钢纤维和碳纤维的混合效应对高性能混凝土力学性能的影响*

张雪梅，周美容

(南通理工学院 建筑工程学院，江苏 南通 226002)

0 引 言

高性能混凝土具有抗压强度高、取材容易、易成型、抗裂性较好等优点[1-3]。但是实际操作中由于其抗拉强度低、脆性大、易开裂、韧性差等缺点，降低了混凝土的耐久性[4-6]。在混凝土中加入纤维是目前解决混凝土缺点的有效方式之一[7]。通过在混凝土基体中加入混合纤维，充分发挥各纤维优势，互相弥补各自缺点，利用纤维之间的混合效应，增强高性能混凝土的力学性能，对高性能混凝土的力学性能产生积极影响[8-10]。

目前，利用混合纤维提升混凝土材料力学性能的研究有很多，如杰德尔别克等[11]进行了钢纤维和聚丙烯纤维对高性能混凝土力学性能的试验研究，得出适当比例的混合纤维掺量可有效提升混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度，并给出了相关计算公式；权长青等[12]研究了钢纤维及陶粒掺量对轻质混凝土力学性能的影响，得出钢纤维可显著提升轻质混凝土的抗压强度，陶粒比例越大，轻质混凝土的抗压强度越小；王建超等[13]研究了短切碳纤维的加入对再生混凝土力学性能的影响，得出碳纤维长度为6 mm,纤维掺量为0.12%时，对再生混凝土强度改善最为明显；王钧等[14]通过混杂纤维高强自密实混凝土弯曲韧性试验，研究得出碳纤维与钢纤维能够在高强自密实混凝土开裂的不同阶段，产生不同层次的混凝土改性作用,降低混凝土峰值荷载变形,提高混凝土的极限荷载以及弯曲韧度比。

钢纤维以其自身具备的增强 、增韧优势已被广泛用于提升混凝土的力学性能[15-16]。而碳纤维以其较好的强度表现和较大的弹性模量已在水泥基改性材料中加以应用[17-18]。为此，本文选取钢纤维和碳纤维作为混合纤维材料，利用劈裂抗拉强度试验和落锤冲击试验，研究二者的混合效应对高性能混凝土劈裂抗拉强度和抗冲击性能等力学性能的影响。

1 实 验

1.1 实验材料与配合比

水泥选用50.3 MPa普通硅酸盐水泥；外加剂选用萘系高效减水剂；细骨料选用中砂与河砂，其中细度模数为2.4；粗骨料选用粒径4～8 mm的碎石；钢纤维由U表示，选用长度49 mm、等效直径0.8 mm、抗拉强度1 000 MPa的钢纤维；碳纤维由E表示，选用长度11 mm、等效直径0.02 mm、抗拉强度2 600 MPa的高强碳纤维。高性能混凝土的配合比为m(每立方米质量水)∶m(水泥)∶m(减水剂)∶m(细骨料)∶m(粗骨料)=255∶471∶4∶616∶1 051。

1.2 试件制备与设计分组

1.2.1 试件制备

试件的标准是210 mm×210 mm×60 mm的长方体，用强制式搅拌机搅拌，平板式振动台振动紧致成型。纤维增强混凝土试件制造中，注入80%的水搅动3 min，再逐渐放进50%的纤维搅动4 min，这样可以不让纤维成团，再把剩余的水和减水剂加进去搅动6 min，最后把剩余的50%的纤维加进去搅动6 min，经过24 h便可脱模。

1.2.2 试件设计分组

混合纤维对高性能混凝土力学性能的影响，可通过对比钢纤维与碳纤维的不同掺入量得出[19-20]。试件包括无纤维混凝土试件、一种纤维混凝土试件与混合纤维混凝土试件。试件设计分组如表1所示。

表1 试件设计分组汇总表(kg/m3)Table 1 Sample design grouping summary table(kg/m3)

1.3 试验方法

1.3.1 劈裂抗拉强度试验

依据GB/T50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》对劈裂抗拉强度进行测试。在2 500 kN的压力试验机上进行试验，预先在混凝土试件上画出中心线，按照钢弧形垫块、木质垫板、试件的顺序，将三者依次放置于压力试验机上，确保三者的中心线对准压力试验机的中心线，控制加载速率为0.06 MPa/s，对劈裂抗拉强度进行平均加荷。当试件临近破坏时(即变形速度变快时)，停止压力试验机，直至试件破坏。

劈裂抗拉强度的计算公式如式(1)

(1)

其中，fia为立方体试件的劈裂抗拉强度，MPa；Fimax为劈裂抗拉破坏荷载，N；Ai为劈裂面积，mm2。

1.3.2 落锤冲击试验

抗冲击性能主要有抗压强度和延性比提升率两大因素，本文采用落锤冲击法进行测试，这种方法是通过一定质量的钢锤由固定高度自由落下冲击试件，并记载初裂和破坏的冲击次数，试验采用质量为7.3 kg的钢锤，下落高度为35 cm。通过比较初裂和破坏的钢锤冲击次数完成对高性能混凝土的抗冲击性能的测试。

2 结果与分析

2.1 劈裂抗拉强度试验结果

2.1.1 劈裂抗拉强度的提升系数对劈裂抗拉强度影响

根据劈裂抗拉强度试验，得出各组试件的劈裂抗拉强度。由此可计算出试件劈裂抗拉强度的提升系数，计算公式如式(2)

(2)

其中，β表示混合纤维混凝土试件劈裂抗拉强度的提升系数，f为纤维混凝土试件的劈裂抗拉强度，fm为基体高性能混凝土的劈裂抗拉强度。

根据式(2)可知，β>1.0时，纤维可增强基体高性能混凝土的劈裂抗拉强度；β<1.0时，纤维可降低基体高性能混凝土的劈裂抗拉强度。劈裂抗拉强度试验结果如表2所示。

表2 劈裂抗拉强度试验结果Table 2 The results of splitting tensile strength test

分析表2数据可知，仅有试件编号7的β<1.0，即当混凝土中钢纤维的掺量为4.0%、碳纤维的掺量为0时，纤维的掺入会降低基体高性能混凝土劈裂抗拉强度。其余比例的纤维掺入均会增强基体高性能混凝土劈裂抗拉强度。

2.1.2 掺入量不同对劈裂抗拉强度的影响

图1为掺入不同量的碳纤维对试样劈裂抗拉强度提升系数的影响，钢纤维掺入量用i表示，碳纤维掺入量用j表示，选取钢纤维的含量为0，2.0%和4.0%为研究对象。从图1可以看出，高性能混凝土试样的劈裂抗拉强度提升与掺入混合纤维的量有关，且具有不同的规律。当i为0时，随着j的增加，试样劈裂抗拉强度提升系数先降低后提升，在j为1.0%时，试样劈裂抗拉强度提升系数最大为1.74；当i为2.0%和4.0%时，随着j的不断增加，试样劈裂抗拉强度的提升系数先提升后降低，在i为4.0%、j为0.7%时，试样劈裂抗拉强度提升系数最大为1.56。由图1可知，掺入任意比例碳纤维的高性能混凝土试样劈裂抗拉强度的提升系数均大于1.0。

图1 碳纤维的掺入量对试样劈裂抗拉强度提升系数影响Fig 1 Effect of carbon fiber content on splitting tensile strength improvement coefficient of specimens

图2为掺入不同量的钢纤维对试样劈裂抗拉强度提升系数的影响，钢纤维掺入量用i表示，碳纤维掺入量用j表示，选取碳纤维的含量为0，0.5%和1.0%为研究对象。从图2可以看出，当j为0时，随着i的增加，试样劈裂抗拉强度提升系数逐步降低，在i为2.0%时，试样劈裂抗拉强度提升系数最大为1.61；当j为0.5%和1.0%时，随着i的不断增加，试样劈裂抗拉强度的逐步提升，在i为4.0%、j为1.0%时，试样劈裂抗拉强度提升系数最大为1.41。由图2可知，在碳纤维掺入量为0、钢纤维的掺量为4.0%时，高性能混凝土试样劈裂抗拉强度的提升系数小于1.0。

图2 钢纤维的掺入量对试样劈裂抗拉强度提升系数影响Fig 2 Effect of steel fiber content on splitting tensile strength improvement coefficient of specimens

通过图1和2可知，掺入混合纤维的高性能混凝土试样的劈裂抗拉强度提升系数随着钢纤维掺量的增加而提升，而随着碳纤维掺量的增加先提升后降低。只掺入碳纤维时，碳纤维掺入量为1%时，试样劈裂抗拉强度的提升系数最多增加了50%；只掺入钢纤维时，钢纤维的掺入量越多，试样劈裂抗拉强度的提升系数越小，而且减小了基体高性能混凝土的劈裂抗拉强度。

高性能混凝土中纤维的三维混乱分布形成“三维网络体系”和纤维同高性能混凝土彼此的粘结力，增强混合纤维对基体高性能混凝土劈裂抗拉强度的提升系数。当裂缝开始起裂，为了终止裂缝持续扩大，缓解裂缝附近的应力集中，使高性能混凝土基体里的应力连续与均匀，需要纤维通过连接裂缝完成荷载的传输。所以高性能混凝土劈裂抗拉强度的提升可通过混合纤维的掺入实现。

2.1.3 混合效应系数对劈裂抗拉强度的影响

通过纤维混合效应系数(式3)描述混合纤维对基体高性能混凝土劈裂抗拉强度的提升结果

(3)

其中，α为混合效应系数，βsp为混合纤维高性能混凝土劈裂抗拉强度，βs为单掺钢纤维高性能混凝土劈裂抗拉强度，βp为单掺碳纤维高性能混凝土劈裂抗拉强度。当α>1时，说明产生正混合效应；当α<1时，说明产生负混合效应。

表3为混合纤维高性能混凝土试样的混合效应系数。从表3可以看出，高性能混凝土试样的劈裂抗拉强度通过加入混合的钢纤维与碳纤维形成混杂效应。不同掺量的混合纤维产生的混杂效应系数变化并没有特定的规律。当钢纤维掺量为4.0%、碳纤维掺量为0. 5%时，试样的混合效应系数为1.35，此时产生正混合效应，提升了高性能混凝土试样的劈裂抗拉强度。

表3 混合纤维高性能混凝土试样的混合效应系数Table 3 Mixing effect coefficient of high performance concrete with mixed fiber

2.2 抗冲击性能试验结果

2.2.1 抗冲击性能结果分析

图3为高性能混凝土和混合纤维高性能混凝土试件冲击的损坏程度比较结果。开始进行冲击试验时，每冲击一次都会产生清脆的声音，两种试件基本没有变化，高性能混凝土试件的中心表面的局部同样没有受损。进行重锤冲击时，会产生回弹，大部分试件初裂的裂缝是与边长平行展开而且贯通，都是由试件中心开始形成裂缝。形成初裂后，冲击的声音发生变化，由清脆变得低沉，而且两种试件均有程度不一的变形。在两种试件冲击破坏发生过程中，出现了十字贯通的裂缝，最后变成破坏状态。从图3(a)和(b)可以看出，起初出现裂缝并伴有断裂破坏的是高性能混凝土试件。从图3(c)和(d)可以看出，起初出现裂缝但可以继续承受冲击荷载的是混合纤维高性能混凝土试件。随着冲击试验进行，试件的裂缝展开逐渐变大，损坏程度也持续变大，混合纤维高性能混凝土试件的损坏程度始终小于高性能混凝土试件，可知钢纤维与碳纤维的混合可以阻止裂缝持续展开。

图3 高性能混凝土和混合纤维高性能混凝土试件冲击的损坏程度比较结果Fig 3 Comparison results of damage degree of high performance concrete and mixed fiber high performance concrete under impact

表4为冲击试验数据。其中，初裂次数R′代表试件承受R′次冲击时出现初始裂缝(贯通裂缝)，破坏次数R代表试件承受R次冲击时出现初始裂缝(贯通裂缝)。破坏程度属于延性破坏还是脆性破坏通过R/R′的比值决定。若R/R′的比值大，说明试件出现裂缝后还可以承受冲击荷载，裂缝呈现慢慢延伸与扩展的形态，说明该试件属于延性破坏。由表4可知，试件4的R/R′数值最大，其破坏程度属于延性破坏，而试件1的R/R′数值最小，其破坏程度属于脆性破坏。通过比较混合纤维高性能混凝土与高性能混凝土的初裂及破坏冲击次数，可知高性能混凝土掺入混合纤维能够提升抗冲击能力。

表4 冲击试验数据Table 4 The data of impact test

图4为不同试件初裂和破坏两种状态下的抗冲击能力提升倍数比较。由图4和表4可知，初裂状态下，试件5和6的R′纤维砼/R′素砼值分别为4.6和5.12；破坏状态下，试件5和6的R纤维砼/R素砼值分别为5.6和6.92。可知试件5和6的的抗冲击性能提升最多。

图4 不同试件的抗冲击能力提升倍数比较Fig 4 Comparison of improvement times of impact resistance of different specimens

2.2.2 纤维类型与混合组合对抗冲击性能的影响

图5为纤维掺量对高性能混凝土抗压强度与延性比提升率的关系，不加任何纤维的基础高性能混凝土的抗压强度是45 MPa。从图5(a)可以看出，随着钢纤维的加入，试件的抗压强度开始增大，当单掺2%的钢纤维时，试件的抗压强度增大至51 MPa；而随着碳纤维的混加入，试件的抗压强度开始减小，当单掺0.5%的碳纤维时，试件的抗压强度减小至43 MPa。试件抗压强度的提升需要通过钢纤维与碳纤维混合加入得到改善，当纤维总含量为3%时，试件的抗压强度提升至56 MPa；当纤维总含量为4.5%时，试件的抗压强度提升至58 MPa。所以混合纤维大幅提升了高性能混凝土试件的抗压强度。从图5(b)可以看出，当单掺4%的钢纤维时，试件的延性比提升率为59%；当单掺1%的碳纤维时，试件的延性比提升率为80%；当纤维总含量为5%时，试件的延性比提升率为110%。可知混合纤维大幅提升了高性能混凝土试件的延性比提升率。

图5 纤维掺量对高性能混凝土抗压强度与延性比提升率的关系Fig 5 Effect of fiber content on compressive strength and ductility ratio of high performance concrete

综上分析可知，单掺碳纤维减弱了高性能混凝土试件的抗压强度，单掺钢纤维虽然可以加强试件的抗压强度但试件的延性比提升率不高。结合抗压强度与延性比提升率分析得出，混合纤维比单一纤维有优势，更能够增强高性能混凝土试件的抗冲击性能。

3 结 论

制备了无纤维混凝土试件、一种纤维混凝土试件与混合纤维混凝土试件，通过劈裂抗拉强度试验与抗冲击性能试验，研究了钢纤维和碳纤维的混合效应对高性能混凝土力学性能的影响。得到如下结论：

(1)在碳纤维掺入量为0、钢纤维的掺量为4.0%时，高性能混凝土试样劈裂抗拉强度的提升系数小于1.0，纤维的掺入会降低基体高性能混凝土劈裂抗拉强度；在一定范围内，掺入混合纤维的高性能混凝土试样的劈裂抗拉强度提升系数随着钢纤维掺量的增加而提升，而随着碳纤维掺量的增加先提升后降低。通过混合纤维的掺入可提升高性能混凝土的劈裂抗拉强度。

(2)高性能混凝土试样的劈裂抗拉强度通过加入混合的钢纤维与碳纤维形成混杂效应。当钢纤维掺量为4.0%、碳纤维掺量为0. 5%时，试样的混合效应系数为1.35，产生正混合效应，提升了高性能混凝土试样的劈裂抗拉强度。

(3)冲击试验中，混合纤维高性能混凝土试件的损坏程度始终小于高性能混凝土试件，可知钢纤维与碳纤维的混合可以阻止裂缝持续展开，高性能混凝土掺入混合纤维能够提升抗冲击能力。

(4)当纤维总含量为4.5%时，试件的抗压强度提升至58 MPa，混合纤维大幅提升了高性能混凝土试件的抗压强度；当纤维总含量为5%时，试件的延性比提升率为110%，混合纤维大幅提升了高性能混凝土试件的延性比提升率。因此混合纤维比单一纤维有优势，更能够增强高性能混凝土试件的抗冲击性能。