混雜纖維增強超高性能混凝土彎曲韌性

鄧宗才, 薛會青

(1.北京工業(yè)大學 建筑工程學院, 北京 100124; 2.北京市市政工程研究院, 北京 100037)

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)是基于堆積密度理論和纖維增韌技術發(fā)展起來的一種具有超高強度、超耐久性的水泥基復合材料,但是隨著UHPC強度提高,脆性增加[1],如何改善其韌性、降低脆性是目前國際學術界和工程界關注的熱點問題。鋼纖維的摻入可以改善UHPC的變形能力,但是當鋼纖維摻量為1%～2%時,UHPC受壓、受彎和受拉試件峰值荷載后,持荷能力下降較快,荷載-變形曲線下降段較陡,宏觀裂縫擴展較迅速,吸收地震、疲勞、沖擊能量的能力有待于進一步提升[2-3]。多摻鋼纖維大幅度增加了UHPC的制備成本,同時影響了鋼纖維分散性,給UHPC的施工帶來一定困難。文獻[4-5]研究了纖維摻量對噴射混凝土、再生骨料混凝土斷裂能的影響。陳倩等[6]研究了鋼纖維與聚丙烯纖維混摻對UHPC強度的影響規(guī)律。李傳習[7]研究了纖維種類對UHPC力學性能的影響。張翼等[8]研究了高韌性水泥基材料制備方法。楊健輝等[9]研究了混摻纖維對混凝土的增強效果。但關于鋼纖維與不同種類非金屬纖維混摻以改善UHPC彎曲韌性的研究甚少。目前迫切需要開發(fā)適用于制備UHPC的非金屬類新型纖維,通過鋼纖維與合成纖維、無機纖維等混雜,進一步改善UHPC韌性、降低成本[10]。

鋼纖維(SF)與粗聚烯烴纖維(PP)混摻對改善UHPC變形能力的影響,結果表明摻入粗PP纖維有利于改善UHPC峰后變形能力[10-12]。本文在此基礎上研究了SF分別與粗聚烯烴纖維(PP)、聚乙烯醇纖維(PVA)、粗聚酯纖維(PET)、細耐堿玻璃纖維(GF)和玄武巖纖維(BF)等混摻對改善UHPC彎曲變形能力的影響規(guī)律。通過掃描電鏡觀察了UHPC斷面的破壞形態(tài),從微觀角度分析了UHPC的斷裂過程以及纖維的失效模式。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗材料

UHPC主要材料由水泥、微細礦物摻合料、河砂組成,各組分比例為1∶0.88∶2.33,水膠比0.18。其中水泥為P·II·42.5R硅酸鹽水泥,微細礦物摻合料是以硅粉和S95礦粉為原料,具有一定細度和活性的礦物摻合料。硅粉為Hkem951級硅微粉。細骨料為粒徑0.18～0.20 mm的河砂;減水劑為高效聚羧酸減水劑,減水率不小于30%。

鋼纖維直徑0.20 mm,長度13 mm,抗拉強度2 850 MPa。粗PVA纖維直徑為0.20 mm,長度分別為8、12 mm;表面壓痕PET纖維直徑分別為0.75、0.90 mm,長度均為30 mm。3種長度的GF、1種PVA纖維和1種BF均為細纖維。纖維幾何尺寸及力學性能指標列于表1,各類纖維照片如圖1所示。纖維的命名原則為:首先為非金屬纖維品種的英文縮寫,其后是纖維長度,最后是纖維直徑。例如PP-16-0.15,表示聚烯烴纖維,長度和直徑分別為16 mm和0.15 mm。試驗所用配合比中鋼纖維體積摻量均為1.30%,其他非金屬纖維體積摻量均為0.50%。保持鋼纖維和非金屬纖維摻量不變,以便比較不同品種和尺寸的非金屬纖維對UHPC彎曲韌性的影響。

1.2 試驗裝置與試驗方法

梁試件尺寸均為100 mm×100 mm×400 mm,凈跨為300 mm。每個配合比澆筑3個平行試件,試驗結果取3個試件的平均值。試件成型后在室內(nèi)自然條件下靜置養(yǎng)護2 d后脫模,20 ℃±2 ℃、相對濕度95%以上的標準養(yǎng)護室養(yǎng)護24 d,最后在室內(nèi)自然條件下繼續(xù)養(yǎng)護2 d后開始試驗。澆筑了3個尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件,用于測定28 d立方體抗壓強度。

采用四點彎曲加載試驗,加載點距離支座的距離為50 mm,加載裝置為MTS全閉合電液伺服試驗機。加載采用位移控制模式,從開始加載到達到峰值荷載前,加載速率為0.10 mm/min,峰值荷載后加載速率為0.60 mm/min。

2 混雜纖維對UHPC強度和彎曲韌性的影響

2.1 抗壓強度

各配合比的立方體抗壓強度實測平均值列于表2。單摻鋼纖維的UHPC抗壓強度為116.52 MPa,而混摻非金屬纖維后,除S1.3PVA0.5-12a和S1.3G0.5-12a,抗壓強度均有提高。S代表鋼纖維,1.3表示體積摻量為1.30%,其后依次為非金屬纖維名稱、體積摻量和纖維長度。試驗中長度12 mm的PVA纖維、長度30 mm的PET纖維,分別有2種不同直徑用a、b加以區(qū)分,a為同類纖維中直徑較細的一種。

表2 UHPC立方體抗壓強度平均值Table 2 Average value of the compressive strength of UHPC

與單摻1.3%鋼纖維的試件相比,混摻粗PP-16-0.15、PP-40-0.6試件的抗壓強度分別提高7.74%和11.17%;鋼纖維分別與長度為8 mm和12 mm,直徑均為0.20 mm的粗PVA纖維混摻,抗壓強度分別提高10.30%和17.06%;鋼纖維與粗PET纖維混摻,抗壓強度提高4.65%～10.75%,混摻粗PVA纖維對改善抗壓強度效果較明顯?；鞊戒摾w維和粗合成纖維的UHPC試件受壓時,在UHPC微細裂縫擴展過程中,混雜纖維具有良好的約束、橋聯(lián)作用和控裂能力,對峰值應力有一定的提高作用。關于混摻鋼纖維和粗合成纖維的UHPC受壓性能還需要更多的試驗研究。

2.2 破壞過程

梁的典型破壞形態(tài)和斷裂面如圖2所示。試件的破壞過程與試驗現(xiàn)象:對于混摻纖維的試件,當加載值較小時,試件均未開裂,彎曲變形小;進一步加載,試件出現(xiàn)細微小裂縫,如圖2(a)所示。繼續(xù)加載,梁底部最初的細微裂縫明顯擴展,裂縫寬度增加,如圖2(b)所示,聲音是由試件中纖維被拔出或拉斷所致?；鞊嚼w維試件初裂后,仍然可以繼續(xù)承受荷載,呈現(xiàn)二次強化,即荷載持續(xù)上升,跨中撓度持續(xù)增加,抗彎剛度下降。荷載達到峰值后,荷載減小,撓度持續(xù)增加。從試件初裂到下降階段,一直伴隨著間斷性“嘎嘣”聲,表明在裂縫處纖維拔出或拉斷的現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生。隨著裂縫擴展變大,主裂縫處纖維被拔出或拉斷的數(shù)量增加,纖維與基體間滑移不斷增加,主裂縫截面有效受拉面積減小,荷載明顯下降,直至試件最終破壞,試件破壞后主裂縫狀態(tài)如圖2(c)示。

圖2 梁破壞形態(tài)和斷裂面Fig.2 The failure mode and fracture surface of the beams

圖2(d)為鋼纖維與粗PP纖維混摻試件的破壞斷裂面?？擅黠@看出,斷面處鋼纖維多數(shù)被拔出,部分粗PP纖維被拉斷。

2.3 荷載-撓度全曲線

梁的荷載、撓度實測值列于表3,鋼纖維與其他種類纖維混摻試件的荷載-撓度(P-f)曲線見圖3。可以看出:與單摻鋼纖維試件相比,混摻纖維試件的峰值荷載和峰值撓度明顯增加,下降段緩慢。試件在達到峰值荷載后仍能保持較高的抗彎承載能力,下降段均呈上下抖動鋸齒狀,判定為加載過程中纖維不斷被拔出或拉斷的過程,表明混摻纖維能有效提升其裂后變形能力。

圖3 纖維增強UHPC P-f曲線Fig.3 The P-f curves of fiber reinforced UHPC

表3 荷載、撓度及抗彎強度平均值Table 3 Average values of load, deflection and bending strength

圖3(a)為典型的鋼纖維分別與2種不同長度的粗PP纖維混雜試件的P-f曲線的比較。當PP纖維長度由16 mm提高至40 mm時,試件的P-f上升段略有增加,峰值荷載有所提高,對下降段影響較小;PP纖維長度增加對試件P-f曲線下面積的增加有一定貢獻。圖3(b)為鋼纖維分別與2種不同長度粗PVA纖維、一種細PVA纖維混雜試件的荷載-撓度P-f曲線的比較。粗PVA纖維對UHPC增韌效果明顯,P-f曲線下面積均增大。在PVA-12-0.04、PVA-8-0.2和PVA-12-0.2的3種幾何尺寸的纖維中,PVA-12-0.04纖維增韌效果顯著,曲線下面積明顯增加,其次是PVA-12-0.2纖維。鋼纖維分別與PVA-8-0.2和PVA-12-0.2混摻的試件,峰值荷載和上升段曲線下面積接近,PVA-12-0.2纖維的曲線下降段明顯高于PVA-8-0.2,表明PVA-12-0.2纖維增韌效果高于PVA-8-0.2纖維。圖3(c)為鋼纖維分別與2種粗PET纖維混摻試件的比較。PET纖維對峰值荷載有提高作用,下降段更平緩。圖3(d)為鋼纖維分別與4種粗合成纖維混摻試件的比較。在混摻粗纖維試件中,PVA纖維的增韌效果相對最好,峰值荷載和曲線下面積明顯增加。PET纖維相較于PP纖維峰值荷載略有增加,但其下降段面積明顯減少。圖3(e)為鋼纖維分別與3種細GF和一種BF混摻試件的比較。試件摻入GF對其峰值荷載提升幅度大。GF對試件下降段的改善效果排序為:GF長度12 mm>6 mm>18 mm。在分析不同長度GF對增韌效果的影響時,需綜合考慮纖維在攪拌過程中的分散與磨損狀態(tài)。

3 彎曲韌性評價與微觀機理分析

3.1 硬化指數(shù)與彎曲韌性評價

混雜纖維增強UHPC具有明顯的應變硬化特征,UHPC初裂后,由于混雜纖維的橋聯(lián)和阻裂作用,撓度增加,承載力繼續(xù)增大。本文用硬化指數(shù)Ihard表征混雜纖維UHPC的變形硬化特征,Ihard越大,表明應變硬化越顯著:

Ihard=fu/fcr

(1)

式中:fu為UHPC峰值抗彎強度;fcr為初裂抗彎強度。

纖維混凝土軟化階段彎曲韌性評價,采用美國ASTMC1609[13]和歐洲的峰值荷載后抗彎強度(post-crack-strengths,PCS)等效法[14-15],分別求出梁抗彎強度值和抗彎強度比。

歐洲PCS計算下降段不同撓度處的等效抗彎強度fm為:

(2)

式中:下標m為特定撓度值(L/a,a分別取150和100,L為梁跨度);Tpost,m為從峰值荷載所對應的撓度算起,直至撓度為L/a時,荷載-撓度曲線下的面積;δpeak為峰值點撓度;b和h是梁的寬度和高度。

將每個試件不同撓度處的等效抗彎強度值列于表3,表中f2和f3分別為撓度為2 mm、3 mm時的等效抗彎強度。

(3)

(4)

結合復合材料理論對表3所示計算結果數(shù)據(jù)分析進行分析:

1) 纖維彈性模量對增強增韌效果的影響規(guī)律。與混摻較低彈性模量的PET纖維、PP纖維相比,混摻較高彈性模量PVA、GF對提高硬化指數(shù)和不同撓度處的等效抗彎強度作用明顯。其中混摻PVA纖維的等效抗彎強度f2為9.69～12.62 MPa,混摻GF的等效抗彎強度f2為11.25～13.17 MPa,而混摻較低彈性模量PP纖維的等效抗彎強度f2為5.32～7.19 MPa,混摻PET纖維的等效抗彎強度f2約為8.5 MPa?？梢娀鞊捷^高彈性模量的PVA、GF,其控裂、阻裂能力高于較低彈性模量的PP和PET纖維;

2) 纖維長度對增強增韌效果的影響規(guī)律。粗PVA纖維長度在一定范圍內(nèi)增加,有利于提高纖維錨固作用、提高纖維與基體的界面粘結力。如直徑為0.2 mm的PVA纖維,長度由8 mm變?yōu)?2 mm時,UHPC硬化指數(shù)提高11.49%,等效抗彎強度f2、f3分別提高30.24%和17.75%。這是由于粗PVA纖維長度增加,其錨固長度增加,纖維與基體的界面粘結面積增大,纖維拔出或拉斷所需的能量增大,對提高增強與增韌效果有利。

纖維摻量相同時,粗PP纖維長度從16 mm變?yōu)?0 mm,其峰值抗彎強度和等效抗彎強度稍有下降。表明粗PP纖維長度過長,超出合理范圍時,降低了UHPC密實性,不利于UHPC增強增韌效果的改善。

對于3種長度的細GF,纖維長度增加會影響其分散性,降低UHPC致密性,增加UHPC內(nèi)部缺陷,影響纖維的增強增韌效果。長度6 mm GF的峰值抗彎強度fu和等效抗彎強度f3高于長度12、18 mm的GF。長度為18 mm的GF硬化指數(shù)和等效抗彎強度降低更為明顯,這是由于纖維長度增加不僅影響了GF的分散性,也使得GF在攪拌過程中纖維磨損較為明顯,影響其增韌效果;

3) 纖維直徑對增強增韌效果的影響規(guī)律。相同摻量和纖維長度下,粗PET纖維直徑由0.75 mm變?yōu)?.9 mm時,硬化指標和等效抗彎強度f2均小幅提高,這是由于PET表面進行了壓痕處理,纖維直徑增加,壓痕深度增加;增大壓痕深度,提高了纖維與UHPC基體的界面粘結面積和握裹力,纖維不易從基體中拔出,提高其增強與增韌效果;

4) 有機纖維與無機纖維對增強增韌效果的影響規(guī)律。長度均為12 mm,細PVA纖維與細BF比較,前者的等效抗彎強度f2、f3和峰值抗彎強度fu均大于后者,這是由于BF是無機纖維,脆性較大,在攪拌過程中容易發(fā)生磨損斷裂,影響增強增韌效果。

3.2 斷面微觀形態(tài)

圖4為UHPC斷裂面在掃描電子顯微鏡下的表面形態(tài)。

其中圖4(a)～(c)為纖維在UHPC基體中的形態(tài),可知纖維與UHPC基體具有較強的機械咬合作用,粘結緊密。圖4(d)顯示了纖維與基體的脫粘,纖維與基體間發(fā)生的相對滑移不僅迫使部分附著在纖維表面的薄弱基質被攜帶出來,而且纖維周圍包裹的基質也產(chǎn)生大量裂紋,宏觀上表現(xiàn)為P-f曲線出現(xiàn)典型的彎曲硬化特征。

圖4(e)中孔洞A和B為BF從基體中拔出所致。由于橋接應力的增長,纖維在剝離過程中被明顯拉長,消耗大量能量,同時泊松效應引起纖維橫向收縮導致其與基體進一步脫粘,直至發(fā)生剝離,此時纖維與基體間的粘聚力消失,宏觀上對應P-f曲線的軟化行為。在掃描電子顯微鏡圖像中,可看出纖維的失效模式為大部分鋼纖維為拔出破壞,部分非金屬纖維為被拉斷。

4 結論

1) 用硬化指數(shù)表征峰前應變硬化特征,用峰后不同撓度處的等效抗彎強度表征峰后應變軟化特性和殘余持載能力的方法,可全面評價UHPC峰前和峰后的混雜纖維增強和增韌效應。

2) 鋼纖維分別與粗聚烯烴纖維、聚乙烯醇纖維、聚酯纖維以及細耐堿玻璃纖維、玄武巖纖維混摻,對改善UHPC彎曲韌性具有較好的作用,特別對提高UHPC峰值荷載后的變形能力作用明顯。

3) 混摻纖維UHPC梁的P-f曲線具有明顯的二次硬化特性,特別是鋼纖維分別與聚乙烯醇纖維、玻璃纖維混摻對改善UHPC彎曲韌性和抗彎強度作用明顯。

4) 細的玻璃纖維與玄武巖纖維相比,在相同體積摻量下,玻璃纖維比玄武巖纖維的彎曲韌性更優(yōu)越;混摻較高模量的非金屬纖維其增韌控裂效果優(yōu)于低模量纖維。

5) 微觀掃描電鏡結果顯示,纖維與UHPC基體具有較強的機械咬合作用,粘結緊密;大部分鋼纖維失效模式為從基體中被拔出,部分非金屬纖維被拉斷。