新型粗聚烯烴纖維高性能混凝土彎曲韌性

鄧宗才， 劉國平， 杜超超， 施慧聰

（1.北京工業(yè)大學(xué)城市與重大工程安全減災(zāi)省部共建重點實驗室，北京100124；2.上海羅洋新材料科技有限公司，上海200120）

普通混凝土容易開裂，常發(fā)生脆性破壞.亂向分布于混凝土中的纖維對裂縫擴(kuò)展具有良好的抑制作用，可顯著改善混凝土裂后性能，提高混凝土韌性.纖維在拔出或拔斷的過程中吸收大量能量，有利于改善混凝土的抗震耗能能力.粗合成纖維具有分散性良好、阻裂增韌效果顯著，可有效改善硬化混凝土裂后行為的特點，能提高其抗疲勞、抗沖擊和抗震等性能[1－3]，克服了鋼纖維易結(jié)團(tuán)、對設(shè)備磨損大、易生銹等不足.

韌性是纖維混凝土的重要特性，韌性指標(biāo)已成為開發(fā)新品種纖維、甄選纖維品種、確定纖維摻量、設(shè)計纖維混凝土配合比、檢測和控制混凝土質(zhì)量的重要指標(biāo)[4].

本文采用圓板試件和梁試件，對兩種國產(chǎn)粗合成纖維增強混凝土的韌性進(jìn)行了試驗研究，測定了其荷載－撓度全曲線，分別按照美國ASTM C1550標(biāo)準(zhǔn)[5]、日本JSCE方法[6]和Nemkumar等[7]定義的韌性指標(biāo)計算方法，分析了粗纖維混凝土的彎曲韌性，比較了圓板試驗評價其韌性的優(yōu)點，探討了纖維摻量對粗纖維混凝土韌性的影響規(guī)律，并與鋼纖維混凝土韌性進(jìn)行了比較.

1 試驗概況

1.1 纖維材性

新型粗聚烯烴纖維（簡稱聚烯烴纖維），由上海羅洋新材料科技有限公司提供；中等彈模合成纖維為國產(chǎn)纖維；鋼纖維由上海貝卡爾特有限公司提供. 3種纖維的物理、力學(xué)指標(biāo)見表1.

表1 3種纖維的物理、力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical properties of fibers

1.2 混凝土配合比

基準(zhǔn)混凝土的設(shè)計強度為35MPa，水泥、水、砂及石的配合比為mc∶mw∶ms∶mg＝1.00∶0.37∶1.27∶2.37，其中mc＝486kg／m3.

1.3 試件制作及編號

圓板試件直徑800mm，厚度75mm，彎曲韌性梁試件的尺寸100mm×100mm×400mm.試件澆注24h后脫模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d，試驗前3h從養(yǎng)護(hù)室取出晾干.試件編號和纖維摻量列于表2，其中B0，BP和LP分別表示素混凝土圓板、聚烯烴纖維混凝土圓板和梁試件；LM和LS分別表示中等彈模合成纖維和鋼纖維混凝土梁試件；BP，LP，LM和LS后的數(shù)值為纖維長度，單位為mm；“－”后數(shù)值為纖維的質(zhì)量摻量，單位為kg／m3.

2 圓板三點彎曲試驗

2.1 圓板破壞過程

按照美國ASTM C1550對圓板試件進(jìn)行試驗，試驗裝置和儀器如圖1所示.試驗過程中，不摻纖維的薄板在達(dá)到最大彎曲荷載后瞬間斷裂，為脆性破壞.摻入粗聚烯烴纖維后，當(dāng)荷載達(dá)到一定值時，薄板表面通常出現(xiàn)3條裂縫（見圖2），隨著荷載逐漸增大，裂縫不斷擴(kuò)展，但彎曲承載力下降緩慢，裂縫截面的纖維逐漸從混凝土中拔出（見圖3），表現(xiàn)出良好的變形性能，呈延性破壞.試驗后，對圓板試件斷裂面上的纖維情況進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，長度為38mm的纖維混凝土試件中的纖維皆被拔出，而長度為48，60mm的纖維混凝土試件中的纖維則出現(xiàn)拔出和拔斷兩種現(xiàn)象，纖維被拔斷的平均比例分別為56%和76%.

表2 試件編號及纖維摻量Table 2 Specimen label and fiber content

圖1 圓板韌性試驗測試裝置Fig.1 Equipment of toughness experiment

圖2 纖維混凝土圓板試件破壞形態(tài)Fig.2 Failure mode of specimen for fiber reinforced concrete

圖3 長度為38，48，60mm的纖維破壞形式Fig.3 Failure mode of fiber with the length of 38，48，60mm

2.2 圓板的荷載－撓度全曲線

圖4為素混凝土和長度為38，48，60mm的3種聚烯烴纖維混凝土圓板試件的彎曲荷載－撓度（PS）全曲線.

圖4 BP38，BP48，BP60系列纖維混凝土圓板荷載－撓度全曲線Fig.4 Load－deflection curves of BP38，BP48，BP60

由圖4可見，粗聚烯烴纖維具有良好的橋聯(lián)和阻裂性能，隨著纖維摻量的增加，混凝土的荷載－撓度曲線也變得越來越平滑、飽滿.由圖4（b），（c）可看出，當(dāng)纖維長度≥48mm時，在荷載達(dá)到峰值荷載后，荷載出現(xiàn)下降現(xiàn)象，但下降趨勢隨著纖維摻量的增加變得越來越平緩，在峰值荷載之后出現(xiàn)了二次峰值，且隨著摻量的增加，此二次強化現(xiàn)象愈發(fā)明顯.原因主要是粗聚烯烴纖維橫跨裂縫，阻止了裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，引起了受拉區(qū)的應(yīng)力重分布，這也說明粗纖維在抗彎破壞過程中吸收能量的能力較強.同時發(fā)現(xiàn)，纖維摻量相同時，纖維長度為60mm的纖維混凝土荷載－撓度曲線要明顯優(yōu)于纖維長度為38，48mm的曲線.

2.3 美國ASTM C1550標(biāo)準(zhǔn)評價方法

根據(jù)美國ASTM C1550能量計算式（式（1））計算了各圓板能量吸收值w（見表3）.

由表3可見，聚烯烴纖維摻量和纖維長度的變化對纖維混凝土圓板試件的峰值荷載幾乎沒有影響，隨著纖維摻量和纖維長度的增加，試件吸收能量的能力有顯著提高.由此說明，粗聚烯烴纖維具有良好的阻止裂縫擴(kuò)展的能力，該纖維與混凝土間黏結(jié)性能良好，在纖維拔出的過程中，消耗了更多能量.由表3還可知，在撓度達(dá)到20mm時，各纖維混凝土圓板試件吸收的能量值約占總能量吸收值的66%～79%；聚烯烴纖維摻量9kg／m3，長度60mm的試件（BP60－9）在加載后期仍能承受較大荷載、吸收更多能量；在撓度為40mm處，當(dāng)纖維長度為38，48，60mm時，纖維摻量為6kg／m3的纖維混凝土圓板試件（BP38－6，BP48－6，BP60－6）的能量吸收值w40分別比纖維摻量為3kg／m3的試件（BP38－3，BP48－3，BP60－3）提高了66%，72%和96%.當(dāng)纖維長度為38，48，60mm時，纖維摻量為9kg／m3的纖維混凝土圓板試件（BP38－9，BP48－9，BP60－9）的能量吸收值w40比纖維摻量為6kg／m3的試件提高了62%，58%和52%.由此可知，纖維摻量增加，各種長度纖維的混凝土圓板試件其能量吸收值w40均有所增大.而當(dāng)纖維摻量從6kg／m3增加到9kg／m3時，纖維混凝土圓板的能量吸收值提升比例較纖維摻量從3kg／m3增加到6kg／m3時稍有下降.另外，隨著纖維長度的增加，聚烯烴纖維混凝土圓板的能量吸收值也在增大.當(dāng)纖維長度分別為38，48，60mm時，相比于素混凝土，在撓度為40mm處，纖維摻量為3kg／m3的纖維混凝土圓板試件能量吸收值w40分別提高了86%，274%和392%；纖維摻量為6kg／m3時試件的能量吸收值分別提高了212%，542%和864%；纖維摻量為9kg／m3時試件的能量吸收值分別提高了452%，699%和1 462%.由此可知，當(dāng)纖維摻量相同時，長度為60mm的聚烯烴纖維更有利于在混凝土彎曲破壞過程中發(fā)揮阻裂耗能作用.

表3 聚烯烴纖維混凝土圓板試件的能量吸收值Table 3 Energy absorption value for specimens with polyolefin fiber

3 梁試件的四點彎曲試驗

3.1 試驗方法與裝置

采用三分點加載方法對梁試件進(jìn)行韌性試驗，梁跨度300mm.試驗在萬能電子試驗機(jī)上進(jìn)行，恒位移控制加載，位移速率2min／mm，試驗裝置如圖5所示.

圖5 韌性試驗測試裝置Fig.5 Equipment of toughness experiment

3.2 梁試件的荷載－撓度全曲線

梁試驗測得各類纖維混凝土的荷載－撓度（P－S）全曲線如圖6所示.

圖6 纖維混凝土梁試件的荷載－撓度全曲線Fig.6 Load－deflection curves of fiber reinforced concrete beams

由圖6可看出，聚烯烴纖維混凝土梁試件變形性能良好、韌性高，屬于延性破壞.在抗彎試驗過程中，聚烯烴纖維混凝土梁試件開裂后，荷載略有下降，然后荷載繼續(xù)增大，曲線呈上升趨勢，當(dāng)達(dá)到峰值后，荷載開始下降，但荷載－撓度曲線總體下降趨勢較平緩.而鋼纖維、中等彈模纖維混凝土梁試件的荷載－撓度曲線在峰值荷載之后下降較陡，主要是因為聚烯烴纖維界面黏結(jié)性能優(yōu)于中等彈模纖維和鋼纖維，聚烯烴纖維阻止了微裂縫擴(kuò)展與貫通，使曲線下降段更加緩慢、飽滿.在跨中撓度達(dá)到1.2mm時，聚烯烴纖維混凝土梁試件仍能承受較高的荷載，而中等彈模纖維和鋼纖維混凝土梁在撓度達(dá)到0.8mm時已經(jīng)接近破壞，其可承受的荷載很小.

3.3 日本JSCE－SF4方法

JSCE－SF4方法將試件撓度為L／150（其中L為試件的跨度）時荷載－撓度曲線下的面積定義為韌性指標(biāo)（flexural toughness，F(xiàn)T），將加載到撓度為L／150時的平均強度值[6]定義為韌度因子ˉσ.表4為根據(jù)JSCE－SF4方法計算得到的纖維增強混凝土梁的韌性指標(biāo)和韌度因子.

表4 纖維增強混凝土梁韌性指標(biāo)和韌度因子Table 4 Flexural toughness and toughness factor of fiber reinforced concrete beams

由表4可以看出，纖維摻量為8，11kg／m3的聚烯烴纖維混凝土梁試件的韌性指標(biāo)FT和韌度因子ˉσ比纖維摻量為6kg／m3時分別提高了15%和44%.由此可見，當(dāng)纖維摻量增加時，聚烯烴纖維混凝土抗彎韌性提高；當(dāng)纖維摻量為6，8，11kg／m3時，聚烯烴纖維混凝土梁試件的韌性指標(biāo)FT比相同摻量的中等彈模纖維混凝土試件分別提高了101%，68%和76%，比纖維摻量為15.6kg／m3的鋼纖維增強混凝土梁試件提高了65%，90%和138%.由此可見，聚烯烴纖維混凝土梁試件的增韌效果非常明顯.主要原因是：一方面，在相同纖維摻量下聚烯烴纖維的數(shù)量多于中等彈模纖維和鋼纖維，在混凝土中分布較密；另一方面，聚烯烴纖維與混凝土之間的界面黏結(jié)性能優(yōu)于中等彈模纖維和鋼纖維[8].就試件破壞斷裂面處纖維被拔出、拔斷的數(shù)目而言，聚烯烴纖維被拔斷的數(shù)目要遠(yuǎn)低于中等彈模纖維.

3.4 Nemkumar韌性指標(biāo)方法

由于確定初裂撓度存在很大的人為誤差，可考慮以峰值荷載為界限的定義方法，把荷載－撓度曲線面積在峰值荷載處分為峰前（Tpre）和峰后（Tpwt，m）兩部分，以特定的撓度（L／m）為變量來考慮纖維混凝土在變形過程中的能量消耗.由此定義的韌性指標(biāo)既不必像ASTM方法那樣過度依賴初裂撓度，也不必像JSCE方法那樣只考慮L／150撓度時纖維混凝土的整體平均韌性，這就是Nemkumar等提出的纖維混凝土韌性分析方法.此韌性指標(biāo)計算方法示意圖如圖7所示.

圖7 韌性指標(biāo)計算方法示意圖Fig.7 Sketch map of calculation method for flexural toughness index

韌性指標(biāo)PCSm（post－crack strength）的定義為：

式中：Tpwt，m為峰值荷載后荷載－撓度曲線下的面積；L為梁的跨度（取300mm）；δ為峰值荷載對應(yīng)的撓度；b，h分別為梁截面的寬和高；L／m為梁的撓度，其中m為定值，如150，200，300等.

由表5可以看出，按照Nemkumar等定義的韌性指標(biāo)PCSm，對于聚烯烴纖維混凝土梁試件，當(dāng)撓度達(dá)到L／300（1mm），L／200（1.5mm）和L／150（2mm）時，與纖維摻量為6kg／m3時相比，纖維摻量為8kg／m3梁試件的韌性指標(biāo)PCSm分別提高了35%，46%和47%，纖維摻量為11kg／m3時分別提高了54%，55%和51%.即隨著纖維摻量的增加，纖維混凝土抗彎韌性得到了顯著提高，這和荷載－撓度曲線變化規(guī)律比較一致.

表5 Nemkumar定義的韌性指標(biāo)PCSm計算結(jié)果Table 5 Flexural toughness experimental results defined by Nemkumar

聚烯烴纖維混凝土韌性指標(biāo)高于中等彈模纖維，當(dāng)纖維摻量均為6kg／m3時，梁撓度為L／300（1mm），L／200（1.5mm）和L／150（2mm）的聚烯烴纖維混凝土梁韌性指標(biāo)PCSm分別比同摻量中等彈模纖維混凝土提高了132%，144%和165%；纖維摻量為8kg／m3時，分別提高了105%，89%和137%；纖維摻量為11kg／m3時，分別提高了73%，71%和113%.可見，在撓度較大時，聚烯烴纖維混凝土韌性指標(biāo)PCSm明顯高于中等彈模纖維混凝土，即聚烯烴纖維對混凝土裂后韌性性能的提升更明顯.總體上說，聚烯烴纖維對于改善混凝土抗彎韌性的能力要明顯優(yōu)于中等彈模纖維.6kg／m3聚烯烴纖維與15.6kg／m3鋼纖維混凝土梁相比，撓度為L／300（1mm），L／200（1.5mm）和L／150（2mm）時，前者比后者的韌性指標(biāo)PCSm分別提高了53%，107%和137%.聚烯烴纖維摻量8kg／m3和11kg／m3時，其韌性指標(biāo)比鋼纖維混凝土提高的幅度更大.

4 板、梁韌性評價方法比較

4.1 破壞形態(tài)

聚烯烴纖維混凝土梁試件的破壞主要集中在梁跨中的1條裂縫上，隨著荷載的增大，裂縫萌生、擴(kuò)展直至試件破壞.聚烯烴纖維混凝土圓板試件破壞時表面通常會出現(xiàn)3條主裂縫，這種破壞形態(tài)更有利于能量的吸收和消耗.聚烯烴纖維混凝土梁試件在撓度達(dá)到2mm時就接近破壞，而聚烯烴纖維混凝土圓板試件的撓度在20mm時仍能承受較大荷載，撓度可發(fā)展到50mm左右，所以圓板試件更適合于測定纖維混凝土的彎曲韌性，且圓板試件的破壞形態(tài)更接近于工程實際.

4.2 耗能指標(biāo)

聚烯烴纖維混凝土圓板試件破壞時，試件能量吸收值達(dá)到了620.6J，而聚烯烴纖維混凝土梁試件破壞時，能量吸收值為24.6J，即纖維混凝土圓板試件吸收的能量是梁試件的25倍，圓板試件破壞時吸收能量值遠(yuǎn)高于梁試件.

4.3 受力狀態(tài)

粗纖維一般適合用于混凝土薄板結(jié)構(gòu)，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，如工業(yè)地坪、樓板、隧道襯砌和污水池等大板結(jié)構(gòu)，而圓板試件更接近大板結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，所以用圓板試驗甄選纖維、確定其合理摻量和長度比較科學(xué).

5 結(jié)論

（1）隨著纖維摻量的增加，聚烯烴纖維混凝土圓板試件和梁試件的抗彎韌性均得到了不同程度的提高，荷載－撓度全曲線變得更加飽滿、平滑，且曲線的下降段也變得愈加平緩.

（2）聚烯烴纖維混凝土圓板試件的彎曲韌性、能量吸收值主要與纖維摻量和纖維長度有關(guān)，纖維摻量增加后，能量吸收值有所提高；增加纖維長度，有利于改善聚烯烴纖維混凝土裂后變形性能和耗能能力.

（3）采用日本JSCE－SF4和Nemkumar等定義的韌性指標(biāo)評價方法均得出，聚烯烴纖維改善混凝土抗彎韌性的能力要明顯優(yōu)于中等彈模纖維和鋼纖維的結(jié)論.

（4）從破壞形態(tài)、能量吸收值和受力狀態(tài)等方面看，圓板試件更適合評價粗纖維混凝土的彎曲韌性.

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