王彩峰,李潔宇

(1.河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454000 ； 2.深圳市永達信工程造價咨詢有限公司河南分公司，河南 鄭州 451400)

單摻和混摻纖維對全輕混凝土力學性能影響試驗研究

王彩峰1,李潔宇2

(1.河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454000 ； 2.深圳市永達信工程造價咨詢有限公司河南分公司，河南 鄭州 451400)

本文試驗研究鋼纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維的單摻和混摻對全輕混凝土力學性能的影響。試驗結果表明：全輕混凝土中單摻或混摻纖維對其抗壓強度和軸心抗壓強度提高較小，而對劈裂抗拉強度提高較大。其中，鋼纖維對于全輕混凝土強度提高效果優(yōu)于聚丙烯纖維和玄武巖纖維；從試件受壓破壞狀態(tài)分析，雙摻纖維比單摻纖維破壞延性較好，能夠發(fā)揮不同纖維的特點，與全輕混凝土破壞相比具有壞而不碎的特點。通過分析三種纖維的混雜效應，混摻鋼纖維和玄武巖纖維對于提高全輕混凝土力學性能達到最優(yōu)，且鋼纖維成為影響其混雜效應的主要因素。

全輕纖維混凝土；鋼纖維；聚丙烯纖維；玄武巖纖維；力學性能

輕骨料混凝土是由輕骨料、陶砂、水泥、水、減水劑等組成的復合材料，其表觀密度不大于1 950 kg/m3。輕骨料混凝土相對普通混凝土具有輕質(zhì)、保溫、隔音、抗震、抗沖擊等一列優(yōu)良性能[1-2]。但由于輕骨料混凝土彈性模量低，其抗壓強度、抗拉強度和抗折強度較低，容易產(chǎn)生脆性破壞，因此工程中常應用在圍護和非承重結構[3-4]。為了克服自身缺陷對其使用范圍的限制，通過摻入纖維可以有效提高輕骨料混凝土的強度和延展性能，尤其對輕骨料混凝土的抗裂縫能力和抗沖擊性能方面效果顯著[5-8]。

試驗研究表明，混凝土中摻入纖維后，纖維能夠在混凝土中起到“二次微筋”作用，提高混凝土的抗壓強度、抗拉強度、抗折強度以及彈性模量，改善其脆性破壞過程[9-10]，因此纖維混凝土的試驗研究受到各國學者們的重視。纖維的摻入方式有單摻和混摻，單摻某種纖維來提高輕骨料混凝土的各項性能，其作用效果受到限制，如果采用混合摻入不同的纖維，讓其均勻分散于輕骨料混凝土中，就可以使分散在混凝土骨料之間的纖維形成均勻連續(xù)的纖維網(wǎng)，可以更加有效阻止裂縫產(chǎn)生和擴展，達到預期效果[11-14]。已有文獻中，如Mojtaba Tabatabaeian[15]、A. Razmi[16]、王艷[17]等通過控制投放纖維的數(shù)量進行試驗研究，分析出不同纖維的最優(yōu)摻量對混凝土力學性能的影響。雖然對于纖維混凝土的研究很早都已經(jīng)涉及，但是由于混雜纖維混凝土的復雜性能，對于纖維混凝土的增強機理沒有一個統(tǒng)一的模型公式[18]，為了更深入地研究混摻纖維的破壞機理，本文從多個角度去分析纖維輕骨料混凝土的破壞特征。

1 試 驗

1.1 主要試驗材料及性能

(1) 水泥：焦作堅固牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；

(2) 粉煤灰：焦作電廠生產(chǎn)的Ⅱ 級粉煤灰，滿足GB/T1596-2005要求；

(3) 粗骨料：洛陽正全實業(yè)有限公司生產(chǎn)的700級碎石型陶粒，其堆積密度為610 kg/m3，筒壓強度為3.5 MPa，粒徑大小為5～15 mm；

(4) 細骨料：洛陽正全實業(yè)有限公司生產(chǎn)的800級頁巖陶砂，粒徑≤5 mm，堆積密度880 kg/m3，細度模數(shù)2.33～3.36，連續(xù)級配；

(5) 纖維：鋼纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維，各項指標見表1；

(6) 減水劑：聚羥酸母液高效減水劑，摻量為膠凝材料的1.8%；

(7) 水：普通自來水。

表1 纖維性能指標

1.2 試驗配合比設計

通過本課題組前期試驗結果，參照《輕骨料混凝土技術規(guī)程》(JGJ51-2002)，在已適配好的全輕混凝土LC30基礎上摻入纖維，結合《纖維混凝土應用技術規(guī)程》(JGJ/T221-2010)，分別以體積摻量1%鋼纖維(以下簡稱SF)、體積摻量0.2%玄武巖纖維(以下簡稱BF)和質(zhì)量摻量0.9 kg/m3聚丙烯纖維(以下簡稱PPF)，詳細配合比見表2。

表2 輕骨料混凝土配合比

1.3 試驗方法

拌和混凝土之前，輕骨料提前24 h預濕，試驗采用二次投料方法，使用強制式攪拌機拌和，攪拌操作按照規(guī)范JGJ51-2002中的規(guī)定，試件脫模后采用灑水蓋塑料薄膜養(yǎng)護。按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2001)相關標準，測定全輕混凝土和纖維混凝土的力學性能。其中，制作100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊，進行7 d、28 d抗壓強度、28 d劈裂抗拉強度，同時制作100 mm×100 mm×300 mm長方體試件進行軸心抗壓強度測定，試驗設備采用WAW-1000微機控制電液伺服萬能試驗機進行強度測試。

2 試驗結果及分析

2.1 試件的抗壓破壞形態(tài)

圖1和圖2分別是全輕混凝土和纖維全輕混凝土的抗壓破壞效果圖。從圖1能夠看到全輕混凝土發(fā)生了脆性破壞，其原因是輕骨料混凝土本身內(nèi)部存在微缺陷，輕骨料筒壓強度低于砂漿的強度，其破壞的裂縫是從骨料向槳體迅速擴展。在受壓破壞的過程中，由于混凝土中的骨料內(nèi)部存在孔隙，受壓破壞過程中帶有微小塑性的破壞。圖2相比圖1最大的區(qū)別是試件發(fā)生的塑性變形較大，破壞后能夠保持試件的完整性，其表面無大的剝落和碎裂現(xiàn)象，其主要原因是纖維在混凝土中起到拉結和纏繞骨料作用。

纖維全輕混凝土的破壞可以分成三個階段：首先，混凝土承受荷載時，微裂紋首次在骨料的界面出現(xiàn)，此時伴隨著骨料破壞；其次，隨著荷載的不斷升高，裂紋擴展到骨料和水泥槳體界面過渡區(qū)；最后，當骨料和水泥槳體之間的粘結不能承受載荷，荷載將轉(zhuǎn)移到纖維和水泥槳體之間的拉結力承受，隨著荷載達到峰值時，混凝土試件出現(xiàn)多條小裂縫，伴隨著裂縫不斷貫通，試件呈現(xiàn)出塑性破壞[19]。

圖1全輕混凝抗壓破壞圖2纖維混凝土抗壓破壞

2.2 纖維對全輕混凝土抗壓強度的影響

纖維全輕混凝土7 d、28 d抗壓強度值見表3，抗壓強度與摻入纖維方式不同之間的關系，如圖3所示。摻入纖維的輕骨料混凝土，7 d抗壓強度相對于全輕混凝土分別提高了19.64%、2.36%、-2.57%、8.88%、9.94%、-3.63%，鋼纖維單摻時7 d抗壓強度提高最快，而單摻玄武巖纖維、混摻玄武巖纖維/聚丙烯纖維的抗壓強度低于全輕混凝土，導致這種現(xiàn)象出現(xiàn)可能是纖維混凝土前期水化時，纖維與其中的膠凝材料還沒充分粘結牢固。

纖維混凝土相比28 d全輕混凝土抗壓強度，試件的抗壓強度分別提高了12%、5.35%、1.56%、11.4%、16.4%、-3.9%，混摻玄武巖纖維/聚丙烯纖維這組降低了3.9%，其它各組強度均有提高。從圖3能夠看出，鋼纖維對于全輕混凝土抗壓強度提高效果優(yōu)于聚丙烯纖維和玄武巖纖維。通過數(shù)據(jù)分析7 d時鋼纖維混凝土抗壓強度值達到28 d全輕混凝土強度值的85.0%，原因是由于7 d全輕混凝土中膠凝材料未充分水化，砂漿的強度較低，而鋼纖維具有高抗拉和高彈模的特性，作為增強7 d抗壓強度的主要作用，但纖維和骨料之間的結合還存在缺陷，鋼纖維的加入在提高混凝土的抗壓強度上受到一定的限制。

表3 抗壓強度數(shù)據(jù)

圖3 不同齡期抗壓強度

2.3 纖維對全輕混凝土劈拉抗拉強度和軸心抗壓強度影響

2.3.1 劈裂抗拉性能

全輕混凝土通過單摻和混摻三種纖維(SF、PPF、BF)28 d的劈裂抗拉強度和軸心抗壓強度，其數(shù)據(jù)見表4，纖維摻入方式不同與劈裂抗拉強度之間的關系見圖7。劈裂抗拉試驗荷載-位移曲線見圖5。隨著纖維的加入全輕混凝土的抗拉強度顯著提高，纖維輕骨料混凝土相對全輕混凝土劈裂抗拉強度分別提高75.31%、23.87%、37.45%、78.60%、98.77%、52.26%，其中鋼纖維/玄武巖纖維、鋼纖維/聚丙烯纖維混摻抗拉強度分別提高98.77%、78.60%，這說明混摻纖維的輕骨料混凝土在劈裂抗拉強度上比單一摻入纖維時提高強度更高，這是由于混合纖維的摻入能夠發(fā)揮各自的優(yōu)勢，有效緩解裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

表4 劈裂抗拉和軸心抗壓強度數(shù)據(jù)

注：(1)fts、fc分別表示混凝土劈裂抗拉強度和軸心抗壓強度

圖4纖維混凝土的劈裂抗拉強度圖5荷載-位移曲線

由圖5劈裂抗拉過程荷載-位移曲線可以看出，鋼纖維、鋼纖維/玄武巖纖維、鋼纖維/聚丙烯纖維的混摻能夠顯著改善輕骨料混凝土的脆性破壞，SF+BF-6、SF+PPF-5、SF-2這三條曲線走勢相同，隨著荷載的升高位移逐漸增加，達到峰值荷載后位移還能緩慢增長，其破壞是一個塑性發(fā)展的過程。通過對比這三種曲線，可知SF-2鋼纖維單摻對于前期荷載增長慢，后期位移發(fā)生量不大。從圖5中能夠看出，鋼纖維/玄武巖纖維、鋼纖維/聚丙烯纖維混摻效果較好，增韌效果優(yōu)于單摻纖維，表現(xiàn)出很好的協(xié)同混雜效應。分析其原因，主要是單摻一種纖維時只能發(fā)揮本身的一種特性，相比混摻纖維而言，摻入的纖維具有不同尺度和不同力學性能，在混凝土中能夠形成空間網(wǎng)狀結構[20]，受荷載作用下，能夠迅速阻止裂縫的擴展，從而提高混凝土的韌性。對于LC-1、PPF-3、BF-4、BF+PPF-7這四條曲線能夠看出荷載到達峰值點位移的發(fā)生量很小，當荷載超過峰值點后迅速發(fā)生跌落，發(fā)生脆性破壞。

2.3.2 軸心抗壓強度

纖維混凝土軸心抗壓強度見圖6。通過圖6能夠看出，摻入纖維對于全輕混凝土軸心抗壓強度分別提高19.59%、0.61%、5.10%、14.90%、22.86%、-2.49%。其中，SF+BF-6軸心抗壓強度提高最多，達到了22.86%，這說明鋼纖維/玄武巖纖維混摻能夠發(fā)揮兩種纖維優(yōu)點，且鋼纖維在其中發(fā)揮主要作用；而PPF+BF-7軸心抗壓強度下降2.49%，這兩種纖維混摻對混凝土軸心抗壓強度起到負相關作用。

圖6 軸心抗壓強度

4 纖維混雜效應

為了進一步說明混摻纖維對全輕混凝土性能的影響，引入了纖維的混雜增強效應系數(shù)[21]：

(1)

其中：f是纖維混凝土的強度，fm是基準全輕混凝土的強度；βcu、βt、βc分別表示抗壓強度、劈裂抗拉強度、軸心抗壓強度的增強效應系數(shù)。當β﹥1時，纖維對混凝土基體起到正混雜效應，而β≤1時，纖維對混凝土基體起到負混雜效應。表5給出混雜纖維全輕混凝土的增強效應和混雜系數(shù)。

表5 纖維混凝土混雜效應系數(shù)

圖7 纖維混雜效應圖

如圖7所示，混摻纖維對全輕混凝土抗壓強度和軸心抗壓強度影響較小，而對劈裂抗拉強度影響較大，且起到正混雜效應，強度提高明顯。從圖7可以看出，單摻鋼纖維時呈現(xiàn)出明顯的正混雜效應明顯；單摻聚丙烯和單摻玄武巖纖維混雜效應不明顯；鋼纖維和聚丙烯纖維混雜呈現(xiàn)出較好的正混雜效應；鋼纖維和玄武巖纖維混雜時比其它單摻或混摻纖維具有良好的混雜效應；玄武巖纖維與聚丙烯纖維混雜，對于抗壓強度和軸心抗壓強度出現(xiàn)了較小的負混雜效應，對于劈裂抗拉強度呈現(xiàn)正混雜效應。從表5可知：鋼纖維的摻入會顯著提高混雜效應系數(shù)，鋼纖維和玄武巖纖維混摻對抗壓強度、劈裂抗拉強度和軸心抗壓強度正混雜效應相對其他各組達到最優(yōu)，當這兩種纖維同時混雜時，纖維之間分散均勻，不出現(xiàn)糾纏和成團現(xiàn)象，從而使纖維在混凝土中起到良好的加筋作用。

綜上所述，鋼纖維和玄武巖纖維混雜有利于提高全輕混凝土的力學性能，但是單摻或混雜纖維時要綜合考慮對混凝土性能的影響，通過本次試驗能夠看出在混摻纖維時鋼纖維成為了混雜效應影響的主要因素。

5 結論

(1) 鋼纖維對全輕混凝土強度提高效果優(yōu)于聚丙烯纖維和玄武巖纖維，對于混凝土增強增韌效果明顯；

(2) 鋼纖維/玄武巖纖維、鋼纖維/聚丙烯纖維混摻較全輕混凝土強度具有顯著提高，其中抗壓強度分別提高8.88%、9.94%，劈裂抗拉強度分別提高78.75%、98.77%，軸心抗壓強度分別提高14.9%、22.86%；

(3) 纖維混凝土破壞形態(tài)相對全輕混凝土變化較大，荷載達到峰值點后隨著承載力的下降位移逐漸增大，呈現(xiàn)出較好的塑性變形；試件破壞后裂而不碎，整體性較好，適合作為抗震結構；

(4) 通過分析三種纖維的混雜效應，混摻鋼纖維/玄武巖纖維對于提高全輕混凝土力學性能達到最優(yōu)，且鋼纖維成為影響其混雜效應的主要因素；

(5) 玄武巖纖維/聚丙烯纖維單摻或混摻對抗壓強度、軸心抗壓強度影響較小，對劈拉抗拉強度有一定的提高，但從整體性能來看這兩種纖維混摻效果不如單摻好。

[1] H. Oktay, R. Yumrutas, A. Akpolat. Study on mechanical properties of steel fiber reinforced autoclaved lightweight shell-aggregate concrete[J]. Construction and Building Materials, 2015, 96: 217-225.

[2] H.L. Ma, C. Cui, X. Li, S.L. Hu. Study on mechanical properties of steel fiber reinforced autoclaved lightweight shell-aggregate concrete[J]. Materials and Design, 2014, 52: 565-571.

[3] 呂 晶, 周天華. 摻橡膠顆粒輕集料混凝土力學性能的試驗研究[J]. 硅酸鹽通報, 2015, 34(8): 2077-2082.

[4] Gao Jianming, Sun Wei, Morino Keiji. Mechanical properties of steel fiber reinforced high-strength lightweight concrete[J]. Cement and Concrete Composities, 1997(19): 307-313.

[5] Li Jingjun, Wan Chaojun, Niu Jiangang, eta. Investigation on flexural toughness evaluation method of steel fiber reinforced lightweight aggregate concrete[J]. Construction and Building Materials, 2017, 131: 449-458.

[6] Soon Poh Yap, Chun Hooi Bu, U.Johnson Alengaram, eta. Flexural toughness characteristics of steel-polypropylene hybrid fibre-reinforced oil palm shell concrete[J]. Materials and Design, 2014, 57: 652-659.

[7] 牛建剛, 李伯瀟, 張 縝. 纖維增強輕骨料混凝土力學性能試驗研究[J]. 混凝土, 2013(11): 93-100.

[8] Sameer Hamoush, Taher Abu-Lebdeh, Toney Cummins. Deflection behavior of concrete beams reinforced with PVA micro-fibers[J]. Construction and Building Materials, 2010, 24: 2285-2293.

[9] 董振平, 趙凱月. 鋼-聚丙烯混雜纖維摻量對混凝土強度影響的試驗研究[J]. 混凝土, 2016(6): 53-56.

[10] 徐海賓, 鄧宗才. 預應力超高性能鋼纖維混凝土梁受彎性能試驗研究[J]. 建筑結構學報, 2014(12): 58-64.

[11] Yuan H Q, Chen J T, Zhu J D. Mechanical properties of layered hybrid fiber reinforced concrete[J]. Journal of Wuhan University of Technology Mater. Sci. Ed. 2003, 18(2): 68-70.

[12] 黃國棟, 馬芹永. 混雜纖維混凝土力學性能試驗研究與分析[J]. 地下空間與工程學報, 2010(2): 329-333+340.

[13] 楊健輝, 呂 芹, 葉亞齊, 等. 全輕纖維混凝土的增強曾韌與耗能效果分析[J]. 混凝土與水泥制品, 2016, (6): 50-54.

[14] 李曉克, 霍洪媛, 張 亮, 等. 混雜鋼纖維增強混凝土力學性能試驗研究[J]. 河南大學學報(自然科學版), 2017, 47(1): 101-106.

[15] Mojtaba Tabatabaeian, Alireza Khaloo, Alireza Joshaghani, eta. Experimental investigation on effects of hybrid fibers on rheological, mechanical, and durability properties of high-strength SCC[J]. Construction and Building Materials. 2017, 147: 497-509.

[16] A. Razmi, M.M. Mirsayar. On the mixed mode I/II fracture properties of jute fiber-reinforced concrete[J]. Construction and Building Materials, 2017, 148: 512-520.

[17] 王 艷, 趙凱月, 宋戰(zhàn)平, 等. 鋼—聚丙烯混雜纖維混凝土研究進展[J]. 硅酸鹽通報, 2015, 34(7): 1885-1890.

[18] 董喜平, 李紅云, 鄒春霞. 混雜纖維輕骨料混凝土力學性能試驗研究[J]. 硅酸鹽通報, 2014, 33(11): 3026-3031.

[19] 劉云鵬, 郭榮鑫, 林志偉, 等. 玄武巖纖維摻量對頁巖輕骨料混凝土強度性能影響的研究[J]. 硅酸鹽通報, 2017, 36(3): 1094-1100.

[20] 霍俊芳, 申向東, 催 琪. 混雜纖維增強輕骨料混凝土物理力學性能研究[J]. 新型建筑材料, 2007(3): 80-83.

[21] 華 淵, 連俊英, 周太全. 長徑比混雜纖維增強混凝土力學性能的影響[J]. 建筑材料學報. 2005(1): 71-76.

Experimentalstudyonmechanicalpropertiesofall-lightweightconcretewithsingleandmixedfiber

WANG CAI-feng , LI Jie-yu

(1.SchoolofCivilEngineering,HenanPolytechnicUniversity,JiaozuoHenan454000,China; 2.ShenzhenYongdaxinEngineeringCostConsultingCo.Ltd.,HenanBranch,ZhengzhouHenan451400,China.)

The experiment studies the effect on the mechanical properties of all-lightweight concrete (ALWC) in which steel fiber (SF), polypropylene fiber (PPF) and basalt fiber (BF) are incorporated with a single incorporation and mixed one. The compressive strength and axial compressive strength of the single or mixed fiber in all lightweight concrete are small, but the splitting tensile strength is improved greatly. The effect of steel fiber on the strength of all light concrete is better than that of polypropylene fiber and basalt fiber. From the analysis of compressive failure condition of specimens, the damage ductility of double fiber fibers is better than that of single fiber, and the characteristics of different fibers can be played. Compared with the damage of the whole lightweight concrete, it has the characteristics of bad and not broken; By analyzing the hybrid effect of three kinds of fibers, the blending of steel fiber and basalt fiber can improve the mechanical properties of the whole light concrete, and the steel fiber becomes the main factor affecting the hybrid effect.

ALWC; steel fiber; PPF; BF; mechanical characteristics

2017-06-12

國家自然科學基金(41172317)

王彩峰(1991-)，男，河南周口人，碩士。

1674-7046(2017)05-0050-07

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.05.010

TU528.2

A