摘要: 为研究混杂钢-聚丙烯纤维对C60混凝土的力学特性和微观结构性能的影响，通过对掺入不同掺量和不同形状的纤维的试件进行力学试验，测得各组试件在不同阶段的抗压强度和抗折强度。钢纤维掺量分别为0%、0.5%、0.75%、1%、1.5%、0.25%，聚丙烯纤维掺量为0%、0.15%、0.25%，钢纤维种类有剪切型、铣削型、端勾型。结果表明随机分布的纤维可以发挥次筋作用，降低混凝土砂浆的流动性。掺入0.5%钢纤维和0.15%聚丙烯纤维的混凝土可以提高混凝土的抗压强度和抗折强度。粉煤灰取代率为20%时会降低混杂纤维混凝土的力学性能。剪切型钢纤维的掺入会使抗折强度下降，铣削、端勾型钢纤维可以同时提高混凝土的抗压强度和抗折强度，有利于提高混凝土延展性并且减少开裂。
Abstract:
In order to study the effect of blended steel-polypropylene fibers on the mechanical properties and microstructural properties of C60 concrete, the compressive and flexural strengths of each group of specimens at different stages were measured by conducting mechanical tests on specimens with different admixtures and different shapes of fibers. The dosage of steel fibers was 0%, 0.5%, 0.75%, 1%, 1.5%, and 0.25%, and the dosage of polypropylene fibers was 0%, 0.15%, and 0.25%, and the types of steel fibers were shear, milled, and end-hooked. The results show that the randomly distributed fibers can play the role of sub-reinforcement and reduce the fluidity of concrete mortar. Concrete with 0.5% steel fibers and 0.15% polypropylene fibers can increase the compressive strength and flexural strength of concrete. Fly ash substitution rate of 20% decreases the mechanical properties of mixed fiber concrete. The inclusion of shear type steel fibers will reduce the flexural strength, milling, and end-hooked type steel fibers can simultaneously increase the compressive strength and flexural strength of concrete, which is conducive to improving the ductility of concrete and reducing cracking.
1. 绪论
混凝土是一种常见的建筑材料，近年来，随着大跨度桥梁桥面板的发展，高性能混凝土的应用越来越广泛。因此，关于高性能纤维混凝土材料的研究成为现代科学发展的一个焦点。赵士坤(2019)通过试验研究了钢纤维和纳米SiO2对混凝土抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度的影响，并揭示了相应的影响规律 [1] 。郭光玲(2020)的研究则认为，钢纤维混凝土试块的整体强度性能明显优于单一的混凝土试件，说明了钢纤维能够有效增强混凝土性能，提高混凝土韧性，防止裂缝出现 [2] 。Guo H.等(2021)采用弯曲、准静态和动态劈裂拉伸试验，研究了钢与聚丙烯纤维混杂组合对高强混凝土的增韧效果。认为当高强混凝土中同时使用适量的钢纤维和聚丙烯纤维时，其弯曲强度和准静态劈裂抗拉强度增大。通过分析韧性比、韧性指数和耗能情况，发现钢纤维的引入可以大幅提高高强混凝土的韧性，但仅受聚丙烯纤维的影响较小。Zhu Yuan研究得到不同聚丙烯纤维的表面疏水性的差异，可能会对聚丙烯纤维混凝土的性能和聚丙烯纤维的最佳含量产生显著影响 [3] 。Hao Wu研究得到纤维掺入对低水胶比(w/b = 0.27)、高矿物掺合料掺量砂浆样品有明显的负面影响 [4] 。吴昊 [5] 研究得到矿物掺合料对砂浆的强度特性都有显著影响。掺入不适宜比例的矿物掺合料，会造成矿物掺合料的“负混掺效应”抵消掺入纤维的正增强效应，造成砂浆抗压强度的降低。基于上述发现，针对钢纤维和聚丙烯纤维混凝土性能的研究不断取得新的成就，但仍需对其本质进行深入研究。
因此，本研究初步分析了混杂纤维掺量对混凝土力学性能影响的机理，但其机理还需进一步深入研究。通过引入钢和聚丙烯纤维的最佳混杂组合，改变钢纤维形状以及胶凝材料组分，进一步提高高强混凝土的韧性。本试验针对掺入混杂钢–聚丙烯纤维的C60高性能混凝土的制备及工程性能进行系统研究。
2. 试验部分
2.1. 试验材料及内容
原材料：水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，硅灰为高强混凝土用白色高纯硅灰，粗骨料为5~30 mm的级配碎石，细骨料为优质河砂，减水剂为萘系高效减水剂，减水率不低于20%，减水剂掺量通过适配确定，水胶比为0.34。钢纤维为剪切型、端勾型、铣削型钢纤维，长度30 mm，抗拉强度>500 MPa。聚丙烯纤维长度为12 mm。
试验内容：(1) 不同掺量的钢纤维和聚丙烯纤维C60强度等级高性能混凝土的制备工艺和力学性能。(2) 不同形状的钢纤维和聚丙烯纤维C60强度等级高性能混凝土的制备工艺和力学性能。
2.2. 试件制备
首先在搅拌机中加入碎石、砂和水泥，搅拌2 min，充分混合。在搅拌机中再加入硅灰、粉煤灰后，再进行搅拌，在搅拌过程中缓慢均匀加入钢纤维、聚丙烯纤维、减水剂和水，充分混合均匀。将搅拌结束获得的混凝土砂浆倒入模具中，在振捣台上充分振实。用抹灰刀抹平试件多余浆料，用保鲜膜封口，在室温下放置24小时。脱模，放入养生室标准养护28天。
2.3. 试验一
2.3.1. 试验一配合比设计
混凝土设计强度等级：C60。配合比设计参考规范JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》和规范JG/T 472-2015《钢纤维混凝土》进行。配合比见表1。
2.3.2. 坍落度测试
对每次充分搅拌结束后获得的混凝土进行坍落度试验。不同组砂浆坍落度数据如图1所示。多组试验坍落度处于80~100 mm范围内，砂浆流动性较强，钢纤维、聚丙烯纤维含量越多，使得纤维比表面积更大，需要更多的水泥进行包裹，流动性随之降低。
2.3.3. 力学试验
不同掺量的钢纤维和聚丙烯纤维混凝土，在不同养护时间下的抗压强度试验结果见图2(a)，抗折强度试验结果见图2(b)。
由图2(a)可见，随着养护时间的增加混凝土的抗压强度也随之增加。在7天的养护时间下，各类混凝土的抗压强度相差不大，养护时间达到14天后，PC混凝土的抗压强度明显高于其他种类。在28天养护结束后，S0.5, P0.15混凝土的抗压强度和抗折强度高于其他种类混凝土。
由图2(b)可见，随着养护时间的增加混凝土的抗折强度也随之增加。在7天的养护时间下，各类混凝土的抗压强度相差不大。养护时间达到14天直至28天养护期结束，S0.5, P0.15混凝土中，混杂纤维均匀分布在基体中，通过与胶凝基体的粘结，在试块被施加荷载后能够阻止界面过渡区或薄弱区内部的微裂缝扩展，从而起到增强作用，使得抗压强度和抗折强度高于其他组。
(a)
(b)
Figure 2. Test results for compressive strength and flexural strength
图2. 抗压强度和抗折强度试验结果
聚丙烯纤维加入后形成的三向网络可抑制混凝土集料的沉降，从而降低界面过渡区的水灰比 [6] ，使得混凝土力学性能得到小幅度的改善。但掺量较大时，纤维分散均匀程度降低导致缺陷增加，危害空隙增加，力学性能也随之变差。
2.4. 试验二
2.4.1. 试验二配合比设计
混凝土设计强度等级：C60。配合比设计参考规范JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》和规范JG/T 472-2015《钢纤维混凝土》进行。配合比见表2。
2.4.2. 力学性能测试及结论
试验结果如表3所示。
不同形状的钢纤维和聚丙烯纤维C60强度等级高性能混凝土，如表3可见，纤维混凝土的抗压强度较0掺量纤维有明显增加，其中F20-MS0.5PP0.15类型混凝土抗压强度增长最为明显，F20-HS0.5PP0.15和F0-HS0.5PP0.15的抗压强度也有明显增加。与0掺量纤维混凝土相比，由于钢纤维具有良好的延展性，钢纤维和聚丙烯纤维的掺入，增加了混凝土材料的韧性，增加了混凝土的抗压强度。在钢纤维和聚丙烯纤维掺量相同的情况下，粉煤灰和硅灰的合理掺用大大提高了混凝土的强度，改善混凝土的耐久性，使混凝土抗压强度出现明显的增长。
铣削、端勾种类钢纤维混凝土抗压强度增幅较为稳定。相较于抗压强度，掺入纤维混凝土的抗折强度变化较小，F20-0和F0-0无纤维掺入抗折强度无变化，F20-MS0.5PP0.15和F0-MS0.5PP0.15使用剪切型钢纤维使混凝土抗折强度出现小幅度下降，铣削、端勾种类钢纤维混凝土抗折强度均有小幅度增加。
3. 结论
1) 掺入一定掺量范围的混杂钢纤维和聚丙烯纤维会降低混凝土砂浆的流动性及吸水率，当钢纤维掺量0.5%聚丙烯纤维掺量为0.15%时，高强度混凝土的抗压强度和抗折强度能得到明显提高。
2) 对于F20-MS0.5PP0.15和F0-MS0.5PP0.15，由于水胶比低(w/b = 0.34)，粉煤灰取代水泥的比例大以及纤维掺入量大，导致混凝土工作性能差，成型困难，基体中出现大量孔隙，导致剪切型钢纤维的掺入降低了抗折强度，不利于混凝土的长期使用。
3) 铣削、端勾种类钢纤维可以同时提高混凝土的抗压强度和抗折强度。钢纤维和聚丙烯纤维形成了一个三维交错的支撑网络，胶凝基质中的裂纹只有通过绕过纤维、断裂纤维或拔出纤维才能继续发展，从而限制了胶凝基质中裂纹尖端的扩展，有利于提高混凝土延展性并且减少开裂，提高混凝土工程性能。强度的提高可以减小桥面板的截面尺寸，减轻桥梁自重，实现大跨径桥梁的发展。
基金项目
校级大学生创新训练计划项目(编号202310225636)。
NOTES
*通讯作者。