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纤维类型和掺量对混凝土抗冲击性能的影响研究

发布于：2025-02-26 10:29:26 来自：建筑结构/混凝土结构

来源：建筑技术杂志社

作者：杨?琳，等

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1 试验概况

1.1 试验原材

试验所用原材：P·O42.5普通硅酸盐水泥；细度模数为2.7的河砂；5~25mm山碎石；S95矿粉；F类Ⅱ级粉煤灰；聚羧酸高性能减水剂；普通自来水。所用纤维如图1所示，不同纤维主要性能参数见表1。试验混凝土配合比见表2。

（a）（b）

（c）（d）

图1 所用纤维材料

（a）铣削型钢纤维；（b）端勾型钢纤维；

（c）微丝型钢纤维；（d）聚丙烯纤维

表1?不同纤维物理性能参数

表2?试验混凝土材料用量 kg/m ³

1.2 试验方法

目前国内外对混凝土抗冲击性能的试验方法没有统一规定，本研究在参考美国混凝土协会（ACI）的混凝土落锤冲击试验装置的基础上，设计抗冲击试验装置。选取样式为接近实际工程的圆饼形状试件，厚度6.5cm、直径18cm。冲击球重4.2kg，试验时将球从高1.0m处沿试件中心自由落下，每次冲击后检查试件是否产生裂痕，第一次出现裂缝为初裂，最终断裂破坏为终裂，记录每个试件初裂和终裂次数。

1.3 试件设计分组

设计10组试验，设置不掺纤维的素混凝土作为基准混凝土。通过设计单一钢纤维试验组探讨钢纤维种类、掺量对混凝土抗冲击性能影响。通过混杂纤维试验组探讨聚丙烯纤维影响及钢纤维混杂效果。试验试件设计汇总见表3，其中Vf表示纤维体积率，单位为百分比（%）。

表3 试验试件设计汇总

2 试验结果与分析

2.1 破坏形态分析

图2为不同试验组试件破坏形态，由图2（a）可以看出，基准混凝土破坏时裂缝为一条直线，破坏面较平整，脆性明显；由图2（b）可见，掺入铣削型钢纤维对混凝土脆性有一定的改善，裂缝呈直线，但破坏面较基准混凝土组更凹凸；由图2（c）（d）可见，掺入端勾型和微丝型钢纤维后，混凝土脆性明显降低，裂缝不再是一条直线，而是在试件表现多个微裂缝，然后逐渐扩大直到破坏，即使裂缝完全贯穿试件，裂缝间仍可以看见钢纤维在约束着裂缝的进一步扩大；由图2（e）可见，聚丙烯纤维对钢纤维混凝土试件裂缝分布影响较小。

（a）（b）（c）

（d）（e）

图2 不同试验组试件破坏形态

（a）1号；（b）7号；（c）6号；（d）4号；（e）8号

2.2 冲击试验结果

记录每个混凝土试件初裂和终裂次数，计算出每组3个试件初裂和终裂次数平均值N1、N2，试验结果见表4。从表4可以看出，N2/N1大小可以表征纤维混凝土延性性能，N2/N1越大表明试件延性越好，在产生裂缝后仍可维持基本形状，继续承受冲击作用，不会脆性断裂； N/N基准混凝土的大小可表征该组纤维配比对混凝土初裂、终裂性能的提升。

表4 冲击试验结果

图3为1、4、5、6号试件初裂、终裂次数。由图3可以看出，在相同掺量下，微丝型钢纤维对混凝土的抗冲击性能提升效果最好，端勾型次之，而铣削型钢纤维相比其他两种钢纤维，对混凝土抗冲击性能提升作用较小。原因可能是在相同体积掺量条件下，直径和长度越小，纤维在混凝土试件中的分布越广泛，在试件受到冲击荷载产生微裂缝时，钢纤维更能起到缓解冲击的作用。

图3 不同纤维类型试件初裂、终裂次数

另外，从图4中N2/N1值可以看出，3种钢纤维均能起到提升混凝土延性的作用，在裂缝产生后约束断裂的快速发生，其中端勾型钢纤维较其他两种钢纤维N2/N1值更大，可能是由于与端勾型钢纤维直径较铣削型钢纤维小，长度比微丝型钢纤维长，初裂产生宏观裂缝后更不易被完全拔出。

图4 不同纤维类型试件N2/N1值

图5为2号、3号、4号试件试验结果，可以看出，随着微丝型钢纤维掺量的提高，试件初裂和终裂次数均在增加，说明在一定掺量范围内，微丝型纤维掺量和混凝土抗冲击性能成正相关关系。

图5 微丝型钢纤维不同掺量初裂、终裂次数

图6为3号与7号，4号与8号试件初裂、终裂次数对比。由图6可以看出，聚丙烯纤维的掺入不仅未能对钢纤维混凝土的抗冲击性能起到积极的正向作用，反而降低了钢纤维混凝土抗冲击性能。通过观察试件断裂面，分析其原因可能是聚丙烯纤维未能在混凝土试件中以细小丝状均匀分散，而是以较大粒径的片状形态分布，影响了钢纤维在混凝土中的有效均匀分布，在受到冲击荷载作用时，聚丙烯纤维所在区域不能起到较好的约束微裂缝作用，试件更容易出现可见的宏观裂缝。由图7可看出，3号与7号，4号与8号相比N2/N1值均增大，说明掺入聚丙烯纤维提高了试件的延性性能，这是因为聚丙烯纤维变形能力大于钢纤维，在产生宏观裂缝后，掺入聚丙烯纤维的混凝土试件更不容易脆性断裂，延性得到提升。

图6 聚丙烯纤维对试件抗冲击次数的影响

图7 聚丙烯纤维对试件N2/N1值的影响

图8为8、9、10号试件初裂、终裂次数结果。由图8可以看出，1%体积掺量的微丝型钢纤维和0.5%体积掺量的铣削型钢纤维混杂试验组（10号），初裂及终裂次数均低于1.5%体积掺量微丝型试验组（8号），与1.0%体积掺量微丝型试验组（7号）次数相差不大，说明该试验混杂效果一般。而1%体积掺量的微丝型钢纤维和0.5%体积掺量的端勾型钢纤维（9号）混杂效果较好，初裂及终裂次数相比1.5%体积掺量的微丝型试验组提高了50%以上。相同掺量的端勾型钢纤维对混凝土抗冲击性能提升作用小于微丝型钢纤维，但端勾型和微丝型钢纤维混杂后相对于单一钢纤维抗冲击性能得到了很大的提升。其原因可能是几何尺寸较小的微丝型钢纤维阻碍微裂缝扩大，而几何尺寸较大的端勾型钢纤维则阻止宏观裂缝进一步扩展。两种尺寸不同的钢纤维对混凝土的抗冲击性能提升互补，产生了积极的混杂效应。