大体积纤维混凝土抗压及收缩性能研究

李玄昆 陈菲 方静 邱洪志 赵蒙 吴红刚 朱宝龙

摘 要：对钢纤维和玻璃纤维混凝土的抗压强度，以及收缩性能进行了研究，设置8组纤维体积掺量在0～1.2 %之间的混凝土试件组，探究不同的纤维添加量对早龄期的混凝土试件抗压强度和收缩率的影响.试验结果表明，掺入纤维能够较大幅度提高混凝土的7 d抗压强度，试验所得的提升量最高达到29.53%；此外，由于纤维的掺入，混凝土的变形得到了有效抑制，当钢纤维和玻璃纤维掺量均为0.6%时，对混凝土收缩有最好的抑制效果，其收缩率较未掺入纤维的普通混凝土减小了57% .

关键词：纤维混凝土；钢纤维；玻璃纤维；抗压强度；收缩率

中图分类号：TU528.572

文献标志码：A

0 引 言

收缩性能是混凝土的重要性能之一，国内外学者已有大量的相关研究.刘先国等^[1]用只有硅酸盐水泥的配合比作为基准配合比，然后用不同掺量的粉煤灰和矿粉替代水泥，结果表明，粉煤灰和钢纤维都能够有效地减小混凝土的体积收缩，但是混合双掺会影响到混凝土的力学性能.粉煤灰的水化反应主要是在后期，收缩更小，提升混凝土的抗压强度的效果更优^[2-3].曾国东等^[4]选择了强度等级为C40的混凝土，水胶比0.3，改变矿物掺合料的种类和用量，用粉煤灰和花岗岩石粉等量替代水泥的用量，一共设置7组不同配合比的混凝土试件，结果表明，掺入15%～20%原状粉煤灰或15%掺量的花岗岩石粉对混凝土的开裂时间、裂缝宽度和裂缝数量有显著的抑制和减小作用.肖树豪^[5]指出，聚丙烯纤维掺入混凝土中，能够增强其韧性并减小收缩，抑制内部裂缝产生与扩展，并且还能够使混凝土泌水均匀，从而阻碍沉降裂缝的产生.任若松^[6]指出，纖维分散在混凝土中能够增大混凝土基体的均匀性，减少应力集中及渗水路径，并且纤维还能够承担混凝土内部产生的收缩应力，避免混凝土开裂.汪丕明等^[7]指出，纤维混凝土内部的微裂纹相较于普通混凝土要致密一些，但是纤维混凝土的泵送性能会比较差.周静海等^[8]将废弃纤维加入到再生混凝土中，结果表明，废弃纤维可以有效地改善混凝土孔隙结构，减少混凝土的收缩与开裂.

对于大体积混凝土而言，存在着水化热高，收缩大，容易开裂的问题，并且混凝土是一种典型的脆性材料，具有抗压不抗拉的性质.通过添加矿物掺合料或外加剂的方法，虽然可以抑制混凝土的收缩，但无法改变混凝土的脆性性质及抗拉强度.在建筑重要性等级较高或者有特殊需求时，就要提高混凝土标号即混凝土强度，增大水泥用量，但这也导致水化热更大，建筑容易开裂，脆性也更大.故选择在混凝土中掺入适量纤维，因为纤维本身就具有高弹性模量和高抗拉强度，在抑制混凝土收缩的同时，还能够显著地改善混凝土的脆性性质，使其具有延性，同时能够承担混凝土的拉应力，约束裂纹的发展.在相同的强度和变形要求下，掺入纤维能够改善建筑物的收缩大、脆性大、易开裂与不抗拉的问题.因此，本研究综合选择了价格较低且抗拉强度高的2种纤维，即钢纤维和玻璃纤维，通过单掺和混合掺入这2种纤维来探究其对混凝土收缩和内部微裂纹发展的影响效果.

1 材料与方案

1.1 仪 器

抗压试验采用尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的混凝土抗压试模和微机控制WHY-3000型压力试验机，试验机基本参数见表1，基本工作原理如图1所示.

WHY-3000型压力试验机配置3 000 kN主机（含液压源）1台、CTS-600型多通道闭环控制器1台、上压板（Φ300mm）1块、下压板（320mm×320mm）1块、计算机和电脑操作台1套，以及地脚螺栓2件.使用计算机对整个试验过程进行自动化控制，并采用电液伺服系统对加载过程控制，试验空间通过电动丝杠进行调节，兼具自动和手动进行载荷加减的功能.通过配置不同空间的主机可以满足不同试验的要求.在进行试验时，应按应力速率或预先设置好的曲线进行加载，该实验机还具有负荷、速率、时间及试验曲线动态显示功能.试验参数输入之后，该试验机即可按给定的参数对整个试验进行自动化操作.同时采用中文Windows 2000/XP平台下的控制软件，对抗压强度试验数据进行自动求解，并输出试验报告及试验曲线.

收缩试验试件采用尺寸100 mm×100 mm×515 mm的混凝土收缩试模和HSP-525型立式混凝土收缩仪.所使用的千分表和HSP-525型立式混凝土收缩仪的技术参数见表2和表3.HSP-525型立式混凝土收缩仪由底座、立柱、表架、千分表和标准杆等组成，采用接触法测量.

1.2 原材料

试验所用的石子、砂、水泥、粉煤灰、水、减水剂、玻璃纤维和钢纤维均来自成都天府国际机场施工现场.其中，石子选用5～31.5 mm碎石，碎石级配合理，压碎值小，硬度高，含泥量低；砂为机制砂，选用二区中砂，级配合理，含泥量低；水泥选用42.5级硅酸盐或普通硅酸盐水泥，所选用水泥质量符合国家标准要求，且质量稳定，与外加剂适应性好；粉煤灰采用II级以上粉煤灰，技术指标符合标准要求；水为岷江金马水厂和航都水厂自来水；减水剂为聚羧酸高性能减水剂，参照GB 8076—2008《混凝土外加剂》进行检验，与水泥具有良好的适应性；玻璃纤维实物及具体参数见图2和表4.钢纤维实物及具体实验参数见图3和表5.

1.3 方 案

成都天府国际机场项目提供的体积配合比为水∶水泥∶粉煤灰∶碎石∶砂∶减水剂=154∶291∶105∶1 093∶760∶10，为保证各组混凝土试件能成型，且S1组新拌混凝土坍落度不能过大，在此基础上，进行了大量的混凝土试拌试验，保持其他材料的配合比不做调整，对减水剂的添加量进行调整.减水剂用量为4 kg/m³时，混凝土拌合物坍落度过大为24 cm.因此，调整减水剂用量至3.5 kg/m³，此时能较好满足施工现场的坍落度要求，确定了混凝土试件的配合比，水灰比为0.39.

在基本组分不变的情况下，掺入钢纤维和玻璃纤维.章四明^[9]研究表明，钢纤维对混凝土力学性能有利，在0.6%～1.2%之间存在最优掺量.吕鹏^[10]研究发现，钢纤维掺量小于2%时，对混凝土的收缩抑制效果较好，纤维掺量超过一定限值对收缩的抑制效果没有明显增长.对玻璃纤维的研究中，纤维掺量大都比较小，通常小于1%，王原原等^[11]研究发现，玻璃纤维掺量为1%时，混凝土收缩性能呈现出较好的状态，为了进一步探究玻璃纤维对混凝土的收缩性能作用，同时，考虑到随着玻璃纤维的掺量增加会在一定程度上降低混凝土拌合物的流动性，将玻璃纤维的最大掺量定为1.2%，作为对比，钢纤维的最大掺量也为1.2%.

为了研究单独加入钢纤维、玻璃纤维，以及混合掺入2种纤维的效应，設置1组普通混凝土S1，2组单掺1.2%钢纤维和1.2%玻璃纤维的混凝土组，分别为S2和S3，5组混掺纤维的混凝土组，分别为S4、S5、S6、S7和S8，纤维总掺量都为1.2%，以0.2%作为纤维增量.因此，根据纤维种类和纤维体积掺量不同，一共设置了8组不同的配合比，对S1～S3进行抗压强度试验（见表6），研究不同纤维对混凝土抗压强度的影响如图4所示.

抗压试验制备3组共9个尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的试件（S1～S3各3块），浇筑成型后立即用保鲜膜覆盖表面，之后放入标准养护室对其进行养护.养护结束后，将试样放置到力学试验机进行抗压强度的测定.收缩试验拌制8组尺寸大小为100 mm×100 mm×515 mm的混凝土试件，每组3个试件，预先埋设铜钉，铜钉尺寸为 6 mm×25 mm.浇筑成型后，立刻覆上保鲜膜，2 d后脱模并放在标准养护室内养护至规定龄期.收缩测定将千分表插入孔中，使千分表与标准杆顶部接触后拧紧螺钉，固定好千分表的位置.测量之前，用标准杆校正零位，然后取下标准杆，安装混凝土试件，读数时宜轻敲仪表或者上下轻轻滑动测头，读数时正视表盘.

2 混凝土试件抗压强度特征

混凝土试件的抗压强度计算公式为，

式中，f_cc为混凝土试件的抗压强度，MPa；F为混凝土试件的破坏荷载，N； A为混凝土试件的承压面积，mm².

在对混凝土立方体抗压强度进行计算时应精确至0.1 MPa.

将每组3个混凝土试件所测得的抗压强度的算术平均值视作该组试件的强度值（结果精确至0.1 MPa）；如果在3个测量结果中的最大值或最小值其中有一个与中间值相差超过15%时，这时应该把最大值和最小值一同舍去，然后把中间值作为该组混凝土试件的抗压强度值；假如最大值和最小值与中间值之差同时超过中间值的15%，那么此次测量结果为无效.

2.1 强度及破坏特征

不掺纤维的普通混凝土试件如图4所示，随荷载增加，裂纹越来越明显且扩展迅速.破坏时无声响，有少量碎屑剥落，整体性较好，每个面有2～4道裂纹，角部压裂，形成长裂纹，裂纹宽度1 mm左右.

掺1.2%玻璃纤维的混凝土试件如图5所示，随着碎屑剥落开始产生裂纹并迅速破坏，破坏时无声响，整体性好.表面有细小裂纹或完整，并且裂纹宽度很小.

掺1.2%钢纤维的混凝土试件如图6所示，破坏时无明显现象，整体性很好，各个面仅1道中、长裂纹或没有明显破坏，裂纹宽度很小或1 mm左右.

图7为3组试件破坏特征对比图.从左至右分别为普通混凝土试件、掺1.2%钢纤维混凝土试件和掺1.2%玻璃纤维混凝土试件.可以看到，破坏的整体性依次变好，并且产生的裂纹条数也在变少.

各组混凝土抗压强度及破坏时间见表7，可以发现，在抗压试验过程中，钢纤维和玻璃纤维对混凝土的抗压强度均有明显的改善作用，即对混凝土力学性能具有有利作用.同时，各组混凝土试件也呈现出了不同的破坏特征，在混凝土试件中掺入纤维材料对其整体性有一定的改善作用，除此之外，还能减少混凝土试件表面的裂纹条数及缩短裂纹宽度，对混凝土试件的破坏时间起到延缓作用.另外，混凝土试件的破坏时间随抗压强度的增大也有所延长.

在混凝土抗压试验中，S2-3的试验结果偏离较大.考虑是由于混凝土拌合物体积较大，存在人工搅拌不均匀的情况；并且在振动台振动密实时，骨料和钢纤维可能下沉到底部，从而导致混凝土试件中钢纤维和骨料分布不均匀，使得S2-3的抗压强度明显低于S2-1和S2-2的抗压强度.

2.2 机制分析

钢纤维和玻璃纤维可以显著提高混凝土的抗压强度，并且能够改善破坏时的整体性，呈现出塑性破坏状态.分析产生的原因主要有2方面：一方面，钢纤维和玻璃纤维在混凝土中呈三维乱向分布状态，形成三维网状结构，当试件受压时，纵横交错的纤维网状结构对试件横向变形的约束作用较强，使其近似于三向受压.延迟和限制了沿着轴向方向的内部微裂隙的发生和发展，从而提高混凝土的抗压强度.并且，纤维的网状结构能够阻止粗、细骨料在振动过程中发生沉降与离析，从而使得骨料分布更加均匀，不至于在薄弱处产生应力集中而先发生破坏.同时，试件承受的荷载能够较多地通过界面从基体混凝土传递到纤维，使得基体混凝土损伤速度和损伤程度减小.另一方面，在没有纤维的情况下，由于脆性材料抵抗断裂的能力是极其微弱的，混凝土在外力作用下易出现裂缝，并贯穿整个材料，在混凝土中加入一定数量的纤维后，由于纤维的断裂应变大大高于水泥的开裂应变，纤维能完好地跨接在缝口，抑制裂缝增长.纤维具有阻裂、增韧的作用，改变了混凝土的脆性特征，使其具有延性，不至于在缺陷处产生微小裂隙后便迅速扩展并发生破坏.本研究表明，在钢纤维和玻璃纤维掺量都为 1.2%时，钢纤维混凝土的抗压强度要高于玻璃纤维混凝土，而玻璃纤维混凝土破坏时的整体性要优于钢纤维混凝土.这是因为相同体积掺量条件下，钢纤维形成的三维网状结构对混凝土的约束作用更好，而玻璃纤维的阻裂增韧作用更强.钢纤维在混凝土中乱向分布形成的三维网状结构对混凝土的约束作用更强，主要是因为钢纤维的刚度与长度更大，而且钢纤维具有很好的搭接作用，所以对混凝土的支撑作用和分散作用更好.其次，在整个拌制过程中，随着玻璃纤维掺量增大，混凝土的流动性会极大地被减弱，几乎看不到水泥浆体，这就导致了水泥浆体不能完全包裹住骨料和纤维，并填充其间的空隙，使得 S2 组玻璃纤维混凝土的初始孔隙较大.

3 混凝土试件收缩特征

依照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，采用立式千分表测定试件自浇筑成型后3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、21和28 d的混凝土收缩量.

混凝土收缩率的计算公式为，

ε_st=L₀-L_t（2）

式中，ε_st为试验时间为t（d）的试件变形量，t从第1次测试长度的时间开始算起；L₀为混凝土试件的初始长度，mm；L_t混凝土试件在t（d）时所测得的试件長度，mm.

每组收缩率的测定值应取该组3个试件变形量率的算术平均值，8组混凝土试件28 d龄期的总变形量如图8所示.

3.1 收缩特征

随着龄期增长，混凝土试件变形量总体上呈下降趋势.S1、S3、S7和S8组混凝土变形量先增大后减小，即先膨胀后收缩；而S2、S4、S5和S6组混凝土的变形量一直减小，即呈现收缩趋势.相较于S1组未掺入纤维的混凝土，其他7组混凝土的变形量斜率更小.也就是说，掺入纤维后，混凝土的变形速度更慢而且变形量更小.钢纤维和玻璃纤维均能够有效抑制混凝土的变形.混掺纤维组中，S7和S8组混凝土的变形量虽然比S1组小，但是大于S2和S3组的变形量，而S4、S5和S6组混凝土的变形量小于S2和S3组.在28 d龄期内，相对于龄期2 d，混凝土试件的变形表现为膨胀变形，但是根据折线图中各组混凝土试件折线的发展趋势，可以推测，在后续的养护过程中，随着龄期增长，混凝土试件会逐渐收缩，并且S1组混凝土试件的收缩速度依旧是最大的，S6组混凝土的变形最小.以第3 d为基准，计算混凝土试件3、7、14、21和28 d的收缩率见表8.

前14 d的混凝土收缩量测量较为密集，变化规律不太明显.为了更直观表示混凝土试件28 d内变形量的变化情况，选取3、7、14、21和28 d的试件变形量，如图9所示.

作出混凝土试件28 d收缩率的折线图如图10所示.S1、S3、S7和S8组混凝土试件的收缩率先减小后增大；S2、S4、S5和S6组混凝土的收缩率增大.S6组混凝土试件28 d龄期内的收缩率最小且折线的斜率最小，S1组混凝土试件的收缩率最大且折线斜率也最大，可以说明掺入纤维对混凝土的抗收缩性能有明显改善.8组混凝土试件收缩率最大的S1组为13.59×10^-6，最小S6组为5.83×10^-6.掺入纤维最多可以减小混凝土57%的体积收缩率.

3.2 机制分析

纤维的掺入能够有效改善混凝土基体孔隙尺寸，减小毛细孔的数量，从而减少失水路径和失水量.同时，可以分散毛细管收缩应力，防止局部应力集中，减小不均匀收缩变形.另外，对玻璃纤维而言，纤维的存在会堵塞渗水通道或使渗水通道的曲折性增加，减少失水面积和水分迁移的通道.相较于单掺钢纤维或者玻璃纤维而言，当玻璃纤维掺量逐渐减少为 1%和0.8%时，对混凝土收缩的抑制效果减弱；当钢纤维掺量减少为1%和0.8%时，抑制效果增强；而当玻璃纤维的掺量和钢纤维的掺量都为0.6%时，对混凝土的收缩有最好的抑制效果.分析产生的原因可能是当减少玻璃纤维的掺量，增加钢纤维掺量时，钢纤维的掺量较小，无法形成骨架作用，同时削弱了玻璃纤维的网状结构，并且会降低玻璃纤维的分散性，无法有效改善孔隙尺寸，增大了混凝土试件失水量.因此，会削弱对混凝土收缩的抑制效果.减小钢纤维的掺量，增加玻璃纤维掺量时，因为钢纤维的刚度、长度和直径都更大，相对于玻璃纤维来说，网状结构的削弱作用要小得多.掺入适量的玻璃纤维，由于相同体积掺量下玻璃纤维根数要多得多，分散在混凝土拌合物中，能够改善混凝土基体的均匀性，并且改善混凝土孔结构的效果要优于钢纤维，所以对混凝土收缩的抑制效果反而会增强.当钢纤维和玻璃纤维掺量都为0.6%时，钢纤维和玻璃纤维可以形成不同层次和尺度的网状结构，来约束混凝土的收缩变形.在相同的体积掺量下，玻璃纤维的根数更多，有更好的分散性，并且能够有效改善孔径，堵塞渗水通道，所以在养护初期，玻璃纤维形成的乱向分布体系，能够有效地约束混凝土变形.随着龄期增长，钢纤维骨架的高弹性模量和抗拉强度，能够更好地约束裂纹的发展.

4 结 论

通过抗压试验分别对玻璃纤维和钢纤维在混凝土抗压强度方面的作用机制和影响效果进行分析.改变钢纤维和玻璃纤维的混合掺入比例产生叠加效应，获得使混凝土收缩量最小的纤维混掺比，并从宏观与微观结合的角度分析纤维材料在混凝土试件收缩性能方面的作用机制.得出如下结论：

1）纤维会在不同程度上降低混凝土拌合物的流动性.普通混凝土拌合物流动性最好，掺入钢纤维和玻璃纤维后，混凝土拌合物的流动性会降低，并且玻璃纤维对流动性的影响大于钢纤维.

2）纤维材料的掺入对混凝土的抗压强度能够有效提高.掺入1.2%钢纤维，混凝土试件7 d抗压强度提高了29.53%；掺入1.2%玻璃纤维，7 d抗压强度提高了16.08%.还能够改善破坏时的整体性，呈现出塑性破坏状态.

3）纤维的掺入对混凝土的收缩可以有效抑制.其本质原因是具有高弹性模量和抗拉强度的玻璃纤维和钢纤维在混凝土中随机分布，形成网状结构，承担并分散了混凝土的收缩应力，并一定程度上阻碍了裂缝的发展路径，从而对混凝土的收缩起到抑制作用.

4）当钢纤维和玻璃纤维的体积掺量都为0.6%时，对混凝土的变形和内部微裂纹发展有最好的抑制效果.

参考文献：

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（实习编辑：罗 媛）

Experimental Study on Compression Resistance and Shrinkage Properties of Mass Fiber Reinforced Concrete

LI Xuankun¹，CHEN Fei²，FANG Jing³，QIU Hongzhi⁴，ZHAO Meng⁴，WU Honggang⁵，ZHU Baolong⁶

（1.College of Mechanical Engineering， Chengdu University， Chengdu 610106，China;

2.College of Architecture and Civil Engineering， Chengdu University， Chengdu 610106，China;

3.Airbus （Chengdu） Aircraft Life Cycle Services Co.， Ltd.，Chengdu 610000，China;

4.Engineering Research Centre for Unsaturated Soil Mechanical Properties

and Engineering Technology， Chengdu University， Chengdu 610106，China;

5.Northwest Research Institute Co.， Ltd.， CREC，Lanzhou 730000，China;

6.China Railway 14th Bureau Construction Engineering Company， Jinan 250200，China）

Abstract：The paper studies the compression resistance strength and shrinkage performance of steel fiber and glass fiber reinforced concrete.The method is also used to set up the eight groups of concrete specimen whose fiber volume content is between 0 to 1.2% to explore the influence of different fiber content on compression resistance strength and shrinkage of early-age concrete specimen.The test results show that the 7-day compression resistance strength of concrete can be greatly increased by adding fiber，and the maximum increase is 29.5%.In addition，due to the incorporation of fiber，the deformation of concrete is effectively inhibited.When the content of steel fiber and glass fiber is 0.6%，the shrinkage of concrete has the best inhibition effect，and the shrinkage rate is reduced by 57% compared with that of ordinary concrete without fiber incorporation.

Key words：fiber reinforced concrete;steel fiber;glass fiber;compression resistance strength;shrinkage