剑麻-耐碱玻璃纤维混凝土基本强度研究

余美琳，李润泽，陈 杰，曹雅琪，金 康，潘 锦，周小龙

武汉工程大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430074

纤维混凝土是一种以砂浆、水泥浆或混凝土为基础材料的新型水泥基复合材料，纤维均匀地掺在混凝土基体中，起到增强力学性能的作用［1-3］。相较于普通混凝土，纤维混凝土具有更好的抗裂、抗拉、抗折等性能，扩展了混凝土的应用领域［4-5］。

近年来，国内外学者对纤维混凝土进行了大量研究，并取得了重要研究成果，但前人的研究过多关注无机纤维（如钢纤维等［6-7］）的掺入，而对于量大且价格低廉的植物纤维掺入混凝土的研究成果较少。但剑麻纤维（sisal fiber，SF）作为一种绿色环保的植物纤维，具有价格低廉、韧性和弹性模量高、抗拉抗腐蚀性好等特点［8-10］，SF的加入在一定程度上能够提高混凝土的劈裂抗拉强度和弹性模量［11］，同时抑制混凝土裂缝的开展，延缓有害离子的入侵，从而提高结构的耐久性［12］，延长混凝土结构的使用寿命［12-13］。SF混凝土的各种优良性能使其广泛应用于各类工程中，尤其在具有抗裂需求的码头、水利等工程中［14-15］。同时耐碱玻璃纤维（alkali resistant glass fiber，ARGF）具有抗拉强度高、较好的流动性、与混凝土浆料的包裹黏结性好等性能。ARGF的掺入较大程度地提高了混凝土的抗折和抗拉强度［16］，并且已成功应用于某隧道工程，取得了良好的成效［17］。

SF和ARGF具备上述优良性能且对绿色建筑的发展具有较大意义，因此本文以强度等级为C30的普通混凝土为基体，分别掺入SF、ARGF及剑麻-耐碱玻璃混杂纤维（sisal and alkali-resistant glass hybrid fiber，SRGHF），配制纤维混凝土并开展抗压、劈裂抗拉、抗折试验，研究不同体积掺量的纤维对普通混凝土基本强度的影响，同时探讨纤维最佳体积掺量。

1 试验部分

1.1 试验材料

水泥：P·O 42.5级水泥，相关参数见表1；细骨料：河砂，为Ⅱ区中砂，堆积密度为1 480 kg/m3，表观密度为2 559 kg/m3，细度模数为2.62，含泥量为0.5%，级配合格；粗骨料：碎石，相关参数见表2；粉煤灰：I级粉煤灰，相关参数见表3；减水剂：FDN高效减水剂，减水率可达25%；水：自来水；纤维：SF和ARGF，其中SF见图1（a），ARGF见图1（b），相关参数见表4。

表1 水泥的主要技术指标Tab.1 Main technical indicators of cement

表2 碎石的主要技术指标Tab.2 Main technical indicators of gravel

表3 粉煤灰各成分的化学成分Tab.3 Chemical composition of fly ash %

表4 纤维的相关参数Tab.4 Technical indicators of fiber

图1 纤维图：（a）剑麻纤维，（b）耐碱玻璃纤维Fig.1 Images of fibers：（a）SF，（b）ARGF

1.2 试验配合比

配制强度等级为C30的普通混凝土［18-19］，配合比见表5。

表5 混凝土配合比Tab.5 Mixture ratios of concrete

选用SF和ARGF，以及SRGHF掺入强度等级为C30的普通混凝土中，制得纤维混凝土。两种纤维混杂的体积掺量比为1∶1时，两种纤维处于掺量相同的状态，掺入混凝土中不仅可以最大程度地发挥两种纤维各自的优势，还能起到较好的混杂效应，对混凝土各项性能均有较好的提升。考虑到纤维低体积掺量有利于控制混凝土早期裂缝的开展，而高体积掺量的作用主要是改变混凝土的工作性质，且当纤维的体积掺量为0.06%～0.20%时，混凝土的抗裂性能有较大程度的提升［18］。因此，本文选择纤维体积掺量为0、1.5、2.0、2.5 kg/m3（即体积掺量的范围是0.06%～0.1%）开展相关试验研究。

1.3 试件制备

制作混掺和单掺纤维混凝土的搅拌工序流程见图2［20］。待拌合物变为胶体状态时，检查混凝土的流动性，测得坍落度的范围为163～174 mm，并成型试块。

图2 纤维混凝土搅拌工序：（a）混掺纤维混凝土，（b）单掺纤维混凝土Fig.2 Mixing procedures of fiber concrete：（a）assorted fiber concrete，（b）single fiber concrete

SF是天然纤维，有一些杂质附在表面，在使用前应将SF浸泡在质量分数为1%的NaOH溶液中30 min，再用清水冲洗、晾晒干燥［21］。

1.4 试验方法

根据配合比配制10组试件，其中单掺SF混凝土3组，单掺ARGF混凝土3组，混掺纤维SRGHF混凝土3组，空白组1组（不掺加任何纤维）。每组试验包含3个试块，各试块均为非标准试件，试块尺寸及其换算系数见表6。标准养护28 d后，根据规范测得混凝土试块各项性能［22-23］。以每组3个试件的算术平均值作为该组的强度（精确至0.001 MPa）。

表6 试件尺寸及换算系数Tab.6 Size and conversion coefficients of specimen

2 结果与讨论

2.1 破坏形态

试件抗压破坏形态见图3。图3（a）为SRGHF组试件的外观形貌，其中两种纤维体积掺量均为2.5 kg/m3，图3（b）为空白组试件的外观形貌。空白组在刚开始时试件被压缩，未出现较明显的破坏特征。随着荷载不断增加，宏观表现出明显的贯穿裂缝，破坏瞬间发生较大声响，试件侧面混凝土块剥落较多，整个试件裂为两部分，断口处形状不规则，部分粗骨料发生破坏，表现出明显的脆性破坏特征。SRGHF组在破坏瞬间也出现较大声响，但裂缝宽度及破碎区域较空白组明显减小，同时侧面混凝土脱落较少，断口处少有粗骨料破坏，纤维在断口处分布较为均匀。

图3 试件受压破坏形态：（a）SRGHF组，（b）空白组Fig.3 Compressive failure patterns of specimens：（a）SRGHFgroup，（b）blank group

试件抗拉破坏形态见图4。图4（a）为空白组试件的断口形貌；图4（b）为SRGHF组试件的外观形貌，其中纤维体积掺量为2.5 kg/m3。空白组试件破坏瞬间几乎完全裂开为两部分，断面比较平整，断面内粗骨料大量被破坏；掺入混杂纤维后，试件在加载过程中抗拉强度明显增大，加载到极限荷载的瞬间试件突然发生劈裂现象，并且伴有较大声响，属于脆性破坏，破坏时断口较为平整，且在断面内出现均匀分布的纤维，部分纤维被拉断，混凝土表面的裂缝变得小而细，体现出纤维吸收了断裂时的部分能量。

图4 试件劈裂抗拉破坏形态：（a）空白组，（b）SRGHF组Fig.4 Splitting tensile failure patterns of specimens：（a）blank group，（b）SRGHF group

试件抗折破坏形态见图5。图5（a）为SRGHF组试件的断口形貌，其中纤维体积掺量为2.5 kg/m3；图5（b）为空白组试件的外观形貌。空白组混凝土试件在初期未出现开裂现象，随着荷载增大，试件表面出现斜裂缝带，且裂缝宽度逐渐增大，直至裂缝贯穿整个截面，当达到破坏荷载时，试件崩断破坏并发出巨大声响，破坏过程时间较短，为脆性破坏特征。而SRGHF组的破坏表现出一定的延性，裂缝出现的时间较空白组长，达到极限荷载时，出现裂缝，在断裂处观察到纤维分布均匀且有明显断裂，试件破坏。

图5 试件抗折破坏形态：（a）SRGHF组，（b）空白组Fig.5 Flexural failure patterns of specimens：（a）SRGHFgroup，（b）blank group

2.2 结果分析

2.2.1 抗压强度纤维混凝土试块抗压强度与纤维体积掺量及种类关系如图6（a）所示。

当纤维体积掺量从0变化到2.5 kg/m3，3种纤维28 d抗压强度呈现先上升再下降的变化规律，且整体相对于空白组都有不同程度的提升。纤维体积掺量为1.5 kg/m3时，ARGF、SF、SRGHF混凝土的抗压强度较空白组分别提升了3.55%、7.40%、0.51%；纤维体积掺量为2.0 kg/m3时，ARGF、SF、SRGHF混凝土的抗压强度较空白组分别提升了9.14%、9.74%、9.79%；纤维体积掺量为2.5 kg/m3时，ARGF、SF、SRGHF混凝土的抗压强度较空白组分别提升了0.27%、5.75%、5.38%。当纤维体积掺量为2.0 kg/m3时，试块的抗压强度提升幅度最大，纤维体积掺量为2.5 kg/m3时次之，纤维体积掺量为1.5 kg/m3时试块的抗压强度提升幅度较低，同时当体积掺量为2.0 kg/m3时，SRGHF组的试件抗压强度提升大于单掺SF组和ARGF组。

结果表明，当纤维掺量合适时，混杂纤维比单一纤维能更好地提升纤维混凝土的抗压强度。

2.2.2 劈裂抗拉强度纤维混凝土试块劈裂抗拉强度与纤维体积掺量及种类关系如图6（b）所示。

当纤维体积掺量从0变化到2.5 kg/m3，3种纤维28 d劈裂抗拉强度呈现大幅上升、下降再上升的变化规律，且整体相对于空白组都有不同程度的提升。纤维体积掺量为1.5 kg/m3时，ARGF、SF、SRGHF混凝土的劈裂抗拉强度较空白组分别提升了6.63%、15.74%、21.31%；纤维体积掺量为2.0 kg/m3时，ARGF、SF、SRGHF混凝土的劈裂抗拉强度较空白组分别提升了4.57%、4.87%、7.39%；纤维体积掺量为2.5 kg/m3时，ARGF、SF、SRGHF混凝土的劈裂抗拉强度较空白组分别提升了5.50%、9.84%、9.28%。由此可知，纤维体积掺量为1.5 kg/m3时试块的劈裂抗拉强度最高，纤维体积掺量为2.5 kg/m3时次之，纤维体积掺量为2.0 kg/m3时试块的劈裂抗拉强度最低，在掺量为1.5 kg/m3时，混杂纤维混凝土的劈裂抗拉强度比单掺纤维混凝土的提升效果更好。

混杂纤维在混凝土内部的优势互补作用，使混凝土在纤维体积掺量合适时，基体的劈裂抗拉强度能得到最大程度的提升。

2.2.3 抗折强度纤维混凝土试块抗折强度与纤维体积掺量及种类关系如图6（c）所示。

图6 纤维混凝土试件的基本强度变化趋势：（a）抗压强度，（b）劈裂抗拉强度，（c）抗折强度Fig.6 Variation trend of mechanical properties of fiber concrete specimens：（a）compressive strength，（b）splitting tensile strength，（c）flexural strength

当纤维体积掺量从0变化到2.5 kg/m3，3种纤维28 d抗折强度均呈现大幅上升、下降再上升的变化规律，且整体相对于空白组都有不同程度的提升。纤维体积掺量均为1.5 kg/m3时，ARGF、SF、SRGHF混凝土的抗折强度较空白组分别提升了3.03%、5.65%、8.33%；纤维体积掺量均为2.0 kg/m3时，ARGF、SF、SRGHF混凝土的抗折强度较空白组分别上升了2.33%、2.09%、1.74%；纤维体积掺量均为2.5 kg/m3时，ARGF、SF、SRGHF混凝土的抗折强度较空白组分别提升了2.71%、4.71%、2.45%。纤维体积掺量一定时，SRGHF对混凝土抗折强度提升效果最好，其次是单掺SF，再次是单掺ARGF。

综合来看，相对于空白组，不同体积掺量的ARGF、SF、SRGHF的抗折强度均有不同程度增长，其中SRGHF对抗折性能的改善作用最为明显。同时当纤维的体积掺量合适时，混凝土的抗折强度可以得到最高程度的提升。

3 结 论

通过相关试验，探讨了纤维的掺量及类型对普通混凝土基本强度变化规律的影响，得出以下结论：

（1）纤维体积掺量增加时，混凝土的抗压强度先上升后下降，且各体积掺量的纤维混凝土抗压强度均高于空白组。当纤维体积掺量为2.0 kg/m3时，SRGHF、ARGF和SF均最大程度提升混凝土的抗压强度，分别提升9.79%、9.14%和9.74%。

（2）混凝土的劈裂抗拉强度随着纤维体积掺量的增加出现先上升后降低再上升的规律，并且相较于空白组均有提高。当纤维体积掺量为1.5 kg/m3时，SRGHF、ARGF和SF均最大程度提升混凝土的劈裂抗拉强度，分别提升21.31%、6.63%和15.74%。

（3）掺入纤维后的普通混凝土抗折强度有着类似于劈裂抗拉强度的规律，呈现出先上升后降低再上升的规律，并且相较于空白组均有提高。当纤维体积掺量为1.5 kg/m3时，SRGHF、ARGF和SF均最大程度提升混凝土的抗折强度，强度分别提高8.33%、3.03%和5.65%。

（4）在同一试验中，混杂纤维混凝土的力学性能优于单掺纤维混凝土。试验表明，ARGF和SF体积掺量为1∶1时能体现出较好的正混杂效应，纤维所形成的空间混杂网状结构可以有效地增强混凝土的强度。