高强混凝土中纤维增强作用

目录

摘要 (2)

1.介绍 ........................................................................ 错误！未定义书签。

2.实验细节 (3)

2.1对比试验 (3)

2.1.1混合物和材料 (3)

2.1.2.标本，固化和测试 (5)

2.1.3.结果 (6)

2.1.4.讨论 (6)

2.1.4.1.弹性模量（E）和应力应变关系 (7)

2.1.4.2.压缩韧性 (8)

2.1.4.3.抗压强度、间接抗拉强度和断裂模数 (9)

2.1.4.5.结论 (9)

2.2.聚丙烯纤维混凝土的抗折性能试验 (9)

2.2.1.试验仪器 (9)

2.2.2.测试步骤 (9)

2.2.3.结果表示 (10)

2.2.4.数据整理 (11)

2.2.5.结论 (14)

2.2.4.数据整理 (14)

参考文献 (14)

高强纤维对轻质混凝土性能的增强作用

摘要

纤维混泥土是近年来受到广泛重视的一种新型复合材料，具有优良的抗裂、抗弯、耐疲劳等特性。聚丙烯纤维混凝土在韧性和承受动载能力等方面较普通混凝土有较大改善，纤维的掺入还可以增加混凝土的断裂韧度，显著增大裂缝扩展的能量消耗，从而有效抑制裂缝的扩展，大大降低裂的长度、宽度和数量。本文主要研究了聚丙烯和钢纤维对高强轻骨料混凝土的作用，轻质混凝土中使用了烧结粉煤灰，这些细骨料的取代对抗压强度产生了一定影响，相比普通的烧结粉煤灰为骨料的轻质混凝土，间接影响了拉伸强度和断裂模数，弹性，应力应变关系及压缩韧性。增加0.56%的聚丙烯纤维的混凝土，在间接拉伸强度上会有90%的增长，在断裂模数上会有20%的增长。再者，对聚丙烯纤维没有在其它力学性能方面有显著影响的研究。钢纤维的量在 1.7%时对间接抗拉强度的影响是增加了大约118%，断裂模数方面大约增加80%。但是钢纤维增强材料同时也引起了弹性模量的减少和应力应变关系曲线的形状，使其变得更加弯曲。参入钢纤维的骨料在压缩韧性方面有很好的提升，这表明钢纤维能增强骨料的延展性。

关键词：高强度混凝土；轻质；增强性纤维材料；聚丙烯纤维增强混凝土；韧性；弹性

1.介绍

随着高层和超高层建筑的建设及大尺寸与大跨度混凝土结构的应用，对混凝土的高强度、轻质量和高柔韧性的要求日益提高。在一些情形下，混凝土的表观密度常常比其强度显得更为重要，对于有着同样强度等级的混凝土而言，表观密度降低可以对结构设计和基础设计等方面起到重要的作用。因此，对于高强度轻骨料混凝土而言，最近几年有着广泛的研究和应用。但是，高强度轻骨料混凝土的抗拉强度较低，并具有易脆性，阻碍了混凝土结构的使用。而把钢纤维加入到高强度轻骨料混凝土中，对于提高混凝土的各种性能，尤其对于提高拉压比、抗震阻力、抗裂性能等有重要的影响。

轻质混凝土结构的优点：对比种类繁多的超过正常重量的混凝土，轻质混凝土原料采用工业生产所得副产品，对环保起到很大保护作用。工业副产品之一就是粉煤灰，据估计，在2000年，世界上生产约600万吨的的粉煤灰。其中，在这些粉煤灰中只有大约9%的被利用。在澳大利亚，每年大约产生900万吨粉煤灰，而其中被再次利用的却不足10%。现在有足够的证据证实混凝土工业已经意识到粉煤灰无论是用做水泥的局部替代品还是形式的轻骨料的优势。此外，生产高强度轻质混凝土是可取的，生产的高强轻质混凝土令人满意并且现在很实用而且目前已成为现实。但是高强度的混凝土会导致其脆性增大，所以提及高强轻骨料混凝土有必要考虑增加纤维来改善其延展性。现在轻骨料中采用纤维增强材料的益处据报道已经有25年。现在纤维增强材料有更广阔的使用范围，高强混凝土对环境和经济的影响很大。因其具有很大优势，所以一直在寻求增加生产这种混凝土能力的方法，纤维作为对高强混凝土脆性的弥补，具有重要意义。这方面的研究仍旧需要很多，因为细骨料来源的多样性使其很特别。纤维类型和选择多样性的增加在各自的类型中都可加以利用的，研究更显得尤为重要。

本文提到了两种类型纤维增强材料对轻质混凝土的影响。他们是聚丙烯和钢纤维，轻量级的骨料被用为烧结而成的粉煤灰骨料，本文将讨论钢纤维对混凝土的压缩性，抗拉性，抗弯强度性能的影响，此外，它提出并讨论这种类型的轻骨料混凝土在压缩韧性方面和弹性模量方面的影响。

2.实验细节

共两组试验，一组是普通混凝土和加聚丙纤维混凝土和加钢纤维混凝土和正常轻质高强混凝土等四种混凝土的对比试验，另一组是聚丙烯纤维混凝土的抗折性能试验。

2.1.对比试验

2.1.1混合物和材料

以下类型的混合物计算和测试：

1.普通轻质的烧结而成的粉煤灰骨料混凝土，这个组合被称为LWplain。

2.普通轻质的烧结而成的粉煤灰骨料混凝土加聚丙烯纤维增强材料，被称为的LWP。

3.普通轻质的烧结而成的粉煤灰骨料混凝土加固钢纤维，简称为LWS系列。

4.普通的正常重量的高强度混凝土，简称为NWHS。

表1Fiber additions of lightweight aggregate concretes mixtures

Plain Polypropylene fibers Steel fibers

Fiber 0.28 0.56 1.0 0.56 1.13 1.7 Concrete LW plain LWP1 LWP2 LWP3 LWS1 LW2 LWS3 表格一显示了已制成的混合料相符的纤维类型和内容。在NWHS配制中，压碎的花岗岩被用作粗骨料和河沙被用作细骨料。所有的轻质混合料仅用细骨料制成。这些烧结轻骨料粉煤灰来自UK和商业知名的粉煤灰陶粒。从不同的细骨料取得了尺寸为2mm、6mm、3mm和细小的粉煤灰陶粒。除了NWHS所有的混合料的25%都被飞尘所取代。当细骨料仅有细小的粉煤灰陶粒组成时，应注意改善使用性和减少配制中的粗糙物。水泥是一种综合体Portland类似于ASTM I型水泥。在所有的混合料中用硅粉来取代水泥重量的10%。以钠多元酯为基础的专有高效减水剂以每50Kg的Portland水泥11的价格增加。水泥、粉煤灰和硅粉的化学合成物显示在表2中。

表2Chemical composition of cement,fly ash,and silica fume(%by weight)

Oxide General purpose cement Fly ash Condensed silica fume

SiO221.4 51.8 93

AL2O3 4.5 24.4 0.6

Fe2O3 3.0 9.62 1.0

CaO 64.4 4.37 0.2

MgO 1.4 1.5 1.2

Na2O ------ 0.34 0.1

K2O 0.7 1.41 1.0

SO3 2.4 0.26 0.3

LOI 0.9 ------ 0.5

表3Mixture proportions(kg/m3)

Concrete NWHS

LW

plain

LWP1 LWP2 LWP3 LWS1 LWS2 LWS3

Cement 450 550 550 550 550 550 550 550 Silica fume 45 55 55 55 55 55 55 55 Water 122.4 176 176 176 176 176 176 176 Super-plasticizer 9 11 11 11 11 11 11 11 Fibers 0 0 26 5.1 9.0 44.0 88.0 132.0 12mm sintered fly ash 0 137.0 136.3 135.6 134.6 135.6 134.3 132.9 6mm sintered fly ash 0 135.1 134.5 133.8 132.8 133.8 132.4 131.1 3mm sintered fly ash 0 147.3 146.6 145.8 144.7 145.8 144.4 142.9 Fine sintered fly ash 0 547.4 547.4 541.9 537.8 541.9 536.5 531.0 Fly ash 0 180.2 179.3 178.4 177.0 178.4 176.6 174.8

聚丙烯纤维纤维来自Fibermesh的纤医学博士。其长度是19毫米，其长宽比

是152，钢纤维很短且末端稍微扩大来自名为186EE的BHP钢纤维。它们长18mm和

外形比例为37.5。所有混合物设计为新拌混凝土坍落度100毫米左右。上表3显示

了饱和且表面干燥条件的骨料配合比。在骨料吸水率内的混合时间和数量上作了相

应的调整。

2.1.2.标本，固化和测试

对于这一系列的测试，下面的标本从每个组合计算：

1.四个模数为150×300毫米圆柱体用于弹性测试。从这些气瓶所获得的数据也包

括在抗压强度评价。

2.另外，四个模数为150×300毫米圆柱体用于压缩强度评估。

3.四个100×200毫米圆柱体用于间接拉伸强度试验。

4.三个模数为100×100×500毫米横梁断裂试验。

5.六个100毫米的立方体根据ASTM标准C642来测比重，吸收率，和水穿透的孔隙

率。

固化试样放置在95±3%RH，22±2°C的雾化室内28天，除弹性模数试验

外所有的试样均遵循有关ASTM标准，后者是由该方法确定由莫尔进行的采用两个线

性可变差动变压器（LVDT的）连接到数字传感器。数据被以四十个数据点每秒的速

率送入个人电脑，使用3000千牛容量Avery Denison机械，负载率为每分钟20兆

帕。数据是两个LVDT的平均，并自动送入GrapherTM软件，它自动绘制应力应变关系。相同的软件再进行线性回归数据点的应变分析，分析数据从拉力为50微应力到对应于40%的最大应力，这条线的斜率是静态时的弹性模量。

2.1.

3.结果

体积密度、抗压强度和间接抗拉强度、强度、断裂模数和弹性模量破裂值的七大混凝土测试值都包含在下表4：

表4Physical and mechanical properties of concretes

Concrete Bulk Density(kg/m3)

Compressive

strength(MPa)

Indirect tensile

strength(MPa)

Modulus of

rupture(MPa)

Modulus of

elasticity(GPa) Saturated

surface

dry

100o C

oven dry

NWHS 2370 2325 72.5 5.1 6.9 35 LW plain 1890 1590 65.0 3.4 4.4 24 LWP1 1870 1650 65.0 5.4 5.2 22 LWP2 1900 1640 68.0 6.6 5.3 25 LWP3 1860 1620 58.0 5.8 4.6 21 LWS1 1890 1650 61.0 4.1 5.2 21 LWS2 1900 1660 62.0 6.1 6.1 21 LWS3 1940 1700 61.0 7.4 7.9 21

如前面所述，应力应变关系测试使用应变控制设施。用普通混凝土时只能成功的记录一种样品的下降曲线。其他三种样品只有当压力达到最大值时才会顺利的测试并自动的记录数据。然而，实验结果得出，四个样品的非常类似的升序行为。

连同普通混凝土样本进行比较。同样，应变能量，三类混凝土的密度，如上所述，也具有类似升序行为。

2.1.4.讨论

可以看出，在表4，所有的七个高强度轻质混凝土试样，都显示高粘合剂含量和低水胶比。总得来说，从LWCS测试来看，有无纤维，相比一般的重混凝土大概相差20%的重量，而且目前很清楚，加入纤维，在抗压测试和强度测试方面没有任何改善。当然，增加纤维到LWC的首要目标是用以提高它的韧性，因此，在一些细节讨论中将会涉及这些影响。

2.1.4.1.弹性模量（E）和应力应变关系

再次，如抗压强度，E值的LWCS测试似乎并未有所改变，用任何比较明显的方

式，对另外两种纤维的任一类型。混凝土的E 值是22±1GPa 。按混合方式的规律，纤维在混凝土中微小的影响变得很容易理解，在其最简单的模型，此方法比较适用于弹性模量的案例。可表示如下[21,22]：

i

i 2211V E V E V E E +???++=

其中E 是混合物的弹性模量，而Ei 和Vi 指体积和弹性模量混合物的成分比例。这法可以适用于混凝土，普通混凝土可考虑组成部分1，而纤维是组成2。随着纤维使用很低时的调查发现弹性模量基本不受影响并不足为奇。在正常的线性应力应变关系中发现，正常重量的高强混凝土可以扩展到一个压力高达85%或更高的峰值应力[23].这种行为是由于降低了粒子矩阵脱粘，硬化浆体变小等足以导致较高的粘结强度和整体行为[24]。由于压缩试验机的应变控制能力，它可能获得轻质普通的或超过高峰点的纤维增强混凝土的压力应变关系。图2显示了测试的三个具体类型中的最佳混合。每一条曲线都是三个圆柱体最小值的平均值。据观察，钢纤维钢筋混凝土的弹性模量的值是低于普通或聚丙烯纤维钢筋混凝土的值，这可能是钢纤维加入时不完整夯实的结果，然而，应力应变关系（图1）表明，轻质的普通混凝土表现为与可控短暂的脆性破坏应变。在这方面和先前报道的研究[25]。烧结粉煤灰骨料混凝土的线性的应力应变关系的观察，已被归因于缺乏微裂缝[26]。轻骨料混凝土预计将表现出比普通体重骨料混凝土更明显的整体性能。这是因为骨料的弹性模量较低，导致其值之间的差异减小，而且因轻质骨料的多孔表面和粗糙性增加了粘性键[24]。随后轻质混凝土的的失败，是因为这些骨料并没有如普通重量的混凝土的裂纹一样见效。[27]。并且发现，高强度混凝土的突然失效归因于应力的重新分配，在矩阵中有更少的微裂缝[28]。使用纤维可防止其突然失败，因为充当裂纹的引发剂，导致吸收能源，钢纤维从接缝处阻止裂纹和阻止强度的突然降低[29]。

在这项工作中，三种特别的具体的类型被用以代表纤维的效果。第一类是普通的轻骨料混凝土LWplain 。第二类是含有0.56％聚丙烯纤维的轻骨料混凝土。这种混凝土拥有最少的能穿透空隙的水和最高的抗压强度，第三类是纤维占据1.7%的钢纤维轻骨料混凝土LWS3，再次，该混凝土展示了最高抗压强度强度值与钢纤维穿透空隙最低值。三个具体类型平均应力应变关系如上图2。聚丙烯钢筋混凝土的弹性模

量没有普通混凝土的显著，钢纤维混凝土表现出不同的性能，这不仅是弹性模量比普通的小，线性应力应变范围也随之减小，对于钢纤维混凝土，产生非常大的变形而崩溃之前总难以控制，这可能是钢纤维对微裂纹有更有效的捕捉，而线性曲线上升部分减少，可能是因为粘结裂纹附近的钢纤维增加导致。高纤维在高强混凝土韧性方面做出巨大贡献，特别是轻质高强混凝土，可大大降低其脆性[30]。

2.1.4.2.压缩韧性

在一定程度上实现混凝土结构中元素的延展性的重要性已经广泛被工程师和研究人员承认。分析和压缩设计与受弯构件一样在单轴压缩下已经极大的影响了混凝土的性能，setunge和Mendis得出结论，在梁设计上，精确预测尾部应力对制定弯曲应力曲线有重要影响。但是，下降的应变曲线的形状已经被证明其在很大程度上取决于测试方法和测试用的设备。随着现代仪器的发展，目前已经能捕捉到应变关系上相当大的压力点以外对应的峰值应力。

长期压缩韧性在压缩变形上已被用来测量混凝土吸收能量的能力，此参数是通过应力—应变曲线下面积来计算的，换句话说就是，它是混凝土的应变能量密度。在这项研究中，使用的设备能在一秒中记录40数据点的应力和应变，拥有这种能力，在压力突然下降的时候，它很容易分辨处于崩溃边缘的地方，此时在相同应变值的地方至少有三个连续读数，应变能量密度值随后在预计的区域整合，应力应变曲线接近崩溃点。

轻质混凝土的最佳混合结果如图 3，轻质普通混凝土能量密度值在崩溃边缘时为150×103J/m3，而聚丙烯纤维增强型轻质混凝土约为168×103J/m3，相比之下，钢纤维轻质混凝土的应变能量密度值为290×103J/m3，有兴趣的会注意到，钢纤维混凝土在应变能量密度值为0.0032时，即在所有测试类型中最接近峰值的地方，这一水平，在所有测试类型中，它是最低的，但是这不能表明其延展性会较低，因为它仍旧能够储存跟多的能量，而且这个值高出应变值的一倍，另一方面，应变能量储存应力峰值附近的普通的和聚丙烯钢筋混凝土实际上是一个主要的部分，可以在混凝土断裂前储存。

2.1.4.

3.抗压强度、间接抗拉强度和断裂模数

上述强度值都包含在表4。如前所述，压缩强度和E值测试都没有受到影响，采

用任何方法，加入纤维的的LWCS，都会显著增加其拉伸强度，并因此改变混凝土拉伸应变的能力测试。加入聚丙烯或钢纤维的混凝土其间接拉伸强度平均增加约50%，聚丙烯使纤维的断裂模数减少，有早期报道，这种数量级的增长，据测量将会增加13%。然而，正如早期报告所说，钢纤维能使应变增加45%，它能使裂纹明显减少，由于散热和收缩的影响，断裂模数将增加，聚丙烯和钢纤维，分别绘制如图4。

一些研究人员一直以来试图证实抗压强度、抗弯强度、间接抗拉强的的关系。目前试验的范围，当然是过于局限于使用数据，必要时，代码规定可以用来获取所需特征性的指示。

2.1.4.5.结论

1.钢纤维除了略微增加轻骨料混凝土的延展性，不显著影响抗压强度值。

2.按体积算，钢纤维使用量在1.7%时可使轻质高强混凝土间接抗拉强度和断裂模量增加大约一倍。

3.聚丙烯纤维用量为0.56%时可导致混凝土间接抗拉强度值增长90%，断裂模数增加约20%，然而，作为这一结果的补充，这种类型的纤维对抗压强度和弹性模量没有显著影响。

2.2.聚丙烯纤维混凝土的抗折性能试验

2.2.1.试验仪器

采用液压万能试验机

2.2.2.测试步骤

（1）从养护地点取出试件，擦干净后检验外观，不得有明显缺陷，在跨中L/3的受压区内不得有直径大于7mm、深度大于2mm的表面孔洞。

在试件中部测量其宽度和高度，精确至1mm。若实测尺寸与公称尺寸之差大于

1mm，可按公称尺寸计算。

（2）按图1装置试件，安装尺寸偏差不得大于1mm。试件的承压面应为试件成型时的侧面。支座及承压面与圆柱的接触面应平稳、均匀，否则应垫平。

图1 抗折试验示意图

H为试件公称高度

（3）施加荷载应保持均匀、连续。因混凝土强度等级为C30，取每秒钟

0.05~0.08MPa。当试件接近破坏时，应停止调整试验机油门，直至破坏，然后记录

破坏荷载。

2.2.

3.结果表示

混凝土长方体试件的抗折强度按式（1—11）计算：

ff=Fl/bh2 （1—11）

式中 ff —混凝土抗折强度，MPa；

F —试件破坏荷载，N；

l—支座间跨度，mm；

h —试件截面高度，mm；

b —试件截面宽度，mm。

抗折试验强度应精确到0.1MPa。以三个试件测值的算术平均值作为该组试件的

劈裂抗压强度值，若其中的最大值或最小值与中间值之差至少有一个不大于中间值

的15%，则去中间值为该组试件的劈裂抗压强度值；如果两者与中间值相差均大于中

间值的15%，则试验结果无效。

3个试件中如果有一个折断面位于两个集中荷载之外（以受拉区为准），则该试

件的实验结果无效。混凝土抗折强度按另两个试件的试验结果计算。如有两个试件

的折断面均位于两集中荷载之外，则该组试件的实验结果无效。

采用100mm×100mm×400mm试件测得的抗折强度值乘以尺寸换算系数0.85。

2.2.4.数据整理

(1)部分图片分析：

图1.1素混凝土的断面（7天抗折）图1.2 纤维掺量为0.15%、长度为12mm的

混凝土的断面（7天抗折）

图1.3 纤维掺量为0.05%、长度为19mm的图1.4 素混凝土的断面（28天抗折）混凝土的断面（7天抗折）

图1.5 纤维掺量为0.15%、长度为19mm的图1.6 纤维掺量为0.10%、长度为19mm的混凝土的断面（28天抗折）混凝土的断面（28天抗折）

试件的断裂多数由一条裂缝发展而成，呈现出延性断裂的趋势。试件的断裂与纤维掺量及纤维长度有关，当然，还与加载速度有关。由以上图片不难看出，纤维掺量大的（如“15 12”指的是纤维掺量为0.15、纤维长度为12mm，以此类推）受压面面呈不完全断开，原因是纤维承载着桥接作用。长度长的也同样如此。纤维在混凝土中部分被拉断，部分被拔出。素混凝土试件则完全断裂。

（2）试验结果分析

（34）正交表

选用L

9

空白试验的坍落度为55mm ，7天抗折强度5.21MPa ，28天抗折强度为5.80MPa 。

列 号 试 验号

纤维 纤维 坍落度 3天抗折 28天抗折

掺量(%) 长度(mm) (mm) 强度(MPa)（A ） 强度(MPa)（B ）

1 1 0.05 1 6 45 5.27 6.49

2 1 0.05 2 12 35 5.09 5.50

3 1 0.05 3 19 50 5.01 5.76

4 2 0.10 1 6 3

5 4.40 6.77 5 2 0.10 2 12 40 4.1

6 6.30 6 2 0.10 3 19 40 3.9

7 6.53 7 3 0.15 1 6 30 5.00 6.72

8 3 0.15 2 12 50 4.05 6.22

9 3 0.15 3 19 40 4.30 6.38 A B A B

K 1 15.37 17.75 14.67 19.98 K 2 12.53 19.60 13.3 18.02 K 3 13.35 19.32 13.28 18.67 k 1 5.12 5.92 4.89 6.66 k 2 4.18 6.53 4.43 6.01 k 3 4.45 6.44 4.43 6.22

极差 0.94 0.59 0.46 0.65

1 2 3 4 5 6

7 0.05

0.10

0.15

（%）

MPa

A B

图1.7纤维不同掺量条件下的抗折强度

图1.8纤维不同长度条件下的抗折强度

按照研究理论在一定范围内随着纤维的掺入混凝土的抗折性能有一定的提高，通

过分析实验数据得出的结果与理论有所差别：

（1）本实验中与空白试验相比7天抗折只有小部分纤维混凝土的抗折强度有提

高，9组7天纤维混凝土抗折强度平均值与素混凝土抗折强度值相比降低了12%，可能主要是聚丙烯纤维混凝土的含气量较高而导致强度下降。

（2）28天抗折则几乎比素混凝土提高，9组试验的抗折强度平均值比素混凝土

提高8%。聚丙烯纤维混凝土28天抗折强度较7天抗折强度有很大提高，说明聚丙烯纤维起到了增强作用。

（3）由图1.7可得出在7天抗折条件下随着纤维掺量的增加从0.05%到0.10%

有下降趋势，而从0.10%增加到0.15%又呈上升趋势，与理论研究基本相符。28天抗折强度则呈上升趋势，说明在一定掺量范围内随着纤维的增加混凝土的抗折强度增强。

（4）从图1.8可以看出随着纤维长度的增长，从6mm 到12mm 抗折强度下降，但

从12mm 到19mm 又有所上升。

（5）从本实验可以得出在聚丙烯掺量为0.10%（或0.15%）、纤维长度为6mm 的

条件下有利于提高混凝土的抗折性能。

产生与理论有差别的原因可能是纤维在搅拌过程中没有搅拌均匀，及其他多方面

的原因，在抗折实验过程中采用的液压式万能试验机的运行速度不易控制。

1 2 3

4

5

6

7

6

12

19

（mm ）

MPa A B

2.2.5.结论

1、聚丙烯纤维的掺入可以有效改善混凝土新拌混凝土的和易性，能够增强混凝土试件的外观质量，减少试件表面蜂窝、麻面、气孔、细小裂纹等，坍落度损失5～25mm。

2、聚丙烯纤维在混凝土受力时起到传递力的作用，当混凝土受弯拉作用时聚丙烯纤维起桥接作用，能够有效增强混凝土试件的抗折强度9组试验的抗折强度平均值比素混凝土提高8%，能有效抑制裂缝的扩展。

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