纖維網增強混凝土（FRC）力學性能試驗

摘要:纖維網增強混凝土（FRC）力學性能試驗

1. 概述

為了維護鐵路混凝土橋涵結構的耐久性，有必要為防水層發展一種更為經濟有效的保護層，從而使防水層經久耐用，有效地保護梁體不受雨水的侵蝕。

纖維網（Fibermesh）增強混凝土是在普通混凝土中摻入網狀聚丙烯纖維網而形成的纖維增強混凝土。它不僅具有普通混凝土的特性，還具有較高的抗折強度和抗沖擊強度及抗疲勞強度、耐磨、優良的韌性，特別是抗早期塑性收縮裂紋的能力。纖維網質輕，摻量低，易于分散，施工簡便。

本試驗一共選擇三種纖維網摻量，即1袋0.9kg，2袋1.8kg和3袋2.7kg，均屬低摻量。結果表明，當摻量每立方混凝土達到2袋，即正1.8公斤時，材料性能滿足了防水層的技術要求。

以下全面介紹纖維網增強混凝土的試驗結果。

2. 材料

2.l網狀聚丙烯纖維網

纖維網是由非再生聚丙烯材料，以纖維束的方式生產的一種混凝土增強材料，由美國合成工業纖維網公司獨家生產。纖維網纖維在混凝土攪拌過程中被撕裂成一根根單獨纖維，例如當每立方米混凝土摻入0．9kg，攪拌后將有710萬根獨立的纖維，以三維方式均勻分布在混凝土中。該產品于80年代中后期推向全球，目前已在60多個國家和地區得到廣泛應用。纖維網在混凝土中應用發揮以下功能：有效地抑制混凝土早期塑性收縮裂紋，增加混凝土的韌性和抗沖擊能力，抗腐蝕，耐磨耗，減少滲透性。由于纖維網混凝土具有上述優點而被廣泛應用于公路和高速公路的路面和護攔，橋梁的主體結構及橋面，飛機場跑道、停機坪，隧道和礦井用噴射混凝土，以及板材及管材等。聚丙烯纖維網纖維性能見表一1。

比重 抗拉強度 彈模 燃點 融點 長度 吸水性 熱傳導 電傳導 抗腐蝕

` MPa GPa ℃ ℃ mm ` ` ` `

0.91 560-570 3.50 590 160-170 19 無 低 低 高

2.2 水泥

525普通硅酸鹽水泥，太行山牌。

2.3 粗骨料

碎石，5-10mm

2.4 砂

中粗砂

2.5 減水劑

FDN高效減水劑

3. 配合比

表-2 配合比（kg/m3）

編號 水 水泥 砂 碎石 纖維網 減水劑

1-基準 222 500 810 810 0 2.5

2-1袋 222 500 810 810 0.9 2.5

3-2袋 222 500 810 810 1.8 2.5

4-3袋 222 500 810 810 2.7 2.5

4．試樣制備

4.1攪拌方法

*將粗骨料，砂子和水泥放入攪拌機中，攪拌lmin，

*將水和減水劑放人攪拌機中，攪拌lmin成均勻狀態，

*將聚丙烯纖維網放入攪拌機中，攪拌4－5min，均勻后，澆制試樣

*將試模放在振動臺振動4－5min，成型。

4.2養護

在標準養護室，即溫度20±30℃，濕度為90％以上，養護一天脫模，然后養護到所需齡期。

5．試驗結果

5.l 抗折強度

試樣尺寸為 100×100×400mm，三點彎曲，跨度為 360mm，齡期為7和28天。每組三個試樣，取均值。結果見表一3。

5.2 斷裂能

斷裂能是基于斷裂力學概念發展而來一種反映混凝土抗裂能力和抗沖擊能力的力學性能指標。采用國際材料與結構試驗研究所協會、國際予應力協會和歐洲混凝土委員會聯合建議的方法，RILEM－50－FMC進行實驗［2］，試樣尺寸100×100×400mm帶中心裂紋。用混凝土鋸切割裂紋，裂紋深度為30mm。實驗是在德國產SCHENCK PSB 250KN電液伺服材料實驗機上進行的。實驗機剛度為3μm/kN。計算機控制位移加載，夾頭位移速度100μm/min。同時用x－y記錄儀記錄下載荷一位移曲線，斷裂試驗測試裝置見圖1及像片1和2。圖2為所記錄的載荷一夾頭位移曲線。

P-載荷 L-跨度 AE-聲發射 a-裂紋深 △-位移

CMOD-裂紋嘴張開位移

圖1 混凝土斷裂試驗測試裝置

夾頭位移，mm

圖2 混凝土斷裂試驗 載荷-還將夾頭位移曲線Y（1）為基準試樣（不摻）Y（2）為

纖維網試樣（每m3摻2袋）。計算斷裂能面積的時在位移2mm處截止

RILEM-50-FMC定義的斷裂能為擴展單位面積裂紋所吸收的能量。由定義得混凝土梁三點彎曲時斷裂能的計算公式為：Gf=W0-mgσ0/Alig

式中：

Gf：為斷裂能，

W0：為載荷一夾頭位移曲線下的面積，如圖 2所示

m：為支承點之間梁的質量，

g：重力加速度，

σ0：梁斷裂時的位移，

Alig：韌帶面積，即，

Alig＝b×（h－σ0）

b：梁寬，

h：梁高，

σ0：切口深度。

從斷裂能的定義可以看出：斷裂能能夠直接評價混凝土韌性的高低，斷裂能越高，表明材料在斷裂前吸收的能量越多，因而材料具有良好的韌性和抗沖擊能力。斷裂能是表征混凝土材料抗斷裂能力的一個重要指標。表一3為抗折強度MOR和斷裂能的試驗結果。

表-3抗折強度MOR和斷裂能的試驗結果

Samples 7days 28days

No MOR Gf MOR Gf

MPa N/m MPa N/m

1a 5.51 114.00 5.55 141.00

1b 5.00 99.00 5.74 147.00

1c 5.32 113.00 5.15 134.00

1-ref 5.28 108.67 5.48 140.67

2a 5.64 152.00 5.93 226.00

2b 5.57 146.80 5.58 211.00

2c 5.63 164.00 5.37 199.00

2-1bag 5.61 154.27 5.63 212.00

3a 5.76 196.00 6.00 329.00

3b 5.79 200.50 5.82 331.00

3c 6.03 202.00 6.38 359.00

3-2bags 5.86 199.50 6.07 339.67

4a 5.55 194.00 6.45 364.00

4b 6.15 201.00 6.21 `

` ` ` 6.19 344.00

4-3bags 5.85 197.50 6.33 354.00

5.3 抗壓強度

試樣尺寸為100×100×100mm，結果見表-4。

表-4抗壓強度 *三個試樣的平均值

No 7days* 28days*

MPa MPa

1-ref. 490 527

2-1bag 526 576

3-2bags 612 627

4-3bags 491 539

6. 耐久性試驗

眾所周知聚丙烯纖維網有良好的耐久性，我們驗證其耐久性，進行了聚丙烯纖維網的加速老化試驗。

試樣為40×40×160mm3三點彎曲砂漿抗折試樣，525#普通硅酸鹽水泥，標準砂，灰砂比為回2：2.5，Fibermesh摻量為每m3兩袋，即1.8kg。試樣標養3天后，將試樣浸放80℃熱水中3，7和14天后測定其抗折強度MOR。在80℃熱水浸放一晝夜相當于大氣暴露4－6年[3]。所以，試樣浸放80℃熱水中3天,7天和14天，相當于大氣暴露15年、45年和70年。加速老化試驗的結果見表一5和圖5。

表5 聚丙烯纖維網的加速老化試驗

No MOR No MOR No MOR

` MPa ` MPa ` MPa

1-3days ` ` 2-7days ` 3-14days

1.a 6.98 2.a 6.57 3.a 6.73

1.b 5.45 2.b 6.49 3.b 8.38

1.c 6.94 2.c 6.22 3.c 7.96

Mean values 6.46 ` 6.43 ` 7.69

圖5 聚丙烯纖維網的加速老化試驗

7. 討論

●根據以往觀察，混凝土橋涵結構防水層的保護層所產生的裂紋，大部分是由于保護層混凝土的早期塑性收縮引起的。眾所周知纖維網增強混凝土具有優良的抗早期塑性收縮裂紋的能力，所以用纖維網增強混凝土作保護層能發揮防水層的保護層作用。

●斷裂能是基于斷裂力學概念發展而來一種反映混凝土抗裂能力和抗沖擊能力的力學性能指標。在普通混凝土中摻入低摻量的網狀聚丙烯纖維網后，其28天的抗折強度僅提高 2.7％（l袋），10.7％（2袋）和 15.5％（3袋），而斷裂能則分別提高引51％，142％和153％。從圖2可以看出，在峰值載荷后，梁體出現了宏觀裂紋，纖維網混凝土仍有一定強度，當試驗梁跨中位移為lmm時，不摻纖維網的混凝土其抗力消耗殆盡，而摻2袋纖維網的混凝土其抗力仍有800N，這充分說明了，纖維網增強混凝土有優良的抗裂能力。就防水層的保護層的應用狀況而言，其材料斷裂性能遠比抗折性能重要。

●纖維網摻量為2袋和3袋時，其抗折強度和斷裂能有所差別，但不顯著和不穩定。2袋和3袋其7天的抗折強度和斷裂能幾乎相同，從斷口L分析，摻量為3袋時，纖維網有結團現象，這說明當摻量增至每方混凝土3袋時，纖維網在混凝土中分布不夠均勻。

●當纖維網的摻量由1袋增至2袋時，其28天的抗折強度已滿足6.0MPa的要求，見附錄表-6。從技術、經濟和工藝出發，每方混凝土2袋纖維網為最佳摻量。就鐵路混凝土橋涵結構防水層的保護層而言，建議每方混凝土摻2袋纖維網為宜。

●纖維網有十分優良的耐久性，見表-5和圖5。

8. 結論

●纖維網能有效地抑制混凝土早期塑性收縮裂紋，有效地增加混凝土的韌性和抗沖擊能力，抗腐蝕，耐磨耗，減少滲透。

●從技術、經濟和工藝出發，就鐵路混凝土橋涵結構防水層的保護層而言，每方混凝土2袋纖維網為最佳摻量。