層布式陶瓷纖維混凝土抗彎沖擊性能試驗(yàn)研究*

肖 嫻，高 林,2，劉昆雄，郭凱旋

(1.華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210； 2.河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210)

0 引言

在預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，脆斷性和抗彎沖擊性能不足等問題始終存在，而纖維混凝土的應(yīng)用較好地解決了此類問題，并在工程中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。常見的纖維混凝土中，將鋼纖維、聚丙烯纖維等作為增強(qiáng)材料，通過纖維與混凝土的復(fù)雜作用，有效提升混凝土力學(xué)性能[3-4]。

陶瓷纖維為性能優(yōu)異的無機(jī)纖維，具有容重小、耐火性強(qiáng)、絕熱性好、抗沖擊能力強(qiáng)和不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等優(yōu)異性能，有著世界“第五能源產(chǎn)品”的美稱[5-6]?？蓪⑻沾衫w維作為增強(qiáng)材料，將其摻入混凝土中，以提升混凝土力學(xué)性能，但目前對(duì)混凝土力學(xué)性能提升程度的研究較少。

在纖維混凝土生產(chǎn)過程中，通常采用混摻式，易造成纖維混凝土出現(xiàn)結(jié)團(tuán)嚴(yán)重、攪拌不均勻、流動(dòng)性差等問題[7-8]。盧哲安等[9-10]提出了層布式鋼纖維混凝土，將鋼纖維分層布置于混凝土中，采用1層混凝土+1層鋼纖維的工藝形式，有效避免了混摻式纖維混凝土存在的問題。

將層布式陶瓷纖維混凝土應(yīng)用于預(yù)制裝配式混凝土墻板中，既可充分發(fā)揮陶瓷纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)性能，又可避免混摻式纖維混凝土存在的生產(chǎn)工藝問題，可提升預(yù)制墻板抵御沖擊荷載及爆炸、汽車或不明物體撞擊的性能。本文對(duì)層布式陶瓷纖維混凝土抗彎沖擊性能進(jìn)行研究，以期為工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料與配合比

試驗(yàn)所用原材料包括P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥、河砂(細(xì)度模數(shù)2.7)、5～20mm連續(xù)級(jí)配碎石、聚羧酸粉體高效減水劑、陶瓷纖維(白色，長(zhǎng)6mm，直徑0.003mm，密度2 600kg/m3)。混凝土基體強(qiáng)度等級(jí)為C30，配合比為水泥∶粗骨料∶細(xì)骨料∶水∶減水劑∶粉煤灰=277.65∶992.5∶875.4∶180.0∶694.12∶69.41(kg/m3)。

1.2 試件制作

層布式陶瓷纖維混凝土制作過程與普通混凝土略有不同，具體過程如下：①按照比例稱取適量水泥、粉煤灰、石、中砂、減水劑、水及陶瓷纖維；②將石、砂和10%水倒入已潤(rùn)濕的攪拌機(jī)中，攪拌30s；③加剩余的水，攪拌30s；④加水泥，攪拌180s；⑤將攪拌機(jī)中的混凝土料卸出；⑥將拌制完成的混凝土分層裝入550mm×150mm×150mm(長(zhǎng)×寬×高)標(biāo)準(zhǔn)試模中；⑦素混凝土經(jīng)攪拌后，澆筑第1層3cm厚混凝土，人工鋪撒第1層陶瓷纖維；⑧澆筑第2層3cm厚混凝土，人工鋪撒第2層陶瓷纖維；⑨澆筑第3層3cm厚混凝土，人工鋪撒第3層陶瓷纖維；⑩澆筑第4層3cm厚混凝土；將試件置于養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。

由于本次試驗(yàn)混凝土試件數(shù)量較多，因此不對(duì)混凝土試件進(jìn)行順序編號(hào)，而是利用混凝土強(qiáng)度等級(jí)、陶瓷纖維體積摻量、陶瓷纖維層數(shù)進(jìn)行編號(hào)，如C30-0-0指強(qiáng)度等級(jí)為C30的素混凝土試件，C30-0.2-3指混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30、陶瓷纖維體積摻量為0.2%、陶瓷纖維共3層的試件。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 21120—2018《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》中的有關(guān)規(guī)定自制落球沖擊試驗(yàn)設(shè)備，其中，落球重3.0kg，套管高300mm，套管內(nèi)徑110mm(約為落球直徑的1.5倍)，為防止落球?qū)⒒炷猎嚰覊模诼淝蚵潼c(diǎn)處放置1塊鋼墊板。以應(yīng)變片數(shù)據(jù)發(fā)生突變?yōu)槌趿褯_擊次數(shù)確定依據(jù)(受拉區(qū)表面產(chǎn)生第1條裂縫)，以底部裂縫貫穿整個(gè)截面為破壞沖擊次數(shù)確定依據(jù)，初裂沖擊次數(shù)和破壞沖擊次數(shù)取值均應(yīng)符合規(guī)范要求。因試驗(yàn)條件有限，僅通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集應(yīng)變片應(yīng)變數(shù)據(jù)，未設(shè)置加速度計(jì)參與數(shù)據(jù)采集，加載裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件破壞狀態(tài)

抗彎沖擊性能試驗(yàn)初期，落球每次自由下落至混凝土試件上表面后，發(fā)出響亮且清脆的聲音，隨后落球反彈2，3次，由于混凝土試件上部設(shè)置了墊板，試件上表面未被砸碎。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，試件出現(xiàn)第1條裂縫，此時(shí)落球落到混凝土試件上表面后，發(fā)出的聲響變的較沉悶。隨著試驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，混凝土試件開始出現(xiàn)肉眼可見的變形，直至最后完全破壞(見圖2)。

圖2 典型試件破壞狀態(tài)

素混凝土試件破壞層面較平整，試件一經(jīng)開裂，在持續(xù)的沖擊荷載作用下迅速破壞。因此，素混凝土試件初裂沖擊次數(shù)與破壞沖擊次數(shù)相差較小，表現(xiàn)出了較明顯的脆性。層布式陶瓷纖維混凝土試件破壞面較粗糙，且試件初裂沖擊次數(shù)和破壞沖擊次數(shù)均多于素混凝土試件。

2.2 陶瓷纖維體積摻量對(duì)層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊性能的影響

以抗彎沖擊耗能為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，陶瓷纖維體積摻量對(duì)層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊性能的影響如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)陶瓷纖維體積摻量固定時(shí)，陶瓷纖維層數(shù)對(duì)試件抗彎沖擊性能起決定性作用，即陶瓷纖維層數(shù)越多，試件抗彎沖擊性能提升效果越好；當(dāng)陶瓷纖維層數(shù)固定時(shí)，試件抗彎沖擊耗能隨著陶瓷纖維體積摻量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)陶瓷纖維體積摻量為0.2%時(shí)，對(duì)試件抗彎沖擊性能的提升效果最好。

圖3 陶瓷纖維體積摻量的影響(抗彎沖擊耗能)

相較于素混凝土試件，陶瓷纖維體積摻量為0.1%，0.2%，0.3%的層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊耗能最大提高幅度分別為52.2%，119.2%，84.4%。

以初裂沖擊次數(shù)、破壞沖擊次數(shù)及二者差值為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，陶瓷纖維體積摻量對(duì)層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊性能的影響如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)陶瓷纖維層數(shù)固定時(shí)，試件初裂沖擊次數(shù)、破壞沖擊次數(shù)及二者差值均隨著陶瓷纖維體積摻量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)陶瓷纖維體積摻量為0.2%時(shí)，不同陶瓷纖維層數(shù)下的試件初裂沖擊次數(shù)、破壞沖擊次數(shù)及二者差值均達(dá)最大值。

圖4 陶瓷纖維體積摻量的影響(沖擊次數(shù))

相較于素混凝土試件，陶瓷纖維體積摻量為0.1%，0.2%，0.3%的層布式陶瓷纖維混凝土試件初裂沖擊次數(shù)最大提高幅度分別為45.4%，113.6%，81.8%，破壞沖擊次數(shù)最大提高幅度分別為53.3%，123.3%，90%，初裂沖擊次數(shù)與破壞沖擊次數(shù)差值最大提高幅度分別為75%，150%，112.5%。

由以上2種評(píng)價(jià)方式可知，層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊性能隨著陶瓷纖維體積摻量的增加呈先提高后降低的變化，綜合來看，陶瓷纖維最佳體積摻量為0.2%。

2.3 陶瓷纖維層數(shù)對(duì)層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊性能的影響

以抗彎沖擊耗能為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，陶瓷纖維層數(shù)對(duì)層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊性能的影響如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)陶瓷纖維層數(shù)固定時(shí)，陶瓷纖維體積摻量對(duì)試件抗彎沖擊性能的影響程度從高到低排序依次為0.2%，0.3%，0.1%；當(dāng)陶瓷纖維體積摻量固定時(shí)，試件抗彎沖擊耗能隨著陶瓷纖維層數(shù)的增加而增加，但增加幅度逐漸減小。

圖5 陶瓷纖維層數(shù)的影響(抗彎沖擊耗能)

相較于素混凝土試件，陶瓷纖維層數(shù)為1，2，3層的層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊耗能最大提高幅度分別為71.4%，103.6%，119.2%。

以初裂沖擊次數(shù)、破壞沖擊次數(shù)及二者差值為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，陶瓷纖維層數(shù)對(duì)層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊性能的影響如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)陶瓷纖維體積摻量固定時(shí)，試件初裂沖擊次數(shù)、破壞沖擊次數(shù)及二者差值均隨著陶瓷纖維層數(shù)的增加而增大，但增加幅度逐漸減小。

圖6 陶瓷纖維層數(shù)的影響(沖擊次數(shù))

相較于素混凝土試件，陶瓷纖維層數(shù)為1，2，3層的層布式陶瓷纖維混凝土試件初裂沖擊次數(shù)最大提高幅度分別為63.4%，100%，113.6%，破壞沖擊次數(shù)最大提高幅度分別為73.3%，106.7%，123.3%，初裂沖擊次數(shù)與破壞沖擊次數(shù)差值最大提高幅度分別為100%，125%，150%。

由以上分析可知，層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊性能與陶瓷纖維層數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，但隨著陶瓷纖維層數(shù)的增加，試件抗彎沖擊性能提升幅度逐漸降低。綜合來看，當(dāng)陶瓷纖維層數(shù)為2，3層時(shí)，試件抗彎沖擊性能差異較小，由于2層陶瓷纖維施工更便捷，因此將其確定為最佳布置層數(shù)。

3 陶瓷纖維增強(qiáng)機(jī)理

通過對(duì)試件制作過程、試驗(yàn)過程及破壞形態(tài)的觀察，對(duì)陶瓷纖維改善試件抗彎沖擊性能的機(jī)理進(jìn)行分析，主要表現(xiàn)在以下方面。

1)混凝土是由多種材料混合而成的，在正常的混凝土試件制作過程中，會(huì)因多種原因?qū)е略嚰旧泶嬖谝欢ㄈ毕?，如振搗不均勻、骨料下沉等。由于本試驗(yàn)采用層布式的方式添加陶瓷纖維，分層振搗更充分，且陶瓷纖維起攔截作用，攔截骨料的下沉，保證混凝土內(nèi)部不同材料分布的均勻性，提高混凝土均質(zhì)性等內(nèi)在性能，避免出現(xiàn)混凝土內(nèi)部由于空隙或裂縫引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而充分發(fā)揮混凝土的性能。

2)陶瓷纖維屬于柔性纖維，柔性纖維極限伸長(zhǎng)率大、抵抗變形能力強(qiáng)，大量亂向分布的陶瓷纖維在一定程度上提高了混凝土試件極限拉伸應(yīng)變及斷裂能。

3)依照斷裂力學(xué)理論，在沖擊荷載作用下，混凝土試件受到?jīng)_擊破壞，主要是由混凝土內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展導(dǎo)致的，無論何種材料，裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展均需消耗能量，其中新裂縫產(chǎn)生所需的能量遠(yuǎn)大于裂縫擴(kuò)展所需的能量。由于陶瓷纖維非常細(xì)，大量陶瓷纖維分散在混凝土中，在試件內(nèi)部形成抗空間支撐體系。同時(shí)，纖細(xì)的陶瓷纖維與粗大的粉煤灰顆粒、水泥顆粒、砂粒等充分接觸，減少了混凝土試件內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生。陶瓷纖維具有較高的彈性模量和黏結(jié)強(qiáng)度，增加了微裂縫擴(kuò)展所需的能量，且陶瓷纖維拔出及拔斷過程同樣需要消耗大量的能量，所以有效提高了混凝土試件抗彎沖擊性能。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

當(dāng)陶瓷纖維摻量為0.34～3.1kg/m3時(shí)，層布式陶瓷纖維混凝土試件抗彎沖擊性能較素混凝土試件可提高26.7%～119.2%。已有研究表明[11-12]，當(dāng)玄武巖纖維摻量為2，2.5kg/m3時(shí)，玄武巖纖維混凝土試件抗彎沖擊性能較素混凝土試件可提高50%～180%；當(dāng)鋼纖維摻量為30，50，80kg/m3時(shí)，層布式鋼纖維混凝土試件抗彎沖擊性能較素混凝土試件可提高60%～240%。目前陶瓷纖維、玄武巖纖維及鋼纖維價(jià)格分別約為6 050，7 200，4 100元/t，經(jīng)粗略測(cè)算，當(dāng)層布式陶瓷纖維混凝土試件、玄武巖纖維混凝土試件、層布式鋼纖維混凝土試件獲得相同的抗彎沖擊性能時(shí)，層布式陶瓷纖維混凝土試件成本最低，具有廣闊的應(yīng)用空間。

5 結(jié)語

1)綜合來看，陶瓷纖維最優(yōu)體積摻量為0.2%，陶瓷纖維最優(yōu)布設(shè)層數(shù)為2層。

2)以抗彎沖擊耗能為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，當(dāng)陶瓷纖維體積摻量固定時(shí)，陶瓷纖維層數(shù)越多，試件抗彎沖擊性能提升效果越好；當(dāng)陶瓷纖維層數(shù)固定時(shí)，試件抗彎沖擊耗能隨著陶瓷纖維體積摻量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。

3)以初裂沖擊次數(shù)、破壞沖擊次數(shù)及二者差值為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，當(dāng)陶瓷纖維層數(shù)固定時(shí)，試件初裂沖擊次數(shù)、破壞沖擊次數(shù)及二者差值均隨著陶瓷纖維體積摻量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)陶瓷纖維體積摻量為0.2%時(shí)，不同陶瓷纖維層數(shù)下的試件初裂沖擊次數(shù)、破壞沖擊次數(shù)及二者差值均達(dá)較優(yōu)效果值。

4)以抗彎沖擊耗能為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，當(dāng)陶瓷纖維層數(shù)固定時(shí)，陶瓷纖維體積摻量對(duì)試件抗彎沖擊性能的影響程度從高到低排序依次為0.2%，0.3%，0.1%；當(dāng)陶瓷纖維體積摻量固定時(shí)，試件抗彎沖擊耗能隨著陶瓷纖維層數(shù)的增加而增加，但增加幅度逐漸減小。

5)以初裂沖擊次數(shù)、破壞沖擊次數(shù)及二者差值為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，當(dāng)陶瓷纖維體積摻量固定時(shí)，試件初裂沖擊次數(shù)、破壞沖擊次數(shù)及二者差值均隨著陶瓷纖維層數(shù)的增加而增大，但增加幅度逐漸減小。

6)陶瓷纖維作為性能優(yōu)異的柔性纖維，可提高混凝土抗彎沖擊性能，且成本較低，具有廣闊的應(yīng)用空間。