纖維混雜效應(yīng)對(duì)混凝土復(fù)合材料的力學(xué)及耐久性能的影響*

徐 超

(銅陵學(xué)院 建筑工程學(xué)院,安徽 銅陵 244000)

0 引 言

作為土木工程材料的混凝土具備原材料容易獲取、生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)步驟易操作等優(yōu)勢[1-3]。但其脆性強(qiáng)，會(huì)出現(xiàn)無顯著現(xiàn)象的突然破損情況，同時(shí)由于混凝土相關(guān)構(gòu)件長期處于外部工作環(huán)境，隨著使用時(shí)間的增加其耐久性會(huì)逐漸降低，在遭受外力時(shí)，其承載能力也會(huì)降低[4-5]。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種強(qiáng)度高、耐腐蝕、質(zhì)量輕的新型復(fù)合材料，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于混凝土材料的性能改善中[6-7]。纖維摻入混凝土，使其能夠發(fā)揮自身的作用，彌補(bǔ)混凝土的性能缺陷，如提高基體混凝土的脆性等[8-11]?；炷恋氖褂闷谙奘芸?jié)B性能影響，纖維摻入產(chǎn)生的限縮和阻裂效應(yīng)使水泥基抗?jié)B性能提升，使混凝土具有多層次的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[12]。有研究表明，混雜纖維的摻入對(duì)混凝土的影響高于單一纖維，尤其是在抗彎性和耐久性方面，由于混凝土中的結(jié)構(gòu)和性能層不同，混雜纖維會(huì)逐漸阻裂并強(qiáng)化，有效地發(fā)揮摻入纖維的優(yōu)勢，從而使其性能得到提升[13-16]。

本文研究了混雜纖維增強(qiáng)混凝土復(fù)合材料的抗彎性能及耐久性能，通過控制纖維總體積摻率，將碳纖維(CF)、鋼纖維(UR)和玻璃纖維(SGF)按單一、兩種和三種混摻的方法設(shè)計(jì)制作混凝土試件，研究了單一纖維和混雜纖維的摻入方式及混摻比例對(duì)混凝土的抗彎性能以及耐久性的影響，為混雜纖維增強(qiáng)混凝土材料的發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

采用28 d抗壓強(qiáng)度為49.7 MPa的I42.5級(jí)硅酸鹽水泥；活性指數(shù)高于95%的高品質(zhì)Ⅰ級(jí)粉煤灰；針片狀成分和壓碎指標(biāo)分別為7%和9.3%，粒徑為5～16 mm的粗骨料；含泥量和泥塊量分別低于3%和1%，且細(xì)度模數(shù)為2.3～3.1的細(xì)骨沙；以及碳纖維(CF)、鋼纖維(UR)和玻璃纖維(SGF)3種纖維。3種纖維的性能如表1所示。

表1 3種纖維的性能Table 1 Properties of three kinds of fibers

1.2 混凝土配比及試件制作

以強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)混雜纖維增強(qiáng)混凝土的纖維混摻比例。使其具有優(yōu)異的施工性能[坍落度(165±20)mm，坍落擴(kuò)展度(285±20)mm]，考慮到摻入纖維后，會(huì)影響基體混凝土的施工性能。采用單位體積用水量為190 kg，加入合適劑量的引氣劑提升基體混凝土的流動(dòng)性，按照最優(yōu)配合比設(shè)計(jì)方案。按照碳纖維(CF)、鋼纖維(UR)、玻璃纖維(SGF)的順序依次加入混凝土拌合物中進(jìn)行攪拌，從而保證混雜纖維在混凝土拌合物里混合均勻?；鶞?zhǔn)配合比設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 基準(zhǔn)配合比參數(shù)Table 2 Benchmark mix proportion parameter

按照基準(zhǔn)配合比參數(shù)，制作了4根混凝土配合比相同，梁長、寬、高分別為3 300，150和300 mm，凈跨3 000 mm的矩形截面鋼筋混凝土梁試件。試件的縱向受拉鋼筋直徑為2Ф8(HRB400)，彈性模量為2.0×105N/mm2，受拉強(qiáng)度為360 MPa；箍筋直徑為Ф6@100，箍筋間距<400 mm；架立筋直徑為2Ф8。試件的設(shè)計(jì)等級(jí)為C35。試件中有1根采用鋼筋混凝土標(biāo)準(zhǔn)梁，標(biāo)記為CF-1，另外3根采用不同比例的纖維混雜增強(qiáng)，標(biāo)記為CF-2、CF-3和CF-4。試件中3種纖維的混摻方式如表3所示。

表3 3種纖維混摻方式Table 3 Mixed doping methods of three kinds of fibers

1.3 抗彎性能試驗(yàn)

1.3.1 彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)選用試件的一側(cè)面為承壓面，選用兩個(gè)距兩端面50 mm作為支撐點(diǎn)，樣品的三分點(diǎn)位置作為加載點(diǎn)，設(shè)置加載速度為0.06～0.09 MPa/s，在試件即將被破壞或變形急劇時(shí)，關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)，一直到樣品破壞，整個(gè)試驗(yàn)在6 000 kN液壓試驗(yàn)機(jī)上完成。

1.3.2 彎曲韌性試驗(yàn)

采用彎曲韌性試驗(yàn)測試試件的韌性[17-18]。首先，放好試件，把傳感器安放在試件跨中兩側(cè)，力傳感器固定在跨中上面；然后，設(shè)置初裂前和初裂后的加載速度，使撓度增長速度相同。若試件在超過受拉面跨度三分點(diǎn)的地方開裂，則此時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果無效。最后，重復(fù)試驗(yàn)，得到合格的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.4 耐久性能試驗(yàn)

采用滲水高度試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)測試混雜纖維增強(qiáng)混凝土復(fù)合材料的耐久性能。

1.4.1 滲水高度試驗(yàn)

試驗(yàn)過程如下：首先，選取達(dá)到試驗(yàn)強(qiáng)度的混凝土試件，將其表面擦干，把一側(cè)熔化的石蠟涂到試件側(cè)面，將試件壓入壓試模；然后，將試件底面高出的部分打磨去除，直至與試模底面在同一高度，且打磨后的試件底面沒有石蠟；接著，進(jìn)行試件安裝，將水壓升至1.2 MPa且使水壓恒定在(1.5±0.06)MPa，保持1 d后取下試件，將試件用壓力試驗(yàn)機(jī)沿試件縱斷面劈開，約3～5 min后用筆將滲水痕跡畫出；最后，在試件被劈開的面上放置有刻度的玻璃板，用尺量取4條線上的滲水高度并記錄。

1.4.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)

試驗(yàn)過程如下：(1)提前4 d將試驗(yàn)所需試件完全浸泡在(18±5)℃的水里，且試件最少低于水面25 mm。(2)4 d后取出試件，用濕布將試件表面上的水擦干，測量試件的橫向基頻并對(duì)試件稱重。(3)把試件裝入橡膠筒，并在橡膠筒里加水，水中加鹽，使水沒過試件頂部約6 mm，將其放入試驗(yàn)機(jī)。(5)按試驗(yàn)要求對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行設(shè)定，融化過程緩慢進(jìn)行，時(shí)間超過整個(gè)試驗(yàn)時(shí)間的1/4，2～4 h完成一次凍融循環(huán)；試驗(yàn)對(duì)溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，凍結(jié)后的溫度為(18±2)℃，融化結(jié)束時(shí)溫度為(6±2)℃；每個(gè)位置的試件從3 ℃升到15 ℃和從15 ℃降到3 ℃所用的時(shí)間超過整個(gè)融化時(shí)間的1/2；凍和融轉(zhuǎn)換時(shí)間≤10 min。(6)每隔20次凍融循環(huán)測量一次試件的橫向基頻及質(zhì)量，并檢查試件外部，測量后把試件調(diào)頭裝進(jìn)試件筒并在筒內(nèi)加水，水中加鹽，繼續(xù)試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 試件的彎拉強(qiáng)度分析

試件的初始彎曲裂紋程度和極限抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。其中，P1表示纖維混凝土試件的初始彎曲裂紋程度；P2表示纖維混凝土試件的極限抗折強(qiáng)度；P0表示基體混凝土試件的極限彎拉強(qiáng)度；(P2-P1)/P1表示混雜纖維混凝土試件開裂后的強(qiáng)度增長率。

表4 試件CF-1～CF-4的初始彎曲裂紋程度和極限抗折強(qiáng)度Table 4 Initial bending crack degree and ultimate flexural strength of specimen CF-1-CF-4

表4顯示了對(duì)比試件CF-1和混雜纖維混凝土試件CF2-CF4的彎拉初裂與彎拉極限強(qiáng)度的關(guān)系。由表4可知，摻入纖維后混凝土的初始彎曲裂紋程度和極限抗折強(qiáng)度都有不同程度的提升，其中試件CF-4的初始彎曲裂紋程度和極限抗折強(qiáng)度提高最多，相比試件CF-1分別提升了73.58%和157.39%。對(duì)比混雜纖維混凝土試件開裂后的強(qiáng)度增長率可知，試件CF-4增長率最高，增長了48.30%。說明纖維種類的增加對(duì)混雜纖維混凝土試件的始彎曲裂紋程度、極限抗折強(qiáng)度和混雜纖維混凝土試件開裂后的強(qiáng)度增長率均有所提升。

2.2 試件的彎曲韌性分析

按照美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTMC1018標(biāo)準(zhǔn)，纖維混凝土的彎曲韌性用韌性系數(shù)(I4、I8、I18和I28)和剩余強(qiáng)度系數(shù)(R5，10、R10，20和R10，30)來評(píng)估。相對(duì)于理想彈塑體，韌性系數(shù)分別為5，10，20和30，剩余強(qiáng)度系數(shù)為100；相對(duì)于理想脆性體，韌性系數(shù)都為1，剩余強(qiáng)度系數(shù)為0。韌性系數(shù)越接近理想彈塑體、剩余強(qiáng)度系數(shù)越大，則表明混凝土的彎曲韌性越好，纖維對(duì)混凝土的增韌效果越明顯。混雜纖維混凝土試件的彎曲韌性參數(shù)如表5所示。

表5 試件CF-2～CF-4的彎曲韌性參數(shù)Table 5 Bending toughness parameters of specimen CF-2-CF-4

由表5可知，試件CF-2～CF-4的彎曲韌性系數(shù)隨著纖維種類的增加而逐漸接近理想彈塑體，其中試件CF-4的彎曲韌性系數(shù)與理想彈塑體數(shù)值最接近，最大為99.58。試件CF-3的韌性低于試件CF-4，但高于試件CF-2，由此可見，試件CF-4產(chǎn)生了最高的正混雜效應(yīng)。分析各試件的剩余強(qiáng)度系數(shù)可知，隨著纖維摻入量的增加，各試件的剩余強(qiáng)度系數(shù)均逐步增大，試件CF-4的增韌效果最佳。表明混雜纖維混凝土的剩余強(qiáng)度系數(shù)同彎曲韌性系數(shù)變化規(guī)律基本相同。

2.3 試件的撓度和抗彎剛度分析

圖1為試件CF-1～CF-4在加載過程中的荷載-撓度曲線。從圖1可以看出，從鋼筋屈服到破壞，相較于對(duì)比試件，混雜纖維混凝土試件CF-3和CF-4的跨中撓度數(shù)值逐步增加，試件CF-4的撓度最大達(dá)30 mm，說明試件加載后期撓度受混雜纖維的摻入影響，提升了試件的延性。由圖1可知，在達(dá)到各自的屈服荷載前，各試件表現(xiàn)的抗彎剛度不同。對(duì)比試件CF-1和單一纖維混凝土試件CF-2的剛度低于混雜纖維混凝土試件CF-3和CF-4，說明混雜纖維混凝土試件抗彎性能的提升限制了混凝土的初裂和裂縫擴(kuò)展。

圖1 試件CF-1～CF-4在加載過程中的荷載-撓度曲線Fig 1 Load deflection curve of specimen CF-1-CF-4 during loading

2.4 抗凍試驗(yàn)

圖2為試件CF-1～CF-4在凍融循環(huán)下的質(zhì)量損失率。由圖2可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件CF-1～CF-4的質(zhì)量損失逐漸增加。在前160次凍融循環(huán)中，試件CF-2的質(zhì)量損失率<1.8%，試件CF-3的質(zhì)量損失率<1.5%，試件CF-4的質(zhì)量損失率<2.6%，總體上試件的質(zhì)量損失率呈下降趨勢，說明纖維的加入可降低混凝土試件在凍融循環(huán)過程中的質(zhì)量損失。

圖2 試件CF-1～CF-4在凍融循環(huán)下的質(zhì)量損失率Fig 2 Mass loss rate of specimen CF-1-CF-4 under freeze-thaw cycles

表6為試件CF-1～CF-4的質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的擬合情況。結(jié)合圖2和表6可知，混雜纖維混凝土試件CF-3和CF-4的質(zhì)量損失率受CF、UR和SGF這3種纖維混雜的影響，而CF、UR和SGF這3種纖維的混雜存在正負(fù)混雜效應(yīng)。其中，試件CF-4的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出正混雜效應(yīng)。主要是因?yàn)榘鸦祀s纖維加入混凝土中，將加固其結(jié)構(gòu)中由纖維和水泥石形成的粘結(jié)界面，纖維面與水泥石粘合的程度越高，纖維越分散，其混凝土抗凍性能越強(qiáng)。相反，纖維越聚集，混凝土的抗凍性能越差。

表6 試件CF-1～CF-4的質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的擬合情況Table 6 Fitting of mass loss rate and freeze-thaw cyclesof specimen CF-1-CF-4

圖3為試件CF-1～CF-4在凍融循環(huán)下的相對(duì)動(dòng)彈性模量。從圖3可以看出，混摻有CF、UR和SGF這3種纖維的試件CF-3和CF-4的相對(duì)動(dòng)彈性模量降低率低于對(duì)比試件CF-1和單一纖維混凝土試件CF-2。

圖3 試件CF-1～CF-4在凍融循環(huán)下的相對(duì)動(dòng)彈性模量Fig 3 Relative dynamic modulus of elasticity of specimen CF-1-CF-4 under freeze-thaw cycles

表7為試件CF-1～CF-4的相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的線性擬合情況。結(jié)合圖3和表7可知，與試件CF-1對(duì)比，試件CF-3和CF-4的相對(duì)動(dòng)彈性模量較高，說明混雜纖維的加入對(duì)基體混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量的影響顯著，CF、UR和SGF這3種纖維的混雜可以使基體混凝土的抗凍性能提高。

表7 試件CF-1～CF-4的相對(duì)動(dòng)彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的線性擬合情況Table 7 Linear fitting between relative dynamic elastic modulus and freeze-thaw cycles of specimen CF-1-CF-4

2.5 抗?jié)B試驗(yàn)

抗?jié)B試驗(yàn)中采用的試件配合比如表2所示，試驗(yàn)得到試件CF-1～CF-4的最大滲水高度如圖4所示。從圖4可以看出，與試件CF-1相比，試件CF-2～CF-4的最大滲水高度分別降低了51.1%，77.8%和66.7%。說明混凝土試件的抗?jié)B性能隨著纖維的摻入而提高，且3種纖維混雜對(duì)混凝土抗?jié)B性能的提高高于單一纖維的摻入。這是因?yàn)椋阂环矫妫炷猎嚰胸灤┛椎纳珊桶l(fā)展，隨著混雜纖維在混凝土中的均勻分布而得到了有效控制；另一方面，鋼纖維的周圍有很多微小毛刺，其與水泥基的接觸面積加大，機(jī)體里的有害毛細(xì)孔得到堵塞，使混凝土試件的抗?jié)B性能得到提升。

圖4 試件CF-1～CF-4的最大滲水高度Fig 4 Maximum seepage height of specimen CF-1-CF-4

計(jì)算相對(duì)滲透系數(shù)的公式如式(1)所示

(1)

其中，Sk為相對(duì)滲透系數(shù)，mm/s；Dm為平均滲水高度，mm，H為水壓力的水柱高度，mm；T為恒壓時(shí)間，s；m為混凝土吸水率，正常取值為0.03。根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，計(jì)算出試件CF-1～CF-4的相對(duì)滲透系數(shù)如圖5所示。

圖5 試件CF-1～CF-4的相對(duì)滲透系數(shù)Fig 5 Relative permeability coefficient of specimen CF-1-CF-4

由圖5可知，與試件CF-1相比，試件CF-2～CF-4的相對(duì)滲透系數(shù)隨著纖維的加入明顯下降，分別下降了63.5%，96.3%和82.9%。同樣說明了混凝土試件的抗?jié)B性能隨著纖維的摻入而提高，且3種纖維混雜對(duì)混凝土抗?jié)B性能的提高高于單一纖維的摻入。纖維的多樣性使其在水泥基體中形成了復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，縮短了纖維之間的距離，控制了貫穿孔的出現(xiàn)，而且產(chǎn)生了界面之間效應(yīng)并在三維空間發(fā)生疊加強(qiáng)化的反應(yīng)，從而使混雜纖維發(fā)生抗?jié)B作用。由此可見，混雜纖維抑制了混凝土試件中貫穿孔的生成和發(fā)展，提升了混凝土的抗?jié)B性能，增強(qiáng)了混凝土試件的耐久性。不同種類的纖維、纖維的尺度、性能及混雜時(shí)的比例將直接影響混雜纖維增強(qiáng)混凝土材料的耐久性能。

3 結(jié) 論

本文制作了混凝土對(duì)比試件CF-1和混雜纖維混凝土試件CF-2、CF-3及CF-4，研究了混雜纖維增強(qiáng)混凝土復(fù)合材料的力學(xué)性能及耐久性能，得出如下結(jié)論：

(1)摻入纖維后混凝土試件的初始彎曲裂紋程度、極限抗折強(qiáng)度和混雜纖維混凝土試件開裂后的強(qiáng)度增長率均有所提升，且隨著纖維種類的增加，提升效果更加明顯，試件CF-4相比CF-1分別提升了73.58%，157.39%和48.30%。

(2)纖維摻量的增加可提升混凝土試件的抗彎韌性和延性，抑制混凝土試件的初裂和裂縫擴(kuò)展，提升混凝土材料的抗彎性能和抗折性能。試件CF-4產(chǎn)生了良好的正混雜效應(yīng)，其彎曲韌性系數(shù)和剩余強(qiáng)度系數(shù)與理想彈塑體數(shù)值最接近，增韌效果最佳。試件CF-4的撓度最大達(dá)30 mm，說明試件加載后期撓度受混雜纖維的摻入影響，提升了試件的延性。

(3)纖維的摻入可降低混凝土試件在凍融循環(huán)過程中的質(zhì)量損失率，增強(qiáng)混凝土試件的抗凍性能，在前160次凍融循環(huán)中，試件CF-2的質(zhì)量損失率<1.8%，試件CF-3的質(zhì)量損失率<1.5%，試件CF-4的質(zhì)量損失率<2.6%，總體上試件的質(zhì)量損失率呈下降趨勢，保證了基體混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量維持在高水平。

(4)纖維的摻入可提高混凝土試件的抗?jié)B性能，且3種纖維混雜對(duì)混凝土抗?jié)B性能的提高高于單一纖維的摻入。與試件CF-1相比，試件CF-2～CF-4的最大滲水高度分別降低了51.1%，77.8%和66.7%、相對(duì)滲透系數(shù)分別下降了63.5%，96.3%和82.9%。可知混雜纖維的加入增強(qiáng)了混凝土試件的耐久性。