王莉英 王显耀

0 引言

大量研究表明，均匀地将纤维掺入到水泥砂浆中可使其弯曲强度和阻裂作用明显得到改善，其韧性可大大地提高。目前在大多数桥梁、隧道、公路等建筑中都广泛采用。但对于不同的纤维改善砂浆混凝土的性能有所不同。钢纤维为高弹纤维，一般高弹纤维增强增韧效果均较好，但价格昂贵;聚丙烯纤维为低弹纤维，增强增韧效果较差，但增动效果较好，而且价格便宜。因此，把这两种纤维混杂起来加入混凝土中，从改善性能和从经济上考虑都是较合适的。

如果纤维含量相同，横断面尺寸也相同时，高弹纤维和低弹纤维对增强混凝土的弯曲特性是不相同的。作为高弹纤维(钢纤维)增强砂浆混凝土的弯曲载荷—变形曲线如图1a)所示;作为低弹纤维(聚丙烯纤维)增强砂浆混凝土的弯曲载荷—变形曲线如图1b)所示。P0表示素砂浆的破坏载荷，Pcr和Pmax分别表示纤维增强砂浆混凝土的初裂载荷和最大载荷。图1a)说明钢纤维的掺入大大增强砂浆混凝土的初裂载荷，但是在最大载荷之后，钢纤维从基体中拔出，在较小的变形下，载荷迅速减小。从图1b)中可以看出聚丙烯纤维对砂浆混凝土的初裂载荷Pcr略高于素砂浆的破坏载荷P0，提高的数值远不如钢纤维那样高，但是初裂之后，载荷缓慢地逐渐减少，表现出很好的延性。

基于上述这两种纤维增强水泥砂浆的特点，本文试图寻找一种复合材料，具有这两种纤维增强砂浆混凝土所共有的优点，通过大量试验研究发现，将这两种纤维按一定比例混合，就发挥了两种纤维单独增强砂浆混凝土的优点，消除了它们各自的缺点，使初裂强度有所提高，而且初裂后的特性明显的得到改善。在纤维束之间可以掺进水泥浆，增强了基体和纤维之间的粘结强度，防止纤维的拔出。

1 试验方法与结果分析

按一定的比例将钢纤维和聚丙烯纤维均匀分散到砂浆中，钢纤维尺寸为0.3 mm×0.6 mm×25 mm。聚丙烯纤维一束为24根，单丝直径20 μm，比重0.9，弹性模量5.6 GPa，抗拉强度438 MPa，把长丝剪断为平均长度25 mm的短丝束。水∶水泥∶砂=0.5∶1∶2。试件尺寸:25 mm×50 mm×280 mm，成型的试件24 h脱模，然后在水中养护28 d。通过WDW-100微机控制电子万能试验机对试件进行试验，用纯弯曲加载方式加载。载荷—挠度曲线通过数据自动采集、记录仪自动记录。

图1 典型的弯曲载荷—变形曲线

1.1 一种纤维对砂浆混凝土的影响

1.1.1 纤维含量对弯曲特性的影响

图2a)是聚丙烯纤维增强砂浆混凝土的载荷—挠度曲线。图2a)表明:初裂载荷随纤维含量的增加而增加，幅度较小，但初裂后随纤维含量的增加有很大的改善。当含量为1.0%～2.5%范围内其最大载荷逐渐增加并超过初裂载荷。掺入聚丙烯纤维直到初裂几乎完全是弹性，但初裂后承受载荷的能力不增加，载荷稍下降，然后随着变形的增加，承受载荷的能力又继续上升到最大载荷。图2b)为钢纤维增强砂浆混凝土的载荷—挠度曲线。图2b)表明:初裂载荷和最大载荷均随纤维含量的增加而明显地增加。但最大载荷后，在较小的变形下载荷迅速下降，直到破坏。

图2 纤维含量对弯曲特性的影响

1.1.2 加载速率的影响

不同加载速率下聚丙烯纤维增强砂浆混凝土和钢纤维增强砂浆混凝土弯曲载荷—挠度曲线如图3a)，图3b)所示。两种纤维随加载速率的增加，初裂强度均有所提高，但初裂后的特性差别较大。聚丙烯纤维初裂后弯曲强度主要依赖于聚丙烯纤维的抗拉强度，所以，这种复合材料初裂后的弯曲特性将受聚丙烯纤维粘弹性的影响，弯曲强度随加载速率的增加而增加。对于钢纤维初裂载荷随加载速率也有所提高，但初裂后载荷下降的更加迅速，最大载荷所对应的变形也随加载速率的增加而增加。

图3 加载速率对弯曲特性的影响

1.2 混杂纤维对砂浆混凝土的影响

1.2.1 聚丙烯纤维含量对弯曲特性的影响

图4是钢纤维体积含量保持为1%，聚丙烯纤维体积含量从0.1%～2.5%变化曲线。

从图4中可以发现:

1)钢纤维含量为1%时，初裂载荷随聚丙烯纤维含量的增加而增加，且初裂载荷比单一纤维增强水泥砂浆的初裂载荷有所提高。其原因是在钢纤维阻裂的基础上由于聚丙烯纤维的加入更加增强了基体的阻裂能力从而增加了初裂载荷。

图4 混杂纤维增强砂浆混凝土中聚丙烯纤维含量对弯曲特性的影响

图5 加载速率对混杂纤维增强砂浆混凝土弯曲特性的影响

2)最大载荷随纤维含量的增加而增加。最大载荷相应的变形也随纤维含量的增加而增加。由于聚丙烯纤维不易拔出，同钢纤维共同作用使最大载荷有所增加。

3)最大载荷之后，载荷下降得比较缓慢，表现出很好的延性。这主要是聚丙烯束的延性好阻止了基体的开裂所至。

4)当纤维含量达到2.5%时，初裂载荷和最大载荷均有所下降，载荷能保持在相对高点。由此可见，采用两种纤维混杂增强砂浆的混凝土，明显地克服了两种纤维单独增强混凝土砂浆时的缺点，大大地改善了脆性基体的性质。

1.2.2 加载速率对弯曲特性的影响

图5表示当钢纤维体积含量保持为1%，聚丙烯纤维体积含量保持为2%时，加载速率对弯曲特性的影响。从图5可以发现，初裂载荷和最大载荷随加载速率的增加而增加，最大载荷相对应的变形也随加载速率的增加而增加。但在最大载荷后，随加载速率的增加，在较小的变形下，载荷迅速减小。

因此，混杂增强水泥砂浆的强度和韧性在不同的部分充分显示了各自的优点，克服了它们的缺点，因此钢纤维和聚丙烯纤维混杂增强水泥砂浆的强度和韧性是十分有前途的。

2 结语

将钢纤维和聚丙烯纤维均匀地掺入在砂浆中，能较好地改善其弯曲特性。通过试验可得如下结论:

1)混杂纤维增强砂浆混凝土的初裂载荷比单一纤维增强砂浆混凝土初裂载荷有所提高。对于不同的纤维含量，初裂载荷将随着纤维含量的增加而增加。

2)混杂纤维增强砂浆混凝土的最大载荷比单一纤维增强砂浆混凝土的最大载荷也有所提高，最大载荷相对应的变形也有增加。

3)随着聚丙烯纤维含量的增加，上述特点较为明显。

4)最大载荷之后，弯曲载荷变形表现出了很好的延性，在很大的变形范围内，载荷降低得很少。

5)弯曲载荷—变形曲线受加载速率的影响很大，随加载速率的增加，初裂后载荷—变形曲线会更加陡。

这两种纤维增强砂浆混凝土表现出了很好的弯曲特性，消除了钢纤维和聚丙烯纤维单独增强砂浆混凝土的缺点，在房屋、桥梁、隧道、公路等建筑中有着十分广阔的发展前景。

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