共聚甲醛纖維超高性能水泥基復(fù)合材料抗彎性能試驗(yàn)

王春生 , 張洋, 段蘭

( 長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，西安 710064 )

水泥基材料是土木工程結(jié)構(gòu)廣泛采用的主體建筑材料，隨著工程需求的變化，材料性能不斷提升，經(jīng)歷了普通混凝土、高性能混凝土(HPC)、纖維增強(qiáng)混凝土(FRC)、超高性能混凝土(UHPC)、超高性能水泥基復(fù)合材料(UHPFRC)等材料的發(fā)展。其中，UHPFRC 通過在基體中加入纖維來獲得更高的彎拉、韌性、抗?jié)B、耐久等性能，可解決混凝土應(yīng)用于大跨徑橋梁時(shí)由于彎拉強(qiáng)度較差而導(dǎo)致的開裂、疲勞等問題，已成為工程材料發(fā)展的重要方向。應(yīng)用于UHPFRC 中的纖維從材質(zhì)方面可分為金屬纖維(主要指鋼纖維)、有機(jī)合成纖維(主要有聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、聚甲醛纖維等)、無機(jī)合成纖維(主要有玻璃纖維、玄武巖纖維、碳纖維等)[1-2]。其中鋼纖維由于優(yōu)異的抗拉性能和較佳的綜合性能，在UHPFRC 中的應(yīng)用早期便得到了重點(diǎn)研究[3]。

與鋼纖維相比，有機(jī)纖維彈性模量較低、經(jīng)濟(jì)效益顯著[2]、耐腐蝕，用于水泥基復(fù)合材料可抑制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，并具有較強(qiáng)的持荷能力，適用于較惡劣的服役條件。王義超等[4]對(duì)聚乙烯纖維制備的超高延性水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了研究，結(jié)果表明聚乙烯纖維有較好的裂縫橋接能力，可大大增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的延性。黃政宇等[5]研究了聚乙烯纖維對(duì)超高性能混凝土性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：聚乙烯纖維能夠顯著提高混凝土的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、韌性，聚乙烯纖維摻量為2vol%時(shí)效果最好。賴建中等[6]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，聚乙烯醇纖維可改善高溫下超高性能混凝土的抗爆裂性能。陳倩等[7]對(duì)聚丙烯纖維和鋼纖維混雜時(shí)超高性能混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：混雜纖維可增強(qiáng)超高性能混凝土的立方體和軸心抗壓強(qiáng)度，混雜纖維最佳配比為1.5vol%鋼纖維和0.1vol%共聚甲醛纖維。滕曉丹等[8]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鋼纖維和聚乙烯纖維結(jié)合的混雜纖維可顯著提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)，溫度對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響較大，溫度越高，抗壓強(qiáng)度越低。晏麓暉等[9]研究了超高分子量聚乙烯纖維混凝土的基本力學(xué)性能，試驗(yàn)表明：超高分子量聚乙烯纖維可明顯提升混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度，但對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果不明顯。從以上研究可以看出，新型高性能有機(jī)纖維大大促進(jìn)了水泥基復(fù)合材料的發(fā)展，不斷探索高性能有機(jī)纖維UHPFRC 有著重要意義。

共聚甲醛纖維是聚甲醛纖維的一種，具備耐酸堿腐蝕、低引氣等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于水泥基材料時(shí)，纖維分散均勻、不易結(jié)團(tuán)、與基體結(jié)合緊密[10-12]。安宇坤等[10]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度為15 mm、摻量低于0.25vol%的聚甲醛纖維對(duì)混凝土的抗?jié)B性能和抗收縮性有顯著增強(qiáng)效果。呂錦飛[11]對(duì)聚甲醛纖維混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)聚甲醛纖維可顯著增強(qiáng)混凝土的抗劈拉及抗折性能，對(duì)抗壓性能的影響較小。何越驍?shù)萚12]通過高溫循環(huán)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：高溫下共聚甲醛纖維UHPC 抗爆裂性能好，但也會(huì)失去增韌作用，單摻時(shí)使用溫度應(yīng)不大于165℃；共聚甲醛纖維與鋼纖維混合使用時(shí)，共聚甲醛纖維長(zhǎng)度為8 mm 時(shí)效果最好，在防止高溫爆裂的同時(shí)還可保證高溫后殘余力學(xué)性能較好。

基于此，本文選取了共聚甲醛纖維和鋼纖維作為UHPFRC 的摻入纖維，參照瑞士SIA2052 規(guī)范[13]和法國設(shè)計(jì)規(guī)程[14]等對(duì)UHPFRC 試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。使用數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)(DIC)捕捉試件的位移和應(yīng)變的變化過程[15-16]，分析共聚甲醛纖維對(duì)UHPFRC 的抗彎強(qiáng)度和彎曲韌性的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

UHPFRC 的原材料包括：P·O42.5 普通硅酸鹽水泥；河砂，粒徑d＜0.5 mm；硅灰，粒徑范圍0.1～0.15 μm；減水劑，包括A、B 兩種組分，減水劑A 組分是型號(hào)為Sika viscocrete 的液態(tài)減水劑，減水劑B 組分是固態(tài)Sika 微珠粉；鋼纖維(SF)，圓直型鍍銅鋼纖維，江西贛州大業(yè)；共聚甲醛纖維(POM)，重慶云天化天聚新材料有限公司。鋼纖維和共聚甲醛纖維的幾何與物理參數(shù)如表1所示。

表1 纖維的幾何與物理參數(shù)Table 1 Geometrical and physical properties of fibers

1.2 配合比及試件制備

設(shè)計(jì)了5 組UHPFRC 抗彎試件，尺寸均為50 mm×100 mm×500 mm，其中兩組試件的纖維類型為共聚甲醛纖維；一組試件的纖維類型是鋼纖維；其他兩組纖維類型是包括共聚甲醛纖維和鋼纖維的混雜纖維；試驗(yàn)分組如表2所示，1%POM-1%SF/C 組UHPFRC 抗彎試件制作1 個(gè)，其他每組UHPFRC 抗彎試件制作3 個(gè)，通過計(jì)算平均值來分析共聚甲醛纖維UHPFRC 的彎曲性能。

表2 試件分組Table 2 Specimen grouping

試件制備時(shí)，原材料的投放順序?qū)HPFRC的性能有一定影響[17]，根據(jù)前期試拌經(jīng)驗(yàn)確定了UHPFRC 的制備過程。其制備過程為：先將水泥、河砂、硅灰、微珠粉等干料進(jìn)行混合攪拌，此過程持續(xù)3 min 左右；加入共聚甲醛纖維繼續(xù)攪拌，此過程持續(xù)5～8 min；攪拌均勻后依次加入1/2 水、1/2 減水劑、1/2 水、1/2 減水劑，水與減水劑加入時(shí)間間隔1 min，此過程持續(xù)5 min；最后加入鋼纖維繼續(xù)攪拌，此過程持續(xù)4～6 min。攪拌均勻后進(jìn)行試件澆筑，澆筑時(shí)從模具一側(cè)向另一側(cè)勻速倒入。隨后，在試件表面覆蓋塑料薄膜，防止水分損失或蒸發(fā)，試件于48 h 后脫模，采用覆蓋濕棉被養(yǎng)護(hù)，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，養(yǎng)護(hù)28 天。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 流動(dòng)性能測(cè)試

制備好的UHPFRC 在澆筑之前，參照規(guī)范GB/T 50080—2016[18]進(jìn)行擴(kuò)展度試驗(yàn)，從而得到不同纖維類型及摻量下UHPFRC 的工作性能，其測(cè)試過程如圖1所示。

圖1 超高性能水泥基復(fù)合材料(UHPFRC)的擴(kuò)展度測(cè)試Fig.1 Expansion test of ultra-high performance fiber reinforced cementitious (UHPFRC)

1.3.2 UHPFRC 的彎曲性能測(cè)試

UHPFRC 抗彎試件加載裝置采用SANS 公司MTS 試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)最大加載能力為300 kN，通過分階段位移控制進(jìn)行加載，其位移控制精度為0.001 mm，加載點(diǎn)的靜撓度作為試件的撓度值。試件開裂前保持加載速率v=0.1 mm/min；試件開裂后以v=0.2 mm/min 的加載速率加載，試件達(dá)到極限荷載后以v=0.5 mm/min 的加載速率加載至峰值荷載的20%～30%時(shí)停止加載。

1.3.3 數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)(DIC)

應(yīng)變和位移變化監(jiān)測(cè)采用西安新拓三維光測(cè)科技有限公司的三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)XTDIC 和粘貼應(yīng)變片的方法。DIC 是一種全程無接觸的數(shù)字圖像測(cè)試方法，通過對(duì)高清相機(jī)在不同加載時(shí)刻記錄的圖像進(jìn)行處理分析，來獲得試件的變形情況[16]。DIC 使用前，需對(duì)試件監(jiān)測(cè)面進(jìn)行散斑制作，并放置于試件正前方計(jì)算距離處，DIC 測(cè)試系統(tǒng)見圖2所示。應(yīng)變片粘貼于試件底部跨中位置，粘貼前需對(duì)粘貼位置打磨光滑，并覆蓋704 硅膠進(jìn)行防潮保護(hù)，應(yīng)變片數(shù)據(jù)使用東華設(shè)備602 靜態(tài)采集儀采集。

圖2 數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù) (DIC)測(cè)試配置Fig.2 Test configuration of the digital image correlation (DIC) technique

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

表3 顯示了各組UHPFRC 試件的擴(kuò)展度及實(shí)測(cè)抗彎強(qiáng)度平均值。

表3 UHPFRC 試件的試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of the UHPFRC specimens

2.2 試件破壞過程

試件在既定加載速率下穩(wěn)定加載，加載初期，由于試件與MTS 加載機(jī)器“貼合”問題，個(gè)別試件的荷載與撓度均增長(zhǎng)較快，荷載-撓度曲線表現(xiàn)為下凸形態(tài)[17]，加載前期各組試件荷載與撓度成線性增長(zhǎng)。共聚甲醛纖維UHPFRC 抗彎試件加載到峰值時(shí)，發(fā)出輕微“砰砰”響聲，試件跨中附近出現(xiàn)1～2 條豎向裂縫，荷載驟降至峰值荷載的39%～63%，隨后繼續(xù)加載，裂縫不斷向上發(fā)展，加載至峰值荷載的20%左右停止加載。

混雜纖維UHPFRC 抗彎試件加載至峰值前未有明顯響動(dòng)，加載至峰值時(shí)，出現(xiàn)輕微“砰砰”響聲，試件跨中附近出現(xiàn)1 條豎向裂縫，荷載降至峰值荷載的55%～84%，隨后繼續(xù)加載，伴隨著纖維拔出的“呲呲”聲，眾多微裂縫形成一條鋸齒狀宏觀裂縫，裂縫不斷向上發(fā)展，寬度不斷增大，試件側(cè)面出現(xiàn)基材“剝出”現(xiàn)象，但由于纖維的橋接作用，側(cè)面基材“剝出”但未“剝落”，只有少量UHPFRC 粉末掉落，加載至峰值荷載的30%～40%時(shí)停止加載。

鋼纖維UHPFRC 抗彎試件加載至峰值荷載的70%～80%時(shí)，試件跨中附近出現(xiàn)1 條由眾多微裂縫組成的鋸齒狀斜裂縫，隨著加載的繼續(xù)，裂縫斜向上延伸，伴隨著纖維被拉出來的“呲呲”聲，試件裂縫處有粉末掉落，加載到峰值后，試件承載力不斷下降，加載至峰值荷載的30%左右時(shí)，停止加載。

各組UHPFRC 試件持荷能力較強(qiáng)，停止加載時(shí)，試件仍能保持較好的完整性，各組試件的裂縫發(fā)展和破壞形態(tài)如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn)，共聚甲醛纖維UHPFRC 試件裂縫都比較平整，混雜纖維UHPFRC 試件、鋼纖維UHPFRC 試件的裂縫大多成鋸齒狀。這是由于共聚甲醛纖維彈性模量較小，鋼纖維彈性模量較大，基體初裂后，共聚甲醛纖維UHPFRC 試件中的共聚甲醛纖維隨著加載的進(jìn)行不斷被拉長(zhǎng)，裂縫隨之不斷平穩(wěn)擴(kuò)展；共聚甲醛纖維和鋼纖維協(xié)同作用[19]的混雜纖維UHPFRC 試件和鋼纖維UHPFRC 試件中鋼纖維彈性模量大、抗拉強(qiáng)度高，受力時(shí)，首先從相對(duì)薄弱的纖維與基體粘結(jié)界面開始破壞，鋼纖維在加載過程中不斷被“拉出”，再加上纖維的各向分布，從而呈現(xiàn)出由眾多微裂縫組成的鋸齒狀裂縫。

圖3 各組UHPFRC 試件裂縫發(fā)展和破壞形態(tài)Fig.3 Crack developments and failure modes of each group of UHPFRC specimens

3 結(jié)果與討論

3.1 UHPFRC 試件DIC 測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證

UHPFRC 試件的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)過程中，采取DIC 對(duì)試件的變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，DIC 采集頻率為5 張/s，此外布設(shè)應(yīng)變片與之進(jìn)行對(duì)比。相關(guān)研究表明，DIC 對(duì)于試件表面局部區(qū)域的應(yīng)變測(cè)量，可基于虛擬引伸計(jì)[20-21]測(cè)量得到，但虛擬引伸計(jì)的長(zhǎng)度和位置對(duì)DIC 測(cè)量結(jié)果影響較大[22]，為方便對(duì)比，本文選取與應(yīng)變片等長(zhǎng)的虛擬引伸計(jì)對(duì)試件跨中應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量。以共聚甲醛纖維UHPFRC 試件、混雜纖維UHPFRC 試件為例進(jìn)行分析，DIC 與應(yīng)變片測(cè)量的荷載-應(yīng)變曲線如圖4所示?？芍篋IC 與應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)在彈性階段具有很好的一致性，這與文獻(xiàn)[20]的結(jié)論相同。當(dāng)試件開裂進(jìn)入塑性階段后，應(yīng)變片失效，DIC 可繼續(xù)工作，監(jiān)測(cè)試件受力全過程的變形情況。同時(shí)，如圖3所示，采用DIC 捕捉、分析試件表面的變形情況，同時(shí)可監(jiān)測(cè)裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展過程，解決試件在加載過程中肉眼對(duì)初裂難以監(jiān)測(cè)的問題。

圖4 UHPFRC 試件荷載-應(yīng)變曲線Fig.4 Load-strain curves of UHPFRC specimens

3.2 纖維對(duì)UHPFRC 試件流動(dòng)性能的影響

圖5 給出了5 組試件的擴(kuò)展度圖，可直觀地看出各組試件的工作性能?？芍?，有4 組試件的擴(kuò)展度可達(dá)400 mm 以上，0%POM-3%SF/C 組試件的擴(kuò)展度最好，可達(dá)到560 mm；共聚甲醛纖維對(duì)UHPFRC 的擴(kuò)展度影響較大，與0%POM-3%SF/C 組試件相比：3%POM-0%SF/C 組試件的纖維體積摻量相同，且同為單摻型試件，其擴(kuò)展度降低了32.1%；2%POM-0%SF/C 組試件的擴(kuò)展度降低了23.9%，1%POM-1%SF/C 組試件的擴(kuò)展度降低了11.6%；1.5%POM-1.5%SF/C 組試件的纖維體積摻量同為3vol%，其擴(kuò)展度降低了17.9%。因此，無論是單摻型試件還是混雜型試件，各組試件的工作性能均隨著共聚甲醛纖維體積摻量的增加而降低。

圖5 UHPFRC 試件擴(kuò)展度Fig.5 Expansion of UHPFRC specimens

3.3 UHPFRC 試件荷載-撓度曲線

圖6 為各組試件的荷載-撓度曲線，可用于準(zhǔn)確表征各組UHPFRC 試件的抗彎力學(xué)性能，對(duì)各組試件的特征值取算數(shù)平均值進(jìn)行分析?？芍?，所有試件受力過程均可劃分為3 個(gè)階段：(1) 正常工作階段，此階段無裂縫產(chǎn)生，各組試件產(chǎn)生彈性變形，直到萌生微裂縫，纖維開始發(fā)揮作用，此階段結(jié)束；(2) 裂縫發(fā)展階段，此階段各組試件表現(xiàn)出應(yīng)變軟化和應(yīng)變硬化的特征[23]；(3) 破壞階段，裂縫迅速擴(kuò)展，試件損傷急劇增加，部分纖維被完全拔出、拉斷退出工作。對(duì)相同纖維體積摻量下不同纖維類型、相同纖維類型下不同纖維體積摻量的情況分別進(jìn)行分析。

圖6 UHPFRC 試件荷載-撓度曲線Fig.6 Load-deflection curves of UHPFRC specimens

圖6(a)、圖6(b)所示試件的纖維體積摻量為2vol%?？芍?，2%POM-0%SF/C 和1%POM-1%SF/C的峰值荷載均在彈性極限處，且兩者相差不大，2%POM-0%SF/C 的峰值荷載為5.33 kN，僅比1%POM-1%SF/C 高4.2%。但2%POM-0%SF/C 的開裂撓度為0.65 mm，比1%POM-1%SF/C 高32%。當(dāng)試件開裂時(shí)，2%POM-0%SF/C 的承載力驟降53.8%，幅度較大，而1%POM-1%SF/C 與之相比，幅度較小，僅降低了26.4%。UHPFRC 中的纖維發(fā)揮荷載承受和能量吸收的作用，當(dāng)基體開裂時(shí)，彈性模量更高的鋼纖維可以更好地橋接開裂基體[24]，從而在開裂的瞬間，1%POM-1%SF/C 的荷載驟降幅度與2%POM-0%SF/C 相比較小。同時(shí)，圖6(a)還可以看出2%POM-0%SF/C 的持荷能力較強(qiáng)，荷載下降段承載力下降緩慢，下降速率小于1%POM-1%SF/C，這說明共聚甲醛纖維可提高UHPFRC 的延性，延性可定義為破壞撓度與開裂撓度的比值。

圖6(c)～6(e)所示試件的纖維體積摻量為3vol%。3%POM-0%SF/C 的峰值荷載最低，僅為4.62 kN， 分別比 0%POM-3%SF/C 和 1.5%POM-1.5%SF/C 低16.5%、16%。此外，1.5%POM-1.5%SF/C的開裂撓度最大，裂前變形能力更好，其開裂撓度可達(dá)0.56 mm，分別比3%POM-0%SF/C 和0%POM-3%SF/C 高36.6%和16.7%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，3%POM-0%SF/C 的承載力在下降段下降速度最慢，1.5%POM-1.5%SF/C 次之，這說明共聚甲醛纖維的摻量越多，UHPFRC 試件在極限荷載后的持荷性能越好。

圖6(a)、圖6(c)為共聚甲醛纖維單摻型試件的荷載-撓度曲線，可知：當(dāng)共聚甲醛纖維體積摻量為2vol%時(shí)，具有更高的峰值荷載和更大的初裂撓度，2%POM-0%SF/C 組試件比3%POM-0%SF/C 組試件的峰值荷載高15.5%，初裂撓度大58.5%。對(duì)破壞后的試件斷面進(jìn)行對(duì)比(圖7)，發(fā)現(xiàn)與2%POM-0%SF/C 組試件相比，3%POM-0%SF/C 組試件斷面的纖維雖然整體數(shù)量更多，但是分布不均勻，表現(xiàn)為纖維方向雜亂，抗彎拉水平方向的分布纖維較少，且試件底部纖維分布較少，從而導(dǎo)致了UHPFRC 基體更早開裂，同時(shí)這也反映了3%POM-0%SF/C 組試件的流動(dòng)性較差，與流動(dòng)性測(cè)試結(jié)果吻合。同時(shí)，兩組共聚甲醛纖維UHPFRC試件在極限荷載后均表現(xiàn)出了較強(qiáng)的持荷性能。

圖7 2%POM-0%SF/C、3%POM-0%SF/C 試件的斷面圖對(duì)比Fig.7 Comparison of section diagrams of 2%POM-0%SF/C and 3%POM-0%SF/C specimens

圖6(b)、圖6(d)為混雜纖維UHPFRC 試件的荷載-撓度曲線，可知：隨著混雜纖維摻量的增加，試件的抗彎性能得到了一定的提升，但提升幅度并不顯著，1.5%POM-1.5%SF/C 的峰值荷載和開裂撓度分別比1%POM-1%SF/C 組試件高7.8%和14.3%。

根據(jù)上述分析可見：共聚甲醛纖維和鋼纖維對(duì)UHPFRC 基體受彎過程發(fā)揮著重要的作用，適量體積摻量的共聚甲醛纖維可延緩UHPFRC 基體的開裂。對(duì)于單摻型試件，摻入2vol%體積摻量的共聚甲醛纖維時(shí)效果最優(yōu)，2%POM-0%SF/C 組試件的峰值荷載和開裂撓度均大于3%POM-0%SF/C 組試件；對(duì)于混摻型試件，摻入1.5vol%體積摻量的共聚甲醛纖維和1.5vol%體積摻量的鋼纖維時(shí)效果更好。

3.4 UHPFRC 試件彎曲韌性

纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料主要通過改變裂縫尖端應(yīng)變場(chǎng)，影響裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，降低裂縫尖端的最大應(yīng)力，可延緩裂縫開展，達(dá)到增韌效果[25]。纖維增強(qiáng)混凝土通常根據(jù) ASTM C1018[26]或JSCE-SF4[27]建議的方法來評(píng)價(jià)彎曲韌性，ASTM C1018[26]法是利用3、5.5、10.5 倍初裂撓度對(duì)應(yīng)荷載-撓度曲線下的面積與初裂撓度對(duì)應(yīng)荷載-撓度曲線下面積的比值I5、I10、I20作為韌性指數(shù)來評(píng)價(jià)各試件的彎曲韌性；JSCE-SF4[27]法是以跨中撓度達(dá)到試件跨度的1/150 倍時(shí)計(jì)算出的平均強(qiáng)度值 σ (韌性因子)來評(píng)價(jià)各試件的彎曲韌性，平均強(qiáng)度值 σ的計(jì)算公式如下所示：

式中：L為試件跨度(mm)；b為試件寬度(mm)；h為試件厚度(mm)；Tb為跨中撓度達(dá)到L/150時(shí)對(duì)應(yīng)荷載-撓度曲線下的面積(N·mm)； δtb為L(zhǎng)/150對(duì)應(yīng)的計(jì)算值(mm)。

本文采用這兩種方法計(jì)算的各組試件彎曲韌性指標(biāo)平均值如表4所示。

表4 UHPFRC 試件韌性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of toughness index of UHPFRC specimens

采用ASTM C1018 法[26]來評(píng)價(jià)各組試件的韌性能力，得出的韌性指數(shù)趨勢(shì)如圖8所示?？梢钥闯?，各組試件韌性指數(shù)I5、I10、I20不斷增大。體積摻量為3vol%的試件中，0%POM-3%SF/C、1.5%POM-1.5%SF/C 韌性最好，且兩組試件韌性指數(shù)相差不大，0%POM-3%SF/C 的韌性指數(shù)I5、I10分別比1.5%POM-1.5%SF/C 高14.0%、2.4%，1.5%POM-1.5%SF/C 的韌性指數(shù)I20比0%POM-3%SF/C 高2.4%。3%POM-0%SF/C 的韌性指數(shù)I5、I10最小，但I(xiàn)20最大，這說明3%POM-0%SF/C 試件在荷載下降段下降速度最為緩慢。

圖8 UHPFRC 試件韌性指數(shù)趨勢(shì)圖Fig.8 Trend diagram of toughness index of UHPFRC specimens

對(duì)比體積摻量為2vol%的兩組試件1%POM-1%SF/C 和2%POM-0%SF/C 可知，1%POM-1%SF/C 的韌性指數(shù)I5、I10、I20分別比2%POM-0%SF/C 高10.1%、8.7%、5.6%，這說明纖維體積摻量為2vol%時(shí)，混雜纖維UHPFRC 試件的韌性相對(duì)較好。

采用JSCE-SF4 法[27]來表征各組試件的韌性，所得的韌性因子可以反映各組試件吸收能量的大小，所得各組試件的韌度因子如圖9所示。可知，1.5%POM-1.5%SF/C＞0%POM-3%SF/C＞1%POM-1%SF/C＞3%POM-0%SF/C＞2%POM-0%SF/C，這表明5 組試件中，1.5%POM-1.5%SF/C 的韌性最好，2%POM-0%SF/C 的韌性最差。當(dāng)纖維總體積摻量一定時(shí)，混雜纖維UHPFRC 試件的韌性好于單摻型共聚甲醛纖維UHPFRC 試件。這與采用 ASTM C1018[26]法得出的結(jié)論基本相同。

圖9 UHPFRC 試件韌性因子趨勢(shì)圖Fig.9 Trend diagram of toughness factor of UHPFRC specimens

4 結(jié) 論

對(duì)5 組超高性能水泥基復(fù)合材料(UHPFRC)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn)、擴(kuò)展度測(cè)試。對(duì)比了單摻型UHPFRC 試件和混雜型UHPFRC 試件的抗彎性能，并評(píng)價(jià)了5 組UHPFRC 試件的彎曲韌性，得到以下結(jié)論：

(1) 共聚甲醛纖維對(duì)UHPFRC 的流動(dòng)性影響較大，單摻型UHPFRC 和混雜型UHPFRC 的流動(dòng)性均隨著共聚甲醛纖維體積摻量的增加而降低。纖維單摻時(shí)，0%POM-3%SF/C 流動(dòng)性最好，可達(dá)560 mm，纖維混摻時(shí)，1%POM-1%SF/C 流動(dòng)性最好，可達(dá)495 mm；

(2) 適量的共聚甲醛纖維可延緩UHPFRC 基體的開裂，增強(qiáng)其裂前變形能力。纖維單摻時(shí)，2%POM-0%SF/C 的裂前變形能力最優(yōu)，開裂撓度可達(dá)0.65 mm，當(dāng)繼續(xù)增加體積摻量時(shí)，開裂撓度反而降低；纖維混摻時(shí)，1.5%POM-1.5%SF/C 的裂前變形能力最優(yōu)，開裂撓度可達(dá)0.56 mm；

(3) 對(duì)于共聚甲醛纖維UHPFRC，當(dāng)共聚甲醛纖維體積摻量為2vol%時(shí)，抗彎強(qiáng)度為13.4 MPa，繼續(xù)增加體積摻量，其抗彎強(qiáng)度反而降低；對(duì)于混雜纖維UHPFRC，摻入1.5vol%體積摻量的共聚甲醛纖維和1.5vol%體積摻量的鋼纖維時(shí)效果更好，抗彎強(qiáng)度可達(dá)13.9 MPa。共聚甲醛纖維的摻入可提升UHPFRC 在荷載下降段的持荷能力，纖維體積摻量越大，下降段越平緩；

(4) 通過ASTM C1018 法和JSCE-SF4 法評(píng)價(jià)了各組試件的彎曲韌性能力，均表明混雜纖維對(duì)UHPFRC 彎曲韌性的提升更大。各組試件中，1.5%POM-1.5%SF/C 的韌性最好， 而3%POM-0%SF/C 和2%POM-0%SF/C 的韌性最低。

本工作推薦UHPFRC 混摻1.5vol%共聚甲醛纖維和1.5vol%鋼纖維，1.5%POM-1.5%SF/C 的開裂撓度大，工作性能好，具備較好經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，保證了較好的抗彎強(qiáng)度和彎曲韌性。