鄧宗才，師亞軍，曹 煒

（北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程防災(zāi)減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

0 引 言

普通混凝土易裂，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)耐久性，摻入纖維后，可有效改善抗裂性［1－2］。粗合成纖維價(jià)格低廉，施工方便，能有效阻止裂縫擴(kuò)展，可增強(qiáng)混凝土變形能力和韌性，提高抗疲勞、抗沖擊性能等［3－4］。

纖維混凝土抗彎韌性指標(biāo)極為重要［5－8］，可反映纖維對(duì)混凝土的增韌效果，它是開發(fā)新纖維品種、確定纖維品種及纖維摻量、檢測(cè)和控制混凝土質(zhì)量的重要指標(biāo)。

本文中筆者通過試驗(yàn)研究了3種不同直徑和長(zhǎng)度的粗合成纖維增強(qiáng)混凝土的抗彎韌性，并與素混凝土、單摻鋼纖維及鋼纖維與合成纖維混摻試件進(jìn)行了對(duì)比，探討了纖維摻量、纖維直徑、基體強(qiáng)度、混摻方式等對(duì)抗彎韌性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 纖維材性

聚烯烴粗合成纖維（聚丙烯與聚乙烯的共聚物）力學(xué)性能指標(biāo)見表1。圓絲浪形鋼纖維由江西贛州大業(yè)金屬纖維有限公司提供，直徑和長(zhǎng)度分別為0.9mm和50mm，強(qiáng)度均為700MPa。

表1 粗合成纖維力學(xué)性能指標(biāo)Tab.1 Mechanical Property Indexes of Macro－fibers

1.2 混凝土配合比

普通混凝土C25，C35采用P.O32.5普通硅酸鹽水泥，高強(qiáng)混凝土C50采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，砂采用中砂，石為人工碎石，水為自來水。為了更好地研究混凝土基體強(qiáng)度對(duì)纖維增韌效果的影響，試驗(yàn)考慮3種混凝土強(qiáng)度，混凝土配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比Tab.2 Mix Proportions of Concrete

1.3 試件制作

試件尺寸為100mm×100mm×400mm。制作試件時(shí)，先將稱好的砂、水泥、石依次放入攪拌機(jī)，干拌2min，再將水分2次或3次加入，將纖維分散加入并攪拌3min左右，混凝土攪拌好后倒入模具內(nèi)振搗并抹平，澆注24h后脫模并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d，試驗(yàn)前3h從養(yǎng)護(hù)室取出晾干，試件編號(hào)及纖維摻量見表3。

表3 試件編號(hào)及纖維摻量Tab.3 Numbering Specimens and Fiber Contents

1.4 試驗(yàn)方法

抗彎韌性試驗(yàn)在Instron1343伺服系統(tǒng)機(jī)上采用三分點(diǎn)加載方式進(jìn)行，試件跨度為300mm，采用恒位移控制加載，加載速率為0.10mm·s－1。撓度測(cè)定時(shí)將夾式引伸儀置于試件的中性軸來測(cè)定試件的撓度，計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，并自動(dòng)繪制荷載－撓度曲線，抗彎韌性試驗(yàn)測(cè)試裝置如圖1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞過程及形式

單摻或混摻粗合成纖維后，試件具有很好的抗彎韌性，呈延性破壞，各抗彎韌性指數(shù)隨著纖維摻量的增加而增大。

圖1 抗彎韌性試驗(yàn)測(cè)試裝置Fig.1 Testing Equipment of Flexural Toughness Experiment

當(dāng)基體強(qiáng)度為C25時(shí)，各試件的抗彎強(qiáng)度相差較小。開裂前，荷載增長(zhǎng)較快，荷載－撓度曲線呈直線上升趨勢(shì)；開裂后，撓度增長(zhǎng)速度加快，曲線斜率略有下降；當(dāng)荷載達(dá)到峰值以后，荷載迅速下降，撓度也隨之有較大增長(zhǎng)，試件中部有明顯的裂縫出現(xiàn)，之后裂縫緩慢向上發(fā)展，裂縫處纖維被逐漸拔出，纖維起到了很好的連接增韌作用。然后荷載緩慢下降，但有部分試件荷載保持不變或略有上升，裂縫逐漸變寬，撓度增大直至試件破壞。

當(dāng)基體強(qiáng)度為C50時(shí)，各試件的抗彎強(qiáng)度同樣相差較小，抗彎強(qiáng)度比基體強(qiáng)度為C25時(shí)有明顯的增大。

3種合成纖維混摻后的試件明顯呈延性破壞；單摻鋼纖維的試件有較高的峰值荷載，但是開裂后荷載下降較快，然后荷載保持在較低值；粗合成纖維與鋼纖維混摻的試件，呈現(xiàn)出良好的延性，粗合成纖維和鋼纖維能夠發(fā)揮各自作用，使試件在出現(xiàn)裂縫后，仍保持較高的荷載，起到了很好的增強(qiáng)增韌作用。

2.2 荷載－撓度曲線

纖維混凝土試件典型的荷載－撓度曲線如圖2～9所示。

2.3 抗彎韌性指數(shù)

2.3.1 美國ASTM 方法

按照美國ASTM方法求得的纖維混凝土抗彎韌性指數(shù)I5，I10，I30及剩余強(qiáng)度SAR見表4。剩余強(qiáng)度SAR的表達(dá)式為

式中：P0.5，P0.75，P1.0，P1.25分別為撓度 0.5，0.75，1.0，1.25mm 時(shí)的荷載；l，b，h分別為試件的長(zhǎng)度、寬度和高度。

相對(duì)剩余強(qiáng)度SIR的表達(dá)式為

式中：RMO為纖維混凝土的彎拉強(qiáng)度。

由表4可以看出：

（1）對(duì)于基體強(qiáng)度為C25和C50的合成纖維混凝土試件，隨著纖維摻量的增加，抗彎韌性指數(shù)明顯增加。直徑為0.5mm的纖維，當(dāng)摻量由6 kg·m－3增加到11kg·m－3時(shí)，抗彎韌性指數(shù)I5比素混凝土提高了2.3～3.7倍，抗彎韌性指數(shù)I10比素混凝土提高了4.0～7.8倍，抗彎韌性指數(shù)I30比素混凝土提高了9.3～18.5倍。直徑為0.8mm的纖維，當(dāng)摻量由6kg·m－3增加到11kg·m－3時(shí)，抗彎韌性指數(shù)I5比素混凝土提高了1.6～2.7倍，I10比素混凝土提高了2.7～4.8倍，I30比素混凝土提高了7.2～11.2倍。直徑為1mm的纖維，當(dāng)摻量由6kg·m－3增加到11kg·m－3時(shí)，抗彎韌性指數(shù)I5，I10，I30分別比素混凝土提高了1.5～2.7，3.4～5.8，8.9～14.7倍。

表4 抗彎韌性試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experiment Results of Flexural Toughness

（2）當(dāng)基體強(qiáng)度提高時(shí)，抗彎韌性指數(shù)略有上升。如單摻直徑0.8mm的合成纖維，當(dāng)基體強(qiáng)度由C25增加到C50時(shí)，抗彎韌性指數(shù)I30分別由9.1，9.6，12.0增加到9.2，11.8，12.2。

（3）纖維直徑對(duì)抗彎韌性指數(shù)的影響規(guī)律不明確，但從總體上看，摻入直徑1mm纖維的試件，其抗彎韌性指數(shù)比直徑為0.5mm或0.8mm纖維的試件小。為改善韌性，宜選用直徑相對(duì)較小的纖維。

（4）混摻鋼纖維和合成纖維對(duì)于改善混凝土裂后行為效果顯著，特別對(duì)于提高I30效果非常顯著。當(dāng)基體強(qiáng)度為C35時(shí)，3種合成纖維混摻后試件的抗彎韌性指數(shù)I5，I10，I30分別比素混凝土提高了3.1，5.3，12.0倍；單摻鋼纖維后試件的抗彎韌性指數(shù)I5，I10，I30分別比素混凝土提高了3.6，4.9，9.6倍；同時(shí)摻入合成纖維和鋼纖維后試件的抗彎韌性指數(shù)I5，I10，I30分別比素混凝土提高了3.8，5.8，18.1倍。合成纖維與鋼纖維共同作用，使抗彎韌性指數(shù)得到有效提高。

（5）剩余強(qiáng)度隨纖維摻量的增加而提高，如基體強(qiáng)度為C25、單摻直徑1mm纖維的試件，摻量分別為6，8，11kg·m－3時(shí)，剩余強(qiáng)度分別為1.15，1.70，2.20MPa。

（6）合成纖維與鋼纖維混摻后，對(duì)于改善試件剩余強(qiáng)度效果明顯。3種合成纖維混摻后剩余強(qiáng)度為1.54MPa，單摻鋼纖維后剩余強(qiáng)度為1.31MPa，合成纖維與鋼纖維混摻后的剩余強(qiáng)度達(dá)到了3.21 MPa，高于上述2種摻法剩余強(qiáng)度之和。

2.3.2 日本JSCE方法

按照日本JSCE方法求得的纖維混凝土抗彎韌性指標(biāo)和韌度因子試驗(yàn)結(jié)果見表5，其中，Tb為抗彎韌性指標(biāo)，ˉσ為韌度因子。

表5 抗彎韌性指標(biāo)和韌度因子Tab.5 Flexural Toughness Indexes and Toughness Genes

由表5可知，纖維摻量增加對(duì)提高抗彎韌性指標(biāo)效果明顯。當(dāng)基體強(qiáng)度為C25和C50時(shí)，3種合成纖維單摻的試件，抗彎韌性指標(biāo)Tb和韌度因子ˉσ隨纖維摻量的增加而增加。

混摻3種合成纖維的混凝土試件韌度因子ˉσ為1.71MPa，單摻鋼纖維的混凝土試件韌度因子ˉσ為1.46MPa，同時(shí)混摻合成纖維和鋼纖維的試件韌度因子ˉσ達(dá)到了3.24MPa，遠(yuǎn)高于其他試件?？梢?，這種混摻方式可有效提高混凝土試件的韌性。

2.3.3 新評(píng)價(jià)方法

上述方法可以評(píng)價(jià)纖維對(duì)混凝土的增韌效果，但也存在不足之處，美國ASTM方法中的抗彎韌性指數(shù)對(duì)初裂撓度要求較高，但初裂點(diǎn)不易確定且其離散性較大，不同試驗(yàn)者采用的方法也各不相同，要想取得準(zhǔn)確的荷載－撓度曲線，對(duì)試驗(yàn)機(jī)要求較高；日本JSCE方法中峰值荷載容易確定，但不能反映纖維對(duì)混凝土開裂后的增韌作用。由荷載－撓度曲線可知，粗合成纖維混凝土具有良好的延性，峰值荷載后仍可保持較高水平，甚至有上升的趨勢(shì)，試件撓度為2mm時(shí)，纖維對(duì)韌性的作用還很明顯，撓度大于2mm后，伺服試驗(yàn)機(jī)費(fèi)時(shí)且纖維增韌作用下降，為了較好地反映粗合成纖維的增韌效果，剩余強(qiáng)度計(jì)算可以將梁撓度為2mm作為結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。建議剩余強(qiáng)度SAR為

式中：P1.5，P2.0分別為撓度為1.5，2.0mm 時(shí)的荷載。

采用新評(píng)價(jià)方法［9］計(jì)算得到的剩余強(qiáng)度見表6。

與表4相比，單摻合成纖維試件剩余強(qiáng)度SAR變化較小，變化幅度在3%以內(nèi)，但是單摻鋼纖維試件采用新評(píng)價(jià)方法計(jì)算，其剩余強(qiáng)度SAR減小了6.85%，3種合成纖維混摻后剩余強(qiáng)度SAR增加了4.54%。粗合成纖維可有效提高混凝土試件韌性，峰值荷載后可保持較高的荷載，而單摻鋼纖維試件在峰值荷載后，荷載下降較快，延性較差。采用此評(píng)價(jià)方法可充分反映合成纖維混凝土具有良好的阻裂能力和變形特性。

3 結(jié)語

（1）摻入粗合成纖維后，試件具有很好的彎曲韌性，呈延性破壞。

（2）當(dāng)基體強(qiáng)度為C25，C50時(shí)，單摻粗合成纖維試件的抗彎韌性指數(shù)隨纖維摻量增加而增加。

（3）當(dāng)基體強(qiáng)度提高時(shí)，單摻粗合成纖維試件的抗彎韌性指數(shù)略有上升；當(dāng)纖維直徑變化時(shí)，抗彎韌性指數(shù)變化不明顯。

（4）3種合成纖維混摻后，試件的剩余強(qiáng)度為1.54MPa，單摻鋼纖維試件的剩余強(qiáng)度為1.31 MPa，3種合成纖維與鋼纖維混摻后，試件的剩余強(qiáng)度達(dá)到了3.21MPa，高于3種合成纖維混摻試件與單摻鋼纖維試件的剩余強(qiáng)度之和，使不同纖維的性能得到了充分發(fā)揮。

（5）粗合成纖維混摻可有效提高混凝土梁的韌性，峰值荷載后可保持較高荷載，而單摻鋼纖維混凝土梁在峰值荷載后，荷載下降較快，延性較差，采用新評(píng)價(jià)方法可充分反映出粗合成纖維混凝土裂后阻裂能力高、變形大的特點(diǎn)。

表6 采用新評(píng)價(jià)方法計(jì)算的剩余強(qiáng)度Tab.6 Residual Strength Calculated by New Evaluation Method

［1］ASTM C1018－97，Standard Test Method for Flexural Toughness and First－crack Strength for Fiber Reinforced Concrete［S］.

［2］JSCE 1984，Steel Fiber Reinforced Concrete Research Subcommittee［S］.

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