王 力, 徐禮華, 鄧方茜, 劉素梅, 池 寅

(武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 湖北 武漢 430072)

普通混凝土材料因抗拉強(qiáng)度低、延性和耐久性差等弱點(diǎn),已經(jīng)難以滿足日漸多樣化的結(jié)構(gòu)形式需求.對(duì)此,國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者提出采用在混凝土中摻入纖維的方式對(duì)混凝土進(jìn)行改性.纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)效果,與纖維-混凝土基體界面間的黏結(jié)性能密切相關(guān).纖維混凝土材料在復(fù)雜應(yīng)力作用下,纖維與混凝土基體間的黏結(jié)往往較易發(fā)生破壞,使得纖維的作用并未充分發(fā)揮.因此,對(duì)纖維-混凝土基體界面的黏結(jié)性能展開(kāi)研究十分重要.

近年來(lái),針對(duì)纖維-混凝土基體界面黏結(jié)性能,各國(guó)專家學(xué)者展開(kāi)了多方位的試驗(yàn)研究.影響界面黏結(jié)性能的因素眾多,主要包括纖維形狀、摻量、埋置角度、表面處理方式,基體強(qiáng)度,外加劑和溫度等.李麗等[1-3]研究發(fā)現(xiàn),相對(duì)于圓直型鋼纖維,機(jī)械咬合作用使得異形鋼纖維與混凝土形成的黏結(jié)性能更強(qiáng).混凝土中單摻鋼纖維體積分?jǐn)?shù)在0%～2%時(shí),鋼纖維-基體界面黏結(jié)性能隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而提升[4-5].宗曉東[6]和王曉偉等[7]對(duì)比了不同傾角(纖維埋置方向與埋置平面的夾角)下纖維的拉拔峰值荷載,結(jié)果表明,傾角越小,峰值拉拔力越小.Soulioti等[8]利用磷酸鋅對(duì)鋼纖維表面進(jìn)行處理,發(fā)現(xiàn)ZnPh晶體的析出導(dǎo)致鋼纖維表面粗糙,界面黏結(jié)作用顯著增加.高德川等[9]研究了DBD等離子處理對(duì)聚丙烯纖維與水泥基體間黏結(jié)性能的影響,結(jié)果表明,處理后的聚丙烯纖維表面粗糙程度更大,纖維-混凝土基體間的界面黏結(jié)強(qiáng)度更高.有關(guān)研究[10-13]表明,纖維-混凝土基體界面黏結(jié)強(qiáng)度隨混凝土基體強(qiáng)度的提高而增大.代超[14]的研究結(jié)果表明,硅灰能夠明顯提高纖維-混凝土基體界面黏結(jié)強(qiáng)度,而聚合物卻降低了界面黏結(jié)強(qiáng)度.除此之外,Abdallah等[15]發(fā)現(xiàn),纖維-混凝土基體界面的黏結(jié)性能在200℃下最佳.

上述研究主要集中在鋼纖維與水泥砂漿或單摻鋼纖維混凝土間的黏結(jié)性能,鮮有考慮聚丙烯纖維對(duì)鋼纖維-混凝土基體界面黏結(jié)性能產(chǎn)生的影響,而實(shí)際上聚丙烯纖維對(duì)抑制基體中微裂縫擴(kuò)展并延緩新裂縫的出現(xiàn)具有不可忽視的作用[16-18];另外,與普通圓直型鋼纖維相比,波紋型鋼纖維在拉拔過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的機(jī)械咬合力,使得混凝土基體與鋼纖維的界面黏結(jié)性能更好.鑒于此,本文選用同時(shí)摻有波紋型鋼纖維和聚丙烯纖維的混凝土作為研究對(duì)象,通過(guò)纖維拉拔試驗(yàn)研究鋼纖維與鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土之間的界面黏結(jié)性能,可為纖維混凝土優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù),對(duì)促進(jìn)混雜纖維混凝土的應(yīng)用和發(fā)展具有十分重要的工程意義.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

選用P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥、優(yōu)質(zhì)河砂、黑色瓜米石(粒徑5～20mm)、自來(lái)水和聚羧酸減水劑(減水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為26%)來(lái)制備基體混凝土.參考JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》,設(shè)計(jì)了C40和C50這2種配合比,見(jiàn)表1.

表1 設(shè)計(jì)配合比

波紋型鋼纖維(SF)由宜興市華源金屬纖維有限公司生產(chǎn),改性單絲聚丙烯纖維(PFF)由武漢新途工程纖維制造有限公司提供,2種纖維的幾何特征和力學(xué)性能見(jiàn)表2.本試驗(yàn)中,制備混雜纖維混凝土基體所用鋼纖維與待拔鋼纖維材料一致.值得注意的是,待拔鋼纖維的一端加工為波紋形,另一端保留圓直形,見(jiàn)圖1.圓直部分用于與纖維夾具固定,波紋部分的長(zhǎng)度根據(jù)鋼纖維埋置深度確定.

表2 纖維的幾何特征和力學(xué)性能

圖1 待拔波紋型鋼纖維Fig.1 Corrugated steel fiber to pull-out

1.2 試件設(shè)計(jì)

為研究波紋型鋼纖維與鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土的黏結(jié)性能,考慮鋼纖維體積分?jǐn)?shù)φSF、聚丙烯纖維體積分?jǐn)?shù)φPPF、混凝土基體強(qiáng)度和鋼纖維埋置深度等影響因素,設(shè)計(jì)制作了21組纖維拉拔試件,試件尺寸為100mm×100mm×100mm,試件設(shè)計(jì)表見(jiàn)表3.其中,fcu和fst分別為基體實(shí)測(cè)28d立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度.試件編號(hào)中C、S、P、B分別表示基體強(qiáng)度、鋼纖維和聚丙烯纖維體積分?jǐn)?shù)、鋼纖維埋置深度(h),如C40S15P10B8表示基體設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40,φSF為1.50%,φPPF為0.10%,鋼纖維埋置深度為8mm.

首先,根據(jù)表1中的設(shè)計(jì)配合比稱取材料,而后攪拌、澆筑,使纖維充分散開(kāi)防止結(jié)團(tuán),澆筑完成后立即進(jìn)行混雜纖維混凝土基體的振搗.基體澆筑完成后,將待拔鋼纖維從上方垂直插入基體的中心,并保證一定的埋置深度(h).為此,設(shè)計(jì)了一套如圖2所示的拉拔試件及鋼纖維放置裝置,不僅可保證鋼纖維長(zhǎng)度方向與試件表面垂直,還能避免拌和物表面泌水對(duì)鋼纖維-混凝土基體界面的形成造成影響.另外,為避免待拔鋼纖維在混凝土拌和物振搗時(shí)下沉,造成實(shí)際埋置深度與設(shè)計(jì)埋置深度不符,根據(jù)鋼纖維的設(shè)計(jì)埋置深度在鋼纖維的上部做標(biāo)記,并在振搗過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)整鋼纖維的豎向位置,保證實(shí)際埋置深度與設(shè)計(jì)埋置深度一致.最后,將試件靜置于自然環(huán)境中24h后拆除模具、聚氯乙烯(PVC)薄板和塑料套管,并小心清理待拔鋼纖維周?chē)乃{(lán)丁膠,然后放置于養(yǎng)護(hù)室中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d.

表3 試件設(shè)計(jì)表

圖2 拉拔試件及鋼纖維放置裝置Fig.2 Pull-out specimen and a simple device for placing SF(size:mm)

1.3 試驗(yàn)裝置及加載步驟

試驗(yàn)裝置如圖3所示,主要包括MTS試驗(yàn)機(jī)、纖維夾具和試件固定裝置.加載步驟如下：將試件固定裝置和纖維夾具分別固定于MTS試驗(yàn)機(jī)的上端和下端,保持纖維夾具的中心與試件固定裝置的中心處于中軸線上;放置試件,并調(diào)節(jié)螺栓,使試件保持水平,同時(shí)鋼纖維處于豎直方向;將纖維夾具提升至距試件底部20mm,并夾緊待拔鋼纖維;采用位移控制的準(zhǔn)靜態(tài)方式進(jìn)行加載,加載速率為0.007mm/s.

為方便觀察,保持纖維夾具和所有試件表面之間鋼纖維露出部分的長(zhǎng)度均為20mm,這部分彈性變形將從總滑移值中扣除.經(jīng)計(jì)算,當(dāng)鋼纖維的位移達(dá)到峰值位移時(shí),試驗(yàn)裝置的變形量?jī)H占峰值位移的0.3%左右,可忽略此部分變形量對(duì)結(jié)果的影響.鋼纖維實(shí)際滑移通過(guò)下式計(jì)算：

(1)

式中：s為鋼纖維加載端產(chǎn)生的實(shí)際滑移,mm;s′為鋼纖維和夾具產(chǎn)生的總滑移,mm;P為試驗(yàn)機(jī)所測(cè)黏結(jié)力，N;L0為鋼纖維露出部分的長(zhǎng)度,L0=20mm;E為鋼纖維的彈性模量,MPa;A為鋼纖維圓直段的橫截面積,mm2.

圖3 試驗(yàn)裝置Fig.3 Test setup

2 結(jié)果與分析

2.1 鋼纖維拔出全過(guò)程分析

埋置深度為8mm的波紋型鋼纖維從C40混凝土基體拔出時(shí)的拉拔力-滑移(P-s)曲線繪于圖4.根據(jù)圖4,可提取出埋置深度8mm的波紋型鋼纖維對(duì)應(yīng)的典型P-s曲線,見(jiàn)圖5.基于單根波紋型鋼纖維拉拔試驗(yàn)現(xiàn)象和圖5中的P-s曲線,對(duì)鋼纖維拔出過(guò)程的各個(gè)階段進(jìn)行受力分析,如圖6所示.

圖4 拉拔力-滑移(P-s)曲線Fig.4 Pull-out load vs. slip curves

圖5 典型的P-s曲線Fig.5 Typical P-s curves

鋼纖維拔出過(guò)程的第1階段為完全黏結(jié)的彈性變形階段,對(duì)應(yīng)圖5中OA段,鋼纖維拔出狀態(tài)如圖6(a)所示.在該階段,鋼纖維與基體間緊密黏結(jié),無(wú)相對(duì)滑移,拉拔過(guò)程中鋼纖維所受拉拔力與位移呈線性關(guān)系,界面黏結(jié)力由機(jī)械咬合力和化學(xué)黏結(jié)力提供.一旦鋼纖維與混凝土基體發(fā)生相對(duì)滑移,化學(xué)黏結(jié)力將立即消失.結(jié)合圖4(a)～(b)可見(jiàn),當(dāng)聚丙烯纖維體積分?jǐn)?shù)一定時(shí),拉拔力在第1階段的增長(zhǎng)速率隨鋼纖維體積分?jǐn)?shù)增大而增大.

第2階段為部分脫黏階段,對(duì)應(yīng)圖5中AB段,鋼纖維拔出狀態(tài)如圖6(b)所示.此時(shí),鋼纖維的局部區(qū)域與混凝土基體發(fā)生了相對(duì)滑移,波紋型鋼纖維對(duì)附近混凝土產(chǎn)生擠壓(M區(qū)),同時(shí)也受到混凝土施加的反作用力.此過(guò)程中,脫黏部分的鋼纖維還會(huì)受到與基體間的動(dòng)摩擦力作用,鋼纖維所受拉拔力與滑移的關(guān)系呈非線性變化.鋼纖維的滑移達(dá)到1.5mm后,局部脫黏將逐漸發(fā)展為完全脫黏.

第3階段為塑性變形Ⅰ階段,對(duì)應(yīng)圖5中BCD段,鋼纖維拔出狀態(tài)如圖6(c)所示.此時(shí),鋼纖維與基體完全脫黏,鋼纖維所有區(qū)段均與混凝土基體發(fā)生滑移,峰值拉拔力往往在鋼纖維滑移達(dá)到1.5～2.0mm時(shí)出現(xiàn),并且其值與纖維體積分?jǐn)?shù)有關(guān).拉拔過(guò)程中,鋼纖維的m段不斷擠壓①區(qū)混凝土,n段擠壓③區(qū)混凝土,同時(shí),鋼纖維的運(yùn)動(dòng)受到周?chē)炷粱w的阻礙從而產(chǎn)生塑性變形,鋼纖維曲率逐漸變小,此時(shí)的界面黏結(jié)力主要由鋼纖維與混凝土基體間的機(jī)械咬合力提供.達(dá)到峰值時(shí),①區(qū)被壓碎的混凝土碎屑顆粒仍殘留在孔道中,堵塞拉拔通道,使得峰值拉拔力過(guò)后的摩擦力略微增大,總體拉拔力下降較緩.

圖6 鋼纖維拔出狀態(tài)示意圖Fig.6 Diagram of fiber pull-out state

第4階段為塑性變形Ⅱ階段,對(duì)應(yīng)圖5中DE段,鋼纖維拔出狀態(tài)如圖6(d)所示.此時(shí)鋼纖維的拉拔孔道已明顯拓寬,機(jī)械咬合效果大大減弱,導(dǎo)致拉拔力迅速減小;另外,隨著混凝土碎屑從孔道中逐漸掉出,摩擦力減小,界面黏結(jié)力隨之迅速減小.結(jié)合圖4(a)可見(jiàn),在單摻聚丙烯纖維時(shí),該階段鋼纖維所受拉拔力的下降速率隨著聚丙烯纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而減小,說(shuō)明聚丙烯纖維在鋼纖維與基體脫黏后仍對(duì)抵抗鋼纖維的拔出發(fā)揮作用.

第5階段為摩擦滑移階段,對(duì)應(yīng)圖5中EF段,纖維拔出狀態(tài)如圖6(e)所示.此時(shí)僅鋼纖維m段的末端處于拉拔孔道中,機(jī)械咬合作用完全退出,黏結(jié)力僅由鋼纖維與③區(qū)混凝土間的摩擦力提供.結(jié)合圖4可見(jiàn),在混凝土基體中單摻鋼纖維或單摻聚丙烯纖維時(shí),若纖維體積分?jǐn)?shù)較小(φSF≤1.00%或φPPF≤0.10%),經(jīng)歷前4個(gè)階段后,鋼纖維所受拉拔力在EF段為零,③區(qū)混凝土在該階段被壓碎脫落以致該區(qū)域厚度較小(見(jiàn)圖6(f)),鋼纖維將不再與混凝土發(fā)生接觸,拉拔力在鋼纖維拔出前減小為零.

2.2 破壞模式

在單根波紋型鋼纖維拉拔試驗(yàn)過(guò)程中,會(huì)出現(xiàn)拔出破壞和拉斷破壞2種破壞模式.

當(dāng)鋼纖維的極限抗拉承載力大于鋼纖維與混凝土基體的界面黏結(jié)力時(shí),相互作用的機(jī)械咬合力使界面的混凝土不斷被擠碎,導(dǎo)致鋼纖維預(yù)埋孔道變寬,橫截面逐漸呈現(xiàn)橢圓形,見(jiàn)圖7(a);同時(shí),波紋段在拉拔過(guò)程中也發(fā)生了改變,完全拔出后鋼纖維的曲率變小,且表面附著有殘留的基體碎屑,見(jiàn)圖7(b);當(dāng)鋼纖維的極限抗拉承載力小于鋼纖維與混凝土基體的界面黏結(jié)力時(shí),鋼纖維不斷被拉長(zhǎng),鋼纖維的橫截面不斷縮小,最終,受拔波紋型鋼纖維被拉斷,見(jiàn)圖7(c).

圖7 試件破壞形態(tài)Fig.7 Failure modes of specimens

鋼纖維拉拔過(guò)程中,試件 C50S10P10B12 的破壞模式為鋼纖維拉斷破壞,其他試件均為鋼纖維拔出破壞.試驗(yàn)中,當(dāng)波紋型鋼纖維埋置長(zhǎng)度較長(zhǎng)(12mm)、基體強(qiáng)度足夠高(C50)時(shí),鋼纖維- 混凝土基體界面黏結(jié)力較大,且波紋型鋼纖維下部的混凝土足以抵抗鋼纖維傳遞過(guò)來(lái)的局部壓力,因此試件 C50S10P10B12 的混凝土基體在鋼纖維拉拔過(guò)程中并未被擠碎,鋼纖維的兩端在拔出過(guò)程中均被鎖緊,隨著拉拔力的增大,鋼纖維被拉斷.

2.3 鋼纖維-基體界面黏結(jié)性能影響因素分析

2.3.1鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的影響

將C40混凝土中埋置深度為8mm的鋼纖維的峰值拉拔力Pmax與纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系繪于圖8.

圖8 峰值拉拔力與纖維體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.8 Relationship between Pmax and hybrid fiber volume content

由圖8可見(jiàn)：?jiǎn)螕戒摾w維時(shí),鋼纖維的峰值拉拔力隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而不斷提高;當(dāng)混凝土基體中同時(shí)摻入聚丙烯纖維和鋼纖維后,峰值拉拔力隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而先減小后增大,總體趨勢(shì)上有一定幅度的提高;與同等鋼纖維體積分?jǐn)?shù)下的單摻鋼纖維混凝土相比,鋼纖維與混雜纖維混凝土的界面黏結(jié)性能更好但當(dāng)聚丙烯纖維體積分?jǐn)?shù)大于0.10%且鋼纖維體積分?jǐn)?shù)大于1.00%時(shí),鋼纖維與混雜纖維混凝土的界面黏結(jié)性能比單摻鋼纖維混凝土要差;聚丙烯纖維體積分?jǐn)?shù)越高,鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加對(duì)提高鋼纖維與混凝土基體界面黏結(jié)力的影響越??；另外,單摻聚丙烯纖維或鋼纖維體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)(φSF=0.50%),峰值拉拔力隨著聚丙烯纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增大,但增幅逐漸減小;鋼纖維體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)(φSF=1.00%或φSF=1.50%),峰值拉拔力隨著聚丙烯纖維體積分?jǐn)?shù)的增加會(huì)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).

將試驗(yàn)獲取的拉拔力-滑移關(guān)系曲線進(jìn)行平滑處理后積分即可得到曲線與橫坐標(biāo)軸包圍的面積,即拉拔功(Wp),拉拔功反映鋼纖維拔出全過(guò)程的耗能情況.將C40混凝土中纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)拉拔功的影響繪于圖9.

圖9 纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)拉拔功的影響Fig.9 Influence of hybrid fiber volume content on Wp

由9可見(jiàn)：?jiǎn)螕戒摾w維時(shí),鋼纖維拉拔過(guò)程中產(chǎn)生的拉拔功隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而不斷提高,說(shuō)明增加鋼纖維體積分?jǐn)?shù)對(duì)增強(qiáng)鋼纖維-混凝土基體的黏結(jié)性能有較大影響;在混凝土基體中同時(shí)摻入聚丙烯纖維和波紋型鋼纖維后,拉拔功隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而先降低后升高,總體上有一定幅度的提高.由圖9還可見(jiàn)：?jiǎn)螕骄郾├w維時(shí),拉拔功隨著聚丙烯纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而增長(zhǎng),且增長(zhǎng)幅度較大;摻入混雜纖維后,拉拔功在鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為定值時(shí),隨著聚丙烯纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而先升高后降低,但整體變化幅度較小.

綜合來(lái)看,當(dāng)鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1.50%、聚丙烯纖維體積分?jǐn)?shù)為0.05%時(shí),波紋型鋼纖維的峰值拉拔力和拉拔功最大,纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)、增韌效果最佳.

2.3.2基體強(qiáng)度的影響

將纖維體積分?jǐn)?shù)一致(φSF=1.00%、φPPF=0.10%),基體強(qiáng)度及埋置深度不同的鋼纖維峰值拉拔力Pmax、鋼纖維-混凝土基體界面黏結(jié)強(qiáng)度σ以及拉拔韌性指標(biāo)列于表4.表4中,δ為峰值拉拔力對(duì)應(yīng)的滑移,I1δ,I2δ及I3δ分別為1、2、3倍峰值拉拔力對(duì)應(yīng)滑移處拉拔力-滑移曲線與橫軸包圍的面積,即拉拔韌性指標(biāo).

表4 鋼纖維-混凝土基體界面黏結(jié)性能測(cè)試與計(jì)算結(jié)果

對(duì)比基體強(qiáng)度分別為C40和C50時(shí)波紋型鋼纖維的黏結(jié)強(qiáng)度σ可見(jiàn),在相同埋置深度下,波紋型鋼纖維從強(qiáng)度等級(jí)更高的混凝土基體中拔出時(shí)的黏結(jié)強(qiáng)度更大,如鋼纖維埋置深度為4mm時(shí),黏結(jié)強(qiáng)度提高了2.5%;鋼纖維埋置深度為8mm時(shí),黏結(jié)強(qiáng)度提高了12.4%;鋼纖維埋置深度為12mm時(shí),在基體強(qiáng)度為C50的混凝土中完全拔出之前被拉斷,試驗(yàn)所用鋼纖維能承受的極限拉拔力為776.0N,說(shuō)明該組鋼纖維與基體的黏結(jié)力超過(guò)了776.0N,相比C40S10P10B12組(纖維體積分?jǐn)?shù)相同,基體強(qiáng)度等級(jí)為C40),黏結(jié)性能有了很大的提高.對(duì)比不同試件的拉拔韌性指標(biāo),混凝土基體的強(qiáng)度從C40提高為C50時(shí),鋼纖維的拉拔韌性指標(biāo)提高了20%～40%.

2.3.3鋼纖維埋置深度的影響

分析表4中鋼纖維埋置深度對(duì)鋼纖維-混凝土基體界面黏結(jié)性能產(chǎn)生的影響可見(jiàn),鋼纖維峰值拉拔力隨著埋置深度的增加而不斷增加.當(dāng)波紋型纖維埋置深度由4mm增大到12mm時(shí),鋼纖維所受峰值拉拔力可提高154.5%(C40)和231.8%(C50).然而,鋼纖維與混凝土基體界面黏結(jié)強(qiáng)度隨著纖維埋置深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),說(shuō)明適當(dāng)增加波紋型鋼纖維的埋置深度可以提高鋼纖維與混雜纖維混凝土的黏結(jié)性能,但當(dāng)鋼纖維埋置深度超過(guò)8mm時(shí),鋼纖維增強(qiáng)效益的發(fā)揮是以更大的接觸面積為代價(jià)的.

比較1、2和3倍峰值拉拔力下的拉拔韌性指標(biāo)(見(jiàn)表4),可以發(fā)現(xiàn),增加波紋型鋼纖維的埋置深度能有效提高鋼纖維的拉拔韌性,鋼纖維埋置深度由4mm增大為8mm時(shí),拉拔韌性指標(biāo)提高了3.5～4.0倍;鋼纖維埋置深度由8mm增大為 12mm 時(shí),拉拔韌性指標(biāo)提高了2.0倍左右.

2.4 鋼纖維-混雜纖維混凝土基體界面黏結(jié)機(jī)理

波紋型鋼纖維與混雜纖維混凝土基體界面黏結(jié)力由3部分組成：(1)混凝土中水泥凝膠與鋼纖維表面的化學(xué)黏結(jié)力;(2)鋼纖維與混凝土接觸面間的摩擦力;(3)鋼纖維和混凝土之間的機(jī)械咬合力.

2.4.1化學(xué)黏結(jié)力

纖維混凝土拌和物在凝結(jié)過(guò)程中,水泥凝膠在纖維表面產(chǎn)生化學(xué)黏結(jié)力,其大小主要取決于界面微觀結(jié)構(gòu)的改善程度[19].纖維與混凝土基體界面的孔隙率越小,界面結(jié)構(gòu)越致密,化學(xué)黏結(jié)力越大.

聚丙烯纖維具有憎水性,而鋼纖維具有親水性,當(dāng)基體中混雜這2種纖維時(shí),基體中的水分子會(huì)向鋼纖維附近運(yùn)動(dòng),鋼纖維附近的混凝土基體水化程度更充分,鋼纖維與混凝土基體間的化學(xué)黏結(jié)力增強(qiáng).因此,在鋼纖維和聚丙烯纖維體積分?jǐn)?shù)較小(φSF<1.00%、φPPF<0.10%)時(shí),2種不同纖維的摻入對(duì)鋼纖維與基體間界面黏結(jié)性能的影響呈正混雜效應(yīng).

另外,孫偉[20]的研究表明,鋼纖維-混凝土基體界面是混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū),界面的水灰比比混凝土基體的水灰比大,水灰比越大,界面黏結(jié)性能越差.因此,當(dāng)鋼纖維和聚丙烯纖維體積分?jǐn)?shù)較大(φSF>1.00%、φPPF>0.10%)時(shí),水分子的遷移運(yùn)動(dòng)受鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的影響程度較大,聚丙烯纖維體積分?jǐn)?shù)的增加,造成單根鋼纖維表面水分子過(guò)多,鋼纖維表面形成的Ca(OH)2晶體取向指數(shù)和取向范圍增加,鋼纖維表面結(jié)構(gòu)趨于疏松.因此,鋼纖維與鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土基體界面間化學(xué)黏結(jié)力隨著聚丙烯纖維體積分?jǐn)?shù)的增加而先增大后減小.

不同混雜纖維體積分?jǐn)?shù)下鋼纖維-混凝土基體界面的微觀形貌如圖10所示.由圖10可見(jiàn),單摻鋼纖維時(shí)界面結(jié)構(gòu)不密實(shí),存在較大的孔隙;當(dāng)混凝土中混合摻入鋼纖維和聚丙烯纖維時(shí),鋼纖維-混凝土基體界面結(jié)構(gòu)得到改善,孔隙率降低;但當(dāng)聚丙烯纖維的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.15%時(shí),鋼纖維-混凝土基體界面形成不同方向的針狀物質(zhì),使界面結(jié)構(gòu)變疏松.因此,鋼纖維與單摻鋼纖維混凝土基體界面化學(xué)黏結(jié)力較小,摻入聚丙烯纖維后,化學(xué)黏結(jié)力將提高,但在聚丙烯纖維體積分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)(φPPF>0.15%),化學(xué)黏結(jié)力反而會(huì)降低.

通過(guò)對(duì)比不同鋼纖維埋置深度下鋼纖維-混凝土基體界面的微觀形貌(見(jiàn)圖11)可以發(fā)現(xiàn)：鋼纖維埋置深度為4mm時(shí),界面結(jié)構(gòu)呈針狀和片狀;鋼纖維埋置深度為8mm時(shí),界面結(jié)構(gòu)最致密,孔隙率越小;鋼纖維埋置深度為12mm時(shí),界面空隙率較大,結(jié)構(gòu)疏松.因此,當(dāng)鋼纖維埋置深度由4mm增大到8mm時(shí),界面黏結(jié)強(qiáng)度增加;鋼纖維埋置深度由8mm 增大為12mm時(shí),界面黏結(jié)強(qiáng)度減小.

2.4.2摩擦力

當(dāng)鋼纖維與混凝土基體間的化學(xué)黏結(jié)力破壞后,界面摩擦力開(kāi)始發(fā)揮作用.由圖10可見(jiàn),相比單摻鋼纖維混凝土,鋼纖維與混雜纖維混凝土基體界面的粗糙度更大,說(shuō)明聚丙烯纖維的存在使鋼纖維與混凝土基體之間接觸面的粗糙度增大,從而增大了界面摩擦系數(shù).

聚丙烯纖維的憎水性,使鋼纖維附近混凝土的水灰比增大,干縮值也隨之增大,對(duì)比未摻入聚丙烯纖維的混凝土,鋼纖維受到了更大的徑向壓力,鋼纖維被包裹得更緊,鋼纖維從摻有聚丙烯纖維的混凝土基體中拔出時(shí)的摩擦力增大.

圖10 不同混雜纖維體積分?jǐn)?shù)下鋼纖維-混凝土基體界面的微觀形貌Fig.10 Micro-morphology of steel fiber-cement matrix interface with different hybrid fiber contents

圖11 不同鋼纖維埋置深度下鋼纖維-混凝土基體界面的微觀形貌Fig.11 Micro-morphology of steel fiber-cement matrix interface with different steel fiber embedded depths

2.4.3機(jī)械咬合力

波紋型鋼纖維和混凝土基體之間的機(jī)械咬合力為混凝土對(duì)波紋型鋼纖維表面斜向壓力的縱向分力.混凝土基體強(qiáng)度越高,機(jī)械咬合力的極限值越大.

Khabaz[21]指出,波紋型鋼纖維從混凝土基體中拔出時(shí),鋼纖維的拔出端、波峰和波谷附近容易出現(xiàn)應(yīng)力集中,進(jìn)而產(chǎn)生裂縫.聚丙烯纖維的存在,將微裂縫兩側(cè)的水化產(chǎn)物“橋連”在一起,限制了微裂縫的萌發(fā)和擴(kuò)展,如圖12(a)所示.同時(shí),混雜纖維混凝土基體沿鋼纖維橫截面徑向和長(zhǎng)度方向形成了聚丙烯纖維網(wǎng),在鋼纖維拔出過(guò)程中,一部分被擠碎的基體碎屑通過(guò)聚丙烯纖維與混凝土基體連接,滯留于鋼纖維拉拔通道中,阻礙了鋼纖維的拔出.若混凝土基體中無(wú)聚丙烯纖維,一旦基體被鋼纖維擠碎,將立即隨鋼纖維沿受力方向排出拉拔孔道,導(dǎo)致孔道被拓寬,鋼纖維的機(jī)械咬合力明顯減弱,如圖12(b)所示.

圖12 纖維分布對(duì)機(jī)械咬合力的影響Fig.12 Effect of fiber distribution on mechanical interaction force

不同埋置深度的鋼纖維在拔出過(guò)程中與混凝土基體之間產(chǎn)生的機(jī)械咬合作用不同,鋼纖維拔出后的形態(tài)和拉拔通道不同,分別如圖13和圖14所示.由圖13、14可見(jiàn)：埋置深度為4mm的鋼纖維在拔出后仍保持較大曲率;埋置深度為8mm的鋼纖維變形較大;埋置深度為12mm的鋼纖維在拔出后,靠近拔出端的波峰基本消失,靠近埋入端的波峰變形較小,這是因?yàn)榘纬龆说牟ǚ逶诶芜^(guò)程中擴(kuò)寬了拉拔通道,并擠碎了拔出端的混凝土,埋入端的波峰在后續(xù)拉拔過(guò)程中受到的阻力減小.總體上,埋置深度超過(guò)8mm時(shí),鋼纖維拉拔過(guò)程中的機(jī)械咬合力隨著埋置深度的增大而增大,但增長(zhǎng)幅度比埋置深度的增長(zhǎng)幅度要小.

圖13 不同埋置深度鋼纖維拔出后的形態(tài)Fig.13 Shapes of SF pulled out with different embedded depth

圖14 鋼纖維拉拔通道Fig.14 Damaged channel of steel fiber

3 結(jié)論

(1)當(dāng)波紋型鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為1.50%、聚丙烯纖維體積分?jǐn)?shù)為0.05%時(shí),對(duì)混凝土的增強(qiáng)、增韌效果最佳.

(2)波紋型鋼纖維與混雜纖維混凝土基體間的界面黏結(jié)性能隨著基體強(qiáng)度的提高而提高.

(3)波紋型鋼纖維在混雜纖維混凝土中的峰值拉拔力隨著鋼纖維埋置深度的增加而增大,但當(dāng)埋置深度大于8mm時(shí),界面黏結(jié)強(qiáng)度隨著埋置深度的增加而逐漸減小.

(4)在界面黏結(jié)機(jī)理方面,化學(xué)黏結(jié)力隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而先增大后減小;摩擦力隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而增大;機(jī)械咬合力因纖維的摻入和基體強(qiáng)度的提高而增大.