改性合成纖維混凝土彎曲及抗沖擊試驗

李長輝，楊 放，王啟材，陳 宇，韋志遠，吳 堃

(1. 中國民航大學交通科學與工程學院，天津 300300; 2. 天津大學建筑工程學院，天津300384； 3. 廣西大學土木建筑工程學院，廣西南寧 530004)

0 引 言

纖維混凝土能夠有效解決普通混凝土抗拉強度低、韌性差、容易開裂等問題，目前廣泛應用于土木工程各領域?，F有研究成果表明：玄武巖纖維[1]、鋼纖維[2-4]、復合纖維[5-6]、聚丙烯纖維[7-10]、聚乙烯醇纖維[11]的摻入可以在一定程度上提升混凝土的彎曲韌性及沖擊韌性。Kurihashi等[12]研究了凍融循環(huán)作用下鋼筋混凝土梁的抗沖擊性能，試驗結果表明當鋼筋混凝土梁遭受凍融損傷時，損傷發(fā)生的位置集中在荷載加載點處。Bankir等[13]研究了鋼纖維、玻璃纖維、合成纖維及聚丙烯纖維與水泥中粉煤灰置換率、電弧爐爐渣置換率間的相互作用對鋼筋與混凝土機械黏結性能的影響，試驗結果表明配比為體積摻量0.02%鋼纖維、0.23%玻璃纖維、0.25%合成纖維、0.25%聚丙烯纖維、19.95%粉煤灰、31.64%電弧爐爐渣及400 kg·m-3黏合劑時為最優(yōu)配比。Sahin等[14]研究了反復凍融循環(huán)對混凝土結構凍害及內部損傷作用的微觀作用機理，得到了凍結速率及解凍條件對于混凝土結構耐久性能的影響規(guī)律。此外，Guo等[15]進行了彎曲、準靜態(tài)及動態(tài)劈裂拉伸試驗，研究表明，當聚丙烯纖維體積摻量為0.12%、鋼纖維體積摻量為2.5%左右時，鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土具有較好的彎曲韌性。高峰等[16]的研究表明，當聚酯纖維體積摻量為3%時混凝土抗折強度提高幅度最大。玻璃纖維[17]及碳纖維[18]的摻入也可以提升混凝土的抗沖擊性能，試驗結果表明同時考慮經濟因素及對混凝土抗沖擊性能的改善，摻有玻璃纖維的混凝土相較于聚丙烯纖維及碳纖維混凝土表現更為出眾。Li等[19-20]以鋼纖維、玄武巖纖維、聚丙烯纖維作為增強材料，研究了混雜纖維混凝土在壓、拉、彎、剪方面的力學性能及纖維混凝土剪力鍵的抗震性能，結果表明當鋼纖維、玄武巖纖維質量摻量分別為180 kg·m-3及4.5 kg·m-3時，混雜纖維混凝土綜合力學性能最優(yōu)。此外，Hsie等[21]發(fā)現單絲粗聚丙烯纖維以及短聚丙烯纖維在協(xié)同工作時混凝土的力學性能優(yōu)于單摻纖維。李長輝等[22]研究了不同孔隙率、凍融速率、除冰液濃度及溫度等因素在凍融循環(huán)作用下對于透水混凝土道面抗凍性能的影響，得到了多孔混凝土抗凍性與乙二醇除冰液濃度間的變化關系。嚴武建等[23]研究了在凍融循環(huán)作用下引氣劑及聚丙烯纖維摻量對于混凝土力學性能的影響，結果表明，摻加引氣劑的C30聚丙烯纖維混凝土其抗凍性能改善最為顯著。在鋼纖維-聚丙烯纖維再生混凝土的抗沖擊性能方面，孔祥清等[24]研究發(fā)現當鋼纖維體積摻量為1.5%、聚丙烯纖維體積摻量為0.9%時，再生混凝土的抗沖擊性能提升最佳。劉賀等[25]通過8組混雜纖維混凝土試件對其韌度進行了試驗研究，結果表明鋼纖維能顯著提高混凝土的抗彎、抗拉強度，仿鋼絲聚丙烯纖維與銑削型鋼纖維組成的混雜纖維混凝土韌度最高。

由上述研究分析可知，目前針對普通混凝土摻入改性合成聚丙烯纖維后的力學性能及沖擊性能試驗研究有限。此外，這些研究主要集中在纖維混凝土抗壓、抗拉、抗彎等方面的增強效果，而關于纖維混凝土試件經凍融后的沖擊性能試驗研究較少。同時根據研究者前期研究發(fā)現[19-20]，在混凝土中同時摻入鋼纖維、玄武巖纖維可很大程度上提高混凝土抗彎韌性及抗彎、抗拉強度，但鋼纖維混凝土存在纖維摻量大、造價高等情況。改性合成聚丙烯纖維作為一種新型增強材料，具有高強度、高彈性模量、分散性好、經濟效能好等優(yōu)勢。因此本文選取與前期所用鋼纖維長度相同的40 mm改性合成聚丙烯纖維作為研究對象，同時選取20 mm長的改性合成聚丙烯纖維、6～12 mm長的短切聚丙烯腈纖維及無纖維普通混凝土作為對照組。采用彎曲試驗裝置及自行設計的落錘式沖擊裝置，對改性合成聚丙烯纖維混凝土進行四點彎曲試驗和經凍融前后的沖擊試驗，并與聚丙烯腈纖維混凝土及不摻加纖維的普通混凝土的荷載-位移曲線、初裂及破壞沖擊次數、抗彎韌性等試驗結果進行對比分析，得到了纖維類型、纖維摻量、凍融循環(huán)次數等因素對于纖維混凝土材料彎曲及沖擊性能的影響規(guī)律。

1 試驗設計

1.1 試驗原材料及試件分組

本試驗選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，細骨料為干燥清潔的河砂，粗骨料為級配良好的碎石。纖維主要力學參數及纖維混凝土配合比分別如表1及表2所示。本次試驗中，試件編號為A、B、C、D，分別表示不摻有纖維的素混凝土試件、摻有長度為20 mm的合成聚丙烯纖維的混凝土試件、摻有長度為40 mm的合成聚丙烯纖維的混凝土試件及摻有聚丙烯腈纖維的混凝土試件。試件編號后的數字表示每立方米纖維的質量摻量，各組摻量分別為1、3、6、9 kg·m-3，合成聚丙烯纖維及聚丙烯腈纖維摻量根據前期研究試驗確定，每組試件包括立方體抗壓試件3個，四點彎曲試驗用試件4個，抗沖擊試驗用試件4個，共143個試件。

表1 纖維主要力學參數Table 1 Main Mechanical Parameters of Fibers

表2 纖維混凝土配合比Table 2 Mix Proportion of Fiber Reinforced Concrete

1.2 試件制備與養(yǎng)護

在混凝土試件的制備過程中，采用60 L混凝土攪拌機進行攪拌。具體流程為：先將砂、碎石、纖維干拌，然后加入水泥干拌，總時長為1.5 min；最后加入水濕拌4 min。攪拌完成后，將混凝土用標準方法振搗。靜置24 h后即可將混凝土從模具內取出，隨后將脫模后的試件放入溫度20 ℃±2 ℃、相對濕度為95%的標準恒溫箱中養(yǎng)護28 d。

2 試驗結果及分析

2.1 立方體抗壓試驗

本次試驗測得13組混凝土試件的立方體平均抗壓強度柱狀圖如圖1所示，其中紅色數據點表示強度變化趨勢。由圖1可知：在1 kg·m-3摻量下，B組、C組、D組的立方體抗壓強度均略高于A0組；在3 kg·m-3摻量下，B組、C組、D組的立方體抗壓強度與A0組接近，分別下降了2%、2%、14%；在6 kg·m-3以及9 kg·m-3摻量下，B組、C組、D組立方體抗壓強度略低于A0組。

試驗結果表明，普通混凝土試件立方體平均抗壓強度達到42.7 MPa。當合成聚丙烯纖維及聚丙烯腈纖維摻量較小時，不影響普通混凝土抗壓強度或略微提高其抗壓強度。然而隨著纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強度呈下降趨勢。這是由于纖維在混凝土砂漿中分布不均或在拌合時產生初始裂縫(缺陷)所致。B組與C組合成聚丙烯纖維的彈性模量雖相同，但20 mm長合成聚丙烯纖維在混凝土中更容易攪拌，分布也更均勻，因此其對強度的影響會較??；40 mm長合成聚丙烯纖維由于長度原因，會影響其在混凝土砂漿中的分布均勻性，因此其對強度的影響程度相較于B組更大。D組中摻入的聚丙烯腈纖維屬于單絲纖維，隨著纖維摻量的增加，在混凝土砂漿中結團的概率也大幅提升，且單絲纖維相比合成纖維，其彈性模量也較低，因此混凝土強度降低的趨勢越明顯。

2.2 棱柱體四點彎曲試驗

2.2.1 試驗方法

本文根據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)、《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13:2009)開展試驗研究，在標準條件下養(yǎng)護28 d后對截面尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件進行四點彎曲試驗，采用位移控制方式，加載速率為1 mm·min-1，試驗裝置如圖2所示。

2.2.2 試驗結果及分析

四點彎曲試驗數據如表3所示，其中，Ω為在荷載-位移曲線中達到峰值荷載時曲線與x軸圍成的面積，用以反映混凝土試件的抗彎韌性，該值越大，抗彎韌性越強。相同摻量下不同種類纖維的荷載-位移曲線如圖3所示。纖維混凝土的極限彎曲強度可由式(1)計算得到。

表3 四點彎曲試驗結果Table 3 Results of Four-point Bending Test

fu=FuL/(bh2)

(1)

式中：L為試驗梁支座間的跨距；b為試件橫截面寬度；h為試件橫截面高度。

由表3可知，A0組的四點彎曲強度最低，為4.92 MPa，B組、C組、D組由于摻入纖維均有小幅度提升，但三者差異很小，四點彎曲強度在5.15～5.53 MPa之間變化，相較于素混凝土提升了4.67%～12.40%。而合成聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維均能顯著提升混凝土的抗彎韌性，但表現出較大差異，B組的抗彎韌性相較于A0組提升了40.80%～102.52%；C組的抗彎韌性相較于A0組提升了60.09%～120.62%；D組的抗彎韌性相較于A0組提升了10.39%～62.46%。從圖3可以明顯看出，摻有纖維的B組、C組、D組峰值荷載都高于A組，峰值荷載對應的位移以及極限位移也表現出同樣的規(guī)律，按照從小到大排序依次為A組、D組、B組、C組。A組與D組的曲線形狀較為接近，曲線在達到峰值荷載后均垂直下降。當合成聚丙烯纖維摻量為6 kg·m-3及9 kg·m-3時，B6、B9、C6、C9組抗彎試件在達到極限荷載后并未直接下降，而是出現了較為平緩的下降段，并且此下降段的延伸幅度隨著摻量的增加而增加。此外，部分組曲線在下降后還能繼續(xù)上升，體現出良好的延性變形能力。由此可見，纖維的摻入使得混凝土和纖維成為受力共同體，共同承受來自外部的荷載，提高了混凝土抵抗變形的能力，從而使得纖維混凝土的抗彎韌性顯著增長。

2.2.3 試驗現象及破壞形態(tài)

在四點彎曲試驗過程中，隨著荷載的增加，不摻纖維的A0組混凝土試件在出現裂縫的同時，試件直接發(fā)生脆性破壞，斷裂為兩部分。原因在于素混凝土在達到峰值荷載后無法阻止試件內部細觀裂縫擴展，從而導致其快速延伸至表面，出現脆性破壞。而摻有改性合成聚丙烯纖維的B組、C組混凝土試件在出現裂縫后，仍能長時間變形，透過裂縫可以觀察到試件內部的纖維相互連接，在混凝土部分達到極限承載力后，纖維還能繼續(xù)承受荷載。在加載末期，可以清楚聽到纖維被拔出的聲音，裂縫兩側的試件向上拱起但并未破壞，體現出合成聚丙烯纖維混凝土良好的延性變形能力。D組混凝土試件破壞接近素混凝土，但由于纖維的存在，混凝土試件并未直接斷裂，只出現一條上下貫通的細小裂縫。不同摻量、不同纖維類型下試件的破壞形態(tài)如圖4所示。從圖4可以看出，當纖維的摻量在1 kg·m-3及3kg·m-3時，試件表面僅有1條主裂縫，當纖維摻量增加到6 kg·m-3時，40 mm長聚丙烯纖維試件在破壞面出現了多裂縫共同延伸的情況，當纖維摻量增加到9 kg·m-3時，3組纖維混凝土試件均出現了多裂縫共同延伸發(fā)展的現象。試驗結果表明，纖維的摻入可明顯改善普通混凝土的脆性，增強混凝土試件的抗裂性能，且隨纖維摻量的增加，混凝土試件表面裂縫最大寬度逐漸增大，混凝土表面開裂情況從單裂縫開裂逐漸向多裂縫共同延伸開裂發(fā)展，試件在承受峰值荷載后的變形性能也隨之提高。

2.3 沖擊試驗

2.3.1 試驗方法

目前常用的沖擊試驗方法有落錘式沖擊試驗、MTS試驗、SHPB試驗、輕氣炮沖擊試驗及擺錘試驗等，本文參考中國《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS13：2009)中落錘沖擊試驗裝置，采用快速凍融循環(huán)試驗箱及自行設計改進后的沖擊試驗裝置(圖5)以測定合成聚丙烯纖維及聚丙烯腈纖維混凝土試件在未經凍融及經受凍融循環(huán)后的抗沖擊性能。凍融沖擊試驗采用100 mm×100 mm×100 mm立方體試件進行，采用快速凍融循環(huán)試驗機，以25次小循環(huán)為一次大循環(huán)，每一次大循環(huán)后將試件取出，置于室溫下完全自然晾干后稱重，記錄質量損失后再放入快速凍融循環(huán)試驗機進行下一次大循環(huán)，以研究凍融循環(huán)作用下纖維對于混凝土抗沖擊性能的改善作用。本試驗用9 kg的落錘從50 cm的高度處做自由落體運動，沖擊固定于立方體試件上方的鋼球，每次沖擊后檢查混凝土試件有無開裂或破壞等現象出現，記錄試件初裂沖擊次數N1(出現第一條裂縫)和破壞時的沖擊次數N2(試件與4塊擋板中任意3塊相接觸)。

2.3.2 試驗結果及分析

凍融前后的沖擊試驗數據如表4所示。相同摻量下不同種類纖維的沖擊次數如圖6所示。纖維混凝土沖擊耗能可以按式(2)計算。

表4 沖擊試驗數據Table 4 Data of Impact Tests

W=Nmgh

(2)

式中：W為沖擊耗能；N為沖擊次數；m為沖擊錘的質量，取9.0 kg；g為重力加速度，取9.8 m·s-2；h為沖擊錘下落高度，取500 mm。

由表4和圖6可以看出，未經凍融前，摻有長度為40 mm合成聚丙烯纖維的混凝土，其初裂沖擊次數及破壞沖擊次數均為最高，破壞沖擊次數相較于素混凝土提升了120%～306.67%，相較于B組提升了15.15%～35.90%，相較于D組提升了36.36%～60.66%。凍融循環(huán)25次后，A0組試件的初裂及破壞沖擊次數與凍融前較為接近，凍融循環(huán)50次后，初裂及破壞沖擊次數開始下降，分別為5次和14次，凍融循環(huán)75次后，初裂及破壞沖擊次數進一步下降，相比凍融前分別降低了42.86%和20%；B組在經歷75次凍融循環(huán)后，初裂及破壞沖擊次數相比凍融前分別下降了14.29%～23.53%和7.14%～13.33%；C組在經歷75次凍融循環(huán)后，初裂及破壞沖擊次數相比凍融前分別下降了5.56%～20%和6.06%～19.67%；D組在經歷75次凍融循環(huán)后，初裂沖擊次數及破壞沖擊次數相比凍融前分別下降了15.38%～29.41%和9.52%～14.29%。

由上述數據分析可知，合成聚丙烯纖維的摻入可以顯著地提升混凝土的抗沖擊韌性。其中，20 mm短合成聚丙烯纖維對于混凝土韌性的提高略低于40 mm長合成聚丙烯纖維，原因在于兩種纖維中較長的纖維所產生的拉結作用更加明顯。混凝土的抗沖擊能力顯著增長的原因在于纖維的拉結作用能有效減緩混凝土裂縫的產生，從而增強材料介質的連續(xù)性，減小沖擊波被阻斷引起的局部應力集中現象。摻有聚丙烯腈纖維的D組可以大幅度提升混凝土的抗沖擊韌性，但D組的提升幅度低于B組、C組，原因在于聚丙烯腈纖維的彈性模量及抗拉強度均低于改性合成聚丙烯纖維，且在攪拌過程中更容易結團。此外，聚丙烯腈纖維在混凝土初裂前對于沖擊韌性的改善情況良好，混凝土初裂后該種纖維發(fā)揮的作用較為有限。3種纖維混凝土在高摻量(6和9 kg·m-3)下相較于素混凝土對初裂及破壞沖擊次數的提升程度高于低摻量(1 kg·m-3和3 kg·m-3)。隨著凍融次數的增加，4組試件的沖擊次數也逐漸降低，原因在于凍融會使混凝土內部產生凍融損傷，并不斷加劇。但添加纖維后的沖擊次數降低幅度明顯低于素混凝土，說明纖維的摻入可以有效緩解混凝土內部的凍融損傷。

2.3.3 試驗現象及破壞形態(tài)

部分遭受沖擊的試件破壞形態(tài)如圖7所示。由圖7可知：在沖擊試驗過程中，A0組試件一旦表面產生細小裂縫，下次沖擊會使得裂縫急劇深化，此后僅數次沖擊，試件就會沿著類似于“人”字形的裂縫直接斷裂成三部分，屬于脆性破壞；B組、C組混凝土在經受多次沖擊后，試件表面才產生裂縫，此后裂縫開展較為緩慢，在此過程中可以觀察到裂縫間有纖維相互拉結，使得試塊在破壞后仍然保持立方體的整體形狀不變，屬于延性破壞；低摻量時，D組試件與A0組試件破壞形態(tài)接近，直接斷裂成兩部分；高摻量時，試件并未斷裂，僅在上表面形成較粗的“人”字形裂縫，且纖維的摻入可以有效改善混凝土經受凍融后的破壞形態(tài)，提高混凝土的抗凍性。

3 結語

(1)纖維的摻入可顯著提升混凝土的抗彎韌性及抗彎強度，其中摻有40 mm長合成聚丙烯纖維的混凝土的抗彎韌性改善效果最佳，相較于素混凝土提升了60.09%～120.62%；而摻有20 mm長合成聚丙烯纖維以及聚丙烯腈纖維的混凝土對于抗彎韌性的提升幅度也同樣可觀，相較于素混凝土分別提升了40.80%～102.52%和10.39%～62.46%。纖維混凝土四點彎曲強度在5.15～5.53 MPa之間變化，相較于素混凝土提升了4.67%～12.40%。

(2)纖維的摻入可顯著提升混凝土的抗沖擊性能。未經凍融前，摻有長度為40 mm的合成聚丙烯纖維混凝土，其初裂沖擊次數及破壞沖擊次數均為最高，相較于素混凝土分別提升了114.29%～157.14%和120%～306.67%，相較于摻有長度為20 mm的合成聚丙烯纖維混凝土分別提升了5.56%～23.53%和15.15%～35.90%，相較于聚丙烯腈纖維混凝土分別提升了5.56%～13.33%和36.36%～60.66%。

(3)纖維的摻入可減輕混凝土內部的凍融損傷，纖維種類改善凍融的效果以合成聚丙烯纖維最佳，聚丙烯腈纖維次之。