纤维单掺和混掺对高强混凝土抗压和抗折强度影响★

闫淏轩，李可娜，刘靖阳，张锦峰，马俊腾，耿闻泽

(北方工业大学土木工程学院，北京 100144)

高强混凝土是指在C60以上C100以下强度等级的混凝土，其拥有出色的抗压强度、抗变形能力等，但高强混凝土的韧性较差，容易使构筑物发生脆性破坏，因此通过往其中加入纤维等材料来增强混凝土的韧性，纤维混凝土便应运而生。纤维混凝土是以水泥浆、砂浆或混凝土为基体，加入纤维组成的复合混凝土材料。而混杂纤维混凝土是指在混凝土中加入两种或两种以上不同纤维或不同几何特性的同一品种纤维组成的纤维混凝土[1]。

玄武岩纤维作为一种新型无机纤维材料，因其具有良好的力学性能、化学稳定性和热稳定性，并且兼具高性价比等优点，已成为国内外诸多学者关注的焦点[2-4]。而单掺一定量的纤维对混凝土的阻裂、增韧性能有一定提高，但往往只能够提高混凝土的某一种性能，具有一定的局限性，不能全方位、多角度改善混凝土的整体性能[5-6]。

因此，本文进一步探究纤维的体积掺量对高强混凝土抗压强度和抗折强度的增强效果，通过改变玄武岩纤维在混凝土中的体积掺量以及不同体积掺量的钢纤维、玄武岩纤维相互混杂配制混凝土，研究纤维掺量对混凝土的抗压、抗折强度的影响，选取其中的最佳体积掺量，并对比分析在同样混凝土中，单掺和混掺对高强混凝土强度的影响因素。

1 试验

1.1 材料及配合比

实验材料包括：水泥、矿粉、粉煤灰、砂、石子、减水剂、玄武岩纤维和钢纤维。混掺纤维是钢纤维与玄武岩纤维混掺；钢纤维是由赣州大业金属纤维有限公司生产的；玄武岩纤维是由山东兴茂工程材料有限公司生产的；纤维具体参数见表1,表2。该实验配比如表3,表4所示。

表1 钢纤维具体参数

表2 玄武岩纤维具体参数

表3 玄武岩纤维混凝土配合比

表4 混掺纤维混凝土配合比

1.2 实验方法及内容

混掺纤维混凝土必须通过充足的搅拌时间使纤维分布均匀，首先将水泥、砂、石子、矿粉、粉煤灰、减水剂干拌60 s，分别加入钢纤维与玄武岩纤维，各搅拌60 s，最后加入合适的水量搅拌90 s。不同配比制备各制备3组，待试块维护28 d后进行实验。抗压试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，抗折试块尺寸为150 mm×150 mm×450 mm，以3组测定的平均值为测定值。

2 纤维单掺、混掺抗压强度结果与分析

试块采用的是C70高强混凝土配比，由图1可知，基准7 d抗压强度为54.72 MPa，28 d抗压强度为72.13 MPa，随着玄武岩纤维的掺量不断升高，抗压强度普遍呈现出先增后降的趋势。

如图1所示，从7 d单掺玄武岩纤维抗压强度的角度来看，在玄武岩纤维掺量为0.1%时，抗压强度最高为64.37 MPa，与同时期的基准混凝土的抗压强度相比提升约17.64%，7 d纤维混凝土抗压强度的提升率普遍在0以上，说明玄武岩纤维对混凝土早期强度有积极影响，效果也更加显著。

如图1所示，从28 d单掺玄武岩纤维抗压强度的角度来看，混凝土抗压强度整体趋势为先增后降，在玄武岩纤维掺量为0.1%时达到最高点，抗压强度为80.51 MPa，与基准混凝土相比抗压强度提高约11.6%，在玄武岩纤维掺量为0.2%时，抗压强度与基准抗压强度接近，而在玄武岩纤维掺量大于0.2%时，抗压强度小于基准强度，同时也小于C70混凝土的设计强度，说明在混凝土中添加过量的玄武岩纤维会导致混凝土的抗压强度降低。

由图1,图2可见，当玄武岩纤维掺量为0.2%、钢纤维掺量为1.0%时，试块的抗压强度最大为77.15 MPa，为抗压强度下的最佳体积掺量，与基准混凝土相比抗压强度提高约6.95%。随着玄武岩纤维掺量的不断增加，试块抗压强度呈现出先升后降的趋势，在玄武岩纤维掺量为0.2%时抗压强度达到最大，相比掺量在0.1%,0.3%,0.4%的情况，强度分别提升约1.01%,16.80%,25.88%。而随着钢纤维掺量的不断增加，试块抗压强度同样呈现出先升后降的趋势，在钢纤维掺量为1.0%的时候抗压强度达到最大，对比之下，分别比掺量为0.8%,1.2%的情况提升约2.91%,7.07%。

在钢纤维掺量为1.0%和玄武岩纤维掺量为0.2%之后，试块的抗压强度普遍有较大的降幅，尤其是C,D两组，随着玄武岩纤维掺量的增加，抗压强度甚至比基准混凝土的抗压强度最多下降了22.89%，与此同时抗压强度也随着钢纤维掺量的增加不断下降。因此混掺纤维体积掺量过大时，会对抗压强度有较大幅度的降低，特别是玄武岩纤维体积掺量的影响更大[7-8]。

如图3所示，未添加纤维的高强混凝土在100 s时发生巨响并突然破坏，仪器所显示的承载力出现骤降并迅速归零的情况，发生脆性破坏，导致人民群众的安全难以得到保证；在高强混凝土中加入纤维后，在承载力到达临界点时会发出巨响，承载力则出现缓慢下降趋势并伴随着混凝土不断崩裂的声响，说明在高强混凝土中加入纤维可以有效提升其的韧性，使其发生延性破坏，给人们反应和逃生时间，使人民群众的生命财产更加安全。

3 纤维单掺、混掺抗折强度结果与分析

如图4所示，抗折强度随着玄武岩纤维掺量的增多而增大，整体抗折强度有了一定幅度的提升，单掺在玄武岩纤维掺量为0.4%时抗折强度达到了最大值为6.01 MPa，增幅达到了8.29%；在增大到掺量为0.1%之后，增速逐渐放缓，掺量为0.4%时的抗折强度比掺量为0.1%时的抗折强度仅增大0.1 MPa，增幅约1.7%。

如图4,图5所示，抗折强度随着钢纤维掺量的增加而增大，当玄武岩纤维掺量为0.4%、钢纤维掺量为1.2%时，混凝土的抗折强度最大为6.31 MPa，增幅达到了13.69%。随纤维掺量增多混凝土抗压强度整体呈现向上趋势，说明增加混凝土中纤维掺量是可以不断增大混凝土的抗折强度的。

根据计算可得随着玄武岩纤维掺量的增加，抗折强度的增速不断平缓，在玄武岩纤维掺量为0.1%时增幅最大为7.09%；在本实验配比下，平均每增加0.1%的玄武岩纤维体积掺量，抗折强度增大约为0.17 MPa。随着钢纤维掺量的增加，抗折强度的增速也在不断平缓，在钢纤维掺量为0.8%时平均增幅最大为7.70%；在本实验配比下，从钢纤维掺量为0.8%开始，平均每增加0.1%的钢纤维体积掺量，抗折强度增大约为0.06 MPa。因此，对比来看在混掺中，玄武岩纤维比钢纤维对高强混凝土抗折强度的影响更明显。

4 纤维混凝土单掺、混掺分析对比

对比单掺玄武岩纤维和混掺钢、玄武岩纤维的抗压强度，发现单掺的最大抗压强度比混掺的最大抗压强度增大3.36 MPa，增幅约为4.36%。分析发现在高强混凝土中掺入过量的纤维会使其抗压强度不升反降，查阅相关文献可知单掺钢纤维的最佳体积掺量在0.5%～2%之间[9-10]，发现在抗压强度方面混掺的最佳体积掺量与几种单掺的最佳体积掺量较为接近；而混掺抗压强度的下降验证纤维体积掺量增大到一定程度后会使抗压强度不断降低，且不同的实验材料、实验环境、仪器设备、实验方法等都可能会影响实验结果，因此在本实验中从抗压角度来说单掺优于混掺。

分析抗压强度的提升，试块承受液压机竖直向下的作用力，随着应变的不断增大，而整体的体积不变，会使试块向水平方向形变，适量的纤维可以帮助试块抵抗部分水平变形，从而使整体的抗压强度有所提升；而当纤维掺量继续增加，可能会出现搅拌机无法搅拌均匀的情况，导致部分纤维聚集成团，内部产生空隙使强度降低；另外对于表3配合比的高强混凝土来说，材料成分中含有大量的粗骨料，细骨料较少，当长度为6 mm的玄武岩纤维或是13 mm的钢纤维混杂在其中时，由于纤维长度较短，粗骨料相对较多，无法和混凝土充分结合，提升效果十分有限。对比资料发现[11-12]，当玄武岩纤维长度达到15 mm～20 mm之间时，抗压强度达到最大；通过查阅相关资料发现[13]，细骨料较多的混凝土，玄武岩纤维和钢纤维对其提升更加显著，可能是由于纤维与细骨料结合基本上不会产生大的空隙，结合效果更好，使纤维混凝土的整体性更加出色。

对比单掺玄武岩纤维和混掺钢、玄武岩纤维的抗折强度，发现混掺的最大抗折强度比单掺的最大抗折强度增大0.3 MPa，增幅约为4.99%。纤维体积的不断增大会使混凝土抗折强度不断增大，但增幅会不断放缓，整体纤维体积掺量较小时，混凝土抗折强度的提升较大；而通过大量增加纤维体积掺量从而增加抗折强度的方式性价比较低，在本实验中从抗折角度来说混掺优于单掺。

单掺玄武岩纤维从抗折强度来看，玄武岩纤维掺量为0.4%时的抗折强度比掺量为0.1%时的抗折强度仅增大0.1 MPa，增幅约1.7%；但从抗压强度来看，玄武岩纤维掺量为0.4%时的抗折强度比掺量为0.1%时的抗折强度降低15.26 MPa，降幅约23.39%，因此综合抗压强度和抗折强度，本实验中单掺玄武岩纤维的最佳掺量为0.1%。

混掺钢-玄武岩纤维从抗折角度来看，掺量为玄0.4%、钢1.2%时比掺量为玄0.2%、钢1%时的抗折强度增大0.17 MPa，增幅约2.77%；但从抗压强度来看，掺量为玄0.4%、钢1.2%时比掺量为玄0.2%、钢1%时的抗压强度降低21.52 MPa，降幅约38.87%，因此综合抗压强度和抗折强度，本实验中混掺钢-玄武岩纤维的最佳掺量为玄0.2%、钢1%。

5 结论

1)本实验在高强混凝土掺入玄武岩纤维发现，在掺量为0.1%时抗压强度最大为80.51 MPa，最大增幅为11.62%；在掺量为0.4%时抗折强度最大为6.01 MPa，最大增幅为8.29%，综合来看最佳体积掺量为0.1%的玄武岩纤维，而掺入过多玄武岩纤维会导致抗压强度大幅度下降。2)本实验在高强混凝土中混掺钢纤维和玄武岩纤维发现，在钢1.0%、玄0.2%时抗压强度最大为77.14 MPa，最大增幅为6.95%；在钢1.2%、玄0.4%时，抗折强度最大为6.31 MPa，最大增幅为13.69%，综合来看最佳体积掺量为1.0%的钢纤维和0.2%的玄武岩纤维。3)在高强混凝土中掺入过量纤维会导致抗压强度大幅度下降；抗折强度在纤维掺量增大时会不断增大，但增速不断放缓接近临界值；本实验中单掺的最大抗压强度大于混掺的最大抗压强度，增幅约为4.36%，混掺的最大抗折强度大于单掺的最大抗折强度，增幅约为4.99%。