纖維協(xié)同效應(yīng)下超高性能混凝土的彎曲性能

李福海， 劉耕園， 劉夢輝， 楊宗馳， 穆勃江， 蘇君豪， 姜怡林

（西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031）

1994年Larrard與Sedran［1］提出了超高性能混凝土（ultra high performance concrete，UHPC）的概念，因其具有的高強度、優(yōu)異的耐久性和低滲透性［2］等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于橋梁工程、建筑工程、軍事防護工程、市政、電力、軌道交通工程等領(lǐng)域，具有十分廣闊的應(yīng)用空間與前景［3］。但同時UHPC也存在更大的脆性問題［4］，解決此問題的方式之一是加入不同種類與尺度的纖維［5］。陳倩等［6］指出體積分?jǐn)?shù)為1.5%的鋼纖維和長徑比為167、體積分?jǐn)?shù)為0.1%的聚丙烯細纖維的混凝土綜合性能最優(yōu)，并表現(xiàn)出了正混雜效應(yīng)。Ganesan 等［7］研究表明鋼纖維與聚丙烯纖維的混雜表現(xiàn)出正協(xié)同作用，增強了混凝土的抗拉和抗裂性能。Rashiddadash 等［8］測試了混雜纖維混凝土的韌性指標(biāo)，得出鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為0.75%、聚丙烯細纖維體積為0.25%的混凝土綜合性能最優(yōu)。Sivakumar 等［9］研究表明鋼-聚丙烯纖維混雜的各方面性能均優(yōu)于其他纖維組合?？紫榍宓龋?0］、吳海林等［11］的研究結(jié)果也同樣表明混雜纖維混凝土的彎曲韌性、抗裂能力均優(yōu)于摻單一纖維。由此可見，混雜纖維可以從多方面改善混凝土性能。本文在前人基礎(chǔ)上從多方面評價鋼-聚丙烯粗纖維在單摻、混摻模式下的UHPC 的彎曲韌性，同時提出一種可用于評價混雜纖維協(xié)同效應(yīng)的預(yù)測模型，并在2 種彎曲韌性方法下驗證了其可行性，最后結(jié)合掃描電子顯微鏡（SEM） 對混雜纖維UHPC 微觀結(jié)構(gòu)進行觀測分析，進一步揭示混雜纖維產(chǎn)生的微觀協(xié)同作用及增強增韌機理。

1 試驗概況

1.1 原材料

① 水泥：P.O42.5R 級普通硅酸鹽水泥；② 粉煤灰漂珠：粉煤灰漂珠，比表面積10.99m2·g-1，堆積密度750kg ·m-3；③ 硅灰：SF-95 型二氧化硅微粉；④ 骨料：采用10～20 目、40～70 目2 種級配石英砂；⑤ 水：成都市普通自來水；⑥ 減水劑：聚羧酸系高效減水劑（減水率大于30%）；⑦ 纖維：長徑比65 的平直型鍍銅鋼纖維與長徑比58 的平直型聚丙烯粗纖維，其外觀與性能見圖1與表1。

表1 纖維主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of fiber

圖1 纖維外觀Fig.1 Fiber appearance

1.2 試件設(shè)計

UHPC基準(zhǔn)配合比見表2。 為探究混雜纖維對UHPC 的增強作用，摻加鋼纖維與聚丙烯粗纖維體積分?jǐn)?shù)分別為0、0.5%、1.0%、1.5%，相應(yīng)命名為S00、S05、S10、S15 與P00、P05、P10、P15，如摻體積分?jǐn)?shù)為1.0%鋼纖維與體積分?jǐn)?shù)為0.5%聚丙烯粗纖維的命名為S10P05。其中纖維混雜試驗共9 組，單摻纖維及不加纖維的對比試驗7組，共16組，每組3個試件取平均值。

表2 超高性能混凝土基準(zhǔn)配合比Tab.2 UHPC benchmark mix ratio單位：kg·m-3

1.3 試驗方法

1.3.1 抗彎試驗

UHPC 彎拉強度測試參照《纖維混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（CECS13—2009），試件尺寸為100mm×100mm×400mm，每組3 個試件，澆筑28d 后在量程為300kN的電液伺服萬能試驗機上進行四等分點加載，利用自行設(shè)計的跨中變形測量輔助架以及固定在試件兩端的位移傳感器（LVDT）測量跨中變形，如圖2所示。圖中，L為試件長度，l為加載點之間的距離，P為荷載。在正式加載前對試件進行預(yù)加載，預(yù)加載速率為100N·s-1，達到開裂荷載的20%，目的是為了使試件和加載架充分接觸，并且通過位移計讀數(shù)判斷是否出現(xiàn)偏心，重復(fù)3 次。接著對試件進行正式加載，以100N·s-1的速率加載到極限荷載的60%，然后采用位移加載，加載速率為0.2mm·min-1，直至試件破壞。

圖2 彎拉強度測試Fig.2 Flexural strength test

1.3.2 微觀試驗

為進一步分析鋼-聚丙烯粗纖維對UHPC 的增強增韌作用，對抗彎試驗后混凝土斷面附近進行破碎處理，采用KYKY-EM3200型SEM觀測混雜纖維UHPC基體以及纖維的微觀形貌。

2 試驗結(jié)果

2.1 試件破壞形態(tài)

通過對不同纖維種類與摻量的UHPC試件進行抗彎試驗，得到圖3 典型的幾種彎拉破壞形態(tài)。其中無纖維試件隨著荷載的增加底部突然裂開，失去承載能力，其大裂縫走向幾乎為一條直線，試件發(fā)生脆性破壞，見圖3a；單摻體積分?jǐn)?shù)為1.0%鋼纖維試件的裂縫走向較曲折，破壞時有一定的持荷時間，說明鋼纖維的摻入起到了增加抗彎強度（ff）的作用，見圖3b；混摻體積分?jǐn)?shù)為1.0%鋼纖維與部分聚丙烯粗纖維的試件隨荷載的增加，底部出現(xiàn)主裂縫，同時隨著主裂縫延伸，四周出現(xiàn)部分微小裂縫，并且隨著聚丙烯粗纖維摻量的增加，主裂縫走向更加曲折，微裂縫數(shù)量增加，甚至有不連續(xù)裂縫出現(xiàn)，當(dāng)荷載增加時，在裂縫里有許多纖維處于繃直受力狀態(tài)，延緩了裂縫擴張，延長破壞的持荷時間，這些多種裂縫的出現(xiàn)分散了主裂縫上的應(yīng)力集中效應(yīng)，增加了試件韌性，見圖3c、3d與3e。以上結(jié)果均表明，鋼-聚丙烯粗纖維混雜UHPC 比單摻纖維UHPC 具有更大的韌性和延性。

圖3 超高性能混凝土典型彎拉破壞形態(tài)Fig.3 Typical flexural failure form of UHPC

2.2 荷載-撓度曲線

圖4中，Pcr為初裂荷載，δcr為初裂撓度，Ppeak為峰值荷載，δm為峰值擾度，UHPC 的荷載-撓度曲線特征根據(jù)試件的不同破壞模式分為3個階段。

圖4 荷載-撓度曲線示意Fig.4 Schematic diagram of load-deflection

（1） 彈性階段OA：試件加載初期，UHPC 基體和纖維共同受力，隨著撓度的增大，荷載幾乎呈線性增加，直至在試件底部形成第1 條裂縫，達到開裂荷載。

（2）撓曲硬化階段AD：達到開裂荷載后，部分試件中橋接在裂縫兩端的纖維開始受力并把一部分應(yīng)力傳遞給纖維表面的未開裂基體，使UHPC 能夠繼續(xù)承擔(dān)荷載，當(dāng)纖維增強增韌能力大于裂縫開展帶來的破壞時，試件承載力繼續(xù)上升，表現(xiàn)為纖維對基體的二次強化，此后裂縫不斷延伸和開展，使纖維失效，試件破壞。

（3）撓曲軟化階段AB：達到開裂荷載后，裂縫開展使試件承載力出現(xiàn)小幅度驟降，盡管纖維接管開裂處的荷載使試件承載力有所回升，表現(xiàn)出二次強化，但試件中纖維增強增韌能力不能彌補裂縫開展帶來的破壞，試件的承載力總體呈逐漸下降趨勢，當(dāng)豎向裂縫擴展到梁頂時，試件失去承載力。

2.2.1 單摻鋼纖維與聚丙烯粗纖維

單摻纖維的荷載-撓度曲線如圖5所示。對于圖5a，隨著鋼纖維的摻量增加，UHPC的破壞模式由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐?，并顯著提高了UHPC 的抗彎強度，如圖5c 與表3 所示，當(dāng)摻入0.5%、1.0%和1.5%的鋼纖維時，UHPC 的抗彎強度分別提升了4.0%、69.7%和99.9%，并且對初裂強度（fcr）也有較大的提升，說明鋼纖維對抑制微裂縫產(chǎn)生有較大作用。

表3 四點彎曲試驗結(jié)果Tab.3 Four-point bending test results

圖5 單摻纖維超高性能混凝土荷載-撓度曲線Fig.5 Load-deflection curve of single fiber UHPC

圖5b 表明，聚丙烯粗纖維的摻入同樣改變了UHPC 的破壞模式，但對UHPC 的抗彎強度與初裂強度提升微弱。如圖5c 與表3 所示，當(dāng)摻入0.5%、1.0%和1.5%的聚丙烯粗纖維時，UHPC的抗彎強度分別提高了1.5%、5.7%、6.7%。同時，當(dāng)混雜纖維總體積摻量相同時，S10P05試件的抗彎強度大于S05P10 試件，S15P05 試件的抗彎強度大于S10P10試件，說明鋼纖維對UHPC 抗彎強度的提升效應(yīng)大于聚丙烯粗纖維?？梢越忉尀榫郾┐掷w維彈性模量較低，與高模量鋼纖維相比，強度增強作用不明顯［12］。

2.2.2 混摻鋼纖維與聚丙烯粗纖維

如圖5c 與表3，混雜纖維顯著提高了UHPC 的抗彎強度，提高幅度為17.8%～101.2%，說明不同混雜纖維對UHPC 的增強效應(yīng)較復(fù)雜，特別是S15P15 較S15P00 的抗彎強度下降了20.2%，再一次說明聚丙烯粗纖維對抗彎強度的提升有限，且摻量過高時會導(dǎo)致強度降低。

從圖6還可以看出，當(dāng)鋼纖維摻量相同時，混雜纖維UHPC 的荷載-撓度曲線隨著聚丙烯粗纖維摻量的提高更為飽滿、平緩，這是由于聚丙烯粗纖維減小了宏觀裂縫的擴展，增強了基體的增韌效果［13］。同時，從圖5a和圖6b以及圖6 c可以觀察到，無論是否加入聚丙烯粗纖維，當(dāng)鋼纖維摻入體積分?jǐn)?shù)達到1.0%后，UHPC 試件的峰值荷載均超過開裂荷載，即出現(xiàn)了撓曲硬化現(xiàn)象。

圖6 混雜纖維超高性能混凝土荷載-撓度曲線Fig.6 Load-deflection curve of hybrid fiber UHPC

2.3 纖維與撓曲階段關(guān)系

如圖5、圖6，與素UHPC相比，纖維的加入極大地改善了UHPC撓曲階段的曲線，具體如下：

（1）鋼纖維摻入體積分?jǐn)?shù)為0.5%及以下時，聚丙烯粗纖維比鋼纖維的直徑與長度大、，單位面積UHPC中纖維數(shù)量較少，不能有效阻止裂縫出現(xiàn)，而低摻量鋼纖維與聚丙烯粗纖維對UHPC基體增強有限，使試件初裂強度較低，同時試件初裂后橫貫裂縫的纖維開始發(fā)揮主要作用，通過自身變形與機械錨固消耗斷裂能［14］，對抗裂縫的發(fā)展，使基體重新具有持荷能力，呈現(xiàn)出 “二次強化”階段，但同樣由于纖維增強有限，曲線多表現(xiàn)為撓曲軟化現(xiàn)象。

（2）鋼纖維摻入體積分?jǐn)?shù)為1.0%及以上時，鋼-聚丙烯混雜纖維協(xié)同效應(yīng)增強，高摻量的高彈模鋼纖維均勻分布在UHPC 基體中，通過與基體的緊密黏結(jié)，抑制裂縫出現(xiàn)，使試件的初裂強度大幅增加［15］。此后低彈模的聚丙烯粗纖維也發(fā)揮作用，大體積摻量的混雜纖維使裂縫周圍的應(yīng)力重分布［16］，平滑地接管了斷裂面基體的持荷能力，曲線達到開裂荷載后不再下降，在混雜纖維的多項約束系統(tǒng)作用下，峰后“二次強化”段與“彈性強化”段融合，表現(xiàn)為曲線的“持續(xù)強化”，峰值荷載增加，表現(xiàn)出明顯的撓曲硬化現(xiàn)象。

（3）總纖維摻入體積分?jǐn)?shù)大于2.0%時，峰值荷載反而下降，這是因為太高的摻量導(dǎo)致纖維在UHPC 基體內(nèi)的平均間距減小，當(dāng)小到一定程度后導(dǎo)致纖維在基體內(nèi)分散不均、相互結(jié)團，影響與基體間的黏結(jié)性能，造成混凝土內(nèi)部缺陷增多，導(dǎo)致抗彎強度降低［17］。

2.4 纖維協(xié)同效應(yīng)

為進一步探究混雜纖維對UHPC 的協(xié)同效應(yīng)，參考纖維混凝復(fù)合材料理論公式（1）［18-19］，對單摻纖維的抗彎強度進行擬合分析。

式中：ff為UHPC 的抗彎強度；fb為素UHPC 的抗彎強度；Vf為纖維摻入體積分?jǐn)?shù)；α為纖維方向系數(shù)的乘積；τ為纖維與素混凝土基質(zhì)間的平均黏結(jié)應(yīng)力，ατ可看作纖維與混凝土之間的黏結(jié)系數(shù)；c為纖維長度；d為纖維直徑。

式（1）可分為基體與纖維兩部分，fb(1-Vf)代表基體受力，主要作用在圖4 的彈性階段；ατVfc/d代表纖維受力，對圖4的撓曲階段影響較大。采用2種不同的纖維，意味著ατ與c/d不同，為探究混雜纖維的對抗彎強度的不同影響，令k=ατc/d，提出式（2）：

式中：Vf，t為總纖維摻入體積分?jǐn)?shù)；Vf，s為鋼纖維摻入體積分?jǐn)?shù)；Vf，p為聚丙烯粗纖維摻入體積分?jǐn)?shù)；ks、kp分別為鋼纖維與聚丙烯粗纖維對混凝土的影響系數(shù)。

同樣地，fb(1-Vf，t)代表混雜纖維中的基體受力，ksVf，s代表鋼纖維受力大小，kpVf，p代表聚丙烯粗纖維受力大小。利用單摻纖維的ff擬合式（1）得到曲線如圖7，得到不同纖維的ks、kp，將其代入式（2），可以得到混摻纖維的ff預(yù)測曲線如圖8。

圖7 單摻纖維下抗彎強度擬合曲線Fig.7 Fitting curve of flexural strength with single-doped fiber

圖8 混雜纖維的試驗值與預(yù)測值Fig.8 Experimental and predicted values of hybrid fibers

由圖7可知，單摻纖維的曲線擬合度較好，說明式（1）可以很好地反映鋼纖維與聚丙烯粗纖維分別在不同單獨摻入體積分?jǐn)?shù)下的UHPC 抗彎強度變化，同時表明k值符合2 種纖維在基體中的受力情況。

值得注意的是，由式（1）推導(dǎo)出的式（2）僅考慮了各纖維在基體中的獨立作用。然而實際情況中，鋼纖維與聚丙烯粗纖維混雜具有一定的協(xié)同效應(yīng)，這部分作用在式（2）計算中未體現(xiàn)，所以圖8中試驗值與預(yù)測曲線具有一定的偏差，這部分偏差即是混雜纖維協(xié)同效應(yīng)的體現(xiàn)，并且偏差越大，協(xié)同效應(yīng)越大。故圖8中試驗值在預(yù)測曲線之下表現(xiàn)了混雜纖維的負協(xié)同效應(yīng)，在曲線上方的表現(xiàn)了混雜纖維的正協(xié)同效應(yīng)。

如圖8 所示，隨Vf，t的提高，UHPC 的抗彎強度先增加后降低，混雜纖維在Vf，t較低與較高時都呈現(xiàn)負協(xié)同效應(yīng)，當(dāng)1.5%≤Vf，t≤2.0%時，混雜纖維呈現(xiàn)正協(xié)同效應(yīng)，這主要與纖維摻量過低和過高時的分布不均有關(guān)，這與2.3節(jié)分析吻合，說明該評價方法有一定可行性，而S10P10 抗彎強度較高，且超過預(yù)測曲線更多，正協(xié)同效應(yīng)最大，說明此時混雜纖維在基體中能最大發(fā)揮作用。

另外，試驗中ks、kp分別代表鋼纖維與聚丙烯粗纖維的增強作用，牛建剛等［20］提到ατ與二次強化段有關(guān)，即纖維的增強作用主要集中撓曲階段，本研究中c/d相近，k可代表ατ，而ks、kp相差較大的主要原因是鋼纖維與聚丙烯粗纖維對撓曲階段的二次強化效應(yīng)相差較大，鋼纖維對UHPC 的增強作用遠大于聚丙烯粗纖維，且二次強化段越大，k值越大。

綜上，式（2）可用于評價混雜纖維的協(xié)同效應(yīng)，同時得出鋼纖維與聚丙烯粗纖維摻入體積分?jǐn)?shù)分別為1%時增強效應(yīng)最優(yōu)。

2.5 彎曲韌性

為進一步評價混雜纖維的增韌作用與2.4節(jié)模型的可行性，采用ASTM C1018 標(biāo)準(zhǔn)［21］與Banthia等［22］提出的PCS評價方法進行彎曲韌性評價。

ASTM C1018標(biāo)準(zhǔn)中評價方法中彎曲韌性指數(shù)量綱為一，利用韌性指數(shù)I5、I10和I20來衡量纖維混凝土的彎曲韌性和吸收能量的能力。

式中：δ為初裂撓度；Ωδ、Ω3δ、Ω5.5δ和Ω10.5δ表示撓度，分別為δ、3δ、5.5δ和10.5δ時對應(yīng)的荷載-撓度曲線與坐標(biāo)軸所圍的面積。

PCS法以峰值撓度為界，將荷載-撓度曲線分為峰前（Epre）和峰后（Epost，m） 2個區(qū)域，通過計算峰值荷載后的等效抗彎強度PCS，m來表征纖維混凝土的彎曲韌性。

式中：PCS，m為峰值荷載后等效抗彎強度，MPa；Epost，m為δm后荷載-撓度曲線的面積；L為試件跨度；b和h為試件橫截面尺寸；δm為峰值撓度；m為變量，推薦取值范圍為150～3 000，本文取150 和200。計算得到彎曲韌性結(jié)果如圖9所示。

圖9 纖維摻量對彎曲韌性的影響Fig.9 Effect of fiber content on bending toughness

通過圖9a 看出纖維摻量對韌性指數(shù)的變化規(guī)律，可以看出纖維的摻入能顯著提升韌性指數(shù)，如2.3 節(jié)所述，纖維對UHPC 的提升主要體現(xiàn)的撓曲階段，此時基體開裂時，向纖維傳遞了較大的拉應(yīng)力，致使纖維在裂紋表面被拉出或變形，良好的纖維橋接效應(yīng)使UHPC能夠繼續(xù)承擔(dān)荷載［23］。鋼纖維的加入使UHPC 的初裂韌度提升了51.8%～98.2%，聚丙烯粗纖維使UHPC 的初裂韌度只提升了33.9%～48.2%，韌性指數(shù)也比鋼纖維提升較低，可見在相同摻量下，鋼纖維對初裂韌度和韌性指數(shù)的提升較大。而對于混雜纖維的UHPC 試件而言，當(dāng)鋼纖維摻入體積分?jǐn)?shù)為0.5%時，提高聚丙烯粗纖維摻量，各階段韌性指數(shù)也隨之提高，較S05P00 試件，I5、I10和I20的提高幅度分別為5.3%～7.7%、7.6%～11.6%和7.4%～15.9%。而當(dāng)鋼纖維摻入體積分?jǐn)?shù)提升到1.0%與1.5%時，隨聚丙烯粗纖維摻量的提升，各階段的韌性指數(shù)都是先增加后減少，此外，S10P10試件各階段韌性指數(shù)在各試件中達到最高，其韌度指數(shù)I5、I10和I20較素UHPC分別提升了6.03、12.98 和28.24 倍，可 以 說 明 按 照ASTM C1018 評價方法計算的摻入體積分?jǐn)?shù)為1.0%的鋼纖維且摻入體積分?jǐn)?shù)為1.0%的聚丙烯粗纖維UHPC試件的彎曲韌性最佳。

從等效抗彎強度上分析，鋼纖維與聚丙烯粗纖維均能改善UHPC 的峰后行為，從圖9b 可知，單摻鋼纖維UHPC試件的等效抗彎強度總體上大于單摻聚丙烯粗纖維UHPC 試件的等效抗彎強度，說明鋼纖維對峰后行為的提升較大，且鋼纖維摻量越大，提升效果越好。對于混雜纖維的UHPC 試件，當(dāng)鋼纖維摻入體積分?jǐn)?shù)為0.5%時，UHPC 試件的等效抗彎強度隨聚丙烯粗纖維摻量的提高呈遞增趨勢，而當(dāng)鋼纖維體積率為1.0%和1.5%時，等效抗彎強度隨聚丙烯粗纖維摻量的提高先增加后減小，且S10P10 的等效抗彎強度達到最大，峰后行為最好，更進一步說明了此摻量下的鋼纖維能充分發(fā)揮高彈模的特點，最大程度提高UHPC的強度，聚丙烯粗纖維能充分發(fā)揮低彈模、大變形、長度長的特點，最大程度改善UHPC 韌性和延性，兩者混雜能夠起到正協(xié)同作用。

結(jié)合韌性指數(shù)與等效抗彎強度2種彎曲韌性評價方法，均可知S10P10 組試件彎曲韌性最好，與式（2）得到的結(jié)果一致，進一步驗證該評價方法有較高的可行性。

2.6 混雜纖維增強機理

為探究混雜纖維下正協(xié)同效應(yīng)的增強增韌機理，對S10P10彎曲韌性試驗破壞后的UHPC斷面取樣后進行SEM分析，微觀結(jié)構(gòu)如圖10、圖11所示。

圖11 聚丙烯粗纖維與水泥漿界面微觀結(jié)構(gòu)Fig.11 Microstructure of the interface between polypropylene crude fiber and cement slurry

混雜纖維的加入提高了UHPC 的強度與韌性，改善了其脆性破壞特性，圖10 與圖11 是UHPC 試件斷面上鋼纖維和聚丙烯粗纖維與水泥漿體結(jié)合的微觀結(jié)構(gòu)，由圖10 可知，鋼纖維和聚丙烯粗纖維在斷裂破壞時通過橋接在裂縫兩端發(fā)揮作用，對裂縫的進一步開展起到抑制效果，這種橋接作用改善了裂縫區(qū)域的應(yīng)力分布，提高了整體強度［24］。

由圖10b 可以發(fā)現(xiàn)，鋼纖維表面有大量劃痕和附著在表面的混凝土材料，這是由于裂縫持續(xù)擴展，鋼纖維脫黏拔出產(chǎn)生的，說明鋼纖維與UHPC 基體黏結(jié)性強，并通過滑移脫黏耗能抑制初期微裂縫的發(fā)展［25］。由圖11a可見，表面經(jīng)過特殊工藝處理后的聚丙烯粗纖維與基體牢牢黏結(jié)在一起，纖維表面附著大量混凝土材料；另外，從圖11b可以觀察到聚丙烯粗纖維表面和端部被撕裂成絲，并相互纏繞，界面被撕裂成毛糙狀。以上現(xiàn)象都說明聚丙烯粗纖維發(fā)揮出了其高變形、與水泥漿黏結(jié)力強的優(yōu)勢。這與之前觀察的破壞形態(tài)分析相吻合，綜上所述，鋼纖維和聚丙烯粗纖維與UHPC 基體結(jié)合良好，鋼纖維的拉拔作用和聚丙烯粗纖維的高延性保證了混雜纖維增強UHPC 具有高強度和優(yōu)異韌性，兩者可以混合到UHPC基體中，起到積極的協(xié)同作用。

基于Qian等［26］提出混雜纖維系統(tǒng)吸引力優(yōu)勢，結(jié)合上述說明，對鋼-聚丙烯粗纖維兩者的混雜對UHPC的增強增韌作用進行分析。不同彈模和不同尺度的鋼纖維與聚丙烯粗纖維對UHPC的增強增韌作用可歸結(jié)為纖維在各個階段對基體內(nèi)各種裂縫的抑制作用［5］。在彎拉荷載作用下，混凝土的破壞過程實際上就是微裂紋萌生、擴展延伸形成宏觀裂縫貫穿至試件頂部的過程。鋼纖維和聚丙烯粗纖維在基體內(nèi)亂向分布且相互搭接纏繞，由于鋼纖維具有較高的彈性模量和強度［27］，在加載初期，鋼纖維的變形量很小，對初始微裂紋有較強的抑制作用，隨外荷載持續(xù)增加，UHPC基體內(nèi)薄弱面微裂紋貫穿，此處的應(yīng)力重新分配，在斷面處起橋接作用的纖維開始承受荷載并將荷載傳遞給基體中未開裂部分，見圖12；隨著外荷載繼續(xù)增加，試件變形持續(xù)增大，當(dāng)微裂紋不斷擴張發(fā)展為裂縫，裂縫延伸融合，最后產(chǎn)生宏觀裂縫時，短鋼纖維與基體間的機械咬合力和黏結(jié)力開始減小，鋼纖維大部分脫黏拔出，此時粗且長的低彈模聚丙烯粗纖維發(fā)生較大變形后開始發(fā)揮增強增韌作用［28］。如此反復(fù)，直至試件破壞。因此，將2種不同尺度、不同性質(zhì)的鋼纖維和聚丙烯粗纖維混雜，可使纖維在混凝土斷裂過程中的不同應(yīng)力水平發(fā)揮各自作用，達到逐級阻裂的目的，進一步提高混凝土強度和韌性。

圖12 鋼-聚丙烯混雜纖維增強增韌機理Fig.12 Reinforcement and toughening mechanism of steel-polypropylene hybrid fiber

3 結(jié)論

（1）鋼纖維和聚丙烯粗纖維的摻入均能提高UHPC的抗彎強度與開裂后性能，對抗彎強度而言，鋼纖維的增強效果明顯大于聚丙烯粗纖維。

（2）提出一種可評價混雜纖維協(xié)同效應(yīng)的方法，結(jié)合彎曲韌性分析有較高的可行性，得出鋼纖維與聚丙烯粗纖維摻入體積分?jǐn)?shù)分別為1%時，UHPC能充分發(fā)揮的纖維正協(xié)同效應(yīng)，并驗證了ks、kp與二次強化段大小呈正相關(guān)。

（3）鋼-聚丙烯粗纖維混雜對提高UHPC彎曲韌性的效果優(yōu)于單摻鋼纖維或聚丙烯粗纖維，且鋼纖維摻入體積分?jǐn)?shù)為1.0%，聚丙烯粗纖維摻入體積分?jǐn)?shù)為1.0%的混摻組合對UHPC彎曲韌性改善效果最優(yōu)。

（4）鋼纖維主要通過對UHPC 基體的脫黏與滑移耗能來抑制微裂縫的產(chǎn)生，聚丙烯粗纖維主要通過自身的延長和斷裂約束宏觀裂縫的擴展。

（5）鋼纖維和聚丙烯粗纖維與UHPC 基體黏結(jié)性較好，在混凝土斷裂過程中，鋼纖維的高強度和聚丙烯粗纖維的高延展性與黏結(jié)性強的優(yōu)勢都得以充分發(fā)揮，可以混合到UHPC基體中，起到積極的協(xié)同作用，達到增強增韌的目的。

作者貢獻聲明：

李福海：項目負責(zé)人、命題提出與構(gòu)思。

劉耕園：論文撰寫與整理、數(shù)值計算。

劉夢輝：論文修改、參與試驗研究。

楊宗馳：參與試驗研究和試驗結(jié)果分析、參與論文修改。

穆勃江： 參與試驗研究和試驗結(jié)果分析、參與論文修改。

蘇君豪：參與試驗研究和試驗結(jié)果分析、參與論文修改。

姜怡林：指導(dǎo)試驗設(shè)計、試驗研究和試驗結(jié)果分析。