纤维混杂效应对混凝土轴心抗压强度的影响

王志杰，王嘉伟，陈铁卫，朱敢平，史瑞瑾

（1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031；2.天津轨道交通集团有限公司，天津 300380；3.玖青新材料科技（上海）有限公司，上海 200062）

为提高普通混凝土的抗裂、抗渗、耐磨等耐久性能，国内外学者提出了在混凝土中掺入纤维的复合材料技术［1］。在单一纤维混凝土的基础上，将不同品种纤维按一定比例掺入基体混凝土中，使之互相作用产生纤维混杂效应，以期得到更为优异的耐久性能［2］。

纤维混凝土常用的合成纤维包括纤维素纤维、聚乙烯醇纤维等［3-4］。纤维素纤维可提高混凝土的抗渗、抗离子侵蚀、抗碳化等耐久性能，在我国已被应用于高速铁路隧道衬砌、无砟轨道板等重大基础工程中［5-8］。聚乙烯醇纤维可有效提升混凝土的抗裂、抗冲击等性能，已被广泛应用于隧道、水库等土建工程中［9-11］。

目前针对纤维素纤维混凝土与聚乙烯醇纤维混凝土已有不少研究。张文潇［12］对隧道纤维素纤维混凝土在弯拉荷载与环境因素共同作用下的耐久性、抗高温爆裂和受压徐变性能进行了试验研究，分析了纤维素纤维作为混凝土内养护纤维的可行性。Noushini等［13］研究了不同体积掺量下聚乙烯醇纤维混凝土性能，以弯曲韧性为指标，得到了最优纤维体积掺量。曹军伟［14］对混杂纤维混凝土进行了试验研究，揭示了纤维素-聚乙烯醇混杂纤维混凝土不同性能指标间的相关性。但是，目前的研究对于纤维素纤维和聚乙烯醇纤维的混杂效应分析还不深入。本文以混凝土轴心抗压强度为研究指标，对纤维素纤维与聚乙烯醇纤维的混杂效应进行试验研究，为分析2 种纤维的混杂效应对混凝土韧性及耐久性的影响提供理论依据。

1 轴心抗压试验

1.1 试验材料及配合比

混凝土强度等级为C50。试验使用利森P·O 42.5水泥；粗骨料为都江堰5～20 mm 碎石；细骨料为乐山河砂，细度模数2.6；纤维材料采用玖青新材料科技（上海）有限公司提供的纤维素纤维CTF-960（Cellulose Fiber，抗拉强度960 MPa，下文简称CTF）、聚乙烯醇纤维 PF-2000（Polyvinyl Alcohol Fiber，抗拉强度2000 MPa，下文简称PF），见图1。外加剂为高性能减水剂（JFL-2C）和防腐阻锈抗裂防水剂（CFA-ZF），掺和料为F类Ⅱ级粉煤灰和矿粉。纤维材料物理力学性能指标见表1，配合比及材料用量见表2。

图1 纤维材料图

表1 纤维材料物理力学性能指标

表2 混凝土配合比及材料用量

1.2 试验工况设计

采用100 mm×100 mm×300 mm 的棱柱体试件，在混凝土中混掺纤维素纤维、聚乙烯醇纤维，养护成型28 d后，将试件从养护室取出，测试混凝土轴心抗压强度。试验方法参照CECS 13：2009《纤维混凝土试验方法标准》［15］。试验工况采取正交组合，有11 种工况。每种3个试件，共33个试件。

2 试验结果与分析

2.1 试件破坏形态

混凝土试件轴心受压破坏形态见图2。其中：CTF1.0 表示纤维素纤维掺量为1.0 kg/m3的纤维混凝土试件，其余以此类推。

图2 混凝土试件轴心受压破坏形态

由图2可以看出：素混凝土破坏后试件表面有一条贯穿的斜向主裂缝，裂缝分岔较少；而纤维混凝土试件破坏后表面出现多条斜向裂缝，这是因为在裂缝扩展过程中纤维的存在使得裂缝尖端易发生应力重分布。

2.2 结果分析

纤维混凝土的轴心抗压强度增强系数βf为

式中：fcpf为纤维混凝土的轴心抗压强度；fcp为素混凝土的轴心抗压强度。

当βf＞1 时，纤维对基体混凝土的轴心抗压强度有增大作用；当βf＜1 时，纤维对基体混凝土的轴心抗压强度有减小作用。通过计算得到试件轴心抗压强度，每种工况取3 个试件的平均值，依据式（1）计算得到βf，见表3。

表3 混凝土轴心抗压试验结果

从表3可知：①CTF 混凝土轴心抗压强度随CTF掺量的增大先增大后减小，CTF 掺量为1.5 kg/m3时轴心抗压强度达到最大值63.8 MPa，与素混凝土相比增大了6.8 MPa；PF混凝土轴心抗压强度随着PF掺量的增大而减小，PF 掺量在0～2 kg/m3时混凝土轴心抗压强度减小趋势较为平缓，PF掺量为3.5 kg/m3时急剧减小到41 MPa，与素混凝土相比减小了16 MPa。②当CTF 掺量不变时，随着PF 掺量增大CTF-PF 混杂纤维混凝土βf逐渐减小，且在 PF 掺量为 3.5 kg/m3时βf大幅减小至0.67。当PF 纤维掺量不变时，随着CTF 掺量增大CTF-PF混杂纤维混凝土βf缓慢增大，但均小于素混凝土。

综合分析表3数据，对于混凝土轴心抗压强度，纤维单掺情况下CTF 起正向增大作用，PF则起负向减小作用。当 2 种纤维混掺、PF 掺量在 0～2 kg/m3时，再掺入CTF 会产生正混杂效应，轴心抗压强度提高。但是，PF3.5 纤维混凝土轴心抗压强度为41 MPa，CTF1.2+PF3.5 混杂纤维混凝土的轴心抗压强度为38.1 MPa，即CTF 的掺入反而降低了轴心抗压强度，产生负混杂效应。

3 纤维混杂效应对混凝土轴心抗压强度的影响规律

参考国内外针对纤维混杂效应的研究方法［16-17］，本文引入纤维混杂效应函数来表征CTF 和PF 混掺对混凝土轴心抗压强度的影响。该函数的值即为βf。

式中：f（x，y，z，…）为纤维混杂效应函数；x，y，z是不同纤维的体积掺量，可由质量掺量换算。

针对CTF-PF混杂纤维混凝土，则有

式中：fcp（i，j）为CTF-PF 混杂纤维混凝土轴心抗压强度的混杂效应函数；i，j分别为CTF和PF的体积掺量。

利用MATLAB 对试验得到的CTF-PF 混杂纤维混凝土βf与2 种纤维体积掺量进行多项式曲面拟合，结果见图3。

图3 CTF-PF 混杂纤维混凝土βf与2 种纤维体积掺量的拟合曲面

相应的CTF-PF 混杂纤维混凝土轴心抗压强度混杂效应函数fcp（i，j）为

相关系数R2为 0.982，说明fcp（i，j）可用于表征CTF 和PF单掺、混掺情况下混凝土轴心抗压强度的变化规律。根据式（3）和式（4）可通过少量试验数据预测特定掺量CTF-PF 混杂纤维混凝土βf。已知相同配合比的素混凝土轴心抗压强度时，可利用式（1）预测相应掺量纤维混凝土的轴心抗压强度，为以后研究CTF-PF 混掺对混凝土耐久性、弯曲韧性的影响奠定基础。

4 结论

1）在混凝土中掺入纤维素纤维可提高混凝土轴心抗压强度。随着纤维素纤维掺量的增大，混凝土轴心抗压强度先增大后减小，纤维素纤维的最优掺量为1.5 kg/m3，对应的混凝土轴心抗压强度为63.8 MPa。

2）在基体混凝土中掺入聚乙烯醇纤维会减小混凝土轴心抗压强度。聚乙烯醇纤维掺量在0～2 kg/m3时混凝土轴心抗压强度减小幅度并不明显，但聚乙烯醇纤维掺量为3.5 kg/m3时混凝土轴心抗压强度明显减小。

3）聚乙烯醇纤维掺量小于2 kg/m3，纤维素纤维掺量小于1.2 kg/m3时，产生正混杂效应，所得混杂纤维混凝土轴心抗压强度优于单掺相应掺量聚乙烯醇纤维的混凝土；但聚乙烯醇纤维掺量为3.5 kg/m3时再掺入纤维素纤维会产生负混杂效应，降低混凝土轴心抗压强度。

4）基于MATLAB 多项式曲面拟合求得纤维混杂效应函数，该函数可表征纤维素纤维和聚乙烯醇纤维在单掺、混掺情况下轴心抗压强度的变化规律。