文 韜， 姜久紅， 王云飛

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

19世紀(jì)20年代硅酸鹽水泥橫空出世，混凝土以骨料取材的多樣性、其構(gòu)件成形速度快等優(yōu)點，在我國很多地區(qū)多個方面運用極廣，但混凝土的抗拉強(qiáng)度低，韌性差，不易受拉，限制著它的應(yīng)用。為了改變這一現(xiàn)象，一種抗拉強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、開裂后裂紋寬度容易控制的增強(qiáng)混凝土便應(yīng)運而生，為了進(jìn)一步強(qiáng)化混凝土材料的韌性和強(qiáng)度，高摻量的高韌性纖維混凝土在近年被廣泛研究。

高延性水泥基復(fù)合材料英文名為“Engineered Cementitious Composite”,縮寫為ECC。1992年由密歇根大學(xué)的Li.V.C教授[1-2]采取細(xì)觀力學(xué)和斷裂力學(xué)的基本原理提出了這種材料的基本設(shè)計理念。2009年2月國際知名雜志Forbes對PVA(聚乙烯醇)ECC進(jìn)行了專題報道，引起了廣大學(xué)者的高度認(rèn)可，被認(rèn)為將會引起新型混凝土材料產(chǎn)業(yè)化革命。但高額的價格制約了PVA ECC的產(chǎn)業(yè)化之路，在我國的土木工程應(yīng)用當(dāng)中，PVA纖維主要進(jìn)口于日本寶可麗公司，價格昂貴并且制作工藝難以與廠家溝通，而國內(nèi)PP(聚丙烯)纖維生產(chǎn)廠家眾多，制作工藝相對成熟，每公斤價格僅為PVA的1/8。2000年前后，摻有改性PP纖維的高韌性纖維混凝在全球各地大放異彩。美國將聚丙烯纖維大量應(yīng)用于道路建設(shè)當(dāng)中，采用纖維混凝土鋪成的路面，叫做白色路面，簡稱UTW。1991年，美國肯塔基州路易斯維爾市采用UTW工藝修建的公路解決了瀝青路面需要無限修補(bǔ)的問題。同時聚丙烯混凝土也廣泛運用于橋梁工程當(dāng)中，由交通部第二公路局承建的西安市環(huán)城大型立交橋采用了聚丙烯纖維，解決了橋面混凝土易產(chǎn)生裂紋的難題。2000年，寧波白溪水庫也采用了聚丙烯纖維混凝土澆筑面板壩，以提高抗沖擊力和耐磨能力。

本次實驗采用表面粗糙化、Y字口截面的改性PP纖維，通過增加其表面性能和粗糙度，繼而提高改性PP纖維與水泥基材料的化學(xué)結(jié)合能力，制作的超強(qiáng)韌性改性PP混凝土(HDPFC)與普通混凝土相比，其抗折強(qiáng)度和抗沖擊等力學(xué)性能極大提高。由于改性PP纖維價格只有PVA的1/8，使得HDPFC可在土木工程中大范圍使用。目前國際上關(guān)于PP ECC的研究僅俞家歡[3]和LI V C[4]曾有提及。

1 改性PP纖維摻量對混凝土的增強(qiáng)機(jī)理分析

根據(jù)英國的Swamy和Naman提出的復(fù)合力學(xué)模型理論，在分析改性PP纖維含量對混凝土的增強(qiáng)機(jī)理時，將采取復(fù)合力學(xué)模型進(jìn)行分析：將纖維混凝土看作各向同性材料，整體由混凝土和纖維兩部分組成。假設(shè)：1)不考慮改性PP纖維與混凝土材料之間的相對側(cè)移；2)假設(shè)內(nèi)部改性PP纖維分布均勻且方向與受力方向保持一致；3)不考慮混凝土和改性PP纖維的塑形變形，將其看作彈性材料。

根據(jù)彈性疊加原理：

Ffc=Fc+Fm

其中：Ffc為改性PP纖維混凝土所受的力，F(xiàn)fc=σfcAfc；Ff為改性PP纖維所受的力，F(xiàn)f=σfAf；Fm為混凝土所受的力，F(xiàn)m=σmAm；

可得(單位體積下橫截面的比值近似等效于體積率)

σfcAfc=σfAf+σmAm

(1)

式(1)中兩邊同除以Afc即改性PP纖維混凝土的橫截面積，可得

σfc=σfvf+σmvm

其中：vf為改性PP纖維體積率，vm為混凝土體積率。

改性PP纖維混凝土彈性模量Efc是應(yīng)力σ對應(yīng)變ε的一階導(dǎo)數(shù)

其中

dεfc=dεf=dεm；

得

Efc=Efvf+Emvm

?Efc=Efvf+Em(1-vf)

(2)

由式(2)可見，在應(yīng)變相同的情況下，改性PP纖維混凝土中的改性PP纖維的應(yīng)力與混凝土應(yīng)力的比值等同于兩者的彈性模量的比。因此得出結(jié)論：當(dāng)改性PP纖維含量較低時，沒有足量的纖維來承受整體材料的拉應(yīng)力，增加纖維摻量可解決這個問題。

2 試驗概況

2.1 試驗選材

本試驗中超高延性改性PP纖維混凝土的組成材料包括：PO 42.5水泥，一級粉煤灰直徑0.1～0.2 mm的精細(xì)石英砂、普通自來水、聚羧酸高效減水劑、改性PP纖維中主要的Y字口截面改性PP纖維，在不改變纖維的拉伸強(qiáng)度和韌性的前提下使得纖維表面粗糙化，提高改性PP纖維與水泥基材料的化學(xué)結(jié)合能。Fu XuLi[5]等研究表明，未經(jīng)處理的PP纖維與水的接觸角為112.5°，經(jīng)過酸堿表面粗糙化處理過的接觸角為78.1°和82.2°，即通過表面粗糙化處理的PP纖維被水浸濕的程度大幅提升。其與普通PP纖維細(xì)觀差異如圖1所示。

圖 1 纖維經(jīng)表面粗糙化處理的SEM照片對比

從圖1可知，經(jīng)處理后的PP纖維表面的粗糙程度大幅增加，更易與水泥基材料及水結(jié)合。如圖2中的纖維經(jīng)攪拌后亂向分布，其Y字截面更易貼合水泥基材料。PP纖維的基本性能如表1所示。

表1 PP纖維性能參數(shù)

2.2 配合比

鄧明科[6-7]等人的研究表示高延性混凝土的PVA含量2%，水膠比在0.27左右時，試件呈現(xiàn)較好的彎曲性能。但改性PP纖維不同于PVA纖維，根據(jù)俞家歡[8]團(tuán)隊的研究，PP纖維含量在3%左右時其性能最佳，故取改性PP纖維含量0；2%；3%；4%，水膠比0.29制成試件。配合比如表2。

表2 超高韌性改性PP纖維混凝土配合比

2.3 試件制作

參考我國CECS 13∶2009《纖維混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[9]及日本JSCE SF4[10]標(biāo)準(zhǔn)中受彎韌性試驗的規(guī)定，制作每組3個尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體受彎試件;材料使用強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)攪拌，材料制作時采用“后摻纖維法”制備，在保證纖維的分散相對均勻的前提下，每組試件攪拌的時間基本一致，盡量減少攪拌時間對試件的影響，且所有試件均在同一條件下澆筑、養(yǎng)護(hù)。加載時試件齡期為49 d。制作過程如圖2所示。

圖 2 試件的制備實驗過程

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗現(xiàn)象

在實驗的過程中可以直觀地看到纖維對試件的增強(qiáng)效果，在做四點抗折的實驗中，隨著荷載的不斷加大，可以清楚聽到纖維拉斷的吱吱聲，特別是B2和B3的纖維含量較高，纖維含量的增大對試件的受彎機(jī)制和裂縫發(fā)展機(jī)制有較為明顯影響。

圖 3 四種試件破壞斷口裂紋圖

B1組改性PP纖維含量為2%，在加載的初期，由于其較低的纖維含量，當(dāng)試件出現(xiàn)第一條裂縫時只能聽見很細(xì)微的纖維被拉斷的聲音，跨中變形較小；隨著荷載不斷增大，裂紋呈縱向延伸；加載到峰值之后，裂縫寬度開始呈錐形延伸，最終破壞時試件開裂為一條或者多條。最終發(fā)展形態(tài)如圖3b所示。

B2和B3這種纖維含量為3%以上的試件，在加載初期未有明顯變化，隨著荷載不斷增大，第一條裂縫開始出現(xiàn)，此時能明顯聽見纖維被拉斷的“呲呲”聲，第一道裂紋沒有立馬延伸，而是在跨中裂縫旁邊延伸出第二條裂縫；當(dāng)加載到峰值時，跨中裂縫沒有明顯變化，第二條裂縫開始延傾斜角發(fā)展，通過內(nèi)部纖維被不斷拔出散發(fā)能量，試件呈現(xiàn)出較大撓度但未明顯破壞，具有極好的延伸性。最終發(fā)展形態(tài)如圖3c、d所示。由理論研究可知，改性PP纖維的應(yīng)力與混凝土應(yīng)力的比值等同于兩者的彈性模量的比。所以低摻量的試件中，少量的纖維無法支撐斷裂時產(chǎn)生的巨大拉應(yīng)力，而導(dǎo)致裂紋提前產(chǎn)生。而增加纖維摻量可解決這一問題。B3試件纖維含量大于B2，圖3c和d可明確看出B3試件裂紋大于B2且B2試件在達(dá)到最大荷載后表現(xiàn)出較大的撓度，未有明顯破壞，纖維摻量增加但抗折強(qiáng)度沒有繼續(xù)增加，出現(xiàn)拐點。根據(jù)A1-B3的抗折強(qiáng)度，進(jìn)一步研究。

3.2 結(jié)果分析

從表3和圖4中可以看出：隨著纖維含量的增加，由于纖維在內(nèi)部呈亂向橋路連接，在跨中裂縫開始初期，亂向連接的纖維不斷撕裂，消耗了巨大的能量。

表3 高延性改性pp纖維混凝土試件抗折強(qiáng)度試驗結(jié)果

圖 4 抗壓強(qiáng)度柱狀圖

高纖維含量的試件除了跨中裂縫之外會在旁邊延伸出第二裂縫，從而具有更高的抗折強(qiáng)度，并且達(dá)到最大荷載以后擁有較大的撓度。符合上面的理論研究：低摻量的纖維無法支撐斷裂時產(chǎn)生的巨大拉應(yīng)力，而導(dǎo)致裂紋提前產(chǎn)生。由于理論推導(dǎo)中有三個假設(shè)：忽略了纖維與混凝土材料之間的相對位移；假想纖維分布均勻并且方向與受力方向一致；認(rèn)為整個纖維混凝土為塑形材料，發(fā)生彈性變形，但實際實驗中發(fā)現(xiàn)：試件在受力時有部分纖維發(fā)生了位移被連根拔起；纖維由于摻量高，在混凝土材料里面呈亂向橋路連接，在受拉時有部分纖維分布方向不平行于受力方向且有傾斜角，橫向約束力大大減?。焕w維混凝土實際為纖維和混凝土材料組成的復(fù)合材料，并不是塑性材料，只有部分發(fā)生彈性變形。因此圖中出現(xiàn)了明顯拐點，纖維含量從3%增加到4%的過程中，抗折強(qiáng)度開始下降，說明并不是纖維含量越高越好，在本次實驗中3%摻量的高韌性混凝土抗折強(qiáng)度最高。

4 結(jié)論

通過對3組不同摻量的改性PP纖維高韌性混凝土試樣抗折強(qiáng)度研究以及纖維增強(qiáng)機(jī)理分析，得出以下結(jié)論：

1)纖維混凝土的抗折強(qiáng)度隨纖維摻量增加而增大，對于纖維摻量較低的高韌性混凝土，其中少量的纖維不足以支撐斷裂時產(chǎn)生的巨大拉應(yīng)力，使得裂紋提前產(chǎn)生,提高纖維含量可解決這一問題。纖維摻量3%～4%過程中混凝土的抗折強(qiáng)度明顯減弱，在本次實驗中，3%纖維含量的超高韌性改性PP纖維混凝土抗彎性性能最佳。

2)通過試樣斷裂界面可以看出，改性PP纖維高韌性混凝土內(nèi)部的纖維呈亂向橋路連接,使試件跨中裂縫的產(chǎn)生和拉伸變形受到了一定的約束，棱柱體破壞之前的抗折能力大大提升，特別是3%纖維含量的棱柱體，在跨中裂縫產(chǎn)生以后，持續(xù)加載，跨中裂縫旁有第二條裂縫產(chǎn)生，跨中裂縫不再明顯變寬，直至加載結(jié)束，棱柱體擁有較大撓度但未明顯破壞，擁有良好的延伸性能。

3)與普通混凝土相比，高韌性改性PP纖維混凝土內(nèi)有纖維產(chǎn)生的橫向約束力，抗折強(qiáng)度提升了184%～254%。在受彎過程中，纖維的斷裂和拔出消耗了大量能量，增大了高延性改性PP纖維混凝土的撓度，受彎性能大大提升。