混合纖維增強(qiáng)全輕混凝土彎曲韌性試驗(yàn)研究

張曉燕，李長(zhǎng)永，袁 浩，潘麗云

（華北水利水電學(xué)院河南省水工結(jié)構(gòu)與材料工程重點(diǎn)學(xué)科開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450011）

結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、抗震、抗裂和耐久性能好等優(yōu)點(diǎn)，由于影響輕骨料混凝土力學(xué)性能的因素較多，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土密度等級(jí)的合理范圍較大[1]。本文在前期開(kāi)展的全輕混凝土和鋼纖維增強(qiáng)全輕混凝土基本力學(xué)性能及混合纖維增強(qiáng)全輕混凝土早齡期抗裂性能研究的基礎(chǔ)上[2-5]，針對(duì)纖維增強(qiáng)全輕混凝土在橋面鋪裝層、堆石壩面板和其他較大彎曲變形結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，重點(diǎn)研究鋼纖維和聚丙烯纖維混合對(duì)全輕混凝土彎曲韌性的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料及配合比

試驗(yàn)采用的強(qiáng)度等級(jí)42.5的普通硅酸鹽水泥、輕砂和膨脹頁(yè)巖陶粒等材料性能見(jiàn)表1～表3，拌和采用自來(lái)水，添加UNF-5型高效減水劑。鋼纖維為帶端頭平直剪切型，矩形斷面等效直徑為0.6 mm，平均長(zhǎng)度為30 mm。聚丙烯纖維為束狀單絲型，長(zhǎng)19 mm，密度0.91g/cm3，抗拉強(qiáng)度不低于300 MPa，彈性模量為3793 MPa。

根據(jù)前期的力學(xué)性能研究結(jié)果，本試驗(yàn)按照全輕混凝土強(qiáng)度等級(jí)為L(zhǎng)C35和輕骨料密度800級(jí)確定配合比[1]，如表4所示，高效減水劑按水泥質(zhì)量的0.75%摻加。聚丙烯纖維摻量分別為0.6、0.9、1.2kg/m3，鋼纖維體積率分別為0、0.5%、1.0%和1.5%。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 輕砂的物理性能

表3 膨脹頁(yè)巖陶粒的物理力學(xué)性能

表4 混凝土試驗(yàn)配合比

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)CECS13:2009的規(guī)定執(zhí)行[6]。梁式試件的尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，每組3個(gè)，共18個(gè)。試驗(yàn)在試件成型并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行。加載采用200 kN伺服式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試件撓度采用電測(cè)位移計(jì)測(cè)試裝置配合計(jì)算機(jī)全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)同時(shí)記錄荷載與撓度值并繪制曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

彎曲韌性是評(píng)價(jià)混凝土彎曲性能的重要參數(shù)，它是指纖維混凝土開(kāi)裂后能繼續(xù)保持承受較大荷載的能力。根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)CECS13∶2009對(duì)混合纖維增強(qiáng)全輕混凝土的彎曲韌性進(jìn)行評(píng)價(jià)，由試驗(yàn)獲得的梁式試件荷載-撓度曲線，可確定和計(jì)算出試件的彎曲初裂強(qiáng)度、彎曲韌性指數(shù)、等效彎曲強(qiáng)度和彎曲韌性比，見(jiàn)表5；典型的試件荷載-撓度實(shí)測(cè)曲線見(jiàn)圖1。

2.2 結(jié)果分析

（1）混合纖維增強(qiáng)全輕混凝土的彎曲初裂強(qiáng)度隨著鋼纖維體積率的增加而線性提高，隨著聚丙烯纖維摻量的增加無(wú)明顯變化。鋼纖維體積率每增加0.5%，混合纖維增強(qiáng)全輕混凝土的彎曲初裂強(qiáng)度將提高約10%；聚丙烯纖維摻量從0.6 kg/m3每增加0.3 kg/m3，混合纖維增強(qiáng)全輕混凝土的彎曲初裂強(qiáng)度的變化幅度約為±5%。這與混合纖維增強(qiáng)普通混凝土試驗(yàn)結(jié)果一致，這是因?yàn)殇摾w維、混凝土、聚丙烯纖維的彈性模量不在一個(gè)數(shù)量級(jí)別，因此在全輕混凝土承受荷載開(kāi)裂時(shí)，鋼纖維對(duì)全輕混凝土具有明顯的約束和橋架作用，而聚丙烯纖維則很難起到這種協(xié)同承載的有利作用。

表5 主要試驗(yàn)結(jié)果

圖1 混合纖維全輕混凝土的荷載-撓度曲線

（2）混合纖維增強(qiáng)全輕混凝土的等效彎曲強(qiáng)度和彎曲韌性比均隨著鋼纖維體積率的增加而顯著提高，隨著聚丙烯纖維摻量的增加也有明顯的改善。鋼纖維體積率為0.5%、1.0%和1.5%時(shí)，混合纖維增強(qiáng)全輕混凝土的等效彎曲強(qiáng)度依次提高了56%、102%和196%，彎曲韌性比依次提高了40%、76%和128%；聚丙烯纖維摻量從0.6 kg/m3增加到0.9 kg/m3和1.2 kg/m3時(shí)，混合纖維增強(qiáng)全輕混凝土的等效彎曲強(qiáng)度分別提高了14%和36%，彎曲韌性比分別提高了13%和36%。說(shuō)明鋼纖維和聚丙烯纖維在試件變形較大 （對(duì)應(yīng)于跨度的1/150）的情況下，發(fā)揮了協(xié)同承載作用。鋼纖維跨越表面宏觀裂縫，起到了向裂縫兩側(cè)混凝土傳遞和分散應(yīng)力的橋架作用，可以限制裂縫的進(jìn)一步開(kāi)展；聚丙烯纖維分散于細(xì)顆粒骨料和砂漿體中，起到了降低混凝土基體內(nèi)部收縮裂縫[7]，提高基體密實(shí)度和消弱裂縫端部應(yīng)力集中的作用，從而提高了基體與鋼纖維之間的粘結(jié)能力，進(jìn)一步發(fā)揮了鋼纖維的增強(qiáng)增韌效應(yīng)；同時(shí)聚丙烯纖維的高拉伸性能得到利用，使試件的荷載-撓度曲線更為豐滿 （圖2），增加荷載-撓度曲線下包圍的面積，即結(jié)構(gòu)變形耗能能力。單純從彎曲韌性比來(lái)看，偏保守的估算，摻量0.5 kg/m3的聚丙烯纖維相當(dāng)于體積率0.5%的鋼纖維，這對(duì)于在保證同樣彎曲韌性比前提下降低混凝土自重具有重要價(jià)值。

（3）混合纖維增強(qiáng)全輕混凝土的彎曲韌性指數(shù)隨著鋼纖維體積率的增大而增大，特別是在較大變形情況下 （對(duì)應(yīng)于I10和I20）更為明顯；聚丙烯纖維的改善作用不明顯甚至在大變形情況下出現(xiàn)反復(fù)。這一影響規(guī)律進(jìn)一步說(shuō)明鋼纖維對(duì)混凝土的彎曲韌性具有決定性的提高效果[8]。但需要注意到，由于彎曲韌性比和彎曲韌性指數(shù)對(duì)應(yīng)的試件撓度有別，前者比后者的I20對(duì)應(yīng)的撓度值都大得多，因此聚丙烯纖維的大變形能力在彎曲韌性指數(shù)中沒(méi)有得到充分的反映。盡管如此，還是能看出聚丙烯纖維的有利作用，聚丙烯纖維摻量從0.6 kg/m3增加到1.2 kg/m3時(shí)，混合纖維增強(qiáng)全輕混凝土的彎曲韌性指數(shù)I5、I10和I20分別提高了6.9%、8.8%和2.5%。從彎曲韌性指數(shù)的定義來(lái)看[6]，理想彈塑性材料的I5、I10和I20依次為5、10和20。因此，本試驗(yàn)混合纖維增強(qiáng)全輕混凝土具有優(yōu)良的彎曲韌性。

3 結(jié) 論

通過(guò)試驗(yàn)研究了混合纖維增強(qiáng)全輕混凝土的彎曲韌性性能，結(jié)果表明:混合纖維增強(qiáng)全輕混凝土的各項(xiàng)彎曲韌性參數(shù)均隨著鋼纖維體積率的增大而提高，鋼纖維是明顯提高全輕混凝土彎曲韌性的決定性因素；聚丙烯纖維可以協(xié)同鋼纖維提高全輕混凝土的彎曲韌性，在試件撓度較大的情況下作用更為明顯?？梢愿鶕?jù)結(jié)構(gòu)對(duì)混合纖維增強(qiáng)全輕混凝土彎曲韌性的不同要求，選取不同的指標(biāo)進(jìn)行韌性評(píng)價(jià)，以合理利用鋼纖維和聚丙烯纖維對(duì)全輕混凝土的增韌效果。

［1］JGJ 51—2002 輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］李長(zhǎng)永，錢(qián)曉軍，趙順波.全輕混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.混凝土， 2010（5）:79-82.

［3］李長(zhǎng)永，陳淮，趙順波.鋼纖維全輕混凝土抗凍性能研究［J］.混凝土， 2011（11）:98-99， 102.

［4］潘麗云，袁浩，趙順波.Experimental study on mechanical properties of hybrid fiber reinforced full lightweight aggregate concrete［J］.Advanced Materials Research,2011（197-198）:911-914.

［5］潘麗云，袁浩，趙順波.混合纖維增強(qiáng)全輕混凝土早齡期抗裂性試驗(yàn)研究［J］.水力發(fā)電， 2011， 37（9）:95-97.

［6］CECS13∶2009 纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［7］馬一平，仇建剛，王培銘，等.聚丙烯纖維對(duì)砂漿塑性收縮行為的影響［J］.建筑材料學(xué)報(bào)， 2005， 8（5）:499-507.

［8］趙順波，孫曉燕，李長(zhǎng)永，等.高強(qiáng)鋼纖維混凝土彎曲韌性試驗(yàn)研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)， 2003， 6（1）:95-99.