纤维素纤维及混杂纤维混凝土的抗弯冲击性能

1、纤维素纤维及混杂纤维混凝土的抗弯冲击性能邓宗才（北京工业大学建筑工程学院，北京 100022）摘 要： 对纤维素纤维、钢纤维及其混杂纤维混凝土的抗弯冲击性能进行了系统的试验研究；采用数理统计方法对其初裂冲击次数、破坏冲击次数及冲击韧性进行了分析。试验结果表明：纤维素纤维对改善混凝土的初裂冲击性能效果显著，而钢纤维对改善带裂缝混凝土结构的冲击性能效果良好。纤维素纤维掺量1.2kg/m3时，纤维混凝土的初裂冲击次数与钢纤维掺量64kg/m3时相当，比素混凝土提高2.4倍；钢纤维与纤维素纤维掺量分别为78kg/m3和1.0kg/m3时，其混杂纤维混凝土的破坏冲击次数是素混凝土的8.1倍。即纤维素纤维

2、与钢纤维混杂使用时，可充分发挥各种纤维的优势，显著改善混凝土的抗弯冲击性能。关键词：纤维素纤维； 钢纤维； 混杂纤维； 抗弯冲击； 冲击韧性1 引言众所周知，公路路面、桥面、机场道面及工业地坪等工程主要承受动荷载，冲击荷载是诱发混凝土开裂的主要原因2-4。如何有效地阻止混凝土的开裂和控制裂缝的扩展是工程界十分关注的问题。混凝土的耐久性与裂缝的萌生与扩展关系极为密切1。目前关于聚丙烯、钢纤维、聚丙烯腈纤维混凝土冲击性能的研究已有报道，但关于纤维素纤维、纤维素纤维与钢纤维混杂纤维混凝土的冲击性能的研究未见报道。本文对美国生产的纤维素纤维UF500（以下简称UF纤维素纤维）的冲击性能进行了研究。该纤

3、维素纤维与聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维相比，其优势是：（1）具有较高的抗拉强度、弹性模量。（2）UF纤维的多孔在浇筑混凝土时可吸水，水泥水化过程中不断释放水分，促进水泥的完全水化。（3）纤维对混凝土的坍落度几乎没有影响，分散性很好。（4）纤维根数多，当纤维掺量为1.0kg/m3时，纤维根数多达15亿根。（5）与水泥基体黏结强度高。（6）比重大于1，便于拉毛处理，解决了聚丙烯纤维及聚丙烯腈纤维混凝土路面、桥面、机场道面存在拉毛处理困难的难题。本文还比较了UF纤维素纤维混凝土、钢纤维混凝土的抗弯冲击性能，探索了采用混杂纤维技术提高混凝土冲击性能的途径，试验结果为纤维素纤维混凝土的工程应用提供了参考数据

4、。2 试验研究方法2.1纤维材性图1 纤维素纤维UF500外观实图Fig.1 The outside picture of cellulose fiber (UF500)参加试验还有：祁磊磊，王金晔，李楠，高莹，刘梦雄，刘欣。通讯作者：邓宗才, 教授，研究方向：新材料及其结构，UF纤维素纤维（UF500）由上海罗洋科技有限公司提供，它是新一代纤维素纤维，如图1所示。钢纤维由上海哈瑞克斯有限公司提供，为铣削型钢纤维。纤维材性详见表1。表1 纤维材性Tab.1 The parameters of fibers纤维种类纤维直径/mm纤维长度/mm密度/(g/cm3)抗拉强度/MPa弹性模量/GPaU

5、F纤维素纤维0.014-0.0172.1-2.31.10600-9008.5钢纤维0.64327.8685154-1682.2混凝土的配合比混凝土的配合比为：水163kg/m3,水泥360 kg/m3,砂子648kg/m3,粉煤灰70 kg/m3,石灰岩人工碎石（粒径5mm-10mm）1206 kg/m3，减水剂1.8 kg/m3。水泥为P.O32.5普通硅酸盐水泥。表2中C代表素混凝土；U代表UF纤维素纤维混凝土；S代表钢纤维混凝土；US代表混杂纤维混凝土。U后面的数字1、2分别代表UF纤维素纤维质量掺量为1.0kg/m3和1.2kg/m3；S后面的数字64、78分别代表钢纤维质量掺量为64

6、 kg/m3和78 kg/m3，US后面的数字54、64和78分别代表纤维混杂的比例不同。纤维具体掺量详见表2。表2 纤维掺量Tab.2 The content of fibers名称纤维总质量掺量/(kg/m3)纤维质量掺量/(kg/m3)纤维素纤维钢纤维C000U1110U21.21.20S6464064S7878078US5455.21.254US6465.21.264US78791782.3试件试件用100mm×100mm×400mm的模具浇筑，试件浇筑24h后脱模，在标准养护室养护28d，试验前3h从养护室取出晾干。2.4试验方法试验采用作者自行研制的自由落锤抗弯

7、冲击装置，如图2所示，锤重1.4kg，自由落锤的冲击高度为400mm。梁两端为简支，净跨340mm。把应变片和加速度仪用导线连接到美国生产的wavebook512动态应变仪上，计算机自动采集数据。图2 抗弯冲击试验装置图Fig.2 The testing equipment of flexural impact experiment 梁从无裂缝至产生微裂缝，即当梁跨中底部混凝土应变值发生突变时的冲击次数定义为梁的初裂冲击次数。梁横向主裂缝贯穿至梁的上表面时的冲击次数定义为梁的破坏冲击次数。把纤维混凝土梁的破坏冲击次数与初裂冲击次数的比值定义为纤维混凝土的冲击延性指标5-7。3 试验结果3.1初

8、裂冲击次数 混杂纤维混凝土初裂冲击次数试验结果及统计分析列于表4。表4 纤维混凝土初裂冲击次数统计分析Tab.4 The statistic analyses of initial-crack impact life for fiber reinforced concretes名 称CUSUSU1U2S64S78US54US64US78最小强度/次数1730616511475119201最大强度/次数3658153161158115224415均值/次数29.546.5100.7590.20139.6094.83142.67267.50标准方差/次数8.5113.1040.5539.9717.

9、4415.6840.8099.31均值标准偏差/次数14.4522.7849.3739.5361.1837.9457.08131.07离散系数CV/%282840441317293795%的置信区间CI/次数下限0.590.932.0211.1417.2418.9528.515.35上限58.4192.07199.48169.26261.96170.71256.82529.65由表4可知，纤维混凝土按初裂冲击次数多少的排序是：US78> US64>S78>US54>S64>U2>U1>C。表明混杂纤维混凝土US78的初裂冲击次数最多；混杂纤维混凝土US

10、78的初裂冲击次数比单掺钢纤维的试件S78的初裂冲击次数提高92，比单掺UF纤维素纤维试件U1的初裂冲击次数提高475；混杂纤维混凝土US64的初裂冲击次数比单掺钢纤维试件S64的初裂冲击次数提高58，比单掺UF纤维素纤维混凝土U2的初裂冲击次数提高42；混杂纤维混凝土US54的初裂冲击次数比单掺UF纤维素纤维混凝土U2的初裂冲击次数降低6；UF纤维素纤维混凝土U2比U1的初裂冲击次数提高117；钢纤维混凝土S78比S64的初裂冲击次数提高55。试验发现，（1）混杂纤维混凝土的抗弯冲击性能总的讲优于单掺纤维的纤维混凝土试件。但混杂纤维混凝土US54的初裂冲击次数却比UF纤维素纤维混凝土U2的少

11、，造成这种现象的原因主要是US54试件成型时钢纤维的分散不是很均匀，影响了试件初裂冲击性能。在钢纤维混凝土中混杂UF纤维素纤维可以提高纤维混凝土的初裂冲击性能。（2）当纤维素纤维掺量为1.2kg/m3 时纤维混凝土初裂冲击比素混凝土提高2.4倍，与钢纤维掺量64kg/m3接近。表明，UF纤维素纤维对改善混凝土初裂冲击性能作用显著。原因是UF纤维素纤维减少了混凝土内部有害孔隙数量和尺度，降低了骨料与基体界面间的缺陷，提高了骨料与水泥基体黏结强度。3.2破坏冲击次数纤维混凝土破坏冲击次数试验结果及统计分析列于表5。表5 纤维混凝土破坏冲击次数统计分析Tab.4 The statistic anal

12、yses of failure impact life for fiber reinforced concretes名 称CUSUSU1U2S64S78US54US64US78最小强度/次数1731627418890129220最大强度/次数3659155170316145253433均值/次数29.548.25102.5112.60273.80110.00157.67287.25标准方差/次数8.5113.5041.1541.20105.8720.7447.6098.11均值标准偏差/次数14.4523.6450.2249.35120.0044.0163.08140.75离散系数CV/%28

13、2840373919303495%的置信区间CI/次数上限0.590.972.0513.9033.8021.9831.515.75下限58.4195.53202.95211.30513.79198.02283.82568.75由表5可知，纤维混凝土按破坏冲击次数多少的排序是：US78> S78> US64 >S64>US54 >U2>U1>C。表明混杂纤维混凝土US78的破坏冲击次数最多；混杂纤维混凝土US78的破坏冲击次数比钢纤维混凝土S78的破坏冲击次数提高5，比纤维素纤维混凝土U1的破坏冲击次数提高495；混杂纤维混凝土US64的破坏冲击次数比钢

14、纤维混凝土S64的破坏冲击次数提高40，比纤维素纤维混凝土U2的破坏冲击次数提高54；混杂纤维混凝土US54的破坏冲击次数比UF纤维素纤维混凝土U2的破坏冲击次数提高7；UF纤维素纤维混凝土U2比U1的破坏冲击次数提高112；钢纤维混凝土S78比S64的破坏冲击次数提高143；钢纤维与UF纤维素纤维掺量分别为78kg/m3和1.0kg/m3时，其混杂纤维混凝土的破坏冲击次数是素混凝土的8.1倍。通过对试验数据的对比分析可知，随着纤维掺量的增加，混杂纤维混凝土和UF纤维素纤维混凝土的初裂冲击次数的提高幅度比破坏冲击次数的提高幅度要大，这说明混杂纤维和UF纤维素纤维能有效地改善混凝土的初裂抗冲击性

15、能；钢纤维对改善混凝土破坏冲击性能作用显著，钢纤维两端的弯钩对提高破坏冲击次数有明显的作用。3.3冲击韧性纤维混凝土冲击延性指标试验结果及统计分析列于表6。表6 纤维混凝土冲击延性指标统计分析Tab.4 The statistic analyses of impact ductility index for fiber reinforced concretes名称USUSU1U2S64S78US54US64US78最小强度/次数1.021.011.061.421.111.041.04最大强度/次数1.051.031.742.921.261.171.11均值/次数1.041.021.281.93

16、1.161.101.08标准方差/次数0.020.010.280.590.060.050.03均值标准偏差/次数0.510.500.560.850.460.440.53离散系数CV/%1.60.622305.24.32.895%的置信区间CI/次数上限0.020.020.160.240.230.220.02下限2.062.012.403.632.091.992.14冲击延性指标反映了纤维混凝土的冲击韧性。据表6值，按纤维对改善混凝土冲击韧性的效果排队，其排序为：钢纤维>混杂纤维>UF纤维素纤维。随着钢纤维掺量的增加，钢纤维混凝土的冲击韧性提高幅度大。素混凝土的初裂冲击次数与破坏冲击

17、次数相等，冲击破坏为脆性，无延性。4 UF纤维素纤维与钢纤维的混杂增强机理上述试验结果证明：UF纤维素纤维与钢纤维混杂能显著改善混凝土的抗弯冲击性能，尤其是初裂冲击性能。混杂纤维在提高混凝土抗弯冲击性能时主要靠阻裂作用：I、UF纤维素纤维的根数多，比表面积大，纤维间距小，在混凝土内部形成更有效的增强增韧体系，抗初裂的效果显著；UF纤维素纤维与水泥水化产物的粘着作用良好，形成三维乱向网络结构，有效地阻止混凝土冲击裂缝的萌生和发展。II、钢纤维两端部带有弯钩，在冲击过程中，钢纤维被拔出或拉断可消耗大量的冲击能量，从而阻止裂缝的发展来提高混凝土的延性。对混杂纤维混凝土而言，UF纤维素纤维在冲击裂缝的

18、萌生阶段有良好的阻裂增韧效应，而钢纤维在混凝土初裂后的冲击裂缝的扩展过程中发挥阻裂作用。因此欲改善混凝土的初裂冲击性能和破坏冲击性能，最有效的方法是采用混杂纤维的技术，充分发挥两种纤维的优势。试验后观察断口发现，断裂面上钢纤维大多数被拔出，而UF纤维素纤维被拉断，说明钢纤维与水泥基体的粘结作用不如UF纤维素纤维良好。5 结论（1）数理统计方法对分析离散性较大的纤维混凝土冲击性能十分有效。（2）UF纤维素纤维在混凝土中根数巨多，对改善混凝土初裂冲击韧性作用显著；而异型钢纤维对改善混凝土冲击破坏寿命作用明显。钢纤维与UF纤维素纤维掺量分别为78kg/m3和1.0kg/m3时，其混杂纤维混凝土的破坏

19、冲击次数是素混凝土的8.1倍；钢纤维与UF纤维素纤维的混杂使用能显著改善混凝土的抗弯冲击性能，能充分发挥两种纤维各自的优越性。（3）UF纤维素纤维随着其掺量的增多，纤维混凝土的抗弯冲击性能明显提高，当掺量为1.2kg/m3时，UF纤维素纤维混凝土的初裂冲击次数比素混凝土提高2.4倍，与钢纤维掺量64kg/m3时接近。（4）纤维素纤维与混凝土黏结强度高，充分发挥了纤维素纤维的抗拉强度和纤维素纤维混凝土的断裂能。参考文献:1 邓宗才. 高性能合成纤维混凝土M. 北京: 科学出版社,2002.2 邓宗才,李建辉,孙宏俊,傅智.新型纤维增强混凝土梁的抗弯冲击特性J.公路,2004,( 12):163-

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21、of steel and glass fiber reinforced concrete beamsJ. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2005,(6):24-27. (in Chinese) 4 史小飞,王艳英. 混杂纤维混凝土抗弯冲击性能J.山东建材,2006,(12):31-34. SHI Xiao-fei,WANG Yan-ying.Flexural impact behavior of fiber reinforced concreteJ.Building Materials of SH

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24、 on mechanical properties of hybrid macro-fiber reinforced concrete J. Concrete, 2006, (8):50-55. (in Chinese)Flexural Impact Behavior of Cellulose and Hybrid Fibers Reinforced Concrete BeamsDeng Zong-cai，Xue Hui-qing, Zhang Peng-fei, She Xiang-jun, Zhang Lei, Li Peng-yuan (School of Civil Engineeri

25、ng, Beijing University of Technology, Beijing 100022, China)Abstract: The flexural impact performances of concrete reinforced with natural cellulose (Buckeye Ultra-Fiber 500), steel fibers and hybrid fibers were investigated systematically. The initial-crack impact life, the failure impact life and impact ductility are analyzed with statistic analyses method. The experim