混雜合成纖維道路混凝土韌性特征與機(jī)理分析

王　帥，武書華，何　銳，盛燕萍

(長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 西安　710061)

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混雜合成纖維道路混凝土韌性特征與機(jī)理分析

王帥，武書華，何銳，盛燕萍

(長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 西安710061)

根據(jù)水泥混凝土路面的實(shí)際受力條件，采用彎曲韌性和沖擊韌性兩個(gè)指標(biāo)對(duì)所制備的聚乙烯纖維/聚丙烯粗合成纖維混雜增強(qiáng)混凝土的韌性特征進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，并結(jié)合SEM微結(jié)構(gòu)分析結(jié)果對(duì)其增韌機(jī)理進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，所制備的4組混雜纖維混凝土的彎曲韌性指標(biāo)均超過理想彈塑性材料的標(biāo)準(zhǔn)，并且在初裂產(chǎn)生后仍具有較高的強(qiáng)度保持能力，試件的裂縫曲折且細(xì)微，有效擴(kuò)散了裂縫尖端的應(yīng)力集中；混雜纖維混凝土試塊的抗沖擊韌性大幅提升，吸收的沖擊能約是普通混凝土試塊的15倍；采用聚乙烯/聚丙烯粗合成纖維可以在幾何形狀尺寸與力學(xué)性能上形成具有一定級(jí)配結(jié)構(gòu)的纖維增強(qiáng)材，產(chǎn)生正混雜效應(yīng)。

纖維混凝土； 彎曲韌性； 沖擊韌性； 微結(jié)構(gòu)； 增韌機(jī)理

1　引　言

水泥混凝土的致命弱點(diǎn)為抗拉強(qiáng)度低、脆性大和韌性差等，從而易引發(fā)混凝土路面早期開裂、斷板和錯(cuò)臺(tái)等現(xiàn)象，嚴(yán)重降低了其服役性能和使用壽命。尤其是隨著大型貨運(yùn)和超載超限車輛比重不斷增加，其病害現(xiàn)象更為嚴(yán)重。目前國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為提高混凝土抗裂性能和韌性的有效措施是采用纖維增強(qiáng)的方式。然而人們多是將注意力集中在單一纖維對(duì)混凝土增強(qiáng)效果的研究上[1,2]。根據(jù)混凝土復(fù)雜的結(jié)構(gòu)層次特點(diǎn)[3,4]，通過不同纖維的設(shè)計(jì)與組合以產(chǎn)生正混雜效應(yīng)，利用“一加一大于二”的效應(yīng)，使研制出的新型高性能纖維混凝土材料不僅性能優(yōu)異而且具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。基于此思想，當(dāng)前研究人員先后制備了鋼/聚丙烯纖維、聚丙烯/碳纖維或碳/碳纖維等多種混雜纖維混凝土，并對(duì)其抗壓和抗彎拉性能進(jìn)行了測(cè)試與評(píng)價(jià)，但是對(duì)于其韌性特征的研究仍較少[5,6]。

韌性是描述纖維混凝土發(fā)生塑性變形直至斷裂全過程能量吸收能力的基本參數(shù)[1]。其中，彎曲韌性主要用來反映材料抵抗靜力荷載破壞的能力，而沖擊韌性可以更好的模擬材料抵抗動(dòng)態(tài)荷載的疲勞與沖擊作用。因此，采用彎曲韌性和沖擊韌性兩個(gè)指標(biāo)可以全面表征混凝土路面抵抗開裂損傷的能力。綜上，本文采用高彈模聚乙烯(PE)纖維和低彈模聚丙烯粗合成纖維(CPP)混雜增強(qiáng)制備出性能優(yōu)異的混雜纖維混凝土，并針對(duì)混凝土路面的實(shí)際受力特征，采用彎曲韌性和沖擊韌性兩個(gè)指標(biāo)對(duì)其韌性特征進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)結(jié)合微結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果分析了其增韌機(jī)理。

2　試　驗(yàn)

本文在參考前期研究基礎(chǔ)上通過優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行混雜纖維的選用和設(shè)計(jì)[7-9]，具體包括高彈模聚乙烯(PE)纖維和聚丙烯粗合成纖維(CPP)，其主要性能指標(biāo)如表1所示。其它原材料包括：42.5普通硅酸鹽水泥(C)；I級(jí)粉煤灰(F)；SF93硅灰(SF)；粒徑為4.75～16mm的石灰?guī)r碎石(A)粗集料；潔凈天然河砂細(xì)集料(S)，細(xì)度模數(shù)為2.48；聚羧酸高性能減水劑(SP)，固含量20%，減水率30%；飲用自來水(W)拌合。通過對(duì)比分析后確定所采用配比如表2所示。表2中除了PE和CPP為總體積摻量(%)外，其它材料用量均為與膠凝材料的質(zhì)量之比?；炷翑嚢杈鶆蚝蠓謩e澆筑彎曲韌性和沖擊韌性測(cè)試試件。

表1　增強(qiáng)纖維的性能指標(biāo)

表2　混凝土試驗(yàn)配合比

參照ASTMC1018彎曲試驗(yàn)方法進(jìn)行混雜纖維混凝土梁彎曲韌性試驗(yàn)[10]，試件為400mm×100mm×100mm的小梁試件，采用三分點(diǎn)加載方式，在跨中安裝數(shù)顯千分表，同時(shí)記錄荷載與跨中撓度，測(cè)試裝置如圖1所示。每組測(cè)試3個(gè)試件。根據(jù)測(cè)試荷載-撓度曲線結(jié)果，取開裂變形δ對(duì)應(yīng)的曲線下面積為基準(zhǔn)值，分別取3δ、5.5δ和10.5δ時(shí)的變形曲線下的面積與基準(zhǔn)值的比值作為彎曲韌性指標(biāo)，并依次記為I5、I10和I20。為了表征材料在初裂荷載以后的強(qiáng)度保持能力，根據(jù)彎曲韌性指標(biāo)結(jié)果計(jì)算其殘余強(qiáng)度指標(biāo)R5,10和R10,20，對(duì)于理想彈塑性材料來說殘余強(qiáng)度指標(biāo)為100。

目前國際上常用的混凝土抗沖擊性能測(cè)試方法主要有爆炸試驗(yàn)、射彈試驗(yàn)和落錘沖擊試驗(yàn)等，其中落錘沖擊試驗(yàn)由于原理簡(jiǎn)單，操作方便等優(yōu)點(diǎn)而受到ACI544委員會(huì)的推薦[11]。因此，本文基于ACI544委員會(huì)推薦的測(cè)試原理進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一種便攜式落錘沖擊試驗(yàn)裝置(如圖2所示)，其中落錘質(zhì)量為4.5kg，預(yù)設(shè)下落高度為457mm。試件為直徑150mm、厚60mm的圓餅形試件，每組配比制備6個(gè)試件。觀察每次沖擊完成后試件的表面裂縫，記試件出現(xiàn)第一條裂縫時(shí)的沖擊次數(shù)為初裂沖擊次數(shù)Nc，記試件破壞且與底座上任意3塊擋板接觸時(shí)的沖擊次數(shù)為破壞沖擊次數(shù)Nu。試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)式(1)計(jì)算試件在變形與開裂過程中所吸收的沖擊能W。初裂產(chǎn)生以后，橫跨裂縫兩端的纖維將沖擊波分散傳遞，并在界面處產(chǎn)生相對(duì)滑移以引起能量損耗。同時(shí)，纖維在承受沖擊荷載時(shí)通過自身的延性和阻尼作用，可以產(chǎn)生類似于彈簧的緩沖作用以加快沖擊波的衰減速度，提高纖維混凝土的沖擊抗力。初裂產(chǎn)生后的裂縫擴(kuò)展速度隨纖維混凝土韌性的提高而減慢，其承受沖擊作用的次數(shù)也隨之增大。

所以，纖維對(duì)混凝土沖擊韌性的改善主要體現(xiàn)在初裂產(chǎn)生以后，僅僅依靠沖擊能W很難準(zhǔn)確評(píng)判纖維混凝土的沖擊韌性特征。因此，現(xiàn)建立混雜纖維混凝土沖擊韌性指標(biāo)Tc如式(2)所示。

W=Nmgh

(1)

TC=(NC-Nu)mgh

(2)

式中，N-沖擊次數(shù)；m-鋼錘質(zhì)量，取4.5kg；g-重力加速度，取9.8m/s2；h-沖擊錘下落高度，取457mm。

圖1　彎曲試驗(yàn)測(cè)試裝置Fig.1　Bending test apparatus

圖2　便攜式混凝土落錘沖擊測(cè)試裝置Fig.2　Portable concrete drop hammer impact test device

3　結(jié)果與討論

3.1彎曲韌性特征

各組試件的彎曲性能測(cè)試結(jié)果如表3所示，表中ffc為開裂強(qiáng)度、ffu為極限彎拉強(qiáng)度、δfu為極限撓度?？梢钥闯?，普通混凝土在初裂發(fā)生時(shí)即達(dá)到其承受極限，承載能力迅速破壞；而混雜纖維混凝土在初裂發(fā)生以后強(qiáng)度仍有很大的發(fā)展空間，承載力得到大幅提高。雖然纖維的加入使得混凝土的初裂強(qiáng)度有所降低，但是其極限強(qiáng)度大大提升，并且隨著外部荷載的增大跨中撓度持續(xù)增長(zhǎng)，混雜纖維混凝土的極限跨中撓度是N的13～16倍，具有明顯的韌性特征。

表3　混凝土彎曲性能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)ASTMC1018的規(guī)定，I5、I10、I20分別為5、10和20時(shí)，對(duì)應(yīng)的材料為理想彈塑性材料，對(duì)應(yīng)的殘余強(qiáng)度指標(biāo)為100。且彎曲韌性指數(shù)與參與強(qiáng)度指標(biāo)越大，表示材料韌性越優(yōu)異。由于N組材料的破壞迅速，所以無法測(cè)出其韌性指數(shù)與殘余強(qiáng)度指標(biāo)。而4組混雜纖維混凝土材料均超過理想彈塑性材料標(biāo)準(zhǔn)，且在初裂產(chǎn)生后仍具有較強(qiáng)的強(qiáng)度保持能力，說明其具有較好的彎曲韌性。因此如果將此4種材料用于水泥路面中，可大幅提高結(jié)構(gòu)的抗裂性能。綜合韌性指數(shù)與殘余強(qiáng)度指標(biāo)來看，P-2和P-4兩組材料要優(yōu)于另外兩組。

加載結(jié)束后從試件底部的開裂裂縫形態(tài)(圖3)可以看出，N試件的破壞模式是一條平直的裂縫貫穿整個(gè)試件，開口兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)微細(xì)裂縫，說明試件受力后迅速破壞，耗散能量較小。而其余四組混雜纖維試件的破壞模式均較曲折，且可明顯觀察到大量的斜向微細(xì)裂縫分布在開口附近，說明試件在加載過程中主裂縫擴(kuò)展緩慢，并是由兩條或多條裂縫匯集而成，耗散的能量更大。因此混雜纖維的加入使得在破壞前裂縫尖端的應(yīng)力集中得到有效的擴(kuò)散，裂縫擴(kuò)展路徑延長(zhǎng)，韌性明顯提高。

圖3　彎曲測(cè)試開裂模式圖(a)N;(b)P-1;(c)P-2;(d)P-3;(e)P-4Fig.3　Bending test cracking images diagram

3.2沖擊韌性特征

表4所示為沖擊性能測(cè)試結(jié)果。從表中可以看出，普通混凝土試塊經(jīng)歷很少的沖擊次數(shù)后即開裂，并且Nu與Nc的差值很小，說明其為脆性破壞?；祀s纖維混凝土試塊的承受沖擊次數(shù)快速增大，吸收的沖擊能相對(duì)于普通混凝土試塊提升約14倍。初裂產(chǎn)生前沖擊能主要被水泥基體和粗集料吸收；當(dāng)初裂產(chǎn)生后PE纖維加速了沖擊波的耗散，約束了微細(xì)裂縫的擴(kuò)展，而隨著裂縫擴(kuò)展寬度的增大CPP纖維的橋聯(lián)作用開始顯現(xiàn)，因此其Nu和W值大幅提高。在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，普通混凝土試塊在初裂后，裂縫向邊緣迅速擴(kuò)展，發(fā)生貫通破壞使試件斷裂，如圖4a所示。而混雜纖維混凝土試塊在初裂后仍能繼續(xù)承受沖擊荷載，隨著沖擊荷載的繼續(xù)，其變形逐漸變大，沖擊點(diǎn)逐漸出現(xiàn)碎屑，裂縫由試件中心逐漸向四周輻射發(fā)展，并且在開裂處可見有大量PE和CPP纖維橋聯(lián)在裂縫兩端，其典型的破壞模式如圖4b所示。此外，沖擊試驗(yàn)結(jié)束后，普通混凝土試塊表面的沖擊點(diǎn)處留下約2mm深的淺坑，而混雜纖維混凝土試塊則留下約20～30mm深的凹坑。

表4　混凝土沖擊性能測(cè)試結(jié)果

圖4　沖擊試驗(yàn)破壞形態(tài)(a)N;(b) P-2Fig.4　Impact test failure mode

根據(jù)前文分析可知，纖維對(duì)沖擊波的耗散作用主要是初裂產(chǎn)生以后才開始顯現(xiàn)的，因此在沖擊能指標(biāo)W中纖維的增韌作用被弱化，并且對(duì)于硬化后的水泥混凝土路面來講，其在服役過程中都是處于帶裂縫的工作狀態(tài)，所以采用沖擊韌性指標(biāo)Tc能夠較好的反應(yīng)其抵抗外部車輛荷載沖擊的能力。從沖擊韌性指標(biāo)Tc來看，配比P-2的沖擊韌性最好，其次為P-4，與彎曲韌性表現(xiàn)為相同的趨勢(shì)。

3.3增韌機(jī)理分析

纖維主要通過阻止裂縫擴(kuò)展、增加混凝土基體的強(qiáng)度和斷裂能來實(shí)現(xiàn)混凝土的增韌[12]。從幾何形狀及尺寸上來看，本文所采用纖維的外形分別為平直形和波浪形，長(zhǎng)度分別為12mm和28mm，直徑分別為25μm和800μm；從力學(xué)性能上來看，本文所采用纖維的外形分別為2900MPa和530MPa，彈性模量分別為110GPa和7GPa。因此，這種基于幾何形狀尺寸以及力學(xué)性能的多層次結(jié)構(gòu)與混凝土材料多相、多層次的復(fù)合結(jié)構(gòu)相契合，可以對(duì)從水泥凈漿到粗骨料的混凝土各級(jí)組分進(jìn)行加強(qiáng)增韌，形成一種具有一定級(jí)配結(jié)構(gòu)的纖維增強(qiáng)混合材，使斷裂能在宏觀界面的擇優(yōu)取向逐步弱化，從而使各個(gè)層面的裂縫擴(kuò)展被抑制，有利于纖維增強(qiáng)混凝土不同力學(xué)性能之間的相互補(bǔ)充與協(xié)同作用，產(chǎn)生正混雜效應(yīng)。

綜合分析P-1和P-2的韌性指標(biāo)測(cè)試結(jié)果可以看出，雖然二者纖維摻量相同，但是摻入硅灰后P-2組試件的彎曲韌性和沖擊韌性均得到大幅提升。分析其原因主要是PE和CPP纖維均為憎水性材料，其分子結(jié)構(gòu)中無親水基團(tuán)，由于邊壁效應(yīng)與微區(qū)泌水效應(yīng)的綜合作用導(dǎo)致其與水泥基體之間形成的界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)疏松，界面粘結(jié)較差。由于硅灰的微填充效應(yīng)和活性效應(yīng)，可使膠凝漿體形成致密的體系結(jié)構(gòu)，界面過渡區(qū)密實(shí)程度提高，所以界面粘結(jié)性能得以改善。為了探討纖維/基體界面區(qū)微結(jié)構(gòu)的形成與作用機(jī)理，本文在P-1和P-2試件的斷面上取樣并進(jìn)行拋光處理后采用SEM對(duì)CPP纖維與基體的界面區(qū)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5　界面區(qū)微觀形貌(a)P-1(×1000);(b)P-2(×1000);(c) P-1(×20000);(d) P-2(×20000)Fig.5　Morphology of the interfacial region

從圖5可以看出，兩個(gè)試樣的微結(jié)構(gòu)存在明顯的差異，P-1的界面區(qū)內(nèi)部有少量的孔隙和微裂縫，結(jié)構(gòu)松散，而P-2則幾乎沒有明顯的界面區(qū)，纖維與水泥基體之間的粘結(jié)密實(shí)。將界面區(qū)形貌進(jìn)一步放大后發(fā)現(xiàn)(圖5c,d)，在P-1的界面區(qū)內(nèi)有大量板狀C-H晶體聚集，水化產(chǎn)物分布松散，而在P-2的界面區(qū)內(nèi)其水化產(chǎn)物則大部分是不規(guī)則絮狀C-S-H凝膠和少量柱狀A(yù)Ft，相互疊加、交織而形成致密的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，所以P-2的界面粘結(jié)得以改善。對(duì)于纖維混凝土而言，當(dāng)纖維/基體界面區(qū)結(jié)構(gòu)松散，C-H取向程度明顯時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生一種“負(fù)中心質(zhì)效應(yīng)”，從而影響纖維效應(yīng)的發(fā)揮。硅灰的加入不僅消耗掉過量的C-H，減少了其在界面區(qū)的聚集，而且反應(yīng)生成更緊密結(jié)合的微結(jié)構(gòu)，提高應(yīng)力的傳遞效果，從而保證纖維“大中心質(zhì)效應(yīng)”的充分發(fā)揮。因此，對(duì)于P-2來講，其纖維增韌效應(yīng)范圍增大，在宏觀上表現(xiàn)為彎曲韌性和沖擊韌性的提升。雖然P-3的纖維摻量要比P-2大，但是當(dāng)纖維摻量過大時(shí)纖維不能均勻分散，容易結(jié)團(tuán)，其增韌作用受到限制，所以P-3的韌性反而下降。

4　結(jié)　論

(1)所制備的4組混雜纖維混凝土材料的彎曲韌性指標(biāo)均超過理想彈塑性材料的標(biāo)準(zhǔn)，并且在初裂產(chǎn)生后仍具有較高的強(qiáng)度保持能力；從裂縫形貌上看，試件的裂縫曲折，開口附近有大量的斜向微細(xì)裂縫，有效擴(kuò)散了裂縫尖端的應(yīng)力集中，使韌性明顯提高；

(2)提出的沖擊韌性指標(biāo)Tc能較好的反應(yīng)混凝土抵抗外部車輛荷載沖擊的能力，加入混雜纖維以后混凝土試塊所承受的沖擊次數(shù)快速增大，吸收的沖擊能約是普通混凝土試塊的15倍。

(3)采用PE和CPP纖維可以在幾何形狀尺寸與力學(xué)性能上形成具有一定級(jí)配結(jié)構(gòu)的纖維增強(qiáng)材，弱化了斷裂能在宏觀界面的擇優(yōu)取向，從而產(chǎn)生正混雜效應(yīng)；硅灰的加入減少了C-H在界面區(qū)的聚集，并生成更緊密結(jié)合的微結(jié)構(gòu)，提高了應(yīng)力的傳遞效果，使得纖維增韌效應(yīng)范圍增大，在宏觀上表現(xiàn)為彎曲韌性和沖擊韌性的提升。

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ToughnessCharacteristicandMechanismAnalysisofHybridSyntheticFiberReinforcedPavementConcrete

WANG Shuai,WU Shu-hua,HE Rui,SHENG Yan-ping

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710061,China)

Accordingtotheactualstressconditionsofcementconcretepavement,flexuraltoughnessandimpacttoughnesswereadoptedtoevaluatethetoughnesscharacteristicofpavementconcretereinforcedwithhighelasticmoduluspolyethylenefiberandlowelasticmoduluspolypropylenesyntheticfiber.ThetougheningmechanismwasdiscussedthroughcombinedwithSEMmicrostructureanalysis.Theresultsshowthat,theflexuraltoughnessindexofallthefourgroupspreparedhybridfiberconcretearebetterthanstandardelastic-perfectlyplasticmaterial.Afterthegenerationoffirstcrack,thespecimenstillpossesseshighstrengthretention,andthecrackpatternistortuous，sothatthecracktipstressconcentrationdiffusedeffectively.Theimpacttoughnessofhybridfiberreinforcedconcreteincreasesgreatly.Itabsorbstheimpactenergyisabout15timesthatofordinaryconcretetestblocks.Thereinforcingmaterialofpolyethylenefiberandpolypropylenesynthetichasagradationinthesizestructureandmechanicalpropertiesofgeometricshapes,producingpositivehybrideffect.

fiberreinforcedconcrete;flexuraltoughness;impacttoughness;microstructural;tougheningmechanism

國家自然科學(xué)基金資助(51508030);教育部高等學(xué)校博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20130205110013);中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2014M552397);長(zhǎng)安大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2014G1311082，310831162001);浙江省交通運(yùn)輸廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(2014H38)

王帥(1990-)，男，碩士研究生.主要從事路面材料工程方面的研究.

何銳，博士,副教授.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0106-06