纤维混凝土力学性能和抗冻性能试验研究

1　试验部分

1.1　原材料

（1）水泥选用P·O42.5。其密度和比表面积分别为3.15g/cm ³ 、342m ² /kg，3d和28d抗压强度分别为29.7MPa、58.2MPa。

（2）粉煤灰为F类Ⅱ级粉煤灰。其烧失量、细度和需水量，各项指标分别是1.36%、18.2%和100%。

（3）矿粉选用S95级矿粉。其各项性能指标流动度比、密度、烧失量分别为99%、2.94g/cm ³ 、0.41%，7d和28d活性指数分别为89%、112%。

（4）细骨料选用两种Ⅱ区中砂混合砂，分别为天然砂和机制砂（简称砂1和砂2），其中天然砂细度模数为2.6；机制砂细度模数、压碎指标为2.7、7%。

（5）粗骨料采用5~25mm连续级配的碎石，其压碎指标为5.2%。

（6）减水剂选用AN4000聚羧酸高性能减水剂，其减水率和含固量分别为37%、16.18%。

（7）AN1引气剂：含气量5.1%，固含量1.55%。

（8）聚丙烯纤维性能指标见表1。

表1　聚丙烯纤维性能指标

1.2　试验方法

聚丙烯纤维混凝土搅拌方案如下。

（1）先加入粗骨料和聚丙烯纤维，再加入75%的水，搅拌1min。

（2）加入粉料，并加入外加剂，外加剂残留的所有成分用剩余的25%的水冲干净，搅拌1min。

（3）加入细骨料，搅拌2min。成型试件在振动台振实时长均为20s，拆模后进行标准养护，至相应龄期进行性能试验。

1.3　试验配合比

试验选用两种不同形态的聚丙烯纤维，分别为聚丙烯网状纤维和单丝纤维，试验掺量分别为0.5kg/m ³ 、1.0kg/m ³ 、1.5kg/m ³ 。

试验分析研究了C50混凝土掺入不同掺量的聚丙烯网状纤维和单丝纤维时，其力学性能及抗冻性能的影响规律，其中力学性能包括抗压强度、劈裂强度、抗折强度。C50混凝土配合比见表2、表3。

表2　C50混凝土基准配合比

表3　C50纤维混凝土试验配合比

2　试验结果与分析

2.1　纤维混凝土力学性能

在标准养护的条件下，达到相应的龄期时，不同掺量的聚丙烯网状纤维和单丝纤维混凝土，其力学性能试验数据，如图1~图3所示。

图1　纤维混凝土的抗压强度

图2　纤维混凝土的劈裂抗拉强度

图3　纤维混凝土的抗折强度

通常用劈裂抗拉强度与抗压强度的比值表征混凝土的拉压比，当拉压比越大时，混凝土的脆性表现为越小，相应的韧性也较好。图4为纤维混凝土的拉压比数据。

图4　纤维混凝土的拉压比

从图1~图3可知，7d龄期时，随着聚丙烯纤维掺量的增加，混凝土强度出现先提升后降低的现象。对于掺量为1.0kg/m ³ 的网状纤维和单丝纤维，其抗压、劈裂抗拉、抗折强度均达到最大，最大增长率分别为19.6%、25.0%、18.7%和9.5%、10.7%、8.5%。混凝土养护至28d龄期时，在聚丙烯纤维掺量的不断增加的情况下，抗压、劈裂抗拉及抗折强度逐渐增大，但增势变缓，网状纤维掺量为1.5kg/m ³ 时，3个强度的最大增长率分别为16.7%、19.9%、18.3%，单丝纤维掺量为1.5kg/m ³ 时，3个强度的最大增长率分别为11.0%、13.5%、13.4%。由此可见，相比单丝纤维，同掺量、同龄期条件下，网状纤维对混凝土强度的增强作用较大。

此外，在纤维掺量为1.5kg/m ³ 的情况下，混凝土7d力学性能相对较低。由图4拉压比数据表明，相比单丝纤维，网状纤维更能提高混凝土的韧性。

在掺入聚丙烯纤维的情况下，混凝土的力学性能、韧性会得到一定的提升。原因是当纤维混凝土受压破坏时，在纤维的作用下，其拉伸和压缩应变能得到更均衡的分配。单丝纤维能够以单丝的形态均匀地分散在混凝土基体中，并很好地形成粘结固定的作用，在混凝土受力破坏时，能起到加筋的作用；对于网状纤维，在其与混凝土不断搅拌的过程中，能够均匀地分散开，并呈现叉支的网片状和三维状，相比一维方向的单丝纤维，网状纤维的这种形态能与混凝土产生更大的粘结固定作用，在受力破坏时，不能被轻易拉出，从而发挥更大的抗拉增韧的作用。

此外，在混凝土纤维掺量为1.5kg/m ³ 的情况下，其早期力学性能相对较低。随着养护时间的增加，水泥水化不断进行，混凝土结构更加致密，对纤维的粘结固定作用不断加强，力学性能得以提升，但相比纤维掺量为1.0kg/m ³ ，当掺量为1.5kg/m ³ 时，混凝土力学性能出现增长率变缓的现象。

2.2　纤维混凝土破坏形态

以28d龄期的基准混凝土和掺量为1.0kg/m ³ 的网状、单丝纤维混凝土（编号分别为K105、K107、K110）破坏时的形态进行对比。基准混凝土出现了多条贯穿的大裂缝，且在抗压破坏的过程中，出现瞬间脆性破坏的现象，对于网状纤维和单丝纤维混凝土，在抗压破坏时，开裂面裂缝较细，发展较为分散，直至破坏时，并未出现大面积脱落的现象。

在劈裂抗拉破坏时，基准混凝土破坏瞬间伴随着巨大声响，呈现明显的脆性破坏，从夹具中取出后试件裂为两半，纤维混凝土破坏时首先出现裂缝，具有预兆性，呈现一定的延性破坏，从夹具中取出后试件并没有碎为两半，网状纤维混凝土出现一条竖向裂缝，整体性保持较好，单丝纤维混凝土裂缝相对较多。

在抗折破坏过程中，基准混凝土在达到极限应力时，突然碎成两半，且断面比较整齐，纤维混凝土在破坏之前会呈现出一定的挠度，断面凹凸不平，网状纤维混凝土出现破坏而不断裂的现象，纤维的断裂拉伸性能得到了很好的体现。

2.3　纤维混凝土抗冻性能

不同掺量的聚丙烯网状纤维和单丝纤维混凝土，其抗冻性试验数据分别如图5、图6所示。

图5　纤维混凝土质量损失率

图6　纤维混凝土相对动弹性模量

相比单丝纤维，网状纤维混凝土的质量损失率、相对弹性模量损失均相对较小，并且两个指标的变化速率也较为缓慢。由此可见，网状纤维混凝土具有更好的抗冻性能。冻融循环300次，基准混凝土质量损失率为0.3%，此时相对动弹性模量已低于60%，网状纤维混凝土最小的质量损失率为0.11%，与此对应的相对动弹性模量为72%。在冻融循环过程中，混凝土在纤维的抗拉增韧作用下，其内部微裂缝发展较为缓慢，混凝土的损伤程度降低，抗冻性能提高。

3　结论

（1）混凝土掺入0.5kg/m ³ 、1.0kg/m ³ 、1.5kg/m ³ 的聚丙烯纤维时，其力学性能均可得到提升。但随着纤维掺量的增加，养护至28d龄期的混凝土，其力学性能出现逐渐增大但增势变缓的现象。可见纤维有一个合适的掺量值。

（2）纤维混凝土在破坏过程中，呈现龟裂、断面凹凸不平的形态，具有一定的延性破坏，而非瞬间的脆性破坏。

（3）在冻融循环过程中，混凝土在纤维的抗拉增韧作用下，其内部微裂缝发展较缓慢，混凝土损伤程度降低，抗冻性能提高。

（4）同掺量条件下，聚丙烯网状纤维具有更好的增强增韧效果，对混凝土力学性能、抗冻性能的提高作用大于单丝纤维。且掺量为1.0kg/m ³ 网状纤维对混凝土整体性能的提高效果较好。