梁寧慧，鐘楊，劉新榮

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多尺寸聚丙烯纖維混凝土抗彎韌性試驗(yàn)研究

梁寧慧，鐘楊，劉新榮

(重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶，400030)

為研究多尺寸聚丙烯纖維混凝土的抗彎韌性，采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)30個(gè)長(zhǎng)×寬×高為400 mm×100 mm×100 mm的聚丙烯纖維混凝土試件進(jìn)行研究，得到纖維混凝土梁的荷載?撓度曲線。基于美國(guó)ASTM-C1399-98方法，研究不同尺寸聚丙烯纖維及其混雜纖維對(duì)混凝土抗彎韌性的影響。研究結(jié)果表明：在相同摻量條件下，直徑越小、長(zhǎng)度越短的聚丙烯細(xì)纖維對(duì)混凝土裂前抗彎韌性改善效果越好；聚丙烯粗纖維和多尺寸聚丙烯纖維對(duì)混凝土裂后抗彎韌性有較大改善，并且在裂后出現(xiàn)低應(yīng)力應(yīng)變硬化現(xiàn)象；在相同摻量條件下，多尺寸聚丙烯纖維對(duì)混凝土的抗彎韌性改善效果最好；相對(duì)于素混凝土剩余強(qiáng)度，單摻聚丙烯細(xì)纖維混凝土剩余強(qiáng)度提高1.53~2.53倍，單摻聚丙烯粗纖維混凝土提高5.58~8.88倍，多尺寸聚丙烯纖維混凝土提高7.76~10.82倍。

抗彎韌性；荷載?撓度曲線；多尺度聚丙烯纖維；剩余強(qiáng)度

混凝土本身具有較高的抗壓強(qiáng)度，但其抗裂性、抗沖擊性和變形能力較差。纖維在混凝土內(nèi)部構(gòu)成均勻亂向支撐體系，可以有效改善混凝土的早期開裂，還可以提高其韌性、抗沖擊、抗?jié)B漏等性能[1?3]。纖維的類型、摻量、不同類型纖維的組合等都是影響混凝土工作性能、強(qiáng)度和破壞形態(tài)的重要因素[4?7]。采用單一纖維只能在某些方面增強(qiáng)混凝土性能，而多種纖維混雜可以克服單一纖維的不足，充分發(fā)揮各種纖維的優(yōu)點(diǎn)。常見的混雜纖維分為3類：不同尺度的同一種纖維混雜；尺度相近的不同材料纖維的混雜；不同尺度與不同材料纖維的混雜。梅國(guó)棟等[8]研究了混雜纖維混凝土抗彎性能及混雜效應(yīng)，結(jié)果表明在特定纖維體積摻量下，鋼纖維和聚丙烯纖維能相互協(xié)同作用，產(chǎn)生“超疊加效應(yīng)”，體現(xiàn)出比單摻纖維更高的強(qiáng)度。吳曉春等[9]研究了混雜纖維混凝土的力學(xué)與抗沖擊性能，發(fā)現(xiàn)相較于普通混凝土，單纖維或混雜纖維混凝土的力學(xué)與抗沖擊性能均有提高，而纖維混雜能顯著提高纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能。縱觀混雜纖維混凝土的研究現(xiàn)狀，較多采用不同材料的纖維混雜改性混凝土[10?14]。而對(duì)不同尺寸的聚丙烯纖維，尤其是聚丙烯粗纖維與細(xì)纖維混雜研究較少。聚丙烯纖維是一種新型增強(qiáng)增韌材料，具有耐腐蝕性好、易分散、重量輕、價(jià)格低、對(duì)攪拌機(jī)器損傷小、無磁性干擾等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文作者選用4種尺寸的聚丙烯細(xì)纖維與2種尺寸的聚丙烯粗纖維，在相同拌合工藝、相同配合比條件下對(duì)單摻及混摻粗細(xì)聚丙烯纖維的混凝土試件進(jìn)行抗彎韌性試驗(yàn)。對(duì)比研究多尺寸聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗彎性能的影響，探討多尺寸聚丙烯纖維混凝土的抗彎增韌機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

采用重慶小南海水泥42.5R，細(xì)骨料為重慶渠河砂，粗骨料為粒徑5~20 mm碎石，聚丙烯纖維采用北京融耐爾工程材料有限公司和寧波大成新材料有限公司生產(chǎn)，性能參數(shù)見表1，纖維形狀如圖1所示。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，水泥、砂、石、水質(zhì)量比為1:1.4:3:0.5，試件纖維摻量見表2。本次試驗(yàn)粗、細(xì)纖維的摻量根據(jù)大量試驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)確定。單摻聚丙烯細(xì)纖維的最佳摻量為0.9 kg/m3，單摻聚丙烯粗纖維的最佳摻量為6 kg/m3。為了增加其可比性，各組混凝土均采用相同的配合比，并盡量避免因原材料性能差異給混凝土性能帶來的離散性。

1.2 試驗(yàn)方法

纖維在混凝土中的分散性非常重要，是保證纖維混凝土抗裂效果的關(guān)鍵[15?16]。為使混凝土中的纖維具有良好的分散性，本試驗(yàn)采用的攪拌方法為先摻 法[17]，攪拌流程如下：1) 將稱量好的砂、石子倒入表面濕潤(rùn)但無明水的攪拌筒內(nèi)，開動(dòng)攪拌機(jī)1 min，后隨著攪拌同時(shí)將聚丙烯纖維均勻撒入攪拌筒內(nèi)；纖維撒完后攪拌時(shí)間約2 min；2)將水泥緩慢倒入攪拌筒，開動(dòng)攪拌機(jī)約1 min，此時(shí)可見細(xì)纖維在攪拌筒上方飄動(dòng)；3)將水緩慢均勻倒入，攪拌時(shí)間2 min左右。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)纖維在混凝土中的分布較均勻，和易性可滿足施工要求。

(a) FF1；(b) FF2；(c) FF3；(d) FF4；(e) CF1；(f) CF2

表1 聚丙烯纖維的物理力學(xué)指標(biāo)

表2 C30混凝土纖維摻量

注：帶▲指LF2纖維摻量為5.1 kg/m3，PF1或PF4纖維摻量為0.9kg/m3；帶●指LF2纖維摻量為5.1 kg/m3，PF1與PF4纖維摻量為0.45 kg/m3。

試驗(yàn)采用長(zhǎng)×寬×高為400 mm×100 mm×100 mm的棱柱體試塊，參照CECS 13:2009“纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)”的規(guī)定，不同纖維尺寸混凝土類型的試件為1組，每組3個(gè)試件，共澆筑30個(gè)試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。

試驗(yàn)裝置采用英國(guó)INSTRON?1346型液壓伺服試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)。測(cè)試軟件采用INSTRON MERLIN軟件包中的抗彎軟件，位移?荷載傳感器精度為0.05%，梁撓度的測(cè)定采用日本YOKE方法，在撓度記錄中不包括梁在支座處的沉降、加載點(diǎn)的位移及鋼板與試件間的縫隙及鋼板的彈性變形等，將夾式引伸儀放于試件的中性軸處測(cè)定梁的撓度，該裝置還能夠消除梁扭轉(zhuǎn)變形引起的附加變形[18]，如圖2所示。采用連續(xù)穩(wěn)定加載方式，初始加載速度為0.2 mm/min，當(dāng)撓度達(dá)到1.0 mm時(shí)，加載速度調(diào)至2.0 mm/min。

圖2 YOKE 撓度測(cè)試裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 荷載?撓度曲線

試驗(yàn)得到的荷載?撓度曲線如圖3~12所示。由圖3~7可知：基準(zhǔn)混凝土試件A0與聚丙烯細(xì)纖維混凝土試件A1，A2，A3和A4達(dá)峰值后,荷載瞬間下降較快,表現(xiàn)為明顯的脆性性質(zhì)；聚丙烯細(xì)纖維的摻入使荷載?撓度曲線下降段所包面積比基準(zhǔn)混凝土的略大，說明聚丙烯細(xì)纖維有利于混凝土抗裂韌性提高。

由圖8~12可知：聚丙烯粗纖維混凝土試件A5和A6及其粗細(xì)混雜纖維混凝土試件A7，A8和A9達(dá)峰值后，試件承載力瞬間降至5~8 kN，此時(shí)，隨外荷載持續(xù)增加，試件的承載能力會(huì)有回升，直至聽到試件內(nèi)纖維的沉悶斷裂聲后承載力下降，而后又有所上升，纖維斷裂，承載力降低后又有所上升。如此反復(fù)，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，直至試件斷裂面處大部分粗纖維被拉斷或拔出，試件逐漸喪失承載力。

在試件的整個(gè)破壞過程中，聚丙烯粗纖維的橋接作用非常明顯，試件下降段出現(xiàn)較長(zhǎng)的平緩過程，出現(xiàn)低應(yīng)力應(yīng)變硬化現(xiàn)象。聚丙烯粗纖維的摻入在提高基體混凝土抗彎強(qiáng)度的同時(shí)極大提高了混凝土的抗彎韌性。粗細(xì)聚丙烯纖維混摻試件，峰值后荷載?撓度曲線的下包面積比單摻聚丙烯粗纖維時(shí)的大，特別是試件A8和A9，其下包面積幾乎是單摻粗纖維A5和A6的2倍。

1—A0-1；2—A0-2；3—A0-3。

1—A1-1；2—A1-2。

1—A2-1；2—A2-2；3—A2-3。

1—A3-1；2—A3-2；3—A3-3。

1—A4-1；2—A4-2；3—A4-3。

1—A5-1；2—A5-2。

1—A6-1；2—A6-2；3—A6-3。

1—A7-1；2—A7-2；3—A7-3。

1—A8-1；2—A8-2；3—A8-3。

1—A9-1；2—A9-2；3—A9-3。

2.2 彎曲韌性分析

美國(guó)ASTM-C1399-98方法得到的韌性指標(biāo)為剩余強(qiáng)度，與目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中普遍采用的強(qiáng)度指標(biāo)方法相互銜接，且剩余強(qiáng)度可以較好地反映纖維對(duì)混凝土的阻裂增韌性能。在峰值荷載后，剩余承載力的提高是纖維增韌性能的充分體現(xiàn)[19]。

多尺寸聚丙烯纖維混凝土梁的抗彎韌性試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。其中：fc,m為抗彎強(qiáng)度；cr為梁初裂韌度；5，10，20和30為彎曲韌性指數(shù)。剩余強(qiáng)度表達(dá)式為

式中：0.5，0.75，1.0和1.25分別為梁跨中撓度為0.50，0.75，1.00和1.25 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載；為梁跨度；為梁寬；為梁高。

相對(duì)剩余強(qiáng)度SI表達(dá)式為

由表3可得出以下結(jié)論：

1) 初裂韌度提高幅度最大的是A1試件，增幅達(dá)到42.3%，相對(duì)素混凝土其余試件的初裂韌度提高4.2%~26.8%。

2) 聚丙烯纖維混凝土的斷裂能u相對(duì)素混凝土有較大提高。聚丙烯細(xì)纖維混凝土的斷裂能u提高了1.67~1.93倍(相對(duì)素混凝土的斷裂能u為1)；聚丙烯粗纖維混凝土的斷裂能u提高了9.36~11.33倍；粗、細(xì)聚丙烯混合纖維混凝土提高了11.54~17.76倍。

3) 在相同摻量條件下，相對(duì)于單摻聚丙烯粗纖維混凝土，混摻聚丙烯纖維混凝土的斷裂能均有較大提高。

4) 粗細(xì)混雜聚丙烯纖維混凝土的5和10相對(duì)素混凝土提高幅度分別達(dá)13.3%~36.7%和36.8%~ 122.8%；相對(duì)聚丙烯粗纖維混凝土A6提高幅度分別達(dá)13%~36.2%和19.5%~62.6%。粗細(xì)混雜聚丙烯纖維混凝土的20和30相對(duì)聚丙烯粗纖維混凝土A6提高幅度分別達(dá)17%~81.9%和10.7%~82.6%。

表3 多尺寸聚丙烯纖維混凝土梁抗彎韌性試驗(yàn)結(jié)果(ASTM-C1399-98)

5) 相對(duì)于素混凝土剩余強(qiáng)度，單摻聚丙烯細(xì)纖維混凝土剩余強(qiáng)度提高1.53~2.53倍，單摻聚丙烯粗纖維混凝土提高5.58~8.88倍，多尺寸聚丙烯纖維混凝土提高7.76~10.82倍。并且多尺寸聚丙烯纖維混凝土的剩余強(qiáng)度相對(duì)于相同摻量的單摻聚丙烯粗纖維混凝土有較大提高。

3 抗彎?rùn)C(jī)理分析

在混凝土基體中摻入聚丙烯纖維，數(shù)以千萬計(jì)的聚丙烯纖維將三維亂向分布在混凝土中，束縛了各種尺寸的微裂紋。當(dāng)混凝土試件受彎時(shí)，內(nèi)部微裂紋的開展就需克服聚丙烯纖維的銷栓作用，消耗能量[20]。有效提高復(fù)合材料的抗裂能力，達(dá)到纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)增韌目的。

多尺寸聚丙烯纖維的增強(qiáng)與增韌作用可歸結(jié)為纖維在各個(gè)階段對(duì)基體內(nèi)各種裂縫的抑制作用。對(duì)于聚丙烯細(xì)纖維，在加載過程中，基體內(nèi)部初始微裂紋出現(xiàn)，截面內(nèi)縱橫交錯(cuò)的聚丙烯細(xì)纖維起到橋接作用，分散應(yīng)力集中，抑制微裂紋發(fā)展，應(yīng)力重分布后延遲微裂紋的產(chǎn)生。

對(duì)于聚丙烯粗纖維，隨著外荷載的增大，當(dāng)基體內(nèi)的微裂縫張開到臨界寬度或裂縫尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到混凝土斷裂韌性極限值時(shí)，裂縫開始不穩(wěn)定擴(kuò)展，在斷裂面處起橋接作用的聚丙烯粗纖維承受荷載并將荷載傳遞給未開裂的混凝土，如圖13所示。由于聚丙烯粗纖維有較高的抗拉強(qiáng)度，裂縫開展需要克服的橋接力較大，當(dāng)應(yīng)力較大處的粗纖維被拔出或拉斷時(shí)，試件承載力下降，裂縫繼續(xù)延伸到另一粗纖維處，為克服纖維橋接作用，試件承載力上升，此處粗纖維被拔出或拉斷，試件承載力下降，裂縫繼續(xù)開展。如此反復(fù)，試件完全斷裂所經(jīng)歷的時(shí)間較長(zhǎng)。所以，聚丙烯粗纖維混凝土及多尺寸聚丙烯纖維混凝土試件在彎曲試驗(yàn)中出現(xiàn)了低應(yīng)力應(yīng)變硬化現(xiàn)象，這2種試件的剩余強(qiáng)度遠(yuǎn)大于聚丙烯細(xì)纖維混凝土試件的剩余 強(qiáng)度。

圖13 多尺度聚丙烯纖維的橋接作用

聚丙烯纖維在混凝土基體中的橋接作用，取決于自身良好的抗拉性能和混凝土之間的黏結(jié)力，聚丙烯粗纖維LF2抗拉強(qiáng)度比細(xì)纖維PF1和PF4的抗拉強(qiáng)度高，且粗纖維表面有波紋，類似于帶肋鋼筋，與混凝土的機(jī)械咬合力相對(duì)細(xì)纖維要大得多，也就是說，粗纖維與混凝土之間的粘結(jié)性要強(qiáng)于細(xì)纖維與混凝土之間的黏結(jié)性。而聚丙烯粗細(xì)纖維混摻后，細(xì)纖維能有效阻止微裂紋的發(fā)展，粗纖維在宏觀裂縫出現(xiàn)后能有效阻止裂縫開展，所以，多尺寸聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗彎韌性改善比單摻粗、細(xì)聚丙烯纖維效果好。

4 結(jié)論

1) 相同摻量條件下，直徑越小、長(zhǎng)度越短(根數(shù)越多的)的聚丙烯細(xì)纖維對(duì)混凝土初裂韌度有較大 改善。

2) 在相同摻量條件下，相對(duì)于單摻聚丙烯粗纖維混凝土，混摻聚丙烯纖維混凝土的斷裂能均有較大 提高。

3) 相對(duì)于素混凝土的斷裂能，聚丙烯細(xì)纖維混凝土的斷裂能提高1.67~1.93倍(相對(duì)素混凝土的斷裂能為1)；聚丙烯粗纖維混凝土的斷裂能提高9.36~11.33倍；多尺寸聚丙烯纖維混凝土提高11.54~17.76倍。

4) 細(xì)纖維能改善混凝土裂前抗彎韌性，粗纖維能改善混凝土裂后抗彎韌性，多尺寸聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗彎韌性改善效果比單摻粗、細(xì)聚丙烯纖維的改善效果好。多尺寸聚丙烯纖維的混摻在不同受力階段分別發(fā)揮作用，從而有效提高了混凝土的抗彎韌性。

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(編輯 楊幼平)

Experimental study of flexural toughness for multi-scale polypropylene fiber reinforced concrete

LIANG Ninghui, ZHONG Yang, LIU Xinrong

(Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area (Chongqing University),Ministry of Education, School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China)

In order to study the flexural toughness for multi-scale polypropylene fiber reinforced concrete, thirty 400 mm×100 mm×100 mm polypropylene fiber reinforced concrete beams were investigated by using the four point bending test, and their stress-strain curves were obtained. Based on the ASTM-C1399-98 method and the optimal engineering fiber content, the effects of multi-scale polypropylene fiber and hybrid fiber on the flexural toughness of concrete were studied. The results show that under the condition of the same content, the addition of polypropylene fine fibers will greatly improve the flexural toughness of concrete before cracking. Both coarse polypropylene fiber and multi-scale polypropylene fiber will greatly improve the flexural toughness of concrete, and after cracking a stress?strain hardening phenomenon appears under low stress circumstance. Multi-scale polypropylene fiber reinforced concrete would improve the flexural toughness to the maximum. Compared with the common concrete, the residual strength of fine polypropylene fiber concrete increases by 1.53?2.53 times. The residual strength of coarse polypropylene fiber concrete increases to 5.58?8.88 times. The residual strength of hybrid polypropylene fiber concrete increases by 7.76~10.82 times.

flexural toughness; stress-strain curve; multi-scale polypropylene fiber reinforced concrete; residual strength

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.10.031

TU528.572

A

1672?7207(2017)10?2783?07

2016?11?19；

修回日期：2017?02?24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41372356)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(106112015CDJXY200007)；重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CYS16005)(Project(41372356) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (106112015CDJXY200007) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities; Project(CYS16005) supported by Graduate Scientific Research and Innovation of Chongqing)

梁寧慧，博士，副教授，從事邊坡工程及纖維混凝土在土木工程中的應(yīng)用研究；E-mail：liangninghui0705@163.com