纤维及复合粉体增强混凝土轴拉性能试验研究

Experimental Study on Tensile Performance of Fiber and Composite Powder Reinforced Concrete

摘要: 为解决现代超高层建筑及大跨度桥梁结构对混凝土强度与韧性的更高需求，本研究聚焦纤维及复合粉体增强混凝土的轴心抗拉性能，通过在混凝土基体中掺入聚乙烯醇、聚丙烯腈(PAN)纤维及复合粉体，采用控制变量法设计11组不同配合比的混凝土试件开展轴心抗拉试验。试验采用哑铃式试件，以E45.305型MTS电液伺服万能试验机按0.2 mm/min位移控制加载，同步采集应力–应变全曲线数据，分析纤维掺量、纤维种类及双掺复合粉体对混凝土抗拉强度、极限应变及破坏形态的影响，并构建抗拉强度模型。结果表明：纤维与复合粉体的掺入可显著提升混凝土抗拉强度与极限应变。其中，宝华林PVA纤维掺量1.2 kg/m³时，混凝土抗拉强度较素混凝土(P₀)提升107.27%；在此基础上额外掺入0.4 kg/m³复合粉体，抗拉强度进一步提升19.55%，极限应变更是大幅提升165.63%，且应力–应变曲线呈现平缓的应变硬化阶段。从破坏形态看，素混凝土为脆性断裂，而纤维增强混凝土断裂面更整齐、断裂声音较小，纤维的桥接作用有效增强了水泥胶与纤维的粘结能力，改善了混凝土韧性。此外，掺入复合粉体的混凝土试件试验数据变异系数更低，测试结果稳定性更优。综合来看，宝华林生产的1.2 kg/m³ PVA纤维与0.4 kg/m³复合粉体的组合，对混凝土轴拉性能的增强效果最佳，可为工程中混凝土材料的优化应用提供参考。

Abstract: To address the heightened demands for concrete strength and toughness in modern super-tall buildings and large-span bridge structures, this study investigates the axial tensile performance of fiber-reinforced and composite powder-enhanced concrete. By incorporating polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylonitrile (PAN) fibers, and composite powders into the concrete matrix, 11 test specimens with varying mix proportions were designed using a controlled variable method. Dumbbell specimens were tested using an E45.305 MTS electro-hydraulic servo universal testing machine, with displacement-controlled loading at 0.2 mm/min while simultaneously collecting full stress-strain curve data. The research analyzes the effects of fiber content, fiber type, and dual-composite powder incorporation on tensile strength, ultimate strain, and fracture morphology, ultimately establishing a tensile strength model. Results demonstrate that fiber and composite powder additions significantly enhance concrete’s tensile strength and ultimate strain. Specifically, when Baohualin PVA fibers were added at 1.2 kg/m³, the tensile strength increased by 107.27% compared to plain concrete (P₀). Subsequent addition of 0.4 kg/m³ composite powder further boosted tensile strength by 19.55% and dramatically increased ultimate strain by 165.63%, with the stress-strain curve exhibiting a gradual strain hardening phase. Fracture morphology analysis revealed that plain concrete exhibited brittle fracture, while fiber-reinforced concrete displayed more uniform fracture surfaces and quieter fracture sounds. The bridging effect of fibers effectively improved the bond between cement paste and fibers, enhancing concrete toughness. Additionally, concrete specimens incorporating composite powders demonstrated lower coefficient of variation in test data, indicating superior measurement stability. In general, the combination of 1.2 kg/m³ PVA fiber and 0.4 kg/m³ composite powder produced by Baohua Lin has the best effect on the enhancement of concrete axial tensile performance, which can provide a reference for the optimal application of concrete materials in engineering.

1. 引言

在现代工业技术发展中超高层建筑及大跨度桥梁结构快速发展，普通混凝土的强度及韧性已无法满足发展需求，提高混凝土的强度和韧性是目前工程中研究的热点问题，而在混凝土中掺入纤维是国际上公认的有效提高混凝土强度和韧性的方式之一[1]。纤维及复合粉体增强混凝土是一种新型水泥基复合材料，具有较高强度，韧性和高抗裂能力，能使结构趋于轻巧，钢筋用量也可以得到适当减少。纤维的增韧机制主要在于基体和纤维之间的桥接作用可阻止裂纹的产生和扩展，显著提高混凝土的拉伸强度和延展性[2] [3]。纤维及复合粉体增强混凝土材料的抗压强度与普通混凝土相差不大，但轴拉强度具有显著的提高，在大跨度结构受力中具有一定的作用。因此，纤维及复合粉体增强混凝土的抗拉强度研究具有工程实践意义。

张萌等[4]研究表明，在混凝土中掺入适量的玄武岩纤维可以提高混凝土的抗压强度、抗折强度和劈裂强度，改善混凝土的韧性和破坏形态；周浩等[5]研究结果表明，玄武岩纤维的掺入可以提高混凝土抗拉强度，并改善混凝土的抗裂性能；原海燕等[6]研究了3种不同体积掺量的钢纤维活性粉末混凝土的轴拉性能，认为轴拉试验可以由无纤维时的脆性破坏转化为韧性破坏；刘洋[7]等认为聚乙烯醇纤维具有良好的抗拉性能、化学稳定性能，通过内掺PVA纤维能有效改善混凝土的力学性能；Gayathri，K.S. [8]等研究表明适量加入PVA纤维，可显著提高PVA纤维混凝土的力学性能，降低其吸附性和收缩率。

综上所述，多种纤维单一加入均能有效提升混凝土的强度，但是纤维及复合粉体共同提升混凝土抗拉强度的研究几乎没有。为此，本试验对11组不同配合比的纤维及复合粉体增强混凝土进行轴心抗拉强度试验，每个配合比浇筑3个平行试件。以基本骨料配比量作为参数，根据相关强度试验数据，开展不同纤维掺量、不同纤维种类、双掺纤维复合粉体条件下抗拉强度之间的分析，探讨抗拉强度之间的关系，甄选出满足工程需要的混凝土最优纤维种类和纤维掺量，推动普通混凝土材料多掺纤维在实际工程中的应用。

2. 混凝土拉伸全应力应变曲线

对混凝土的拉伸应力应变全曲线可以分为以下三个等级，如图1所示。

I类破坏：曲线只有线弹性阶段，当达到峰值应力时基体产生单缝开裂破坏，混凝土试件破坏失效；

II类破坏：曲线应变软化阶段，当达到峰值应力后基体单缝开裂、曲线产生陡降，此时荷载值降低但试件并未直接断裂，还存在残余应力；

III类破坏：曲线应变硬化阶段，拉应力线性陡增至初始裂纹产生的线弹性上升段，到达峰值应力后由于纤维之间的桥接作用，应力继续提高伴随多元微裂缝发展达到应力极值的应变硬化段，局部的临界裂缝快速扩展而应力下降直到试件破坏区间的应力软化段。

Figure 1. Classification of concrete tensile form

图1. 混凝土拉伸形态分级

3. 混凝土材料制备

选用P.O型42.5级硅酸盐水泥；粉煤灰、矿粉等级分别为F类II级、S95级；减水剂为PC180聚羧酸高效减水剂，减水率不小于30%。本实验采用的基体配合比的水胶比为0.4，如表1所示。

Table 1. Mix proportion of concrete matrix (kg/m³)

表1. 混凝土基体配合比(kg/m³)

组分	水泥	粉煤灰	矿粉	砂	碎石 5~20 mm	水	减水剂
质量	255	85	85	740	1040	170	4.675

由安徽皖徽提供的聚乙烯醇(PVA)纤维直径0.038 mm、长度12 mm、抗拉强度1600 MPa；宝华林提供的聚乙烯醇(PVA)纤维直径0.040 mm、长度8 mm、抗拉强度1500 MPa，两种PVA的长径比分别为315.79、200。聚丙烯腈(PAN)的纤维直径0.012 mm、长度12 mm、抗拉强度750 MPa。纤维的性能参数列于表2。

Table 2. Fiber performance parameters

表2. 纤维性能参数

纤维名称	纤维强度 (MPa)	纤维弹性模量 (GPa)	纤维直径 (μm)	纤维密度(g/cm^3)
聚乙烯醇(PVA安徽皖徽)	1600	40	38	1.29
聚乙烯醇(PVA宝华林)	1500	35	40	1.64
聚丙烯腈(PAN)	750	15	12	1.18

试件编号、纤维品种及其体积掺杂率见表3。其中P₀代表基本对照组，A、B分别表示安徽皖徽、宝华林，0.6表示体积掺杂率为0.6 kg/m³，C代表复合粉体掺入。例如，A-PVA1.2-C0.4代表安徽皖徽的聚乙烯醇纤维，其中纤维掺量1.2 kg/m³，复合粉体掺量0.4 kg/m³。

Table 3. Content of fiber composite powder (kg/m³)

表3. 纤维复合粉体掺量(kg/m³)

分组	试件编号	纤维掺量
		聚乙烯醇 (PVA安徽皖徽)	聚乙烯醇 (PVA宝华林)	聚丙烯腈(PAN)	复合粉体掺量
1	P0	-	-	-	-
	A-PVA0.6	0.6	-	-	-
	A-PVA1.2	1.2	-	-
	B-PVA0.6	-	0.6	-	-
	B-PVA1.2	-	1.2	-
	PAN0.6	-	-	0.6	-
	PAN1.2	-	-	1.2
2	P0-C0.4	-	-	-	0.4
	A-PVA1.2-C0.4	1.2	-	-	0.4
	B-PVA1.2-C0.4	-	1.2	-	0.4
	PAN1.2-C0.4	-	-	1.2	0.4

4. 混凝土拉伸试验的方法

直接拉伸试验需精密的测试仪器和精确的对中与夹头装置，可使试件产生较均匀的单向拉应力场，并保证裂缝的开展和失效均发生在此区域，故直接拉伸强度被认为能较准确反映混凝土的真实抗拉强度，因此本文中采用直接拉伸试验方法。混凝土材料轴拉特性受试件尺寸、纤维分布及方向等的影响，本试验采用哑铃式试件，其等截面尺寸为50 mm × 100 mm × 150 mm，每组配合比浇筑3个试件，共11组，详细尺寸如图2所示。在拉伸试件两端预埋直径为16 mm，埋深80 mm的细螺丝纹杆，使得在进行轴心拉伸试验连接加载装置时，螺纹连接方式比直接夹持式更为稳定、精准。

试验加载设备为E45.305型号的MTS电液伺服微机控制电子万能试验机，其最大试验力为300 kN；加载速度为0.2 mm/min的位移控制加载模式。试件表面布置四个混凝土应变片来测量试件脆性破坏前的线弹性变形；安装4个线性可变位移计(LVDT)以测量轴向变形，LVDT的标距为150 mm，应变片及LVDT采集的变形信号自动传送至MST微机控制系统。正式试验前，在材料弹性范围内进行预加载，微调试件或夹具使其偏心率不大于15%。

Figure 2. Axial tensile specimen size

图2. 轴拉试件尺寸

试件模具为自行设计并加工的钢制模具，两端为需预埋入试件的细螺纹杆，如图3所示。首先将集料依次放入强制式搅拌机中干拌3 min，搅拌均匀后加入80%的水和减水剂混合溶液继续搅拌5 min，待拌合物呈大面积片状时缓慢洒入纤维，使得纤维能较好地分散，待混凝土呈现较好的流态时停止搅拌。将混凝土搅拌均匀后装入模具，放置振动台振动1~2分钟，置于平整处。试件浇筑成型后在室内标准条件下静置养护2 d，然后脱模在自然养护条件养护25 d，开始试验，实验结果取3个试件的有效数据的平均值。

Figure 3. Drawing die

图3. 拉伸模具

5. 试验结果分析

5.1. 试件破坏形态

对于普通素混凝土曲线基本呈现出线性上升，随着拉应力的持续提高试件达到极限应变，在试件中部细微裂缝处突然断裂并伴随一声巨响，在断裂时试件断裂面在机器上产生微小滑动。骨料沿界面脱离粘结，断裂面层次不齐、高低不平，如图4所示。掺入纤维的混凝土拉伸试件与普通混凝土的断裂机制相同，即达到极限应变时在试件中部细微裂缝处突然断裂，不同点在于试件断裂时产生的声音较小，断裂后断面上部分粗粒径骨料被拉断，断裂面整齐、平滑。产生这种破坏现象的原因在于纤维的加入能有效发挥其纤维的桥接作用，使水泥胶与纤维之间具有更好的粘结能力[2]，如图5所示。

Figure 4. Plain concrete specimen and section

图4. 素混凝土试件及断面

Figure 5. PVA fiber specimen and section

图5. 聚乙烯醇纤维试件及断面

5.2. 应力–应变全曲线结果

通过混凝土拉伸试验测得不同纤维掺量、不同纤维种类、双掺纤维复合粉体增强混凝土的轴向拉伸应力–应变全曲线，编号分别如下，所示其中P₀代表素混凝土，其余各组均掺入纤维，如图7所示。

(a) P₀试件 (b) A-PVA0.6试件

(c) A-PVA1.2试件 (d) B-PVA0.6试件

(e) B-PVA1.2试件 (f) PAN0.6试件

(g) PAN1.2试件 (h) P₀-C0.4试件

(i) A-PVA1.2-C0.4试件 (j) B-PVA1.2-C0.4试件

(k) PAN1.2-C0.4试件

Figure 7. Completestress-straincurveindirecttension

图7. 直接拉伸应力–应变全曲线

应力应变全曲线分析：从图7中可知，曲线基本呈现出线弹性上升阶段，当达到峰值应力时基体产生单缝开裂破坏，混凝土试件破坏即失效；其原因主要在于混凝土主要发生脆性破坏，纤维的掺入增加了混凝土的韧性使其具有更高的应变能力，同时复合粉体的加入进一步提升了混凝土的极限应变。其中在掺入宝华林生产的聚乙烯醇(PVA) 1.2 kg/m³和掺入复合粉体0.4 kg/m³效果最佳，混凝土极限应变曲线在线性上升段后具有平缓的应变硬化阶段，即应力保持一定水平而应变不断提高。

Table 4. Ultimate stress test results

表4. 极限应力试验结果

试件编号	极限应力/MPa					平均值	变异系数	ft提高率 α/%
	1		2		3
P0	2.38	2.00		2.20		2.20	0.07	0.00
A-PVA0.6	4.04	3.71		3.91		3.89	0.03	76.82
A-PVA1.2	4.33	4.15		3.96		4.15	0.04	88.64
B-PVA0.6	4.52	4.01		3.93		4.15	0.06	88.64
B-PVA1.2	4.06	4.97		4.65		4.56	0.08	107.27
PAN0.6	3.27	4.35		**		3.81	0.14	73.18
PAN1.2	4.45	3.98		4.13		4.18	0.05	90.00
P0-C0.4	3.74	3.65		3.54		3.64	0.02	65.45
A-PVA1.2-C0.4	3.12	3.48		3.37		3.32	0.05	50.91
B-PVA1.2-C0.4	2.50	2.76		**		2.63	0.05	19.55
PAN1.2-C0.4	2.84	3.04		3.14		3.01	0.04	36.82

注：表格中加“**”处为试验过程中存在的错误数据进行舍去。

抗拉强度分析：从表4中可以看出，不同纤维掺量、不同纤维种类、双掺纤维复合粉体条件下抗拉强度均有不同程度的提高，随着纤维掺量的增加抗拉强度呈现出提高的趋势。在实验数据的变异性方面在掺入复合粉体的混凝土中变异系数普遍较低，其中普通素混凝土中掺入复合粉体的变异系数为0.02，表明掺入复合粉体的测试结果稳定性更好。

其中A-PVA、B-PVA的掺量从0.6 kg/m³提升到1.2 kg/m³时，纤维的抗拉强度均有所提高，其平均值分别提高了6.7%、9.9%；当聚乙烯醇的掺量为1.2 kg/m³时，混凝土的抗拉强度提高最为明显，抗拉强度相比于素混凝土提高了107.27%。在加入复合粉体后混凝土的抗拉强度提高率普遍下降。

Table 5. Ultimate strain test results

表5. 极限应变试验结果

试件编号	极限应变/με					平均值	变异系数	应变με提高率/%
	1		2		3
P0	51.92	81.99		61.34		65.07	0.19	0.00
A-PVA0.6	104.04	92.18		102.45		99.56	0.05	53.00
A-PVA1.2	119.60	115.94		128.24		121.26	0.04	86.35
B-PVA0.6	87.05	88.86		81.43		85.78	0.04	31.83
B-PVA1.2	96.11	90.06		122.13		102.77	0.14	57.93
PAN0.6	115.23	108.32		**		111.78	0.03	71.78
PAN1.2	103.79	100.94		95.26		100.00	0.04	53.67
P0-C0.4	92.42	107.55		101.04		100.34	0.06	54.20
A-PVA1.2-C0.4	67.20	69.88		102.94		80.01	0.20	22.95
B-PVA1.2-C0.4	176.69	169.00		**		172.85	0.02	165.63
PAN1.2-C0.4	118.30	114.03		116.08		116.14	0.02	78.48

注：表格中加“**”处为试验过程中存在的错误数据进行舍去。

极限应变分析：从表5中可以看出，当加入不同纤维掺量、不同纤维种类、双掺纤维复合粉体条件下极限应变整体呈现上升趋势，其中在掺入安徽皖徽生产的聚乙烯醇(PVA) 1.2 kg/m³且掺入复合粉体0.4 kg/m³上升幅度最低，极限应变上升值为22.95%；但在掺入宝华林生产的聚乙烯醇(PVA) 1.2 kg/m³和掺入复合粉体0.4 kg/m³的混凝土极限应变提高最显著，其极限应变提高了165.63%。安徽皖徽和宝华林的聚乙烯醇(PVA)掺量从0.6 kg/m³增加到1.2 kg/m³时极限应变分别提升了21.79%、19.81%。

综合分析，加入不同纤维掺量、不同纤维种类、双掺纤维复合粉体条件下对混凝土的抗拉强度具有明显的提高作用，其中由宝华林公司生产的聚乙烯醇(PVA)对混凝土的极限应力应变具有明显提高，表现为高应变高强度，证明其具有较好的增韧阻裂作用，能有效改善混凝土的抗裂性能。

6. 结语

本研究通过11组不同配合比的纤维及复合粉体增强混凝土轴心抗拉试验，系统探究了纤维掺量、纤维种类及双掺复合粉体对混凝土轴拉性能的影响规律，主要结论包括，1) 纤维的掺入可有效改善混凝土的脆性破坏特征，通过纤维与基体间的桥接作用，抑制裂纹产生与扩展，使混凝土断裂形态从素混凝土的“脆性断裂”转变为“韧性断裂”，断裂面更整齐，且断裂时无剧烈声响，显著提升了混凝土的抗裂能力与延展性。2) 混凝土抗拉强度与极限应变随纤维掺量增加呈上升趋势：相同纤维种类下，掺量从0.6 kg/m³提升至1.2 kg/m³时，安徽皖徽PVA、宝华林PVA混凝土的抗拉强度平均值分别提升6.7%、9.9%，极限应变分别提升21.79%、19.81%；对比纤维种类，宝华林PVA纤维的增强效果优于安徽皖徽PVA与PAN纤维，其1.2 kg/m³掺量组的抗拉强度提升率(107.27%)为所有单纤维组最高。3) 复合粉体与纤维的协同作用对混凝土极限应变提升效果显著：宝华林PVA 1.2 kg/m³ + 复合粉体0.4 kg/m³组的极限应变提升率达165.63%，且该组应力–应变曲线出现明显的应变硬化阶段，表现出“高应变–高强度”特性；同时，复合粉体的掺入降低了试验数据的离散性，提升了测试结果的稳定性，为工程应用中的性能一致性提供保障。本研究明确了纤维及复合粉体增强混凝土的最优配合比(宝华林PVA 1.2 kg/m³ + 复合粉体0.4 kg/m³)，填补了纤维与复合粉体协同增强混凝土抗拉性能的研究空白，为超高层建筑、大跨度桥梁等工程中混凝土材料的轻量化设计与钢筋用量优化提供了试验依据与技术支撑。后续研究可进一步拓展纤维与复合粉体的掺量范围，结合长期耐久性试验，完善该类增强混凝土的性能评价体系，推动其在更广泛工程场景中的应用。