层布式陶瓷纤维混凝土抗弯冲击性能试验研究*

肖 娴，高 林,2，刘昆雄，郭凯旋

(1.华北理工大学建筑工程学院，河北 唐山 063210； 2.河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210)

0 引言

在预制装配式混凝土结构中，脆断性和抗弯冲击性能不足等问题始终存在，而纤维混凝土的应用较好地解决了此类问题，并在工程中得到广泛应用[1-2]。常见的纤维混凝土中，将钢纤维、聚丙烯纤维等作为增强材料，通过纤维与混凝土的复杂作用，有效提升混凝土力学性能[3-4]。

陶瓷纤维为性能优异的无机纤维，具有容重小、耐火性强、绝热性好、抗冲击能力强和不易发生化学反应等优异性能，有着世界“第五能源产品”的美称[5-6]。可将陶瓷纤维作为增强材料，将其掺入混凝土中，以提升混凝土力学性能，但目前对混凝土力学性能提升程度的研究较少。

在纤维混凝土生产过程中，通常采用混掺式，易造成纤维混凝土出现结团严重、搅拌不均匀、流动性差等问题[7-8]。卢哲安等[9-10]提出了层布式钢纤维混凝土，将钢纤维分层布置于混凝土中，采用1层混凝土+1层钢纤维的工艺形式，有效避免了混掺式纤维混凝土存在的问题。

将层布式陶瓷纤维混凝土应用于预制装配式混凝土墙板中，既可充分发挥陶瓷纤维对混凝土的增强性能，又可避免混掺式纤维混凝土存在的生产工艺问题，可提升预制墙板抵御冲击荷载及爆炸、汽车或不明物体撞击的性能。本文对层布式陶瓷纤维混凝土抗弯冲击性能进行研究，以期为工程应用提供参考。

1 试验概况

1.1 原材料与配合比

试验所用原材料包括P·O 42.5级普通硅酸盐水泥、河砂(细度模数2.7)、5～20mm连续级配碎石、聚羧酸粉体高效减水剂、陶瓷纤维(白色，长6mm，直径0.003mm，密度2 600kg/m3)。混凝土基体强度等级为C30，配合比为水泥∶粗骨料∶细骨料∶水∶减水剂∶粉煤灰=277.65∶992.5∶875.4∶180.0∶694.12∶69.41(kg/m3)。

1.2 试件制作

层布式陶瓷纤维混凝土制作过程与普通混凝土略有不同，具体过程如下：①按照比例称取适量水泥、粉煤灰、石、中砂、减水剂、水及陶瓷纤维；②将石、砂和10%水倒入已润湿的搅拌机中，搅拌30s；③加剩余的水，搅拌30s；④加水泥，搅拌180s；⑤将搅拌机中的混凝土料卸出；⑥将拌制完成的混凝土分层装入550mm×150mm×150mm(长×宽×高)标准试模中；⑦素混凝土经搅拌后，浇筑第1层3cm厚混凝土，人工铺撒第1层陶瓷纤维；⑧浇筑第2层3cm厚混凝土，人工铺撒第2层陶瓷纤维；⑨浇筑第3层3cm厚混凝土，人工铺撒第3层陶瓷纤维；⑩浇筑第4层3cm厚混凝土；将试件置于养护室中养护。

由于本次试验混凝土试件数量较多，因此不对混凝土试件进行顺序编号，而是利用混凝土强度等级、陶瓷纤维体积掺量、陶瓷纤维层数进行编号，如C30-0-0指强度等级为C30的素混凝土试件，C30-0.2-3指混凝土强度等级为C30、陶瓷纤维体积掺量为0.2%、陶瓷纤维共3层的试件。

1.3 试验方法

根据GB/T 21120—2018《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》中的有关规定自制落球冲击试验设备，其中，落球重3.0kg，套管高300mm，套管内径110mm(约为落球直径的1.5倍)，为防止落球将混凝土试件砸坏，在落球落点处放置1块钢垫板。以应变片数据发生突变为初裂冲击次数确定依据(受拉区表面产生第1条裂缝)，以底部裂缝贯穿整个截面为破坏冲击次数确定依据，初裂冲击次数和破坏冲击次数取值均应符合规范要求。因试验条件有限，仅通过动态数据采集系统采集应变片应变数据，未设置加速度计参与数据采集，加载装置如图1所示。

图1 试验装置

2 试验结果与分析

2.1 试件破坏状态

抗弯冲击性能试验初期，落球每次自由下落至混凝土试件上表面后，发出响亮且清脆的声音，随后落球反弹2，3次，由于混凝土试件上部设置了垫板，试件上表面未被砸碎。随着试验的进行，试件出现第1条裂缝，此时落球落到混凝土试件上表面后，发出的声响变的较沉闷。随着试验的继续进行，混凝土试件开始出现肉眼可见的变形，直至最后完全破坏(见图2)。

图2 典型试件破坏状态

素混凝土试件破坏层面较平整，试件一经开裂，在持续的冲击荷载作用下迅速破坏。因此，素混凝土试件初裂冲击次数与破坏冲击次数相差较小，表现出了较明显的脆性。层布式陶瓷纤维混凝土试件破坏面较粗糙，且试件初裂冲击次数和破坏冲击次数均多于素混凝土试件。

2.2 陶瓷纤维体积掺量对层布式陶瓷纤维混凝土试件抗弯冲击性能的影响

以抗弯冲击耗能为评价指标时，陶瓷纤维体积掺量对层布式陶瓷纤维混凝土试件抗弯冲击性能的影响如图3所示。由图3可知，当陶瓷纤维体积掺量固定时，陶瓷纤维层数对试件抗弯冲击性能起决定性作用，即陶瓷纤维层数越多，试件抗弯冲击性能提升效果越好；当陶瓷纤维层数固定时，试件抗弯冲击耗能随着陶瓷纤维体积掺量的增加呈先增大后减小的趋势，当陶瓷纤维体积掺量为0.2%时，对试件抗弯冲击性能的提升效果最好。

图3 陶瓷纤维体积掺量的影响(抗弯冲击耗能)

相较于素混凝土试件，陶瓷纤维体积掺量为0.1%，0.2%，0.3%的层布式陶瓷纤维混凝土试件抗弯冲击耗能最大提高幅度分别为52.2%，119.2%，84.4%。

以初裂冲击次数、破坏冲击次数及二者差值为评价指标时，陶瓷纤维体积掺量对层布式陶瓷纤维混凝土试件抗弯冲击性能的影响如图4所示。由图4可知，当陶瓷纤维层数固定时，试件初裂冲击次数、破坏冲击次数及二者差值均随着陶瓷纤维体积掺量的增加呈先增大后减小的趋势；当陶瓷纤维体积掺量为0.2%时，不同陶瓷纤维层数下的试件初裂冲击次数、破坏冲击次数及二者差值均达最大值。

图4 陶瓷纤维体积掺量的影响(冲击次数)

相较于素混凝土试件，陶瓷纤维体积掺量为0.1%，0.2%，0.3%的层布式陶瓷纤维混凝土试件初裂冲击次数最大提高幅度分别为45.4%，113.6%，81.8%，破坏冲击次数最大提高幅度分别为53.3%，123.3%，90%，初裂冲击次数与破坏冲击次数差值最大提高幅度分别为75%，150%，112.5%。

由以上2种评价方式可知，层布式陶瓷纤维混凝土试件抗弯冲击性能随着陶瓷纤维体积掺量的增加呈先提高后降低的变化，综合来看，陶瓷纤维最佳体积掺量为0.2%。

2.3 陶瓷纤维层数对层布式陶瓷纤维混凝土试件抗弯冲击性能的影响

以抗弯冲击耗能为评价指标时，陶瓷纤维层数对层布式陶瓷纤维混凝土试件抗弯冲击性能的影响如图5所示。由图5可知，当陶瓷纤维层数固定时，陶瓷纤维体积掺量对试件抗弯冲击性能的影响程度从高到低排序依次为0.2%，0.3%，0.1%；当陶瓷纤维体积掺量固定时，试件抗弯冲击耗能随着陶瓷纤维层数的增加而增加，但增加幅度逐渐减小。

图5 陶瓷纤维层数的影响(抗弯冲击耗能)

相较于素混凝土试件，陶瓷纤维层数为1，2，3层的层布式陶瓷纤维混凝土试件抗弯冲击耗能最大提高幅度分别为71.4%，103.6%，119.2%。

以初裂冲击次数、破坏冲击次数及二者差值为评价指标时，陶瓷纤维层数对层布式陶瓷纤维混凝土试件抗弯冲击性能的影响如图6所示。由图6可知，当陶瓷纤维体积掺量固定时，试件初裂冲击次数、破坏冲击次数及二者差值均随着陶瓷纤维层数的增加而增大，但增加幅度逐渐减小。

图6 陶瓷纤维层数的影响(冲击次数)

相较于素混凝土试件，陶瓷纤维层数为1，2，3层的层布式陶瓷纤维混凝土试件初裂冲击次数最大提高幅度分别为63.4%，100%，113.6%，破坏冲击次数最大提高幅度分别为73.3%，106.7%，123.3%，初裂冲击次数与破坏冲击次数差值最大提高幅度分别为100%，125%，150%。

由以上分析可知，层布式陶瓷纤维混凝土试件抗弯冲击性能与陶瓷纤维层数呈正相关关系，但随着陶瓷纤维层数的增加，试件抗弯冲击性能提升幅度逐渐降低。综合来看，当陶瓷纤维层数为2，3层时，试件抗弯冲击性能差异较小，由于2层陶瓷纤维施工更便捷，因此将其确定为最佳布置层数。

3 陶瓷纤维增强机理

通过对试件制作过程、试验过程及破坏形态的观察，对陶瓷纤维改善试件抗弯冲击性能的机理进行分析，主要表现在以下方面。

1)混凝土是由多种材料混合而成的，在正常的混凝土试件制作过程中，会因多种原因导致试件本身存在一定缺陷，如振捣不均匀、骨料下沉等。由于本试验采用层布式的方式添加陶瓷纤维，分层振捣更充分，且陶瓷纤维起拦截作用，拦截骨料的下沉，保证混凝土内部不同材料分布的均匀性，提高混凝土均质性等内在性能，避免出现混凝土内部由于空隙或裂缝引起的应力集中现象，从而充分发挥混凝土的性能。

2)陶瓷纤维属于柔性纤维，柔性纤维极限伸长率大、抵抗变形能力强，大量乱向分布的陶瓷纤维在一定程度上提高了混凝土试件极限拉伸应变及断裂能。

3)依照断裂力学理论，在冲击荷载作用下，混凝土试件受到冲击破坏，主要是由混凝土内部裂缝的产生和扩展导致的，无论何种材料，裂缝的产生和扩展均需消耗能量，其中新裂缝产生所需的能量远大于裂缝扩展所需的能量。由于陶瓷纤维非常细，大量陶瓷纤维分散在混凝土中，在试件内部形成抗空间支撑体系。同时，纤细的陶瓷纤维与粗大的粉煤灰颗粒、水泥颗粒、砂粒等充分接触，减少了混凝土试件内部微裂缝的产生。陶瓷纤维具有较高的弹性模量和黏结强度，增加了微裂缝扩展所需的能量，且陶瓷纤维拔出及拔断过程同样需要消耗大量的能量，所以有效提高了混凝土试件抗弯冲击性能。

4 经济性分析

当陶瓷纤维掺量为0.34～3.1kg/m3时，层布式陶瓷纤维混凝土试件抗弯冲击性能较素混凝土试件可提高26.7%～119.2%。已有研究表明[11-12]，当玄武岩纤维掺量为2，2.5kg/m3时，玄武岩纤维混凝土试件抗弯冲击性能较素混凝土试件可提高50%～180%；当钢纤维掺量为30，50，80kg/m3时，层布式钢纤维混凝土试件抗弯冲击性能较素混凝土试件可提高60%～240%。目前陶瓷纤维、玄武岩纤维及钢纤维价格分别约为6 050，7 200，4 100元/t，经粗略测算，当层布式陶瓷纤维混凝土试件、玄武岩纤维混凝土试件、层布式钢纤维混凝土试件获得相同的抗弯冲击性能时，层布式陶瓷纤维混凝土试件成本最低，具有广阔的应用空间。

5 结语

1)综合来看，陶瓷纤维最优体积掺量为0.2%，陶瓷纤维最优布设层数为2层。

2)以抗弯冲击耗能为评价指标时，当陶瓷纤维体积掺量固定时，陶瓷纤维层数越多，试件抗弯冲击性能提升效果越好；当陶瓷纤维层数固定时，试件抗弯冲击耗能随着陶瓷纤维体积掺量的增加呈先增大后减小的趋势。

3)以初裂冲击次数、破坏冲击次数及二者差值为评价指标时，当陶瓷纤维层数固定时，试件初裂冲击次数、破坏冲击次数及二者差值均随着陶瓷纤维体积掺量的增加呈先增大后减小的趋势；当陶瓷纤维体积掺量为0.2%时，不同陶瓷纤维层数下的试件初裂冲击次数、破坏冲击次数及二者差值均达较优效果值。

4)以抗弯冲击耗能为评价指标时，当陶瓷纤维层数固定时，陶瓷纤维体积掺量对试件抗弯冲击性能的影响程度从高到低排序依次为0.2%，0.3%，0.1%；当陶瓷纤维体积掺量固定时，试件抗弯冲击耗能随着陶瓷纤维层数的增加而增加，但增加幅度逐渐减小。

5)以初裂冲击次数、破坏冲击次数及二者差值为评价指标时，当陶瓷纤维体积掺量固定时，试件初裂冲击次数、破坏冲击次数及二者差值均随着陶瓷纤维层数的增加而增大，但增加幅度逐渐减小。

6)陶瓷纤维作为性能优异的柔性纤维，可提高混凝土抗弯冲击性能，且成本较低，具有广阔的应用空间。