重庆工程职业技术学院 重庆 402260
摘要：金属纤维混凝土良好的延性、韧性和较好的能量吸收能力以及能有效控制裂缝的较好效果，使其在各工程领域中的应用越来越多，其主要应用于增强码头、路面、桥梁等构筑物的韧性。混凝土强度等级长期以来是工程设计和施工单位作为控制混凝土质量的关键指标。普通混凝土的脆性随着抗压强度的增加而增大，给工程带来隐患。以素混凝土为基体，金属纤维作为增强体所组成的复合材料将降低混凝土的脆性，提高混凝土增韧抗裂性能，同时金属纤维的掺入影响混凝土的抗压性能。本研究选用四种尺寸的金属细纤维与两种尺寸的金属粗纤维，在相同拌合工艺、相同配合比条件下对单掺纤维及混掺纤维的混凝土试件进行立方体抗压强度试验研究。
关键词：混凝土；金属纤维；抗拉；增韧
1引言
混凝土是土木工程中应用最广泛的一种材料，但由于混凝土具有抗拉强度低、韧性差和开裂后裂缝宽度难以控制等缺点，使结构的耐久性能劣化，并常带裂缝工作。金属纤维混凝土良好的延性、韧性和较好的能量吸收能力以及能有效控制裂缝的较好效果，使其在各工程领域中的应用越来越多，多应用于增强码头、路面、桥梁等构筑物的韧性。普通混凝土的脆性随着抗压强度的增加而增大，给工程带来隐患。以素混凝土为基体，金属纤维作为增强体所组成的复合材料将降低混凝土的脆性，提高混凝土增韧抗裂性能，同时金属纤维的掺入影响混凝土的抗拉性能。本研究选用四种尺寸的金属细纤维与两种尺寸的金属粗纤维，在相同拌合工艺、相同配合比条件下对单掺纤维及混掺纤维的混凝土试件进行立方体抗拉强度试验研究。
2.1轴向拉伸试验方法
在单向轴拉试验中，试验结果受混凝土试件的截面形状及受拉方法的影响较大。单向轴拉试验的成功首先要确保混凝土试件全截面受拉，外荷载垂直作用在截面上才会产生均匀拉应力，试件的破坏属于轴向拉断破坏。其次还应该确保试验操作的简便性，试件形状容易浇筑，试件夹具拆卸方便。
混凝土单轴拉伸试验常用的受拉方法有粘贴式、外夹式和内埋式三种。外夹式就是在试块的两端固定夹持钢板，通过试块表面与夹持钢板之间的摩擦力向试块施加轴向拉力。粘贴式试验就是在棱柱体试块上下两端部粘贴钢板，与试验机相连，保证受拉过程中粘贴式试件可以自动调整成轴心受拉，因此相对而言此种受拉方法能保证试件中的应力分布均匀，试验精确度相对较高。其缺点是试件的制作过程比较复杂，在混凝土试块端部粘贴钢板时，要去除试件表面的粗骨料，确保粘贴面光滑。内埋式就是在试块两端埋置钢筋棒，用试验机夹紧两端伸出的钢筋棒，通过钢筋棒与混凝土之间的粘结将钢筋棒所受的力传递给混凝土试件，使其均匀受拉。
本研究采用粘贴钢板法，钢板厚度达20mm，平面尺寸1OOmm×1OOmm与轴拉试件断面尺寸完全一致，中心拉杆与钢板一次成型，通过机械方法保证拉杆严格对中。不管是“双钢板”法还是单块钢板粘贴，在试件粘贴过程中都不同程度的存在着误差，结构胶涂抹的是否恰到好处，是否均匀，粘贴过程中钢板是否随胶的泌出而出现微移等等一系列问题都影响试件在拉伸过程中的对中问题。直接拉伸法的试验过程还是存在许多有待进一步改善的问题，但它是单轴抗拉试验首选，最能反映构件实际受力情况，因试验过程较为复杂，难度大，要求高。目前有关全曲线直接拉伸试验的研究并不太多，本研究采用无切口的等截面棱柱体进行轴拉试验。
2.2轴向拉伸试验
2.2.1试验材料与试件制作
试验选用的混凝土配比（砂548kg/m3，水207kg/m3，石子1221kg/m3，水泥406kg/m3，砂率23%），试验测试28d龄期的轴向受拉性能。试验模具内部尺寸100mm×100mm×300mm的棱柱体试块，每种混凝土类型的试件为一组，每组3个试件，共浇筑21个试件，在相同拌合工艺、相同配合比条件下进行单掺及混掺混凝土的单轴抗拉试验，对比研究了相同类型不同种金属纤维及其混杂纤维对混凝土抗拉性能的影响。
2.2.2试验准备及加载程序
所有轴拉试件成型后在室内放置24h后，拆模编号，在标准养护室养护7d后，取出放在室内干燥，然后使用游标卡尺配合画线，用岩石切割机切割试件的两个端部，如图2.1所示。试件两个端部各切掉25mm。缓慢切割，保证端部截面平整度。试件切割后在标准养护室养护21d。试验前24h将试件从养护室取出，待试件表面干燥后，用棉花沾酒精或丙酮擦去试件和钢板表面浮灰及可能存在的油污。再用配合比为3：10的结构胶将试件的两端粘结在20mm厚试验钢板上，如图2.2所示。从粘接完毕到进行轴拉试验相隔24h，试验时间在6，7月份，温度较高，结构胶凝结时间缩短。通过试验发现经过24h凝结，结构胶的粘接力完全满足试验要求。
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2.1岩石切割机切割试件 2.2试件粘贴钢板
2.3轴向拉伸开裂与破坏过程
各试件断口形态如图2.3所示：素混凝土试件Ao断面稍有不平，小部分粗骨料被拉断，大部分粗骨料脱离粘接；金属细纤维混凝土试件A1，A4及金属粗纤维混凝土试件A6断面高低起伏，不平整，绝大多数纤维被拉断，少数纤维被拔出，表明纤维与混凝土间粘结性能良好，粗骨料被拉断和沿界面脱离粘接几乎各占一半；混杂粗细金属纤维混凝土试件A7，A8和A9断面稍微变得平整，大部分纤维被拉断，小部分纤维被拔出，断面可看到粗纤维被拔出后留有的孔洞，试件A9尤为突出，如图2.4。这说明纤维的掺入改变了混凝土内部粗骨料与砂浆之间的界面粘结力，纤维与砂浆或混凝土之间的粘结力随不同纤维直径的单掺或混掺也发生了变化。
混凝土试件在制作过程中，尽量多搅拌使各种材料分布均匀，由于金属纤维、粗骨料、原始裂纹及孔隙等在混凝土中的分布具有随机性。所以，金属纤维混凝土单向轴拉试件的每一正截面的实际承载能力和应力分布不可能是均匀的。纤维混凝土试件裂缝首先出现在最薄弱截面的最薄弱位置。当发现试件的表面有裂纹时，裂纹截面处混凝土退出工作，变形增加，混凝土试件几何形心与作用力不在一条线上，出现了偏心受拉，另侧混凝土瞬间可能会产生压应力。随着变形的发展，试件一个主裂缝的两端不断向前发展，试件又表现为全截面受拉，直至丧失承载力。
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2.3 试件A0 2.4 试件A9
试件的破坏位置：1）沿轴线方向：绝大部分破坏截面在离端部大约1/3—1/2范围内，在随机的最薄弱截面首先发生起裂破坏。极个别弱面发生在粘结钢板与混凝土相粘处，经分析发现是结构胶比例没有调好，导致结构胶在该时间段内没有到达它应有的抗拉强度，此组试验数据作废。2）沿横截面的方向：所有试件为沿一个周边起裂，裂缝再向其它三个周边扩展。
2.4轴向拉伸试验结果与分析
2.4.1多种金属纤维混凝土轴向拉伸基本力学性能
表2.1 多种金属纤维混凝土轴心受拉测试结果
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表2.1给出了不同种金属纤维混凝土轴心受拉测试结果，其中ft为抗拉强度，εp为峰值应变，Et为混凝土受拉变形模量，Wf为裂缝最大宽度，Fτ为裂缝最大宽度时的残余承载力。试验结果表明：①金属纤维的掺入不同程度的提高了混凝土的抗拉强度、峰值应变，相同纤维掺量时纤维混凝土抗拉强度和峰值应变随纤维直径的增大而增大；②单掺金属细纤维混凝土试件A1，A4相对基准混凝土试件AO抗拉强度分别提高11%和18%，峰值应变提高1%和4%。单掺金属粗纤维混凝土试件A6相对基准混凝土试件AO抗拉强度提高24%，峰值应变提高49%。说明金属粗纤维的加入不仅提高了基体混凝土的抗拉强度同时改善了混凝土的变形性能；③混掺粗、细金属纤维混凝土试件A7，A8抗拉强度的提高并不优于单掺金属粗纤维混凝土试件A6，峰值应变低于单掺金属粗纤维混凝土试件A6高于单掺金属细纤维混凝土试件A1，A4。多种金属纤维混凝土试件A9，其抗拉强度及峰值应变分别比基准混凝土试件AO提高27%和22%，是本次试验抗拉强度最好的一种组合。④单掺金属粗细纤维混凝土变形模量影响不大，混掺粗细金属纤维对混凝土变形模量略有提高。由此说明粗细金属纤维的混杂能改善混凝土内部微结构，但变形模量的大小主要取决与混凝土粗、细骨料的性质；⑤停止加荷时，试件裂缝最大宽度wf，素混凝土试件AO当裂宽达到0.363mm时，残余承载力0.金属细纤维混凝土试件A1，A4裂宽为0.475mm、0.957mm时，残余承载力为342N、416N，说明细纤维的掺入改善了混凝土的脆性性质，纤维掺量相同时，残余承载力随纤维直径的增大而增大；金属粗纤维混凝土试件A6裂宽为4.486mm时，残余承载力为3 090N，说明粗纤维对混凝土的增韧效果明显，塑性性能增强；粗细金属纤维混杂混凝土试件A7，A8，A9残余承载力为5587N，5527N，5579N时，裂宽为4.570mm，6.580mm，4.870mm，说明纤维粗细混较单掺纤维更能改善混凝土的塑性性能，纤维对混凝土的增韧效果较为理想。
当裂缝宽度达到0.363mm时，断裂面混凝土己退出工作，残余承载力取决于纤维直径、纤维分布及纤维与基体的粘接强度。在本次试验中，随着纤维直径的增加，裂缝最大宽度显著增大，残余承载力显著增大；粗细混掺后，效果更为明显，试件A8尤为突出。混凝土中的粗纤维部分被拔出、部分被拉断，需要消耗大量的能量才能让混凝土破坏面完全断开。这也是试件A7，A8，A9在试验过程中残余承载力居高不下的原因，从另一方面也说明了金属纤维与混凝土的良好粘接性能。
金属纤维混凝土的抗拉弹性模量与纤维掺入的相关性较差。粗细混掺金属纤维混凝土的抗拉弹性模量与素混凝土的抗拉弹性模量基本是相同的。根据复合材料理论，由于低弹性模量金属纤维掺入会导致纤维混凝土复合材料的弹性模量降低，本研究试验中金属纤维属于低掺量，纤维体积相对于混凝土基体来说很小，所以基本没有影响；另一方面，由于金属细纤维掺加在混凝土中能有效减少混凝土的早龄期收缩裂缝，金属粗纤维掺加在混凝土中能有效抑制混凝土的后期裂缝的产生，使基体初始缺陷减少，从理论上将粗细金属混掺在混凝土中可以改善混凝土基体的抗拉弹性模量。
2.4.2多种金属纤维混凝土轴拉应力一应变曲线
试验测定各组轴向拉伸应力应变曲线如图2.5所示。从图中可以看出，金属细纤维混凝土试件A1，A4在开裂后，表现出类似于基准混凝土试件AO的应变软化现象，但随着应变的增加，金属细纤维混凝土持荷能力略有增加。说明金属细纤维的掺入，改善了混凝土的脆性性质，其应力一应变曲线下降段所包面积比基准混凝土大，且随纤维直径增大而略有增大；金属粗纤维混凝土试件A6在开裂后，也出现了类似基准混凝土AO的应变软化现象，但当应力下降至0.34MPa时，试件表现出明显的应变硬化现象；金属粗细混杂纤维混凝土试件A7，A8开裂后也同样出现了应变软化现象，当应力分别下降至0.27MPa，0.50MPa时，试件表现出较明显的应变硬化现象；试件A7应力一应变曲线下降段所包面积小于试件A6，说明此组粗细纤维的混杂效应不理想，与抗裂试验结果相符；而A8试件当应变值增加到3%时，应力随应变的增加又回升到0.72MPa左右，而后又随应变增加逐渐减小。试件A8所表现出的抗拉韧性是可喜的；多种金属纤维混凝土试件A9开裂后，应力下降至0.50MPa后，随应变增加应力在逐渐增大，当应变增至1.5%时，应力回升到0.77MPa左右，而后又随应变增加逐渐减小。试件A9所表现出的抗拉韧性在所有试件中是最优的。
通过对试件A6～A9试验过程的仔细观察，发现纤维混凝土开裂后，试件承载力瞬间有较大幅度的降低，但随外荷载的持续，试件承载力会有回升，当听到试件内纤维“膨”的沉闷断裂声，就可看到承载力的下降，而后有所上升，纤维断裂，承载力降低而后上升，如此反复，直至试件内大部分粗纤维被拉断或拔出，试件逐渐丧失承载力。整个破坏过程粗纤维的桥接作用非常明显。将A6～A9试件出现应变硬化现象的应力一应变原始曲线局部放大可以发现曲线并不是光滑的曲线，在应变增加的过程中，应力不断的上下波动，并缓慢增加。通过大量试验观测和分析发现荷载的降低对应于试件上裂缝的不断扩展，荷载的上升说明在克服纤维的桥接力，一旦纤维被拉断或被拔出，荷载降低，裂缝继续扩展，当裂缝扩展遇到纤维阻力时，荷载上升，克服纤维桥接力，荷载又降低。因此纤维混凝土拉伸应力一应变曲线在一定程度上也反映了试件上裂缝的扩展情况。
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图2.5 多种金属纤维混凝土轴拉应力-应变曲线
由图2.5可知，多金属纤维混凝土试件A8和线下包面积比单掺粗纤维混凝土试件A6大，尤其是试件，开裂后应力一应变曲其下包面积几乎是单掺粗纤维混凝土试件A6的2倍。由此可知，多种金属纤维混凝土能充分发挥粗细纤维各自在不同受力阶段的作用，提高混凝土的抗裂能力，增强混凝土的抗拉韧性。
2.4.3多种金属纤维混凝土抗拉性能机理分析
当均匀受拉的混凝土试件内部存有微裂缝、孔隙等先天缺陷时，薄弱区域就会产生应力集中现象，当应力集中达到材料此阶段抗拉强度时，裂缝进一步发展，应力集中现象更为明显，裂缝的缓慢扩展将转变成裂缝的迅速失稳扩展。因此混凝土的拉伸破坏通常是断裂破坏。金属纤维在混凝土中分布如同蜘蛛网，束缚了裂缝，相当于给混凝土裂缝尖端施加了一个抵消开裂的应力场，提高了混凝土的抗拉强度。
加载过程中，基体内部初始微裂纹出现，截面内纵横交错的纤维桥接作用体现，分散应力集中，抑制微裂纹的发展，应力重分布后产生新的微裂纹。随外荷载的增大，基体某薄弱截面微裂纹贯穿，开裂，在断裂面处起桥接作用的纤维承受荷载并将荷载传递给未开裂的部分。此时基体的抗拉能力取决于纤维自身的抗拉能力及其与基体界面的粘结强度。随裂缝不断张开，桥接纤维不断被拔出或拉断，阻碍纤维被拔出主要靠纤维与基体界面的粘结力及纤维表面异形造成的机械咬合力。所以，金属粗纤维混凝土抗拉强度高于金属细纤维混凝土。金属粗细纤维混掺后，细纤维能有效阻止微裂纹的发展，粗纤维在宏观裂缝出现后能有效阻止裂缝开展。其抗拉强度从理论分析，应有提高。但三种不同种的粗细金属纤维的混掺，其抗拉强度却有增大，符合理论分析结果。
3结论
①金属纤维的掺入提高了混凝土的抗拉强度，强度比1.09～1.27。多种金属纤维混凝土试件A9抗拉强度增强率达到27%，优于掺量相同的单一纤维混凝土。
②单掺金属纤维对混凝土抗压强度的提高不理想，强度比0.843～1.105，但粗细金属纤维的混杂使混凝土抗压强度均得到提高，强度比1.062～1.137，试件A8效果最佳，抗压强度提高13.7%。
③得到不同种金属纤维混凝土的轴拉应力一应变全曲线，金属粗纤维混凝土在破坏第三阶段出现了低应力应变硬化现象，抗拉韧性的改善幅度远大于金属细纤维混凝土。在试验所测试的纤维中，对混凝土抗拉韧性的提高幅度排序：多种金属纤维>金属粗纤维>金属细纤维，A9抗拉韧性最好。
④金属纤维的掺入对混凝土受拉变形模量的影响不大，这进一步说明了混凝土模量主要取决于混凝土的粗、细骨料，与添加的低模量金属纤维关系不大。
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作者简介：
王贵珍，女，1977年10月出生，副教授，专业方向：路桥专业理论教学与结构研究。
重庆工程职业技术学院院级重点项目项目编号：KJA201705