1、2009年第2期4月混凝土与水泥制品CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS2009 N02April混杂纤维对混凝土力学及抗裂性能的影响孙海燕1，何 真1，龚爱民2(1武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，430072；2云南农业大学水利水电与建筑学院，昆明650201)捕要：选用三种尺寸的聚丙烯纤维与钢纤维。在确定拌和工艺、相同配合比及和易性条件下进行了单掺及混掺混凝土的抗压、劈拉强度与开裂性试验，并引入混杂系数对比分析了-单掺和混掺纤维对混凝土力学性能的影响。研究结果表明混杂纤维混凝土在总体上具有比基准混凝土和单掺纤维混凝土优异的力学性能和抗裂性能。对比
2、其它两种尺度的聚丙烯纤维。以纤维长度为19ram的18k#m3聚丙烯纤维与40kgm3钢纤维组合时，表现出的强度和抗裂性能最佳。关键词：聚丙烯纤维；钢纤维；混杂纤维混凝土；力学性能；抗裂性 中图分类号：TU528572 文献标识码：A 文章编号：1000463712009102-4l-040前言掺入纤维是改善水泥基复合材料强度和韧性的有效途径之一。目前。用于改善水泥基复合材料性能的纤维种类很多。主要有钢纤维、玻璃纤维、聚合物纤维、天然纤维、碳纤维等。这些纤维的性能各异，混杂纤维可能会产生不同于单一纤维的混杂效应从而发挥各种纤维的增强与增韧作用。一些研究者已对混杂纤维水泥基复合材料进行了探索性研
3、究ll-31，他们采用高弹性模量的纤维(如钢纤维、玻璃纤维)与高延性纤维(如聚丙烯纤维、聚乙烯纤维)混掺，使改性水泥基材料获得了掺单一纤维达不到的综合力学性能。纵观混杂纤维水泥基复合材料的研究现状。多数是采用不同弹性模量的纤维进行混杂。而对以不同几何尺寸纤维的混杂来增强水泥基复合材料的研究鲜有报道。本文设计了多组混凝土配比，对比研究了不同品种纤维，相同类型不同尺度聚丙烯纤维以及混杂纤维对混凝土力学性能及抗裂性的影响为纤维增强混凝土的配合比设计提供了新的思路和理论依据。1 试验原材料及试验过程11原材料采用昆明某公司产425R普通硅酸盐水泥：云南某公司产级磨细粉煤灰：昆明产QXA型高效减水剂；细
4、度模数为298的中砂；最大粒径为40mm的石灰岩碎石；钢纤维为上海某厂产波浪型钢纤维。性能参数见表l；聚丙烯纤维为深圳某公司生产，共三种规格，性能参数见表2和表3。12配合比设计混凝土强度等级为C30，素混凝土配合比见表4。以不同纤维品种、掺量、混杂的方式进行对比试验并评基金项目：国家自然基金重点项目(50539010)。一48一表l钢纤维的物理力学性能纤维 截面 熔点 燃点 耐酸 安全 耐碱 抗老 导热类型 形状 ， 性 性 性 化性 性纤维 直径 长度 密度 抗拉强 弹性模延伸率种类 p,m mm，(g加呻 度MPa 量，GPa ，价各组混凝土的性能。为了增加其可比性，各组混凝土均采用相同
5、的配合比，并尽量避免因原材料性能差异给混凝土性能带来的离散性。结合国内外工程中常用的纤维掺量。从性能、应用和经济上考虑采用的混杂纤维为目前高弹模量纤维技术最成熟的钢纤维和低弹模量纤维价格低廉且物理力学性能良好的三种尺度聚丙烯纤维。两种纤维均在低掺量下混杂。试验中钢纤维的掺量分别为30kgm3、40 kgm3、50kgm3，聚丙烯纤维(A、B、C三种尺度)的掺量分别为09kgm3、14kgm3、18kgm3,36kgm3。试验共分25组，具体见表5。通过调节减水剂的用量控制各组配比混凝土的出机坍落度为60。80mm。万方数据孙海燕，何真，龚爱民 混杂纤维对混凝土力学及抗裂性能的影响13拌和工艺为
6、充分发挥纤维混凝土的增强效果一定要把纤维均匀地分散在混凝土中。对钢纤维与聚丙烯纤维混杂的混凝土而言，聚丙烯纤维的分散性更要严格控制。本试验采用的搅拌工艺见如图l。试验表明。采用这种搅拌制度，钢纤维、聚丙烯纤维在混凝土中的分布较为均匀，混凝土的和易性可以满足施工要求问。3_5min图1混杂纤维增强混凝土搅拌方法流程图14试验方法按GBJ8l一85普通混凝土力学性能实验方法制作尺寸为150minXl50minXl50ram的混凝土试件，标准养护在WA一1000B型电液式万能试验机上分别测其28d抗压强度和劈拉强度。目前对混凝土开裂性能的评价还没有统一的方法根据国内外资料，评价混凝土开裂性的直接方法
7、有平板试验、环约束试验和轴向约束试验嘲。本文主要采表5不同组纤维混凝土力学性能试验结果用环形约束试验研究来评价单掺及混杂纤维混凝土的收缩开裂性能。分析对比不同尺度聚丙烯纤维与钢纤维混杂对混凝土开裂性能的影响。试验采用圆环法实验，圆环外径370ram，内径300ram，高140ram。2试验结果与分析21纤维对混凝土力学性能的影响不同组纤维混凝土的立方体抗压强度和劈拉强度值见表5。211 聚丙烯纤维对混凝土力学性能的影响聚丙烯纤维对混凝土28d抗压强度、劈拉强度与纤维掺量及纤维尺度之间的试验关系见表5。从表5可以看出，三种尺度聚丙烯纤维随体积掺量增加对混凝土28d抗压强度、劈拉强度的变化规律基本
8、上是一致的。即随着纤维掺量的增大。混凝土强度都是先增大后减小。在纤维体积掺量为02时达到最大值。三种尺度聚丙烯纤维的抗压强度分别较基准混凝土提高了4、7和12，劈拉强度分别较基准混凝土提高了14、17和18。在Vf02时，C类纤维要优于A、B类，其原因在于C类纤维长度最大，与混凝土的粘结力最强。在Vr02时三种尺度聚丙烯纤维的抗压强度、劈拉注：编号中NC、SF、PP分别代表素混凝土、钢纤维、聚丙烯纤维，数字代表纤维掺量，例如SF30代表钢纤维掺量为30kgm3的混凝土，SF30PPA代表钢纤维掺量为30k咖3，聚丙烯纤维掺量为18km3的混凝土。强度较素混凝土均有所降低，且C类纤维下降的幅度最
9、大，分别为23和5。其原因可能是聚丙烯纤维在混凝土中呈三维网络状均匀分布。对比A与B纤维，C类纤维长度最大。当其体积掺量太大时。纤维在混凝土中的分散性变差。混凝土的密实度下降导致混凝土的抗压强度随之下降。纠结成团的纤维在混凝土中形成薄弱点嗍，在受到拉伸时，不仅不能分散和传递应力反而最先遭到破坏，因而劈拉强度也下降。这与华渊等人同对混杂纤维混凝土力学性能测试的结果相似。综上所述三种尺度聚丙烯纤维02的掺量在混凝土抗压强度和劈拉强度的层面上是可以接受的，可作为工程参考。由于纤维长度大于19mm时分散较困难，实际应用意义不大，本文没有进行试验研究。212混杂纤维对混凝土力学性能的影响在上述研究的基础
10、上，我们进一步设计了三种尺寸聚丙烯纤维在02最优体积掺量下与钢纤维混掺的方案。研究其对混凝土力学性能的影响。(1)混杂系数的定义旧定义纤维掺入导致的纤维增强混凝上相对于基准混凝上的强度增强系数为：耻if。49万方数据2009年第2期 混凝土与水泥制品 总第166期式中，厂和丘分别为纤维增强混凝上和基准混凝上的强度。MPa。分别记钢(S)纤维、聚丙烯(P)纤维、SP混杂纤维增强混凝土的抗压、劈裂抗拉强度增强指标为鼠小岱m5、Bc，P、8m。P、8cj9于、pm孓_Po高模量纤维和高延性纤维混杂在一起后，其增强效应应考虑两种纤维在单一状态下对水泥基材料增强作用的乘积混杂系数可采用差值法或比值法定义
11、。本文定义SP HFRC(Hybrid Fiber Reinforced Concrete)的混杂系数如下：ae,g-P2瓦L8e,S巧-P，am舯2i旦稍m,S眵-Pi式中，“。抗拉强度平均值达3.46 MPa;拉压比增加了5%-26%.适量掺加钢纤维和聚丙烯纤维后可明显提高高强混凝土的抗拉强度和拉压比.9.学位论文 王占桥 纤维高强混凝土断裂性能的试验研究 2004随着纤维混凝土的广泛应用和结构分析方法、试验技术、设计方法等的日臻完善,纤维混凝土断裂机理的研究已经引起了广大科技工作者的广泛重视.该文在河南省自然科学基金(0311052800)资助下,主要进行了以下几个方面的研究:1.通过2
12、4组共72个试件尺寸为200mm170mm100mm的楔劈拉仲试件的试验,探讨了钢纤维体积率、钢纤维类型、相对切口深度等对高强混凝土断裂性能的影响,建立了钢纤维高强混凝土断裂韧度(KIC)、断裂能(GF)、临界裂缝嘴张开位移(CMODC)、临界裂缝尖端张开位移(CTODC)等断裂参数与钢纤维含量特征参数的关系式;分析了钢纤维高强混凝土和普通高强混凝土的缺口敏感性以及钢纤维对高强混凝土裂缝前缘应变场分布的影响.试验结果表明:钢纤维的加入可以极大地改善高强混凝土的断裂性能,随着纤维体积率的增加,钢纤维高强混凝土断裂参数均有不同程度的提高;与铣削型和剪切波纹型钢纤维相比,切断弓型钢纤维可以极大地改善
13、高强混凝土的断裂性能;钢纤维高强混凝土断裂韧度和断裂能存在缺口敏感性,钢纤维体积率的变化对高强混凝土缺口敏感性的影响较小;钢纤维的加入可以改善裂缝前缘应变场分布.2.通过8组共24个试件尺寸为200mm170mm100mm楔劈拉伸试件的试验,探讨了聚丙烯纤维掺量对高强混凝土断裂韧度、断裂能和临界裂缝嘴张开位移的影响,研究了聚丙烯纤维高强混凝土裂缝前缘应变场分布.结果表明:在该次试验条件下,聚丙烯纤维对高强混凝土断裂韧度基本没有影响,但可以提高高强混凝土的断裂能和临界裂缝嘴张开位移;随着纤维掺量的增加,断裂能和断裂能增益比都有不同程度的提高,临界裂缝张开位移有减小的趋势,临界裂缝嘴张开位移增益比
14、变化没有明显的规律性;聚丙烯纤维对高强混凝土试件裂缝前缘应变场分布改善不显著;聚丙烯纤维主要改善高强混凝土的裂后行为.3.通过对14组共42个混杂纤维高强混凝土楔劈拉伸试件的试验,研究了混杂纤维高强混凝土的断裂力学性能和纤维混杂效应.研究结果表明:纤维的加入可以极大地改善高强混凝土的断裂性能,纤维掺量较小的混杂纤维高强混凝土表现了纤维的正混杂效应,随着纤维掺量的增加,纤维的混杂效应逐渐消失;钢纤维在混杂纤维高强混凝土断裂性能的改善方面起着主导作用,聚丙烯纤维对高强混凝土断裂性能的改善有局限性,弓型纤维对混杂纤维高强混凝土断裂性能的改善较为有效.10.期刊论文 朱海堂.孙丽萍.王占桥.ZHU H
15、aitang.SUN Liping.WANG Zhanqiao 钢-聚丙烯混杂纤维高强混凝土断裂性能的混杂效应 -新型建筑材料2009,36(2)通过钢-聚丙烯混杂纤维高强混凝土试件的楔劈拉伸断裂试验,研究了混杂纤维高强混凝土断裂参数的纤维混杂效应.结果表明,钢纤维在混杂纤维高强混凝土断裂性能的改善方面起着主导作用,聚丙烯纤维对高强混凝土断裂性能的改善具有局限性;混杂纤维高强混凝土的断裂韧度及断裂能,在钢纤维体积率为1.5%时,钢纤维与聚丙烯纤维表现出较好的协同混杂效应,尤以断裂能更为显著,而当聚丙烯纤维掺量为0.9 kg/m3时,仅在钢纤维掺量较小时方具有正混杂效应.同时,不同类型的钢纤维与聚丙烯纤维对高强混凝土各断裂参数的混杂效应具有不同的影响.本文链接：http:/
