大體積纖維混凝土抗壓及收縮性能研究

李玄昆 陳菲 方靜 邱洪志 趙蒙 吳紅剛 朱寶龍

摘 要：對鋼纖維和玻璃纖維混凝土的抗壓強度，以及收縮性能進行了研究，設置8組纖維體積摻量在0～1.2 %之間的混凝土試件組，探究不同的纖維添加量對早齡期的混凝土試件抗壓強度和收縮率的影響.試驗結果表明，摻入纖維能夠較大幅度提高混凝土的7 d抗壓強度，試驗所得的提升量最高達到29.53%；此外，由于纖維的摻入，混凝土的變形得到了有效抑制，當鋼纖維和玻璃纖維摻量均為0.6%時，對混凝土收縮有最好的抑制效果，其收縮率較未摻入纖維的普通混凝土減小了57% .

關鍵詞：纖維混凝土；鋼纖維；玻璃纖維；抗壓強度；收縮率

中圖分類號：TU528.572

文獻標志碼：A

0 引 言

收縮性能是混凝土的重要性能之一，國內外學者已有大量的相關研究.劉先國等^[1]用只有硅酸鹽水泥的配合比作為基準配合比，然后用不同摻量的粉煤灰和礦粉替代水泥，結果表明，粉煤灰和鋼纖維都能夠有效地減小混凝土的體積收縮，但是混合雙摻會影響到混凝土的力學性能.粉煤灰的水化反應主要是在后期，收縮更小，提升混凝土的抗壓強度的效果更優^[2-3].曾國東等^[4]選擇了強度等級為C40的混凝土，水膠比0.3，改變礦物摻合料的種類和用量，用粉煤灰和花崗巖石粉等量替代水泥的用量，一共設置7組不同配合比的混凝土試件，結果表明，摻入15%～20%原狀粉煤灰或15%摻量的花崗巖石粉對混凝土的開裂時間、裂縫寬度和裂縫數量有顯著的抑制和減小作用.肖樹豪^[5]指出，聚丙烯纖維摻入混凝土中，能夠增強其韌性并減小收縮，抑制內部裂縫產生與擴展，并且還能夠使混凝土泌水均勻，從而阻礙沉降裂縫的產生.任若松^[6]指出，纖維分散在混凝土中能夠增大混凝土基體的均勻性，減少應力集中及滲水路徑，并且纖維還能夠承擔混凝土內部產生的收縮應力，避免混凝土開裂.汪丕明等^[7]指出，纖維混凝土內部的微裂紋相較于普通混凝土要致密一些，但是纖維混凝土的泵送性能會比較差.周靜海等^[8]將廢棄纖維加入到再生混凝土中，結果表明，廢棄纖維可以有效地改善混凝土孔隙結構，減少混凝土的收縮與開裂.

對于大體積混凝土而言，存在著水化熱高，收縮大，容易開裂的問題，并且混凝土是一種典型的脆性材料，具有抗壓不抗拉的性質.通過添加礦物摻合料或外加劑的方法，雖然可以抑制混凝土的收縮，但無法改變混凝土的脆性性質及抗拉強度.在建筑重要性等級較高或者有特殊需求時，就要提高混凝土標號即混凝土強度，增大水泥用量，但這也導致水化熱更大，建筑容易開裂，脆性也更大.故選擇在混凝土中摻入適量纖維，因為纖維本身就具有高彈性模量和高抗拉強度，在抑制混凝土收縮的同時，還能夠顯著地改善混凝土的脆性性質，使其具有延性，同時能夠承擔混凝土的拉應力，約束裂紋的發展.在相同的強度和變形要求下，摻入纖維能夠改善建筑物的收縮大、脆性大、易開裂與不抗拉的問題.因此，本研究綜合選擇了價格較低且抗拉強度高的2種纖維，即鋼纖維和玻璃纖維，通過單摻和混合摻入這2種纖維來探究其對混凝土收縮和內部微裂紋發展的影響效果.

1 材料與方案

1.1 儀 器

抗壓試驗采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的混凝土抗壓試模和微機控制WHY-3000型壓力試驗機，試驗機基本參數見表1，基本工作原理如圖1所示.

WHY-3000型壓力試驗機配置3 000 kN主機（含液壓源）1臺、CTS-600型多通道閉環控制器1臺、上壓板（Φ300mm）1塊、下壓板（320mm×320mm）1塊、計算機和電腦操作臺1套，以及地腳螺栓2件.使用計算機對整個試驗過程進行自動化控制，并采用電液伺服系統對加載過程控制，試驗空間通過電動絲杠進行調節，兼具自動和手動進行載荷加減的功能.通過配置不同空間的主機可以滿足不同試驗的要求.在進行試驗時，應按應力速率或預先設置好的曲線進行加載，該實驗機還具有負荷、速率、時間及試驗曲線動態顯示功能.試驗參數輸入之后，該試驗機即可按給定的參數對整個試驗進行自動化操作.同時采用中文Windows 2000/XP平臺下的控制軟件，對抗壓強度試驗數據進行自動求解，并輸出試驗報告及試驗曲線.

收縮試驗試件采用尺寸100 mm×100 mm×515 mm的混凝土收縮試模和HSP-525型立式混凝土收縮儀.所使用的千分表和HSP-525型立式混凝土收縮儀的技術參數見表2和表3.HSP-525型立式混凝土收縮儀由底座、立柱、表架、千分表和標準桿等組成，采用接觸法測量.

1.2 原材料

試驗所用的石子、砂、水泥、粉煤灰、水、減水劑、玻璃纖維和鋼纖維均來自成都天府國際機場施工現場.其中，石子選用5～31.5 mm碎石，碎石級配合理，壓碎值小，硬度高，含泥量低；砂為機制砂，選用二區中砂，級配合理，含泥量低；水泥選用42.5級硅酸鹽或普通硅酸鹽水泥，所選用水泥質量符合國家標準要求，且質量穩定，與外加劑適應性好；粉煤灰采用II級以上粉煤灰，技術指標符合標準要求；水為岷江金馬水廠和航都水廠自來水；減水劑為聚羧酸高性能減水劑，參照GB 8076—2008《混凝土外加劑》進行檢驗，與水泥具有良好的適應性；玻璃纖維實物及具體參數見圖2和表4.鋼纖維實物及具體實驗參數見圖3和表5.

1.3 方 案

成都天府國際機場項目提供的體積配合比為水∶水泥∶粉煤灰∶碎石∶砂∶減水劑=154∶291∶105∶1 093∶760∶10，為保證各組混凝土試件能成型，且S1組新拌混凝土坍落度不能過大，在此基礎上，進行了大量的混凝土試拌試驗，保持其他材料的配合比不做調整，對減水劑的添加量進行調整.減水劑用量為4 kg/m³時，混凝土拌合物坍落度過大為24 cm.因此，調整減水劑用量至3.5 kg/m³，此時能較好滿足施工現場的坍落度要求，確定了混凝土試件的配合比，水灰比為0.39.

在基本組分不變的情況下，摻入鋼纖維和玻璃纖維.章四明^[9]研究表明，鋼纖維對混凝土力學性能有利，在0.6%～1.2%之間存在最優摻量.呂鵬^[10]研究發現，鋼纖維摻量小于2%時，對混凝土的收縮抑制效果較好，纖維摻量超過一定限值對收縮的抑制效果沒有明顯增長.對玻璃纖維的研究中，纖維摻量大都比較小，通常小于1%，王原原等^[11]研究發現，玻璃纖維摻量為1%時，混凝土收縮性能呈現出較好的狀態，為了進一步探究玻璃纖維對混凝土的收縮性能作用，同時，考慮到隨著玻璃纖維的摻量增加會在一定程度上降低混凝土拌合物的流動性，將玻璃纖維的最大摻量定為1.2%，作為對比，鋼纖維的最大摻量也為1.2%.

為了研究單獨加入鋼纖維、玻璃纖維，以及混合摻入2種纖維的效應，設置1組普通混凝土S1，2組單摻1.2%鋼纖維和1.2%玻璃纖維的混凝土組，分別為S2和S3，5組混摻纖維的混凝土組，分別為S4、S5、S6、S7和S8，纖維總摻量都為1.2%，以0.2%作為纖維增量.因此，根據纖維種類和纖維體積摻量不同，一共設置了8組不同的配合比，對S1～S3進行抗壓強度試驗（見表6），研究不同纖維對混凝土抗壓強度的影響如圖4所示.

抗壓試驗制備3組共9個尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的試件（S1～S3各3塊），澆筑成型后立即用保鮮膜覆蓋表面，之后放入標準養護室對其進行養護.養護結束后，將試樣放置到力學試驗機進行抗壓強度的測定.收縮試驗拌制8組尺寸大小為100 mm×100 mm×515 mm的混凝土試件，每組3個試件，預先埋設銅釘，銅釘尺寸為 6 mm×25 mm.澆筑成型后，立刻覆上保鮮膜，2 d后脫模并放在標準養護室內養護至規定齡期.收縮測定將千分表插入孔中，使千分表與標準桿頂部接觸后擰緊螺釘，固定好千分表的位置.測量之前，用標準桿校正零位，然后取下標準桿，安裝混凝土試件，讀數時宜輕敲儀表或者上下輕輕滑動測頭，讀數時正視表盤.

2 混凝土試件抗壓強度特征

混凝土試件的抗壓強度計算公式為，

式中，f_cc為混凝土試件的抗壓強度，MPa；F為混凝土試件的破壞荷載，N； A為混凝土試件的承壓面積，mm².

在對混凝土立方體抗壓強度進行計算時應精確至0.1 MPa.

將每組3個混凝土試件所測得的抗壓強度的算術平均值視作該組試件的強度值（結果精確至0.1 MPa）；如果在3個測量結果中的最大值或最小值其中有一個與中間值相差超過15%時，這時應該把最大值和最小值一同舍去，然后把中間值作為該組混凝土試件的抗壓強度值；假如最大值和最小值與中間值之差同時超過中間值的15%，那么此次測量結果為無效.

2.1 強度及破壞特征

不摻纖維的普通混凝土試件如圖4所示，隨荷載增加，裂紋越來越明顯且擴展迅速.破壞時無聲響，有少量碎屑剝落，整體性較好，每個面有2～4道裂紋，角部壓裂，形成長裂紋，裂紋寬度1 mm左右.

摻1.2%玻璃纖維的混凝土試件如圖5所示，隨著碎屑剝落開始產生裂紋并迅速破壞，破壞時無聲響，整體性好.表面有細小裂紋或完整，并且裂紋寬度很小.

摻1.2%鋼纖維的混凝土試件如圖6所示，破壞時無明顯現象，整體性很好，各個面僅1道中、長裂紋或沒有明顯破壞，裂紋寬度很小或1 mm左右.

圖7為3組試件破壞特征對比圖.從左至右分別為普通混凝土試件、摻1.2%鋼纖維混凝土試件和摻1.2%玻璃纖維混凝土試件.可以看到，破壞的整體性依次變好，并且產生的裂紋條數也在變少.

各組混凝土抗壓強度及破壞時間見表7，可以發現，在抗壓試驗過程中，鋼纖維和玻璃纖維對混凝土的抗壓強度均有明顯的改善作用，即對混凝土力學性能具有有利作用.同時，各組混凝土試件也呈現出了不同的破壞特征，在混凝土試件中摻入纖維材料對其整體性有一定的改善作用，除此之外，還能減少混凝土試件表面的裂紋條數及縮短裂紋寬度，對混凝土試件的破壞時間起到延緩作用.另外，混凝土試件的破壞時間隨抗壓強度的增大也有所延長.

在混凝土抗壓試驗中，S2-3的試驗結果偏離較大.考慮是由于混凝土拌合物體積較大，存在人工攪拌不均勻的情況；并且在振動臺振動密實時，骨料和鋼纖維可能下沉到底部，從而導致混凝土試件中鋼纖維和骨料分布不均勻，使得S2-3的抗壓強度明顯低于S2-1和S2-2的抗壓強度.

2.2 機制分析

鋼纖維和玻璃纖維可以顯著提高混凝土的抗壓強度，并且能夠改善破壞時的整體性，呈現出塑性破壞狀態.分析產生的原因主要有2方面：一方面，鋼纖維和玻璃纖維在混凝土中呈三維亂向分布狀態，形成三維網狀結構，當試件受壓時，縱橫交錯的纖維網狀結構對試件橫向變形的約束作用較強，使其近似于三向受壓.延遲和限制了沿著軸向方向的內部微裂隙的發生和發展，從而提高混凝土的抗壓強度.并且，纖維的網狀結構能夠阻止粗、細骨料在振動過程中發生沉降與離析，從而使得骨料分布更加均勻，不至于在薄弱處產生應力集中而先發生破壞.同時，試件承受的荷載能夠較多地通過界面從基體混凝土傳遞到纖維，使得基體混凝土損傷速度和損傷程度減小.另一方面，在沒有纖維的情況下，由于脆性材料抵抗斷裂的能力是極其微弱的，混凝土在外力作用下易出現裂縫，并貫穿整個材料，在混凝土中加入一定數量的纖維后，由于纖維的斷裂應變大大高于水泥的開裂應變，纖維能完好地跨接在縫口，抑制裂縫增長.纖維具有阻裂、增韌的作用，改變了混凝土的脆性特征，使其具有延性，不至于在缺陷處產生微小裂隙后便迅速擴展并發生破壞.本研究表明，在鋼纖維和玻璃纖維摻量都為 1.2%時，鋼纖維混凝土的抗壓強度要高于玻璃纖維混凝土，而玻璃纖維混凝土破壞時的整體性要優于鋼纖維混凝土.這是因為相同體積摻量條件下，鋼纖維形成的三維網狀結構對混凝土的約束作用更好，而玻璃纖維的阻裂增韌作用更強.鋼纖維在混凝土中亂向分布形成的三維網狀結構對混凝土的約束作用更強，主要是因為鋼纖維的剛度與長度更大，而且鋼纖維具有很好的搭接作用，所以對混凝土的支撐作用和分散作用更好.其次，在整個拌制過程中，隨著玻璃纖維摻量增大，混凝土的流動性會極大地被減弱，幾乎看不到水泥漿體，這就導致了水泥漿體不能完全包裹住骨料和纖維，并填充其間的空隙，使得 S2 組玻璃纖維混凝土的初始孔隙較大.

3 混凝土試件收縮特征

依照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，采用立式千分表測定試件自澆筑成型后3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、21和28 d的混凝土收縮量.

混凝土收縮率的計算公式為，

ε_st=L₀-L_t（2）

式中，ε_st為試驗時間為t（d）的試件變形量，t從第1次測試長度的時間開始算起；L₀為混凝土試件的初始長度，mm；L_t混凝土試件在t（d）時所測得的試件長度，mm.

每組收縮率的測定值應取該組3個試件變形量率的算術平均值，8組混凝土試件28 d齡期的總變形量如圖8所示.

3.1 收縮特征

隨著齡期增長，混凝土試件變形量總體上呈下降趨勢.S1、S3、S7和S8組混凝土變形量先增大后減小，即先膨脹后收縮；而S2、S4、S5和S6組混凝土的變形量一直減小，即呈現收縮趨勢.相較于S1組未摻入纖維的混凝土，其他7組混凝土的變形量斜率更小.也就是說，摻入纖維后，混凝土的變形速度更慢而且變形量更小.鋼纖維和玻璃纖維均能夠有效抑制混凝土的變形.混摻纖維組中，S7和S8組混凝土的變形量雖然比S1組小，但是大于S2和S3組的變形量，而S4、S5和S6組混凝土的變形量小于S2和S3組.在28 d齡期內，相對于齡期2 d，混凝土試件的變形表現為膨脹變形，但是根據折線圖中各組混凝土試件折線的發展趨勢，可以推測，在后續的養護過程中，隨著齡期增長，混凝土試件會逐漸收縮，并且S1組混凝土試件的收縮速度依舊是最大的，S6組混凝土的變形最小.以第3 d為基準，計算混凝土試件3、7、14、21和28 d的收縮率見表8.

前14 d的混凝土收縮量測量較為密集，變化規律不太明顯.為了更直觀表示混凝土試件28 d內變形量的變化情況，選取3、7、14、21和28 d的試件變形量，如圖9所示.

作出混凝土試件28 d收縮率的折線圖如圖10所示.S1、S3、S7和S8組混凝土試件的收縮率先減小后增大；S2、S4、S5和S6組混凝土的收縮率增大.S6組混凝土試件28 d齡期內的收縮率最小且折線的斜率最小，S1組混凝土試件的收縮率最大且折線斜率也最大，可以說明摻入纖維對混凝土的抗收縮性能有明顯改善.8組混凝土試件收縮率最大的S1組為13.59×10^-6，最小S6組為5.83×10^-6.摻入纖維最多可以減小混凝土57%的體積收縮率.

3.2 機制分析

纖維的摻入能夠有效改善混凝土基體孔隙尺寸，減小毛細孔的數量，從而減少失水路徑和失水量.同時，可以分散毛細管收縮應力，防止局部應力集中，減小不均勻收縮變形.另外，對玻璃纖維而言，纖維的存在會堵塞滲水通道或使滲水通道的曲折性增加，減少失水面積和水分遷移的通道.相較于單摻鋼纖維或者玻璃纖維而言，當玻璃纖維摻量逐漸減少為 1%和0.8%時，對混凝土收縮的抑制效果減弱；當鋼纖維摻量減少為1%和0.8%時，抑制效果增強；而當玻璃纖維的摻量和鋼纖維的摻量都為0.6%時，對混凝土的收縮有最好的抑制效果.分析產生的原因可能是當減少玻璃纖維的摻量，增加鋼纖維摻量時，鋼纖維的摻量較小，無法形成骨架作用，同時削弱了玻璃纖維的網狀結構，并且會降低玻璃纖維的分散性，無法有效改善孔隙尺寸，增大了混凝土試件失水量.因此，會削弱對混凝土收縮的抑制效果.減小鋼纖維的摻量，增加玻璃纖維摻量時，因為鋼纖維的剛度、長度和直徑都更大，相對于玻璃纖維來說，網狀結構的削弱作用要小得多.摻入適量的玻璃纖維，由于相同體積摻量下玻璃纖維根數要多得多，分散在混凝土拌合物中，能夠改善混凝土基體的均勻性，并且改善混凝土孔結構的效果要優于鋼纖維，所以對混凝土收縮的抑制效果反而會增強.當鋼纖維和玻璃纖維摻量都為0.6%時，鋼纖維和玻璃纖維可以形成不同層次和尺度的網狀結構，來約束混凝土的收縮變形.在相同的體積摻量下，玻璃纖維的根數更多，有更好的分散性，并且能夠有效改善孔徑，堵塞滲水通道，所以在養護初期，玻璃纖維形成的亂向分布體系，能夠有效地約束混凝土變形.隨著齡期增長，鋼纖維骨架的高彈性模量和抗拉強度，能夠更好地約束裂紋的發展.

4 結 論

通過抗壓試驗分別對玻璃纖維和鋼纖維在混凝土抗壓強度方面的作用機制和影響效果進行分析.改變鋼纖維和玻璃纖維的混合摻入比例產生疊加效應，獲得使混凝土收縮量最小的纖維混摻比，并從宏觀與微觀結合的角度分析纖維材料在混凝土試件收縮性能方面的作用機制.得出如下結論：

1）纖維會在不同程度上降低混凝土拌合物的流動性.普通混凝土拌合物流動性最好，摻入鋼纖維和玻璃纖維后，混凝土拌合物的流動性會降低，并且玻璃纖維對流動性的影響大于鋼纖維.

2）纖維材料的摻入對混凝土的抗壓強度能夠有效提高.摻入1.2%鋼纖維，混凝土試件7 d抗壓強度提高了29.53%；摻入1.2%玻璃纖維，7 d抗壓強度提高了16.08%.還能夠改善破壞時的整體性，呈現出塑性破壞狀態.

3）纖維的摻入對混凝土的收縮可以有效抑制.其本質原因是具有高彈性模量和抗拉強度的玻璃纖維和鋼纖維在混凝土中隨機分布，形成網狀結構，承擔并分散了混凝土的收縮應力，并一定程度上阻礙了裂縫的發展路徑，從而對混凝土的收縮起到抑制作用.

4）當鋼纖維和玻璃纖維的體積摻量都為0.6%時，對混凝土的變形和內部微裂紋發展有最好的抑制效果.

參考文獻：

[1]劉先國，孫琳，王松亮，等.低收縮高性能混凝土的制備研究[J].商品混凝土，2018，15（11）：52-53.

[2]時宇，朱金華，和德亮，等.礦物摻合料對混凝土力學性能與開裂趨勢的影響[J].硅酸鹽學報，2019，47（11）：1605-1610.

[3]趙素梅，貢金鑫.雙摻礦物摻合料高性能混凝土的強度與收縮試驗研究[J].混凝土，2016，38（2）：81-86.

[4]曾國東，周敏，楊騰宇，等.礦物摻合料對混凝土塑性收縮裂縫的影響[J].混凝土，2020，42（3）：105-107.

[5]肖樹豪.雙摻纖維和膨脹劑地坪混凝土收縮性能和早期開裂分析[D].天津：天津大學，2018.

[6]任若松.不同種類纖維對混凝土收縮性能的影響[J].城市建設理論研究（電子版），2017，7（6）：104-105.

[7]汪丕明，蕭樹忠，李如峰，等.石灰石粉引起混凝土收縮的抑制措施研究[J].商品混凝土，2016，13（6）：36-37.

[8]周靜海，趙庭鈺，吳迪，等.廢棄纖維再生混凝土收縮性能試驗研究[J].建筑技術，2020，51（1）：25-28.

[9]章四明.鋼纖維摻量對鋼纖維混凝土強度的影響[J].建筑科學，2008，24（3）：36-38.

[10]呂鵬.鋼筋、鋼纖維和粉煤灰對早齡混凝土收縮徐變影響試驗研究[D].湘潭：湖南科技大學，2019.

[11]王原原，孫仁娟，武新勝，等.玻璃纖維對混凝土收縮開裂性能的影響研究[J].建材世界，2015，36（4）：11-13.

（實習編輯：羅 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