤维后混凝土的抗压强度均有小幅提升。当钢纤维掺量从0.5%增加到1.5%时，钢纤维混凝土的抗压强度较素混凝土分别提高了5.1%、8.2%、6.2%；而混杂纤维混凝土的抗压强度较素混凝土分别提高了8.9%、11.2%、14.3%。可以看出，单掺钢纤维或掺入混杂纤维均能有效提高混凝土的抗压强度，且混杂纤维的作用效果更明显。在本次试验中，随着钢纤维掺量的增加，钢纤维混凝土的抗压强度呈现出先增大后减小的变化趋势，并在钢纤维掺量为1%时，获得最大抗压强度值；而混杂纤维混凝土的抗压强度则随着钢纤维掺量的增加而增加，钢纤维掺量为1.5%时有最大抗压强度。当钢纤维掺量相同时，混杂纤维混凝土的抗压强度大于钢纤维混凝土。这是因为适量钢纤维在基体中形成了一种三维乱向分布的支撑体系，混凝土受压引起的横向变形受到了钢纤维的拉结约束，钢纤维起到二次微加筋的作用，混凝土的抗压强度因此得到提高。但随着钢纤维的增加，混凝土的内部缺陷以及混凝土与纤维间的界面薄弱层也在增加［5］，受压作用时，混凝土内部的薄弱层与缺陷位置成为了应力集中破坏点，所以钢纤维混凝土的抗压强度有所下降。而混杂纤维中的合成纤维在混凝土硬化初期，可以有效抑制水泥石的干缩［6］，改善混凝土的初始缺陷，与钢纤维协同作用更有利于提高混凝土的抗压强度。

2.3劈裂抗拉强度

劈裂抗拉强度的试验结果如表4所示。与素混凝土相比，纤维混凝土的劈裂抗拉强度有明显提高，且钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土的劈裂抗拉强度均随着钢纤维掺量的增加而增加。当钢纤维掺量从0.5%增加到1.5%时，钢纤维混凝土的劈裂抗拉强度较素混凝土提高了33.6%、38.9%、55.5%；而混杂纤维混凝土的劈裂抗拉强度较素混凝土提高了32.6%、43.5%、48.3%。在本次试验中，体积掺量为1.5%的钢纤维混凝土，其劈裂抗拉强度值最大。由试验结果可以看出，单掺钢纤维或掺入混杂纤维均能大幅提升混凝土的劈裂抗拉强度，且单掺钢纤维的提升效果更好。这是因为钢纤维本身具有较好的抗拉性能，在劈拉破坏面处能起到桥接和传递荷载的作用，改善裂缝周围应力集中的现象，限制裂缝的进一步延伸和扩展，从而提高混凝土的劈裂抗拉强度。在混杂纤维混凝土中，掺入聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维后，混凝土的劈裂抗拉强度与钢纤维混凝土相比有所降低，也从侧面反映出混杂纤维中对混凝土抗拉强度起到主要增强作用的是钢纤维。

3结论

（1）掺入钢纤维或混杂纤维对改善混凝土的破坏形态有明显作用。无论是受压破坏还是劈裂受拉破坏，素混凝土均表现出脆性特征，而钢纤维混凝土和混杂纤维混凝土表现出明显的塑性特征，在荷载作用下发生延性破坏，试件表面只出现细小裂缝，呈现出裂而不碎的破坏形态。（2）掺入钢纤维或混杂纤维均能提高混凝土的抗压强度，且混杂纤维的提升效果优于钢纤维。钢纤维混凝土的抗压强度随钢纤维掺量的增加有先增后减的趋势，钢纤维的最佳掺量为1%；而混杂纤维混凝土的抗压强度则随着钢纤维掺量的增加而增加。在本次试验中，编号为HFRC15的混杂纤维混凝土有最大抗压强度值。（3）掺入钢纤维或混杂纤维均能提高混凝土的劈裂抗拉强度，且钢纤维的提升效果优于混杂纤维。钢纤维混凝土与混杂纤维混凝土的劈裂抗拉强度均随着钢纤维掺量的增加而增加，表明钢纤维起到主要的增强作用。在本次试验中，编号为SFRC15的钢纤维混凝土有最大劈裂抗拉强度值。

参考文献

［1］王军.不同掺量的钢纤维对混凝土力学性能的影响研究［J］.江西建材，2021（7）：35-36，39.

［2］李正，杰德尔别克，赵海涛，等.钢-聚丙烯纤维高性能混凝土力学性能试验研究［J］.混凝土与水泥制品，2017（11）：50-53.

［3］邓宗才，曾洪超，王力，等.层布式钢纤维与混掺PVA纤维混凝土梁的抗弯韧性试验研究［J］.混凝土与水泥制品，2009（1）：44-47.

［4］中国工程建设标准化协会.钢纤维混凝土试验方法：CECS13：89［S］.北京：中国工程建设标准化协会，1989.

［5］张伟.聚丙烯纤维高强混凝土的力学性能试验研究［D］.太原：太原理工大学，2010.

［6］王晨飞，焦俊婷.超细钢-聚丙烯混杂纤维混凝土力学性能研究［J］.玻璃钢/复合材料，2016（12）：11-14.

作者:童伟光 范银波 单位:广西大学土木建筑工程学院