混杂纤维掺量对纤维混凝土变角剪切的影响

张远哲

(安徽理工大学，安徽 淮南 232001)

0 前 言

以往采用水泥、石子、砂浆等所制作成的混凝土有不耐拉力以及质地偏脆等主要缺点，而且其他物理强度也相对较为弱势。但是在加入其他纤维物质后，即可卓有成效地克服此类弱点，并使得该种混凝土的物理强度更为理想。针对原始混凝土的各种缺陷情况，专家和学者对各式纤维与混凝土混合而产生的复合材料进行了大量研究，相关研究数据表明：纤维物质在混凝土中的掺入，可以在一定程度上弥补混凝土原先的弱势性质，并有效提高其某些方面的物理特性。管新建[1]研究表明，钢纤维混凝土有着理想的物理强度，可以有效增强纤维混凝土的抗裂能力，石林平[2]研究得出，碳纤维能够有效地改善纤维混凝土的抗拉性能，杨毅夫[3]实验表明，竹纤维的掺入可以有效提高钢筋混凝土的力学水平。

可是单种纤维掺量对混凝土性能提升毕竟有局限性，有学者提出：两种或两种以上纤维同时掺入能够有效优化混凝土结构，提高其力学性能。罗振帅[4]研究表明，硅灰和聚合物乳液能够降低混凝土的开口孔隙率，提高其密实程度，改善宏观力学性能。杨楠[5]设计试验得出了加入较低掺量的GF和PP纤维，能够转变混凝土的脆性及易于被破坏的特征，张海波[6]实验表明，钢纤维和聚丙烯纤维混杂对于混凝土的增强增韧有着一定的影响。本文通过研究三种不同掺量材料下的混凝土，并按照比例标准将其制作成27个50 mm×50 mm×50 mm的实验用试块，全部标准养护后，对试块进行多次的变角剪切，研究并分析三种不同的掺量对该种混凝土抗剪强度的影响关系。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料与配合比

石子选用集料粒径为5～15 mm的安徽省淮南市八公山地区的瓜子片型石子；陶粒采用淮南市的页岩陶粒；细集料采用淮南市某公司生产，经过细度模数为2.8的筛子进行筛分后的中粗粒河沙及粒径低于5 mm的疏松多孔状陶粒组成；玻化微珠：采用淮南市某公司生产的，粒径大小为0.15～0.5 mm的闭孔憎水玻化微珠，并且在使用之前，使其淋水充分，以防止过度吸水；玄武岩纤维，采用淮南某纤维公司生产的，纤维长度为15 mm的玄武岩纤维。其他性能参数如表1所示；水泥为试验用满足规范对纤维混凝土的要求与标准的淮南八公山牌P·O·42.5级普硅酸盐水泥；粉煤灰为一级粉煤灰；植物纤维采用的是经过SH胶处理，提升其抗腐蚀性能的淮南市某公司的农作物秸秆；减水剂采用的是减水率≥25%的高性能减水剂。

表1 玄武岩的纤维性能参数

1.2 试件制备

在混凝土的设计规范的基础上，设计出如表2所示的三种掺量因素参考下的水平正交试验方案，设置陶粒掺量、玄武岩纤维掺量以及植物纤维掺量共三种掺量因素。每个因素对应三组水平，将9组混凝土试样的试验配比列出。其他试验材料配比如表3所示。

表2 正交试验方案

表3 基准混凝土配比 单位：kg/m3

1.3 实验方法

本实验为三种混杂掺量的混凝土的变角剪切实验，试验分别选取45°、55°以及65°三种不同的剪切角度进行变角剪切，通过改变夹具的角度，来改变混凝土的剪切角度，从而实现对不同掺量下混杂纤维混凝土的正应力和剪应力以及其峰值荷载三个数据的测定，并且研究三种不同掺量对于正应力和剪应力的影响关系。

2 试验结果分析

2.1 试验结果

将试验所用的夹具调整到角度分别为45°、55°以及65°，并且以3 mm/min的加载速率进行，直到试验试件被破坏为止。统计试验数据，并绘制出试验结果，如图1所示。

(a)正应力组

(b)剪应力组

(c)峰值性能图1 正应力、剪应力及峰值性能的试验结果

图1中，横轴数字为试样组号，如1对应第一个试验数据，以此类推可知其他试验数据组号情况。且三段折线段从左到右分别对应A、B和C组掺量的数值大小。

2.2 极差分析

由表4的试验数据可知，三种掺量对于正应力、剪应力、峰值荷载的影响顺序，在45°和55°时均为：陶粒掺量>植物纤维掺量>玄武岩纤维掺量，剪切角度为65°时，则均为：玄武岩纤维掺量>植物纤维掺量>陶粒掺量。

表4 极差分析结果

2.3 单变量分析

对同一因素下不同角度的正应力、剪应力、峰值荷载变化关系，进行分析，其结果如图2～4所示。

(a)

(b)

(c)图2 同一因素不同角度正应力变化关系

(a)

(b)

(c)图3 同一因素不同角度剪应力变化关系

(a)

(b)

(c)图4 同一因素不同角度峰值荷载变化关系

注：A、B和C分别代表陶粒掺量组，玄武岩纤维掺量组和植物纤维掺量组，数字代表试验组号，如A1为陶粒掺量的第一组试验，以此类推。

由图2～3走势可知，正应力剪应力有着相似的数值变化关系，下面做进一步分析。各组同角度下正应力与剪应力的掺量减验结果图5～7所示，3种不同角度下的正应力分析与剪应力分析如图8～9所示。

(a)

(b)

(c)图5 掺量A组试验

(a)

(b)

(c)图6 掺量B组试验

图7 掺量C组试验注：A，B，C三组45°试验组中的数据图像重合，故只显示一条。

(a)

(c)图8 三种角度下的正应力分析

(a)

(b)

(c)图9 三种角度下的剪应力分析

综合上述试验论证，结合图5～7可进一步证实：正应力与剪应力具有着相似的变化关系。故在后文中对两种力的统述为该纤维混凝土的抗剪强度。

由表4可知，当剪切角度为45°和55°时，掺量对于抗剪强度的影响顺序为：陶粒掺量>植物纤维掺量>玄武岩纤维掺量，而当角度为65°时，影响顺序则为：玄武岩纤维掺量>植物纤维掺量>陶粒掺量。

先行讨论45°和55°下的三种不同类型掺量对于纤维混凝土的抗剪强度的影响。当剪切角度为45°时，随着陶粒和植物纤维掺量不断增加，该纤维混凝土的抗剪性能均持续下降，而当剪切角度为55°时，陶粒掺量和植物纤维掺量增加，纤维混凝土的抗剪性能先小幅度上升，而后再有一定幅度的下降。而在45°和55°时，综合掺量对于抗剪强度的影响顺序以及三种掺量的物理性质可知：45°时陶粒和植物纤维组持续下降是因为陶粒质地显脆性，且有质地疏松的多孔结构，而掺量的增多使得陶粒逐渐取代了粗骨料成为该纤维混凝土的承力骨架，使得陶粒的孔洞处应力集中现象愈发明显，导致抗剪性能持续降低。而当剪切角度为65°时，抗剪性能均有所下降。但也出现了随着掺量的增加，抗剪性能却几乎不发生变动的情况，原因在于：陶粒的孔洞相互交错，使得另外两种纤维相互交织连接，形成了空间立体状的网型结构，平衡了一部分应力集中的现象，减缓了抗剪性能的下降的趋势。当剪切角度为55°时，玄武岩纤维掺量增加却使得该种纤维混凝土的抗剪性能以极小幅度上升也是同理。当剪切角度为45°和65°时，抗剪强度随着玄武岩纤维掺量的增加先减小后回升。

3 结 论

1)在45°和55°时三种掺量对该纤维混凝土的正应力、剪应力、峰值荷载的影响顺序为陶粒掺量>植物纤维掺量>玄武岩纤维掺量，而当角度为65°时，均为玄武岩纤维掺量>植物纤维掺量>陶粒掺量。

2)陶粒掺量和植物纤维掺量增大，使得纤维混凝土抗剪性能降低；玄武岩纤维的掺量增大，使得纤维混凝土抗剪性能先减小后增大。

3)纤维在混凝土中均匀分布，穿插在陶粒的孔洞中，会形成空间立体状的网型结构，减缓抗剪强度随着掺量增加而减小的情况。

[ID:013860]