混雜纖維高強自密實混凝土彎曲韌性試驗

王　鈞，薛　鶴，李　婷

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱　150040)

0　引　言

高強自密實混凝土(High-strength Self-compacting Concrete，HSCC)在滿足現(xiàn)代建筑對混凝土強度需求和響應國家對綠色環(huán)保建筑呼吁的同時，解決了復雜結構引起的建造問題，從而逐漸被廣泛應用。然而，隨著混凝土強度的提高，其脆性破壞特征更加明顯。研究表明，纖維對水泥基復合材料有增韌、阻裂的作用，因此纖維改性成為高強自密實混凝土的研究方向之一。

彎曲韌性可很好地反映實際工程中的混凝土構件帶裂縫工作狀態(tài)，彎曲韌性指標可定量描述混凝土開裂后吸收能量的能力[1]。作為目前衡量混凝土韌性最常用的指標，這一指標已被列入眾多國家行業(yè)標準中，如美國的ASTM C1609標準[2]、日本的JSCE-SF4標準[3]、歐洲的RILEM TC 162-TDF標準[4]和中國的JG/T 472—2015標準[5]等。對比這類標準不難發(fā)現(xiàn)，中國標準所提出的混凝土韌性試驗方法較上述其他標準更加完善，這一評定指標不僅有效避免了尋找初裂點的困難，同時也使混凝土韌性量值的確定更加全面。

研究表明，不同尺度、彈性模量的纖維混摻能發(fā)揮各自優(yōu)勢，使混凝土在多相、多層次上的性能得以改善[6]。鋼纖維憑借其增強、增韌作用已被廣泛應用。納米碳纖維(CNF)以其較優(yōu)異的強度表現(xiàn)和良好的彈性模量[7]出現(xiàn)在水泥基改性材料的研究范疇。CNF具備亞微米級尺度，可有效抑制混凝土微裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展[8]，能在一定程度上提高混凝土的基本力學性能[9-11]和韌性[12-13]，也可憑借其良好的導電性賦予混凝土自我監(jiān)測等智能性[14-15]，是在這一領域尚處于研究起步階段的新材料。為探討纖維混摻對混凝土在不同結構層次、不同受力階段的梯度作用，制備了鍍銅微絲鋼纖維(SF)-納米碳纖維混摻改性高強自密實混凝土，開展了彎曲韌性研究與分析。

1　原材料與試驗方法

1.1　原材料

水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其性能指標見表1。細骨料選用中砂，細度模數(shù)為2.48，表觀密度為2 613 kg·m-3。粗骨料選用粒徑小于20 mm的碎石，表觀密度為2 672 kg·m-3，粒徑級配為5～20 mm。減水劑選用聚羧酸系高效減水劑，減水率為30%。摻合料采用Ⅰ級粉煤灰及微硅粉。

表1　水泥性能指標Tab.1　Performance Indexes of Cement

鋼纖維選用鍍銅微絲鋼纖維，物理力學性能指標如表2所示。納米碳纖維通過裂解氣相碳氫化合物制備，為非連續(xù)亞微米級尺寸的石墨纖維[16]，物理參數(shù)如表3所示。

表2　鍍銅微絲鋼纖維的物理力學性能指標Tab.2　Physical and Mechanical Property Indexes of Copper-coated Microfilament Steel Fiber

表3　納米碳纖維的物理參數(shù)Tab.3　Physical Parameters of Carbon Nanofiber

1.2 試驗方法

CNF分子間存在較強的范德華力且具有疏水性，限制了CNF改性水泥基復合材料的發(fā)展。基于文獻[7]，[8]，同時考慮到CNF的親油性，通過多組橫向試驗，考察了CNF的分散效果及CNF混合液的分散穩(wěn)定性，確定了CNF的分散方式：將CNF與減水劑以質(zhì)量比為1∶2的比例與適量水混合，經(jīng)攪拌及超聲波分散后，將此混合液與混凝土拌合料混合均勻，使CNF充分分散在混凝土中。

高強自密實混凝土設計配合比見表4。以SF與CNF摻量為變量，制備了12組混雜纖維改性高強自密實混凝土。

表4　混凝土配合比Tab.4　Mix Proportion of Concrete　kg·m-3

試件編號為HS-SxCy，其中x=0，3，6，9(0，3，6，9分別表示SF體積摻量為0%，0.3%，0.6%，0.9%)，y=0，3，6，9(0，3，6，9分別表示CNF體積摻量為0%，0.03%，0.06%，0.09%)，以HS-S6C3為例，代表SF體積摻量為0.6%，CNF體積摻量為0.03%的混雜纖維高強自密實混凝土。

2　抗彎韌性

2.1　彎曲韌性試驗

彎曲韌性試驗裝置如圖1所示，采用三分點加載方式進行連續(xù)、均勻加載，初裂前加載速率為0.05 MPa·s-1，初裂后采用位移控制，加載速率為0.1 mm·min-1，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。同時采集試件加載力和跨中撓度的試驗數(shù)據(jù)，繪制荷載-撓度曲線。

圖1　彎曲韌性試驗裝置Fig.1　Test Equipment of Flexural Toughness

2.2　荷載-撓度曲線

為便于分析2種纖維對混凝土韌性的改善作用，統(tǒng)計并整理試驗數(shù)據(jù)，將典型試件的荷載-撓度曲線分組進行對比，如圖2所示。

試驗中，HS-S0Cy試件的破壞宏觀上均表現(xiàn)為脆性破壞，即宏觀裂縫產(chǎn)生后，混凝土迅速斷裂。由圖2(a)可觀察到，CNF的摻入可明顯提高混凝土峰值荷載，但荷載-撓度曲線未出現(xiàn)下降段，這表明，僅摻入CNF對提高試件峰值荷載后韌性的貢獻并不明顯。摻入SF的混凝土試件受力過程表現(xiàn)為表觀裂縫產(chǎn)生后，試件持荷能力瞬間下降，如圖2(b)所示，荷載由峰值荷載Fmax迅速降至Fa(Fa為峰值荷載瞬間降低達到的荷載值)的軟化段。然而試件仍可繼續(xù)持荷，隨著裂縫增寬，可聽到SF從混凝土中拔出的聲音頻率逐漸增大，直至不能繼續(xù)持荷，混凝土仍裂而不斷。由圖2(b)可看出，SF的摻入使混凝土峰值荷載有所提高，同時峰值變形得到一定的改善，且破壞后荷載-撓度曲線的包絡面積有所增大。由圖2(c)～(f)可知，2種纖維均可在提高混凝土峰值荷載的同時，使其極限荷載后的荷載-撓度曲線更加飽滿。

圖2　典型試件的荷載-撓度曲線Fig.2　Load-deflection Curves of Typical Specimens

以軟化比k表征纖維對混凝土的改性作用，計算公式如下

(1)

軟化比隨著纖維摻量的增多而增加(圖3)，SF在改善混凝土韌性方面效果顯著，在SF摻量不變時，CNF的摻入同樣在一定程度上發(fā)揮了改善混凝土韌性的作用。為更準確地掌握纖維對混凝土韌性影響及作用機理，以彎曲韌度比作為量化指標進行評定與分析。

圖3　軟化比隨SF摻量和CNF摻量的變化Fig.3　Changes of Softening Ratio with Amount of SF, CNF

2.3　韌性指標評價方法

采用彎曲韌度比對鍍銅微絲鋼纖維-納米碳纖維混摻改性高強自密實混凝土的韌性指標進行評價。試件峰值荷載前的韌性水平與峰值荷載后的持荷能力分別采用初始彎曲韌度比Re,p和彎曲韌度比Re,k表征，按式(2)～(6)計算。

初始彎曲韌度比Re,p為

Re,p=fe,p/fftm

(2)

(3)

式中：fe,p為等效初始彎拉強度；b為試件截面寬度；h為試件截面高度；L為試件跨度；δp為峰值荷載時的跨中撓度；Ωp為峰值荷載時荷載-撓度曲線下的面積；fftm為復合材料鋼纖維-納米碳纖維混凝土彎拉強度。

彎曲韌度比Re,k為

Re,k=fe,k/fftm

(4)

(5)

δp,k=δk-δp

(6)

式中：fe,k為對應跨中撓度δk的等效彎拉強度，δk為給定的計算跨中撓度，δk=L/k，k分別為500，300，250，200，150；Ωp,k為δp至δk對應的荷載-撓度曲線下的面積；δp,k為δp至δk的跨中撓度增加值。

這里特別指出，為了統(tǒng)一評價標準，對于試驗中未加鋼纖維而宏觀上直接發(fā)生脆性斷裂，從而無法獲得峰值荷載后荷載-撓度曲線的試驗組，令其彎曲韌度比Re,k=0，Re,p仍按公式(2)計算。依據(jù)上述計算方法得到的Re,p，Re,k計算結果見表5。

2.3.1初始彎曲韌度比

為研究高強自密實混凝土在SF和CNF單摻和混摻作用下Re,p，Re,k的變化趨勢，采用數(shù)值分析方法對設計的樣本空間進行擴參數(shù)分析。同時，為實現(xiàn)相關指標變化數(shù)值的連續(xù)性，對初始彎曲韌度比分析值進行最小二乘法的非線性回歸，形成曲面圖(圖4)。

分析圖4曲面可發(fā)現(xiàn)，單摻SF時，Re,p隨著纖維摻量的增加先逐漸增大后略有下降，當SF體積摻量為0.62%時，Re,p達到峰值。單摻CNF時，CNF摻量的增加使Re,p單調(diào)遞增，但增長緩慢。由式(3)可知，混凝土峰值荷載對應的撓度值較小時，Re,p的

表5　Re,p，Re,k計算結果Tab.5　Calculation Results of Re,p and Re,k

圖4Re,p分析曲面Fig.4　Analytic Curved Surface of Re,p

變化較敏感。由圖4可知，在CNF和SF共同作用下初始彎曲韌度比分析曲面局部呈現(xiàn)出一定程度的不規(guī)律波動。隨著SF和CNF摻量的增加，Re,p總體呈上升趨勢，當SF體積摻量為0.72%，CNF體積摻量為0.09%時，Re,p值最大，其最大初始彎曲韌度比為0.60，相較HS-S0C0組提高了34.5%。

由Re,p隨CNF纖維摻量的變化趨勢可知，亞微米級尺度的CNF在提高混凝土密實性的同時，可有效阻止微裂縫的產(chǎn)生并延緩其增長。由于CNF自身尺度的限制，使得微裂縫增長為宏觀裂縫后，亞微米尺寸的CNF失去發(fā)揮橋接裂縫的作用，致使隨纖維摻量的增加，混凝土韌性增長緩慢。當SF摻量適中時，SF憑借其亞厘米尺度能有效阻止宏觀裂縫的進一步發(fā)展，進而提高混凝土的韌性；當SF摻量較多時，用以充分包裹SF所需的水泥漿量增多，使得混凝土的自密實性能下降，內(nèi)部缺陷增多，導致混凝土韌性略有下降。由于作用機理不同，CNF和SF能夠在不同結構層次上改善混凝土的初始彎曲韌度比。

2.3.2彎曲韌度比

為能全面反映彎曲韌性水平，同時考慮到實際工程中梁構件正常使用狀態(tài)的撓度限值，中國規(guī)范選取5個Re,k特征點來表征混凝土后續(xù)持荷能力的響應程度?；谝?guī)范，深入細化Re,k隨纖維摻量和撓度變化的表達形式，對設計的樣本空間做擴參數(shù)分析，再進行非線性回歸，得到CNF體積摻量分別為0%，0.03%，0.06%，0.09%時Re,k關于SF摻量和撓度的彎曲韌度比分析曲面圖(圖5)，由此開展CNF和SF摻量對混凝土后續(xù)持荷能力的影響分析。

由圖5(a)可知，單摻SF時，彎曲韌度比隨SF摻量的增加先迅速升高后漸趨平緩，同時隨撓度的增大近似呈線性下降趨勢。這說明SF的摻入能有效防止宏觀裂縫的延展，使混凝土的后續(xù)持荷能力得到提高。然而SF摻量較多時，SF摻量增加導致的混凝土增韌速率逐漸與薄弱面增多導致的降韌速率相一致，致使SF對混凝土開裂后韌性的改善作用逐漸達到臨界值。

Re,k隨撓度的增大出現(xiàn)了比較規(guī)律的下降，這是由于在宏觀裂縫開展的過程中，連接在裂縫之間的SF被不斷拔出，使混凝土后續(xù)持荷能力隨之降低。

基于圖5(a)，對比圖5(b)～(d)可知，CNF的摻入改善了單摻SF時混凝土試件開裂后的韌性表現(xiàn)狀態(tài)，主要體現(xiàn)在：一方面，混凝土彎曲韌度比隨CNF摻量的增加而增大，增長狀態(tài)由趨近飽和轉(zhuǎn)變?yōu)镾形增長；另一方面，CNF的摻入使混凝土后續(xù)持荷能力隨撓度增長而逐漸下降的趨勢有所減弱。這是由于混凝土從受力產(chǎn)生微裂縫到部分微裂縫發(fā)展成宏觀裂縫直至失效的全部進程中，CNF延緩混凝土微裂縫產(chǎn)生和擴展的作用持續(xù)有效，因此CNF的摻入可降低撓度增大對混凝土開裂后持荷能力的影響。CNF和SF對混凝土韌性提高機理的差異使兩者共同作用可更好改善混凝土斷裂后的受力狀態(tài)。

3　結語

(1)由試件荷載-撓度曲線分析可知，宏觀上CNF的摻入未明顯改善混凝土彎曲破壞特征，而2種纖維的改性作用均可不同程度使峰值荷載后的荷載-撓度曲線更加飽滿。

(2)CNF能有效延緩微裂縫的產(chǎn)生，SF可有效抑制宏觀裂縫的發(fā)展。CNF和SF混摻可在混凝土開裂的不同階段起到增韌效果。

(3)SF的摻入使混凝土破壞特征由脆性破壞轉(zhuǎn)變成韌性破壞，CNF的摻入改變了混凝土韌性的增長狀態(tài)。兩纖維混摻產(chǎn)生了協(xié)同作用，提高了混凝土初始彎曲韌度比和彎曲韌度比。初始彎曲韌度比最大增幅達34.5%，HS-S9C6的Re,500達0.84，且隨撓度變大引起彎曲韌度下降的趨勢較緩慢。

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