水工混凝土结构在实际运行中易发生裂缝从而影响混凝土耐久性，尤其是像水电站钢衬钢筋混凝土压力管道这一类型的结构，由于其构造设计须利用钢衬与钢筋的联合承载特性，实际工程中的管道混凝土往往为带缝工作状态，因此混凝土裂缝控制就成为结构耐久性保障的重要问题．已有研究表明：在混凝土中添加一定类型和数量的纤维材料，可以有效提升混凝土的力学性能，在抗裂性能、抗酸碱腐蚀、耐高温性、抗冻性等各个方面都优于普通混凝土，将有利于混凝土的裂缝控制[1-6]．纤维对混凝土的增益作用主要体现在：纤维桥接裂缝，限制裂缝的扩展，提高混凝土韧性[4,7-8]．可见：纤维混凝土的应用也为水电站压力管道、混凝土面板堆石坝等水工混凝土结构的裂缝控制提供了一种解决思路[9-11]．相对于掺入单一类型的纤维材料，在混凝土中掺入不同种类的纤维时，不同纤维的耦合效应使混杂纤维混凝土的限裂、增强、增韧性能往往要优于掺单一纤维的混凝土[12-15]．主要原因是通过不同类型纤维之间的混杂，不同力学性能和尺寸的纤维在不同受荷阶段和不同结构层次上对混凝土基体起到了增强、增韧作用，能使不同的材料之间产生性能互补，出现协同效应，即表现为正混杂效应[16-18]．研究者也发现：当在混凝土中添加纤维的比例过高时，纤维间容易出现相互缠绕、交叉重叠、结团等现象，将会增加混杂纤维混凝土的内部缺陷，导致材料性能劣化，从而表现为负混杂效应[19]．已有学者通过试验研究发现：适量的钢-聚丙烯混杂纤维可以提高混凝土的初裂强度[20]．钢纤维可以有效减小混凝土裂缝宽度值，减小混凝土裂缝间距[21-22]．掺入尼龙纤维会使混凝土的裂缝发展过程更复杂、裂缝形态更不规则[23]．钢-玄武岩混杂纤维的掺入可显著提高混凝土的抗压与抗拉强度，改善其抗裂性能，并能有效降低裂缝宽度，减缓氯离子等对混凝土的渗透，提高混凝土的耐久性能[24-27]．为探究钢-玄武岩混杂纤维混凝土在水工混凝土结构中应用的可行性及其对混凝土裂缝性态的影响规律与裂缝控制效果，本课题组设计了钢-玄武岩混杂纤维混凝土试件轴向拉伸试验，开展不同荷载级别作用下，不同钢-玄武岩混杂纤维体积掺量对混凝土裂缝形态、裂缝宽度及纤维混杂效应的影响研究．1 试验概况1.1　试件设计参照《纤维混凝土结构技术规程》及国内外工程实践经验[28-30]：钢纤维常用体积率一般在0.35%~1.5%，最大不宜超过2%；限制混凝土早期收缩裂缝的玄武岩纤维体积掺率一般为0.05%~0.2%．确定本次试验钢纤维采用0%，0.5%，1.0%和1.5%四种掺量，玄武岩纤维采用0%，0.05%，0.10%和0.15%四种掺量，共计浇筑16组试件，试件尺寸如图1所示．10.13245/j.hust.239282.F001图1受拉构件尺寸示意图(mm)轴拉试件编号及型号如表1所示，型号S05B15中：S05表示试件中钢纤维体积掺率为0.5%，B15表示玄武岩纤维体积掺率为0.15%．10.13245/j.hust.239282.T001表1轴拉试件参数试件编号试件型号试件编号试件型号A0S00B00A8S15B10A1S05B05A9S15B15A2S05B10A10S05B00A3S05B15A11S10B00A4S10B05A12S15B00A5S10B10A13S00B05A6S10B15A14S00B10A7S15B05A15S00B151.2　试验材料依据《纤维混凝土应用技术规程》和《普通混凝土配合比设计规程》，确定纤维混凝土配合比．由于水电站钢衬钢筋混凝土压力管道结构的混凝土强度等级以C25最为常用，因此本试验中确定C25为基体混凝土的强度等级．采用的材料为：华新P.O42.5水泥；普通河砂；粒径为5 mm~20 mm的碎石．混凝土配合比：水泥360 kg/m³，石子1 027 kg/m³，河砂775 kg/m³，水205 kg/m³．钢纤维选用重庆品合泰建材有限公司生产的剪切波纹型钢纤维，玄武岩纤维选用浙江海宁市海宁安捷复合材料有限公司生产的短切玄武岩纤维，其性能参数见表2．10.13245/j.hust.239282.T002表2纤维性能参数纤维名称直径/mm长度/mm类型密度/(g/m³)抗拉强度/MPa钢纤维0.50035剪切波纹型7 800.00500玄武岩纤维0.01525束状单丝2.654 000~4 800试验采用HRB4000钢筋，钢筋参数：直径为12，屈服强度为472.7 MPa，弹性模量为2.0 MPa．1.3　加载程序加载设备采用YE-W2000型压力试验机[31]，轴向拉伸试验机采用加载能力100 kN的WAW-2000电液伺服万能试验机．参照《混凝土结构试验方法标准》确定加载程序：试件开裂前每级加载值取开裂荷载的5%，试件开裂后每级加载值为钢筋屈服点对应荷载的10%，每个加载级别保持荷载10 min．为了降低加载时偏心问题对试验结果造成的不利影响，首先，通过提高试件模具尺寸的精度及规范试件成型操作来尽量确保试件尺寸的精度；其次，在试验过程中对试件进行预拉调整，通过控制预拉阶段的偏心率来降低偏心问题的影响．偏心率的计算公式为e=ε1-ε2ε1+ε2×100%，(1)式中ε1和ε2为试件两侧的应变值．在预拉阶段，测读试件表面的应变值，若e15%，则调整试件的装卡位置，直至预拉阶段e≤15%方可进行轴向拉伸试验；若通过调整试件装卡不能使试件的偏心率满足要求，则重新制作试件[32-33]．2 试验结果及分析2.1　钢-玄武岩混杂纤维对钢筋混凝土开裂形态的影响钢-玄武岩混杂纤维混凝土轴向拉伸试件裂缝的主要开展过程如下．a．随着荷载加载的不断进行，当试验机施加的荷载达到初裂荷载时，混凝土承受的拉力荷载达到峰值并迅速下降，试件表面开始产生横向微裂缝，大部分试件的第1条裂缝最早产生于试件某一个面的棱边上．随着荷载的加大，裂缝很快开始横向发展延伸，向试件的相邻两个面扩展，宽度也逐渐扩大．b．当荷载继续增大，试件开始出现第2条横向裂缝，且第2条裂缝出现时，第1条裂缝已经两面贯通甚至三面贯通；当第3条裂缝出现时，前两条裂缝均已三面贯通，试验中观测到第3条裂缝总是出现在第1条裂缝与第2条裂缝外侧，不存在出现在前两条裂缝内侧的情况，且裂缝到试件的端部距离均大于 10 cm．c．当钢筋应力接近 320 MPa 时，部分试件出现第4条裂缝，开始出现裂缝四面贯通的情况，并观测到：主裂缝宽度发展迅速，而其他次级裂缝发展缓慢．图2为所有轴向拉伸试件裂缝的整体形态的展开图．通过对比可以看出：钢-玄武岩混杂纤维的体积率对轴向拉伸试件最终产生的裂缝条数有一定影响．单掺钢纤维的试件的裂缝普遍为3条，当钢纤维掺量增长到1.5%时大部分试件出现4条裂缝，而在单掺玄武岩纤维的试件中，当玄武岩纤维掺量为0.05%时裂缝仅有2条，其余两种掺量为3条，可见两种纤维体积率的升高都会使裂缝条数有所增加，但混凝土的裂缝宽度值有所减小．10.13245/j.hust.239282.F002图2轴向拉伸试件裂缝的整体形态展开图试验还发现：混杂纤维掺量较低的试件，裂缝的走势较为平顺，裂缝多连通；而混杂纤维掺量较高的试件，裂缝形态有不连续、斜向发展的情况．在混凝土中乱向分布的纤维会影响裂缝的发展路径，使得裂缝形态愈发不规则．2.2　钢-玄武岩混杂纤维对钢筋混凝土初裂荷载的影响整理不同钢(玄武岩)纤维掺量(φg，φx)与试件初裂荷载(F)之间的关系，结果如图3所示，可以看出：单掺钢纤维和单掺玄武岩纤维时，随着单掺纤维掺量的增加，试件的初裂荷载值均逐渐增大．相对于普通混凝土试件，混杂纤维混凝土试件的初裂荷载明显增大，其中钢纤维对于混杂纤维混凝土试件初裂荷载的提升效果更为显著．随着钢纤维掺量的增加，混杂纤维钢筋混凝土试件的初裂荷载呈现明显的增大趋势．当钢纤维掺量较大时，随着玄武岩纤维掺量的增加，混杂纤维混凝土试件的初裂荷载反而降低．这里发生负混杂效应的主要原因也是因为钢纤维与玄武岩纤维的掺量过高时发生了更严重的纤维结团现象，影响了试件材料的均匀性，从而导致了试件的初裂荷载值在较高的混杂纤维掺量情况下反而相对降低．10.13245/j.hust.239282.F003图3纤维掺量与试件初裂荷载的关系2.3　钢-玄武岩混杂纤维对钢筋混凝土平均裂缝间距的影响在试件的各个面上选取3个位置分别测量裂缝间距，计算裂缝间距测量值的平均值即为平均裂缝间距．不同纤维掺量下钢-玄武岩混杂纤维混凝土试件的平均裂缝间距(d)如图4所示．10.13245/j.hust.239282.F004图4不同纤维掺量下钢-玄武岩混杂纤维混凝土试件的平均裂缝间距从图4可以看出：当钢纤维掺量达到1.5%时玄武岩纤维对混凝土平均裂缝间距的影响与单掺玄武岩纤维对混凝土平均裂缝间距的影响规律相似．而钢纤维掺量为0.5%到0.1%时，钢纤维和玄武岩纤维掺量的变化对混凝土平均裂缝间距的影响并不显著．综合看来，钢纤维和玄武岩纤维的掺入对试件的裂缝间距没有明显的影响．2.4　钢-玄武岩混杂纤维对钢筋混凝土裂缝宽度的影响根据试验过程中测得不同纤维掺量下的裂缝宽度值可知：试件发生裂缝之后，随着钢筋应力的增大，裂缝宽度逐渐变大．根据试验过程中不同钢筋应力水平下的试验结果，整理出钢纤维和玄武岩纤维掺量与试件裂缝宽度(L)之间的关系，如图5所示．10.13245/j.hust.239282.F005图5纤维和玄武岩纤维掺量与试件裂缝宽度之间的关系可以看出：单掺钢纤维可以显著减少相应钢筋应力水平下的裂缝宽度，且钢纤维的掺量越高，单掺钢纤维混凝土试件的裂缝宽度越小；单掺玄武岩纤维也能减小试件的裂缝宽度，但对裂缝宽度的减小幅度要低于单掺钢纤维的试件．分析混掺钢纤维与玄武岩纤维的试验结果可以发现：钢-玄武岩混杂纤维的掺入对于降低试件的裂缝宽度具有显著的效果，在同一级钢筋应力情况下，钢-玄武岩混杂纤维混凝土试件的裂缝宽度值相对于普通混凝土试件明显减小．从图5还可以看出：并非钢纤维和玄武岩纤维的掺量越高，混杂纤维混凝土试件的裂缝宽度值就越小．当钢纤维掺量低于1.5%时，随着玄武岩纤维掺量的增大，混杂纤维混凝土试件的裂缝宽度先减小后增大；当钢纤维掺量为1.5%时，裂缝宽度值随着玄武岩纤维掺量的增加反而增大．可见：钢纤维和玄武岩纤维的掺入，有利于降低钢-玄武岩混杂纤维混凝土试件的裂缝宽度，但当钢纤维和玄武岩纤维的掺量过高时，更严重的纤维结团现象导致负混杂效应的发生，从而表现为混杂纤维对裂缝宽度控制效果的反弹．2.5　钢-玄武岩混杂纤维混杂效应分析参照文献[34]关于纤维混杂增强效应系数的定义及计算公式，分别计算得到钢-玄武岩混杂纤维混凝土初裂荷载、裂缝宽度的混杂增强效应系数R=S-(S1φ1+S2φ2+⋯)S1φ1+S2φ2+S3φ3+⋯；(2)φ1+φ2+⋯=1；(3)φi=Vi/V   (i=1,2,⋯)，(4)式中：R为混杂增强效应系数，R≥0时为正混杂效应，R0 时为负混杂效应；S为混杂纤维混凝土的性能指标；Si为单掺i纤维混凝土的性能指标；V为混杂纤维的总体积；Vi为单掺i纤维的体积；φi为混杂纤维中i纤维掺量[17,34]．R的计算结果见表3．10.13245/j.hust.239282.T003表3混杂增强效应系数编号R初裂荷载裂缝宽度A10.0240.062A20.1230.097A30.0600.068A4-0.0200.054A50.0480.104A6-0.064-0.002A7-0.040-0.075A8-0.088-0.097A9-0.001-0.244混杂增强效应系数计算结果为正时，表明混杂纤维起到“1+1≥2”的正混杂效应．混杂效应增强系数越大，纤维之间协同增强效果越好．从初裂荷载和裂缝宽度的混杂增强效应系数的计算结果来看：当钢纤维掺量低于1%时，混杂增强效应系数均为正数，表现为正混杂效应；钢纤维掺量低于1.5%时，随着玄武岩纤维掺量的增加，混杂效应增强系数呈现先增大后减小变化规律．当钢纤维掺量为1.5%时，混杂效应增强系数均为负数，表现为负混杂效应．3 结语a．钢-玄武岩混杂纤维掺入能明显改变混凝土的裂缝形态，一定程度延缓裂缝的贯通．相较于普通混凝土试件，在相同荷载条件下钢-玄武岩混杂纤维混凝土试件的裂缝呈现不连续、斜向发展、裂缝条数增多、裂缝宽度减小等特性．b．单掺钢纤维和单掺玄武岩纤维时，随着单掺纤维掺量的增加，试件的初裂荷载值均逐渐增大．钢纤维与玄武岩纤维混掺时，相较于普通混凝土试件，混杂纤维混凝土试件的初裂荷载明显增大，其中钢纤维对于混杂纤维混凝土试件初裂荷载的提升效果更为显著．c．钢-玄武岩混杂纤维的掺入对于试件的裂缝宽度具有明显的限制效果，但并非钢纤维和玄武岩纤维的掺量越高，混杂纤维混凝土试件的裂缝宽度值就越小．纤维掺量过高更容易出现纤维结团现象，发生负混杂效应，从而导致钢-玄武岩混杂纤维对裂缝宽度控制效果的反弹．d．当掺量较低时，钢纤维与玄武岩纤维混杂对于提升试件的初裂荷载及降低裂缝宽度均发生了较明显的互补增强作用，呈现出正混杂效应；而当混杂纤维掺量较高时，纤维混杂增强效应系数为负值，表现出负混杂效应．