根据纤维在混凝土中所起的作用可将其分成2类:阻裂纤维和增韧纤维, 从2类纤维的外观形貌来看也可分别称为细纤维和粗纤维^[1]。粗纤维的增韧作用主要表现在混凝土开裂后, 纤维能通过其与混凝土的截面传递荷载, 使两者共同受力, 初裂后的混凝土仍然具有一定的承载与变形能力, 从而提高混凝土韧性, 同时相应地提高了混凝土抗冲击性与抗疲劳性^[2], 因而在混凝土路面、桥面、工业厂房地板、装卸码头、隧道衬砌、机场跑道、停机坪、停车场和工业与民用建筑等工程领域得到广泛应用。

目前, 对混凝土的增韧通常使用钢纤维, 但使用钢纤维存在混凝土自重增大、钢纤维易锈蚀、成本大幅增加等问题^[3]。大量研究表明, 合成类粗纤维也具有较好的增韧效果^[2,3,4], 但存在弹性模量低、易老化等缺点。因此, 当混凝土需要增韧时, 应根据混凝土服役环境和结构设计, 选择合适的粗纤维。本文选取钢纤维、聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维3种粗纤维, 对比不同粗纤维对混凝土抗压强度、劈拉强度和弯曲韧性的影响, 并分析其作用机理, 为实际工程中粗纤维的选择提供数据参考。

水泥选用P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥, 粉煤灰选用F类Ⅱ级粉煤灰, 矿粉为S95级矿粉, 硅灰比表面积为18 000m²/kg, SiO₂含量为92%, 细骨料为细度模数2.7的天然河砂, 粗骨料为5～20mm连续级配碎石。粗纤维分别选择钢丝切断型钢纤维 (GXW) 、聚丙烯 (PP) 粗纤维和高强高模聚乙烯醇 (PVA) 粗纤维, 其中钢纤维两端弯折带钩, 聚丙烯纤维截面为矩形、表面经加工有花纹, 聚乙烯醇纤维截面为圆形、表面光滑, 各粗纤维的物理力学性能指标如表1所示。不同种类粗纤维的外观形貌如图1所示。

粗纤维混凝土性能研究的基准混凝土选用强度等级为C60的高强混凝土, 水胶比为0.34, 砂率为37%, 具体配合比如表2所示。在此基础上, 分别掺加体积率为0.5%, 1%, 1.5%, 2%的钢纤维、聚乙烯醇粗纤维和聚丙烯粗纤维, 测试28d龄期纤维混凝土的抗压强度、劈拉强度和弯曲韧性, 纤维体积率为1%的组别额外测试1, 3d抗压强度。根据试验结果对比分析不同种类粗纤维对混凝土性能的改善作用。

抗压强度、劈拉强度试验参照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》, 弯曲韧性试验参考CECS13∶2009《纤维混凝土试验方法标准》中的弯曲韧性和初裂强度试验方法, 采用100mm×100mm×400mm梁式试件进行四点弯曲试验, 试件跨度为300mm, 根据荷载挠度曲线确定初裂挠度δ, 通过δ, 3δ, 5.5δ, 10.5δ挠度处曲线包围的面积计算弯曲韧性指数I₅, I₁₀, I₂₀。

粗纤维混凝土抗压强度的试验结果如图2, 3所示, 试验结果表明:① 不同种类的粗纤维 (掺量为1%) 对混凝土的1, 3, 28d抗压强度均无显著的提升或降低作用, 钢纤维与合成粗纤维相比, 在提升高强混凝土抗压强度方面并无优势;② 掺加矿物掺和料后高强混凝土的1, 3d抗压强度有所下降, 28d抗压强度与纯水泥体系混凝土相同, 粗纤维的掺加并未对不同体系的混凝土抗压强度产生显著影响;③ 当纤维掺量>1.5%时, 粗纤维对混凝土的抗压强度略有提升作用, 提升幅度在10%以内。

粗纤维混凝土劈拉强度的试验结果如图4, 5所示, 试验结果表明:①当混凝土中粗纤维体积率≤0.5%时, 不同粗纤维对混凝土的劈拉强度均无明显提升作用;②当混凝土中钢纤维体积率达到1.0%时, 钢纤维对混凝土的劈拉强度产生显著的提升作用, 提升幅度达20%～30%, 钢纤维体积率继续增加, 劈拉强度呈增长趋缓;③当混凝土中PVA粗纤维体积率达1.5%时, PVA粗纤维对混凝土的劈拉强度产生一定的提升作用, 提升幅度10%～15%, 进一步提升PP粗纤维掺量, 劈拉强度呈增长趋缓;④不同体积率的PP粗纤维对混凝土的劈拉强度均无显著影响;⑤掺加矿物掺和料的混凝土28d劈拉强度与纯水泥体系混凝土相比, 劈拉强度略有增加, 这种增加不受粗纤维掺入的影响。

粗纤维混凝土的弯曲韧性试验结果如图6、表3所示, 试验结果表明:①钢纤维体积率在0.5%时就起到了良好的增韧作用, 弯曲韧性指数I₅, I₁₀, I₂₀分别达到3.82, 7.46, 15.94, 随着纤维体积率的增加, 混凝土的弯曲韧性指数进一步增加, 当纤维体积率达到2.0%时, I₅, I₁₀, I₂₀分别达到4.59, 10.29, 23.29, 荷载挠度曲线趋于完善;②PP粗纤维体积率为0.5%时, 试件脆断, 对弯曲韧性无改善作用;PP粗纤维体积率为1.0%时, 对弯曲韧性的提升作用并不明显, I₅, I₁₀, I₂₀分别仅为3.50, 6.02, 10.38, 纤维掺量达到1.5%时, 荷载挠度曲线趋于完善, 纤维掺量达到2.0%时, I₅, I₁₀, I₂₀可分别达到3.84, 8.33, 20.57, 具有不亚于钢纤维的增韧效果;③PVA粗纤维体积率为0.5%时, 试件脆断, 对弯曲韧性无改善作用, 当PVA粗纤维体积率达到1.0%以上, PVA粗纤维对混凝土的弯曲韧性具有提升作用, 当PVA粗纤维体积率达到2.0%时, 混凝土I₅, I₁₀, I₂₀分别达到3.83, 7.35, 16.01, 其增韧作用与同体积率的钢纤维、PP相比具有较大差距, 且PVA粗纤维混凝土在达到最大荷载后纤维被大量拔出, 后续承载能力较差。

前述试验结果表明, 不同粗纤维混凝土在纤维体积率为1.5%以内时, 随着粗纤维体积率的增加, 抗压强度并无明显提升, 甚至在纤维体积率较低时还略有降低。这是因为纤维混凝土的抗压强度主要还是取决于基体强度, 而粗纤维的加入对混凝土的抗压强度可能存在以下作用:约束了混凝土在受压过程中的横向膨胀, 推迟破坏进程, 对提高抗压强度有益;粗纤维的掺入在混凝土中引入大量钢纤维-水泥基界面薄弱层, 对提高抗压强度不利^[5]。由于纤维在混凝土中是三维乱向分布, 仅有横向分布的纤维能起到约束横向膨胀的作用, 因此在纤维体积率较低时, 能起到约束横向膨胀作用的纤维较少, 表现为混凝土强度并无显著变化甚至略有降低;在纤维体积率足够高时, 纤维约束横向膨胀的能力增大, 但相应的界面薄弱区也增加, 表现为混凝土强度的提升作用并不明显。不同粗纤维均存在上述现象, 因此粗纤维对抗压强度的影响规律与纤维种类无关, 但粗纤维对混凝土抗压强度的提升效果远比抗拉强度和抗折强度差得多。

前述试验结果表明, 不同粗纤维混凝土在纤维体积率为0.5%以内时, 对混凝土劈拉强度基本无提升作用。这主要是因为混凝土在受拉应力开裂后, 纤维对裂缝的发展起到约束作用, 受拉时跨越裂缝的纤维将荷载传递到裂缝的上、下表面, 使裂缝处材料仍能继续承载。由于混凝土劈拉开裂所施加的荷载并不足以使粗纤维断裂, 后续纤维的增强作用主要表现为纤维的拔出, 通过粗纤维与水泥浆体的界面黏结力实现。

当纤维体积率<0.5%时, 开裂面处的纤维数量较少, 分配到每根纤维上的拉应力极大, 纤维瞬间产生较大位移甚至直接拔出, 劈拉试验中上下端压应力作用下产生的裂缝迅速贯穿, 试件失去承载能力, 表现为纤维对混凝土劈拉强度无提升作用。

当纤维体积率较高时, 与水泥浆体界面黏结力较低的粗纤维 (本文选用的PVA粗纤维) , 虽然纤维数量足够, 但由于黏结力偏低, 纤维在拉应力作用下的拔出位移较大, 也会出现对劈拉强度无显著提升作用的现象。当纤维掺量较高, 且采取措施增加纤维拔出过程中的阻力, 如钢纤维端部弯折带钩增加锚固力、PP表面印刻花纹, 可一定程度提高混凝土开裂后的后续承载力, 提高劈拉强度。因此, 钢纤维和PP在纤维体积率达到1.0%以上时, 劈拉强度有明显提升。

前述试验结果表明, 钢纤维体积率在0.5%时就能显著提高混凝土的弯曲韧性, 而PP和PVA粗纤维体积率需达到1.0%时才对混凝土的弯曲韧性有提升作用, 且相同体积率时, 钢纤维的增韧效果优于PP粗纤维, PP粗纤维的增韧效果总体优于PVA。

从机理上看, 粗纤维对混凝土弯曲韧性的提升作用机理与对劈拉强度的作用机理较相似, 均通过纤维与界面的黏结力传递荷载, 提高开裂后的承载力, 但不同的是在弯曲韧性试验中, 混凝土上部受压、下部受拉, 裂缝为开口状, 不会像劈拉试验中出现的纤维瞬时拔出位移较大时形成贯穿性裂缝导致无法后续承载, 有利于发挥纤维的增韧作用, 因而端部弯折的钢纤维在体积率为0.5%时也可提高混凝土的弯曲韧性。

此外, 文献研究表明, 对于基体强度为50MPa的混凝土, 钢纤维与水泥浆体的黏结应力达7MPa^[6], 异型聚丙烯纤维与砂浆的界面黏结强度仅为3MPa^[7], 而表面光滑的PVA粗纤维的界面黏结强度更低。这也是不同种类粗纤维混凝土相同体积率下弯曲韧性指数有较大差异的主要原因。钢纤维与水泥基材料良好的黏结性能决定其是混凝土良好的纤维增强材料, 合成类粗纤维的形状设计和表面处理则是最大限度地提升其增韧效果的重要措施。

1) 不同种类粗纤维体积率在1.5%以下时对混凝土的抗压强度无显著影响, 当纤维体积率达到2.0%时, 对抗压强度有小幅提升作用, 提升幅度在10%以内。

2) 不同种类粗纤维体积掺量在0.5%以下时对混凝土的劈拉强度无提升作用。掺量>1.0%时, GXW和PVA粗纤维对混凝土的劈拉强度有提升作用, 随着掺量的增加, 提升幅度分别可达20%～30%和10%～15%。PP粗纤维在掺量>1.0%后对混凝土的劈拉强度仍无提升作用。

3) 钢纤维体积率在0.5%时就能显著提高混凝土的弯曲韧性, 而PP粗纤维和PVA粗纤维掺量需达到1.0%才体现出对混凝土的弯曲韧性有提升作用, 不同粗纤维对混凝土弯曲韧性的提升效果为:GXW>PP粗纤维>PVA粗纤维。

4) 影响粗纤维增强增韧效果的主要因素包括纤维本身与水泥浆体的黏结特性、纤维的外形特征以及纤维的表面处理工艺, 其核心在于纤维拔出过程中所受的阻力。