于 婧， 翟天文， 梁興文, 孫驍驥

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710055；2.西安長慶科技工程有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710018)

混凝土是當(dāng)今世界用量最大、應(yīng)用最廣泛、土木工程基礎(chǔ)設(shè)施中最重要的建筑材料.伴隨著社會(huì)對超高層、大跨度、重荷載建筑結(jié)構(gòu)的需求，超高性能纖維增強(qiáng)混凝土應(yīng)運(yùn)而生.高性能纖維混凝土擁有較高的抗彎強(qiáng)度，并且與既有混凝土有較高的黏結(jié)強(qiáng)度[1]，適合對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造.在初裂后，鋼纖維混凝土還會(huì)表現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象[2,3]，這些優(yōu)勢為鋼纖維混凝土的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ).

纖維的增強(qiáng)作用取決于纖維自身的材料屬性和幾何特征，為了充分利用不同種類、不同幾何特征纖維的優(yōu)勢，混雜纖維混凝土的性能得到越來越多的研究.已有的研究[4]發(fā)現(xiàn)，將不同尺寸的普通鋼纖維、微細(xì)鋼纖維和碳纖維混雜時(shí)，其增強(qiáng)效果均高于單摻纖維的增強(qiáng)效果，表現(xiàn)出混雜增強(qiáng)效應(yīng).在抗彎強(qiáng)度方面，普通鋼纖維與碳纖維混雜混凝土強(qiáng)度最大；在斷裂能方面，微細(xì)鋼纖維與普通鋼纖維的混雜增強(qiáng)系數(shù)最大.可見更細(xì)小的聚合物纖維在強(qiáng)度上增強(qiáng)效應(yīng)更好，而在變形方面，尺度較大的鋼纖維起主要作用.但是，目前研究較多的多尺度纖維增強(qiáng)混凝土所選用的聚丙烯纖維屬于一種低強(qiáng)、低彈模、高延伸率纖維，理論上不利于纖維橋連裂縫傳力并實(shí)現(xiàn)對裂縫的控制以及混凝土材料的增強(qiáng).

PVA纖維具有高長徑比、高抗拉強(qiáng)度，相對高的彈性模量，較大的延伸率，與水泥有較高的化學(xué)黏結(jié)力，對水有較高的引力且沒有健康風(fēng)險(xiǎn).PVA纖維的高抗拉強(qiáng)度使得其能夠維持初裂應(yīng)力，而它與基體的高黏結(jié)強(qiáng)度則保證了高抗拔能力[5].鋼纖維則抗拉強(qiáng)度和彈性模量均較高，但直徑較大，且表面光滑，這使得其在提高混凝土強(qiáng)度方面性能優(yōu)異，而在抗裂性能、韌性等方面能力不足.將2種纖維按適當(dāng)?shù)谋壤祀s可以在不同作用、不同尺度上提高混凝土的性能.

Yu等[6]做了預(yù)埋在PVA纖維混凝土中的鋼纖維拔出試驗(yàn)，通過改變鋼纖維的類型、鋼纖維的傾角以及PVA纖維的體積分?jǐn)?shù)來研究混凝土中鋼纖維-PVA纖維的協(xié)同作用，以此對鋼-PVA混雜纖維混凝土進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).研究結(jié)果顯示，PVA纖維的引入可以有效阻止帶端鉤鋼纖維周圍的混凝土破裂，對拔出力幾乎沒有影響，但是會(huì)稍微提高拔出耗能.

目前研究不同種類或尺寸纖維混雜效應(yīng)的較多，但對纖維的混雜比例及組合優(yōu)化的研究較少.本文將通過試驗(yàn)，對鋼-PVA纖維混凝土在不同砂膠比mS/mB、纖維組合、纖維摻量φF下的流動(dòng)性、基本力學(xué)性能以及2種纖維的協(xié)同作用進(jìn)行研究，給出綜合性能較好的纖維搭配.

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

西安藍(lán)田堯柏水泥廠P·O 42.5硅酸鹽水泥(C)，比表面積339m2/kg，初凝180min；I級粉煤灰(FA)，比表面積360m2/kg，燒失量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))2.6%；臨潼產(chǎn)石英砂(S)，分為0.125～0.212mm,0.212～0.425mm,0.425～0.850mm，0.850～2.000mm,及0.045mm共5個(gè)級配； 陜西精誠減水劑工程公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，減水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))26%；上海真強(qiáng)公司產(chǎn)鋼纖維，可樂麗公司產(chǎn)PVA纖維，兩種纖維的性能如表1所示；硅灰(SF)采用西安霖源公司生產(chǎn)的SF93硅灰，其SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在93%以上，比表面積為15～27m2/g.

表1 PVA及鋼纖維基本性能Table 1 Properties of PVA fiber and steel fiber

1.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)配合比如表2所示(表2中減水劑添加量均為膠凝材料質(zhì)量的2.5%;下述試驗(yàn)結(jié)果中，編號為SK-1～SK-8的試件采用1號配合比，編號為SK-9～SK-13的試件采用2號配合比，編號為SK-14～SK-18的試件采用3號配合比).為了使砂子達(dá)到最佳配合狀態(tài)，本文利用修正的Andreasen和Andersen[7,8]模型計(jì)算得出各種砂子的占比.計(jì)算模型如下：

(1)

式中：D為顆粒尺寸，μm；φ(D)為尺寸小于D的所有固體的體積分?jǐn)?shù)；Dmax表示最大顆粒尺寸；Dmin表示最小顆粒尺寸；q為分布模量，取值0.23.

表2 試驗(yàn)配合比Table 2 Mix proportions used in the test

1.3 試件制備

試件制作參考CECS 13—2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,先將不同級配的砂子倒入攪拌機(jī)攪拌2min；再加入水泥、粉煤灰、硅灰攪拌1min；之后加水、減水劑攪拌12min；最后邊攪拌邊先后加入PVA纖維、鋼纖維，攪拌6min結(jié)束.試件在模具中一次澆筑成型并在振動(dòng)臺(tái)上振搗30s，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中養(yǎng)護(hù)48h后，拆模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，在溫度為(20±2) ℃、相對濕度>90%的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至28d 進(jìn)行抗壓及抗彎試驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同砂膠比及纖維組合下各試件的流動(dòng)性及強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表3(試塊質(zhì)量為平均質(zhì)量；7 d及 28 d抗壓強(qiáng)度為試塊平均強(qiáng)度；28 d抗折強(qiáng)度為3個(gè)試件試驗(yàn)結(jié)果平均值)所示.

表3 試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of the test

纖維增強(qiáng)混凝土的性能受基體水膠比、砂子級配等因素的影響.水膠比的增大通常會(huì)增大混凝土流動(dòng)性，但過大會(huì)造成混凝土泌水并降低強(qiáng)度.在之前的研究中發(fā)現(xiàn)，較好的水膠比在0.18～0.20，本試驗(yàn)選擇水膠比mW/mB0.19為進(jìn)行試驗(yàn)研究.砂子的級配對混凝土的孔隙率有較大影響，本文采用修正的Andreasen和Andersen模型計(jì)算出擁有較大堆積密度的砂子級配進(jìn)行試驗(yàn)研究.

2.1 流動(dòng)性的影響因素分析

本試驗(yàn)研究了不同砂膠比、纖維組合、纖維摻量對流動(dòng)性的影響.由表3可見，當(dāng)砂膠比在1.08，1.18，1.28內(nèi)變動(dòng)時(shí)，不同纖維組合下，試件的流動(dòng)性隨著砂膠比的提高而降低，但降低幅度較小.砂膠比對試件流動(dòng)性的影響主要是通過砂粒外包裹的漿體厚度，當(dāng)砂膠比提高后，裹漿厚度就會(huì)減小，漿體的潤滑作用就會(huì)降低，從而影響了試件流動(dòng)性.

通過對比基體與φSF為1.50%，1.75%的純鋼纖維混凝土，發(fā)現(xiàn)鋼纖維摻量的變化對混凝土的流動(dòng)性影響細(xì)微.將部分鋼纖維替換為PVA纖維后，混凝土的流動(dòng)性出現(xiàn)下降.在砂膠比不變，2種纖維總摻量φF為1.75%時(shí)，混凝土的坍落度隨著PVA纖維摻量φPVA增加而不斷降低，且在φPVA大于0.25%時(shí)降低速率加快；當(dāng)砂膠比為1.18，φPVA為0.25%，0.50%，0.75%時(shí)，混凝土坍落度相較于純鋼纖維混凝土SK-5分別下降了3.7%，10.2%，26.7%；當(dāng)φSF保持在1.50%時(shí)，φPVA為0.10%，0.25%，0.40%的混凝土坍落度相較于純鋼纖維混凝土SK-8分別下降了4.6%，7.7%，12.3%.由此可知，PVA纖維摻量對混凝土的流動(dòng)性影響較大.

纖維對混凝土流動(dòng)性的影響主要由于4個(gè)因素：(1)與骨料相比，纖維的形狀更加細(xì)長，相同體積的表面積更高，這可以增加纖維與基質(zhì)之間的黏聚力[8]，同時(shí)，聚合物纖維由于較小的尺寸，擁有更大的比表面積，由此需要更多砂漿包裹；(2)剛性纖維改變了顆粒骨架；(3)鋼纖維一般具有鉤狀端部或波浪形，這可改善纖維和周圍基質(zhì)之間以及纖維自身之間的錨固；(4)混雜纖維之間的相互作用.PVA纖維的密度和直徑比鋼纖維小很多，在同等體積分?jǐn)?shù)時(shí)，PVA纖維數(shù)量更多，單位體積混凝土內(nèi)較多的PVA纖維會(huì)使混凝土變得更稠，且同等體積的PVA纖維表面積更大，包裹所需水泥漿更多，導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性下降.此外，鋼纖維與PVA纖維形成的纖維網(wǎng)架也降低了混凝土的流動(dòng)性.

2.2 鋼-PVA纖維混凝土的受壓破壞形態(tài)

在受壓試驗(yàn)過程中，基體的破壞往往是無預(yù)兆的爆炸性破裂，這對于建筑工程來說是一個(gè)不安全因素.在加入純鋼纖維之后，混凝土在受壓荷載較高時(shí)會(huì)伴隨著混凝土開裂和纖維拉拔的聲音，在達(dá)到極限荷載時(shí)往往由于纖維拔出/拔斷發(fā)出深沉的“砰”聲而破壞.在純鋼纖維摻量φSF為1.75%時(shí)，混凝土破壞往往會(huì)形成數(shù)條較大的豎向主裂縫，試件表面有部分脫落但無大體積掉落，外形基本完整，如圖1(a)所示.在將0.50%的鋼纖維替換成同等體積分?jǐn)?shù)的PVA纖維后，試件受壓荷載較大時(shí)會(huì)伴隨混凝土破裂出現(xiàn)纖維拉拔的“滋滋”聲，且直至試件破壞無明顯變化，試件表面形成許多微裂縫，試件破壞時(shí)表面幾乎沒有脫落，如圖1(b)所示.因?yàn)殇摾w維和PVA纖維在尺度上的差別，使得2種纖維在不同尺度上發(fā)揮橋接作用，PVA纖維主要在受壓早期對微裂縫進(jìn)行控制，鋼纖維則主要對宏觀裂縫進(jìn)行控制.因此，鋼-PVA纖維混凝土相比于純鋼纖維混凝土破壞時(shí)，在主裂縫外的微裂縫開展更多，試件破壞過程更平緩，延性更好.對比不同纖維組合下混凝土試件破壞后的狀態(tài)，當(dāng)PVA纖維摻量達(dá)到0.25%后，試件表面基本沒有脫落.

圖1 典型試件破壞形態(tài)Fig.1 Typical failure modes of the specimens

2.3 鋼-PVA纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度

2.3.1纖維組合對抗壓強(qiáng)度的影響

當(dāng)2種纖維總摻量φF保持在1.75%時(shí)，鋼纖維與PVA纖維不同摻量的組合對混凝土的抗壓強(qiáng)度有明顯影響.由表3可見：當(dāng)砂膠比為1.08時(shí)，混凝土在φPVA為0.25%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值111.17MPa，相較于純鋼纖維混凝土SK-13提高1.3%，之后隨著PVA纖維摻量的提高而降低，但始終高于基體SK-9強(qiáng)度；當(dāng)砂膠比為1.18和1.28時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度也在φPVA為0.25%時(shí)達(dá)到最大值111.38MPa和120.51MPa，相較于純鋼纖維混凝土SK-5，SK-18分別提高7.7%和4.6%；在φPVA為0.50%時(shí)，對應(yīng)1.18，1.28的砂膠比，混凝土的抗壓強(qiáng)度分別為92.11，92.40MPa，達(dá)到最低值.SK-9試件在養(yǎng)護(hù)結(jié)束試驗(yàn)之前即出現(xiàn)了裂縫，因此發(fā)生了提前破壞，強(qiáng)度較低；隨著PVA纖維摻量的提高，在PVA纖維摻量達(dá)到0.75%時(shí)試件強(qiáng)度又提高至略高于基體強(qiáng)度.

纖維對混凝土強(qiáng)度的提高作用主要是由于纖維限制了裂縫的開展，而纖維阻裂作用的發(fā)揮又依賴于纖維在混凝土中的分布情況.當(dāng)混凝土中只摻入鋼纖維時(shí)，因?yàn)殇摾w維的密度大于基體密度，在自重和振動(dòng)作用下會(huì)有所下沉，導(dǎo)致鋼纖維在混凝土中分布不均勻，在受壓傳力時(shí)易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，試件提早破壞.在加入適量PVA纖維后，因?yàn)镻VA纖維是水溶性纖維，可以在混凝土中較均勻地分布，且PVA纖維中的羥基與水形成氫鍵可以與混凝土更好地黏結(jié)，使混凝土變得更稠，同時(shí)在混凝土中形成纖維網(wǎng)，阻止了鋼纖維的下沉，使鋼纖維在混凝土中分布均勻，受力效果更好.在試件澆筑時(shí)，純鋼纖維混凝土在裝填完并振動(dòng)后往往在表面層看不到鋼纖維，而在PVA纖維加入后則可以在表面層看到2種纖維.脫模時(shí)，在純鋼纖維試件底部也能看到輕微的纖維沉底現(xiàn)象，這也驗(yàn)證了上述分析.同時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度在φSF和φPVA分別為1.50%，0.25%搭配下達(dá)到最大，超過φSF為1.75%的純鋼纖維混凝土強(qiáng)度，表明鋼纖維與PVA纖維產(chǎn)生了正協(xié)同作用.當(dāng)φPVA繼續(xù)提高后，會(huì)產(chǎn)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，且與鋼纖維共同作用，在試件表面及內(nèi)部形成較多空隙，如圖2，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)下降.在砂膠比為1.18和1.28時(shí)，φSF和φPVA分別為1.25%和0.50%是抗壓強(qiáng)度最低的纖維組合，甚至低于基體抗壓強(qiáng)度，這說明鋼纖維與PVA纖維發(fā)生了負(fù)協(xié)同作用.

圖2 試件SK-12的破壞形態(tài)Fig.2 Failure mode of SK-12

2.3.2砂膠比對抗壓強(qiáng)度的影響

在基體、φPVA分別為0.25%及0.75%時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度均隨著砂膠比的增加而提高.纖維混凝土是一種非勻質(zhì)多孔材料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的勻質(zhì)性也會(huì)影響到材料強(qiáng)度.當(dāng)砂膠比較低時(shí)，砂粒之間的水泥漿會(huì)變多，由于砂粒與水泥漿密度的差別，砂粒會(huì)向下沉降，發(fā)生離析；當(dāng)砂膠比提高后，砂子所需裹漿增多，砂粒間漿體變少，這種沉降現(xiàn)象就會(huì)減弱，有利于材料強(qiáng)度提高.在發(fā)生負(fù)協(xié)同作用的φSF和φPVA分別為1.25%和0.50%的纖維組合中，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著砂膠比的增加而降低；純鋼纖維混凝土則是先下降再升高.

2.4 鋼-PVA纖維混凝土的抗折強(qiáng)度

2.4.1纖維組合對抗折強(qiáng)度的影響

在混凝土的抗折試驗(yàn)中，所有試件均在純彎段破壞.混凝土抗折強(qiáng)度隨纖維組合的變化如表3所示，當(dāng)2種纖維總摻量φF為1.75%時(shí)，混凝土的抗折強(qiáng)度均隨著φPVA的提高而增大，在φSF為1.25%搭配φPVA為0.50%時(shí)達(dá)到最大值，砂膠比為1.08，1.18，1.28的混凝土，抗折強(qiáng)度分別為15.69，19.31，17.07MPa，與基體相比分別提高了162.8%，200.8%，69%；與純鋼纖維混凝土相比分別提高了48.2%，64.8%，41.1%.之后隨著φPVA的繼續(xù)增大，抗折強(qiáng)度開始下降.由試驗(yàn)結(jié)果可知：纖維的摻入使混凝土抗折強(qiáng)度有較大提高；相對于純鋼纖維混凝土，鋼-PVA纖維混摻可以顯著提高混凝土的抗折強(qiáng)度.

混凝土破壞的本質(zhì)是裂縫的產(chǎn)生與開展，纖維對混凝土強(qiáng)度的提高作用在于控制了裂縫的產(chǎn)生與開展，而纖維在混凝土中的分布狀況又影響了纖維阻裂作用的發(fā)揮.如前面所述，純鋼纖維在混凝土中由于鋼纖維密度大于基體，在澆筑和振動(dòng)過程中鋼纖維會(huì)發(fā)生沉降，使鋼纖維分布不均，阻裂作用發(fā)揮不充分，這點(diǎn)從試件破壞形態(tài)可見.從受彎試件的加載底面(即澆筑側(cè)面)可以看出，從試件澆筑底面到澆筑面，鋼纖維的分布由密變疏，這導(dǎo)致加載時(shí)試件內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中，且纖維阻裂不充分.隨著PVA纖維的加入，鋼纖維的分布趨于均勻，混凝土的抗折強(qiáng)度不斷提高，在φSF為1.25%，φPVA為0.50%時(shí)達(dá)到最大，之后隨著φPVA的繼續(xù)提高，抗折強(qiáng)度出現(xiàn)下降.

纖維影響混凝土抗折強(qiáng)度的原因主要有兩點(diǎn)：(1)隨著PVA纖維摻量的不斷提高，混凝土內(nèi)部缺陷開始增多，導(dǎo)致應(yīng)力集中，試件提前破壞；(2)在鋼-PVA混雜纖維混凝土中，PVA纖維與鋼纖維在不同尺度上發(fā)揮控制裂縫的作用，PVA纖維在微觀上阻裂和控制裂縫，而鋼纖維在宏觀上控制裂縫，因此，PVA纖維對混凝土初裂強(qiáng)度影響較大，而鋼纖維對混凝土極限抗折強(qiáng)度影響較大，當(dāng)φF為1.75%時(shí)，隨著PVA纖維的增加、鋼纖維的減少，混凝土抗折強(qiáng)度出現(xiàn)下降.

2.4.2受彎性能及韌性從試件破壞形態(tài)來看，隨著PVA纖維的增加，試件破壞裂縫開展由平直趨于蜿蜒曲折.受彎試件加載過程中會(huì)經(jīng)歷彈性階段、應(yīng)變硬化階段和應(yīng)變軟化階段，抗折試件的荷載-變形曲線隨著PVA纖維的增加趨于飽滿，開裂強(qiáng)度和韌性得到提高，如圖3所示.依據(jù)JSCE-SF4法對SK-9～SK-13試件進(jìn)行韌性評價(jià)計(jì)算，結(jié)果如表4所示.當(dāng)2種纖維總摻量為1.75%時(shí)，混凝土的韌性指標(biāo)FT及韌度因子σ隨PVA纖維摻量的提高而增大，在φSF為1.25%，φPVA為0.50%時(shí)分別達(dá)到最大值91171N·mm和13.68MPa，分別較φSF為1.75%的純鋼纖維試件提高46.1%及46.2%，之后下降；在φPVA為0.75%時(shí)達(dá)到66912N·mm和10.04MPa，但仍較純鋼纖維試件分別提高7.2%和7.3%，這與抗折強(qiáng)度隨PVA纖維摻量增加而變化的規(guī)律一致.且纖維的摻入使得試件產(chǎn)生明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象.這說明PVA纖維的摻入使試件破壞變得更有延性.

圖3 試件SK-9～SK-13荷載變形曲線Fig.3 Curves of load-deformation of SK-9-SK-13

表4 JSCE-SF4法計(jì)算的韌性指標(biāo)及韌度因子Table 4 Toughness index and toughness factor calculated by JSCE-SF4

3 結(jié)論

(1)鋼-PVA混雜纖維混凝土的流動(dòng)性隨著PVA纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而降低，且在PVA纖維體積分?jǐn)?shù)大于0.25%時(shí)降低幅度加大.

(2)鋼纖維與PVA纖維會(huì)產(chǎn)生協(xié)同作用.當(dāng)纖維總摻量為1.75%時(shí)，在抗壓強(qiáng)度方面，纖維組合為1.50%的鋼纖維和0.25%的PVA纖維會(huì)產(chǎn)生正協(xié)同作用，當(dāng)纖維組合為1.25%的鋼纖維和0.50%的PVA纖維時(shí)產(chǎn)生負(fù)協(xié)同作用；在抗折強(qiáng)度及韌性方面，當(dāng)纖維總量為1.75%時(shí)，纖維組合為1.25%的鋼纖維和0.50%的PVA纖維時(shí)達(dá)到最大值.

(3)鋼-PVA纖維混凝土中PVA纖維摻量的增加有利于混凝土受壓破壞的多裂縫開展；在受彎試驗(yàn)中試件初裂后產(chǎn)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象.

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