丁春林，張國(guó)防，張 驊

（1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092；3.上海裕之杰企業(yè)管理有限公司，上海200030）

混凝土抗剪強(qiáng)度是混凝土基本力學(xué)性能之一，實(shí)際工程中，混凝土結(jié)構(gòu)由于純剪應(yīng)力導(dǎo)致破壞的情況一般很少，因而混凝土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)一直被人們忽視.然而隨著混凝土材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和研究工作的不斷深入，混凝土的抗剪性能已開(kāi)始受到人們重視，特別是近年來(lái)，隨著城市地鐵和交通基礎(chǔ)設(shè)施的迅速發(fā)展，采用新奧法和淺埋暗挖法施工的隧道日益增多，而這種施工方法要求噴射混凝土襯砌具有較高的抗剪強(qiáng)度和變形能力，以防襯砌在地壓作用下受剪破壞，因此，混凝土抗剪強(qiáng)度是這種施工方法的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)之一［1-2］.此外，對(duì)于高層建筑剪力墻和梁柱節(jié)點(diǎn)的局部增強(qiáng)［3-5］、以及橋面的補(bǔ)強(qiáng)與修補(bǔ)［6-7］，抗剪強(qiáng)度也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的衡量指標(biāo).為改善混凝土抗剪強(qiáng)度和變形能力，學(xué)者們?yōu)榇碎_(kāi)展了大量的研究，如：文獻(xiàn)［8］建議隧道襯砌采用噴射纖維增強(qiáng)混凝土，以改善襯砌混凝土抗剪、彎曲等力學(xué)性能，并對(duì)噴射纖維增強(qiáng)混凝土的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)進(jìn)行了規(guī)范；文獻(xiàn)［9］采用平板試驗(yàn)，研究對(duì)比了鋼纖維混凝土板和常見(jiàn)鋼筋網(wǎng)增強(qiáng)混凝土板的沖剪應(yīng)力和彎曲韌性，闡明了隧道襯砌采用噴射鋼纖維混凝土的有效性；文獻(xiàn)［10］試驗(yàn)研究了靜荷載作用下鋼纖維混凝土梁的彎曲韌性和板的能量吸收性質(zhì)，研究結(jié)果顯示：與鋼筋網(wǎng)噴射混凝土襯砌相比，采用噴射鋼纖維混凝土襯砌，其厚度可大大減小；文獻(xiàn)［11-13］試驗(yàn)研究了鋼纖維、碳纖維和玻璃纖維對(duì)混凝土試件、混凝土剪力墻與梁抗剪強(qiáng)度和變形性能的影響；文獻(xiàn)［14-15］試驗(yàn)研究了玻璃纖維、碳纖維、及混雜纖維對(duì)橋梁車(chē)道板的增強(qiáng)作用.在上述研究的這些混凝土增強(qiáng)纖維中，鋼纖維增強(qiáng)混凝土技術(shù)盡管應(yīng)用得比較成熟，但鋼纖維攪拌時(shí)易結(jié)團(tuán)，分散均勻性差，不易施工，且鋼纖維對(duì)于硫離子或氯離子等引起的銹蝕問(wèn)題隨之而來(lái)，嚴(yán)重影響混凝土的壽命；碳纖維也是較理想的混凝土增強(qiáng)增韌材料，但因價(jià)格昂貴和操作困難而在實(shí)際工程中受到一定限制；而玻璃纖維混凝土暴露于大氣中一段時(shí)間后，其強(qiáng)度和韌性會(huì)有大幅度下降，加之玻璃纖維耐堿性不好，目前應(yīng)用較少.聚丙烯纖維作為一種新型的高分子建筑材料，具有化學(xué)穩(wěn)定性好、密度小、不吸水、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn).本次研究采用的最新引進(jìn)日產(chǎn)棒狀X 型聚丙烯纖維（圖1），除具有普通絲狀或網(wǎng)狀聚丙烯纖維特點(diǎn)外，它抗拉強(qiáng)度高，外形和截面獨(dú)特，與混凝土之間咬合力好；在混凝土中易分散均勻，避免鋼纖維在混凝土施工中易結(jié)團(tuán)現(xiàn)象；且耐熱和耐堿性好，具有永久不生銹的特性（圖2）.本文針對(duì)最新引進(jìn)的這種新型纖維，對(duì)不同基體強(qiáng)度、不同纖維摻量的混凝土抗剪性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，并與鋼纖維混凝土進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，同時(shí)探討了不同摻量纖維混凝土抗剪強(qiáng)度擬合計(jì)算公式.

圖1 棒狀聚丙烯纖維示意圖Fig.1 Sketch of rod-like polypropylene fiber

圖2 鋼纖維混凝土與棒狀聚丙烯纖維混凝土銹蝕比較Fig.2 Comparison of rusting of steel fiber concrete and rod-like polypropylene fiber concrete

1 混凝土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與配合比

試驗(yàn)配制的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30和C50兩種系列，分別采用安徽寧國(guó)海螺水泥廠生產(chǎn)的海螺牌42.5R 普通硅酸鹽水泥和52.5R 硅酸鹽水泥；粗集料采用5～20 mm 碎石，連續(xù)級(jí)配，產(chǎn)地浙江溫嶺；細(xì)集料采用河砂，產(chǎn)地福建閩江.聚丙烯纖維為日本生產(chǎn)的棒狀X 型聚丙烯纖維，截面面積為0.363 mm2，纖維長(zhǎng)度40 mm，抗拉強(qiáng)度經(jīng)試驗(yàn)平均達(dá)到525MPa，拉伸彈性模量為4142MPa，其他各項(xiàng)性能指標(biāo)參見(jiàn)文獻(xiàn)［16］.鋼纖維為上海青浦某廠家生產(chǎn)，截面為波痕型，長(zhǎng)度30mm，等效直徑0.8mm，長(zhǎng)徑比38，抗拉強(qiáng)度685MPa，其他性能達(dá)到或超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)YB／T 151—1999的規(guī)定.經(jīng)過(guò)計(jì)算和試配，最后得到C30系列混凝土配合比（kg·m-3）為：水泥∶砂∶石∶水=380∶680∶1 149∶179，棒狀X 型聚丙烯纖維和鋼纖維摻量分別為混凝土體積的0.1%，0.3%，0.5%，1%；C50 系列混凝土配合比（kg·m-3）為：水泥∶砂∶石∶水=451∶601∶1 178∶183，同樣，棒狀X 型聚丙烯纖維和鋼纖維摻量分別為混凝土體積的0.1%，0.3%，0.5%，1%，同時(shí)通過(guò)摻加SN-Ⅱ型高效減水劑將混凝土的坍落度控制在50～70 mm.

1.2 試驗(yàn)方法

纖維混凝土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)主要參照GB／T50081—2002以及CECS13—89進(jìn)行，具體要求和步驟如下：

（1）試件要求

采用100mm×100mm×300mm 棱柱體試件，每組4個(gè)試件.試件制作及養(yǎng)護(hù)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定.

（2）試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)主要設(shè)備包括帶有球形鉸支座的壓力試驗(yàn)機(jī)和符合CECS13—89規(guī)范要求的抗剪夾具.

（3）試驗(yàn)步驟

①試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)取出，測(cè)定試件尺寸和檢查外觀，并盡快進(jìn)行試驗(yàn)以保持原有的干濕狀態(tài)；

②將抗剪夾具套在試件兩個(gè)相對(duì)的非成型面上，夾具應(yīng)與試件靠緊，將夾具套擺成水平位置并用固緊螺絲固定，如圖3所示；

圖3 混凝土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.3 Photos for shear strength test of concrete

③加荷前，夾具上下支座必須對(duì)中，開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，當(dāng)上壓板與試件接近時(shí)，調(diào)整球形鉸支座，使接觸均衡；在試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中如發(fā)生偏斜現(xiàn)象，應(yīng)立即停止試驗(yàn)重新對(duì)中；

④加荷應(yīng)連續(xù)勻速進(jìn)行，加荷速度控制在0.06～0.10 MPa·s-1，直至試件剪斷為止；試件剪斷后，應(yīng)立即卸荷以防損壞夾具，記錄最大破壞荷載.

⑤檢查破壞面，若破壞面不在預(yù)定位置，則試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效.

1.3 試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算

混凝土試件的抗剪強(qiáng)度按下式計(jì)算：

式中：f為混凝土抗剪強(qiáng)度，MPa；F為混凝土剪切破壞荷載，N；b為試件平均寬度，mm；h為試件平均高度，mm.

以4個(gè)試件測(cè)值的算術(shù)平均值作為該組試件的拉剪強(qiáng)度值.4個(gè)測(cè)值中的最大值或最小值中如有一個(gè)與中間值的差值超過(guò)中間值的15%，則把最大及最小值一并舍除，取兩中間值的平均值作為該組試件的抗剪強(qiáng)度，如兩個(gè)測(cè)值與平均值相差超過(guò)15%，則該試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效.

4個(gè)試驗(yàn)結(jié)果中如一個(gè)不在預(yù)定破壞面，則取其他3個(gè)的算術(shù)平均值作為抗剪強(qiáng)度值，4個(gè)試驗(yàn)中如有兩個(gè)不在預(yù)定破壞面，則該試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 纖維種類對(duì)纖維混凝土抗剪強(qiáng)度影響

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整理得到C30和C50系列棒狀聚丙烯纖維混凝土和鋼纖維混凝土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表1～表2所示.

表1 C30系列纖維混凝土抗剪強(qiáng)度與纖維摻量關(guān)系Tab.1 Relationship between shear strength and fiber content of different fiber concrete of serial C30

表2 C50系列纖維混凝土抗剪強(qiáng)度與纖維摻量關(guān)系Tab.2 Relationship between shear strength and fiber content of different fiber concrete of serial C50

由表1～表2 分析可知：纖維摻量在0.1%～1.0%，除個(gè)別摻量試件外，棒狀聚丙烯纖維混凝土抗剪強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土增大8.6%～20.5%不等，鋼纖維混凝土抗剪強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土增大0.2%～42.6%不等，且同摻量鋼纖維對(duì)混凝土抗剪強(qiáng)度的提高比棒狀聚丙烯纖維要大.

分析表明：在混凝土中摻加棒狀聚丙烯纖維和鋼纖維，由于亂向分布纖維的抗拉和牽扯作用，纖維混凝土的抗剪強(qiáng)度將有所提高；另一方面，由于鋼纖維比棒狀聚丙烯纖維的彈性模量和抗拉強(qiáng)度大，故鋼纖維對(duì)混凝土抗剪強(qiáng)度的提高比棒狀聚丙烯纖維要大.

2.2 基體強(qiáng)度對(duì)纖維混凝土抗剪強(qiáng)度影響

由表1～表2 分析可知：纖維摻量在0.1%～1.0%，C30系列棒狀聚丙烯纖維混凝土抗剪強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土提高8.6%～20.5%，同摻量C50系列棒狀聚丙烯纖維混凝土抗剪強(qiáng)度變化范圍在-6.3%～18.6%；而C30系列鋼纖維混凝土抗剪強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土提高9.3%～42.6%，同摻量C50系列鋼纖維混凝土抗剪強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土提高0.2%～37.6%.分析可知，纖維對(duì)C30混凝土抗剪強(qiáng)度的改善一般比高強(qiáng)C50混凝土要好.

2.3 纖維摻量對(duì)纖維混凝土抗剪強(qiáng)度影響

圖4是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得到的纖維摻量與混凝土抗剪強(qiáng)度關(guān)系圖.

由圖4分析可知：棒狀聚丙烯纖維混凝土抗剪強(qiáng)度基本隨著纖維摻量增加呈現(xiàn)先增大后下降或減弱的趨勢(shì)，而鋼纖維混凝土抗剪強(qiáng)度則隨著纖維摻量增加而增大.分析原因在于：隨著纖維摻量的增大，棒狀聚丙烯纖維混凝土在試驗(yàn)中易產(chǎn)生泌水現(xiàn)象，引起混凝土抗剪強(qiáng)度的下降，而鋼纖維混凝土基本沒(méi)有泌水現(xiàn)象發(fā)生.

圖4 纖維混凝土抗剪強(qiáng)度隨纖維摻量變化關(guān)系圖Fig.4 Relationship of fiber content and shear strength of fiber concrete

另一方面，當(dāng)纖維摻量在0.5%以內(nèi)時(shí)，棒狀聚丙烯纖維混凝土抗剪強(qiáng)度增大幅度與同摻量鋼纖維混凝土抗剪強(qiáng)度增大幅度接近；當(dāng)纖維體積摻量大于0.5%時(shí)，棒狀聚丙烯纖維混凝土抗剪強(qiáng)度增大幅度明顯低于同摻量鋼纖維混凝土抗剪強(qiáng)度增大幅度.原因是：當(dāng)纖維摻量不大時(shí)，盡管棒狀聚丙烯纖維的彈性模量和抗拉強(qiáng)度比鋼纖維小，但由于棒狀聚丙烯纖維密度小，每立方混凝土投入纖維的數(shù)量（根數(shù)）比同摻量鋼纖維多，相應(yīng)纖維混凝土試件截面中棒狀聚丙烯纖維數(shù)量比鋼纖維多，因此，棒狀聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗剪強(qiáng)度的改善也得到提高.

2.4 纖維混凝土抗剪強(qiáng)度擬合計(jì)算公式

表3是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的不同強(qiáng)度纖維混凝土在不同纖維摻量下的抗剪強(qiáng)度擬合計(jì)算公式.從擬合公式的擬合優(yōu)度系數(shù)分析，除C50系列中棒狀聚丙烯纖維混凝土擬合公式外，其余各公式擬合優(yōu)度系數(shù)R2值均接近1，說(shuō)明擬合效果較好.表4為試驗(yàn)值與擬合公式計(jì)算值的比較，由表4分析可知，試驗(yàn)值與計(jì)算值比較吻合，最大誤差為5.8%，最小僅為0.1%.分析可知，擬合公式應(yīng)用于同類纖維混凝土，將具有一定的參考價(jià)值.

表3 纖維混凝土抗剪強(qiáng)度隨纖維摻量變化的擬合公式Tab.3 Fitting formulas for shear strength of fiber concrete

3 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）在混凝土中摻加棒狀聚丙烯纖維和鋼纖維，混凝土抗剪強(qiáng)度隨纖維摻量有不同程度的增大.總的來(lái)看，棒狀聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗剪強(qiáng)度的提高比同摻量鋼纖維要小，但它可避免鋼纖維施工易結(jié)團(tuán)、易銹蝕等不足，應(yīng)用于地下隧道噴混凝土襯砌具有一定優(yōu)勢(shì)；此外，兩種纖維對(duì)C30混凝土抗剪強(qiáng)度的提高幅度要大于高強(qiáng)C50混凝土.

表4 纖維混凝土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值與擬合公式計(jì)算值比較Tab.4 Comparison on test results and calculation results from formulas of shear strength of fiber concrete

（2）棒狀聚丙烯纖維混凝土抗剪強(qiáng)度隨著纖維摻量增加表現(xiàn)為先增大后下降或增勢(shì)減弱的趨勢(shì)，鋼纖維混凝土抗剪強(qiáng)度則隨著纖維摻量增加而增大.當(dāng)纖維摻量在0.5%以內(nèi)時(shí)，棒狀聚丙烯纖維混凝土抗剪強(qiáng)度增大幅度與同摻量鋼纖維混凝土抗剪強(qiáng)度增大幅度比較接近，摻量大于0.5%時(shí)，棒狀聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗剪強(qiáng)度的改善效果會(huì)降低，且明顯低于鋼纖維.可見(jiàn)，在混凝土中摻加棒狀聚丙烯纖維，其摻量宜控制在一定范圍之內(nèi)（0.3%～0.5%），一方面，抗剪性能改善的效果會(huì)更明顯，另一方面，造價(jià)比鋼纖維也更顯優(yōu)勢(shì).

（3）根據(jù)試驗(yàn)擬合得到的不同纖維摻量混凝土抗剪強(qiáng)度擬合計(jì)算公式，其計(jì)算值與試驗(yàn)值比較吻合，這些擬合公式應(yīng)用于同類纖維混凝土工程具有一定參考價(jià)值.

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