混雜合成纖維道路混凝土韌性特征與機理分析

王　帥，武書華，何　銳，盛燕萍

(長安大學材料科學與工程學院， 西安　710061)

?

混雜合成纖維道路混凝土韌性特征與機理分析

王帥，武書華，何銳，盛燕萍

(長安大學材料科學與工程學院， 西安710061)

根據水泥混凝土路面的實際受力條件，采用彎曲韌性和沖擊韌性兩個指標對所制備的聚乙烯纖維/聚丙烯粗合成纖維混雜增強混凝土的韌性特征進行全面評價，并結合SEM微結構分析結果對其增韌機理進行了探討。結果表明，所制備的4組混雜纖維混凝土的彎曲韌性指標均超過理想彈塑性材料的標準，并且在初裂產生后仍具有較高的強度保持能力，試件的裂縫曲折且細微，有效擴散了裂縫尖端的應力集中；混雜纖維混凝土試塊的抗沖擊韌性大幅提升，吸收的沖擊能約是普通混凝土試塊的15倍；采用聚乙烯/聚丙烯粗合成纖維可以在幾何形狀尺寸與力學性能上形成具有一定級配結構的纖維增強材，產生正混雜效應。

纖維混凝土； 彎曲韌性； 沖擊韌性； 微結構； 增韌機理

1　引　言

水泥混凝土的致命弱點為抗拉強度低、脆性大和韌性差等，從而易引發混凝土路面早期開裂、斷板和錯臺等現象，嚴重降低了其服役性能和使用壽命。尤其是隨著大型貨運和超載超限車輛比重不斷增加，其病害現象更為嚴重。目前國內外學者普遍認為提高混凝土抗裂性能和韌性的有效措施是采用纖維增強的方式。然而人們多是將注意力集中在單一纖維對混凝土增強效果的研究上[1,2]。根據混凝土復雜的結構層次特點[3,4]，通過不同纖維的設計與組合以產生正混雜效應，利用“一加一大于二”的效應，使研制出的新型高性能纖維混凝土材料不僅性能優異而且具有良好的社會經濟效益。基于此思想，當前研究人員先后制備了鋼/聚丙烯纖維、聚丙烯/碳纖維或碳/碳纖維等多種混雜纖維混凝土，并對其抗壓和抗彎拉性能進行了測試與評價，但是對于其韌性特征的研究仍較少[5,6]。

韌性是描述纖維混凝土發生塑性變形直至斷裂全過程能量吸收能力的基本參數[1]。其中，彎曲韌性主要用來反映材料抵抗靜力荷載破壞的能力，而沖擊韌性可以更好的模擬材料抵抗動態荷載的疲勞與沖擊作用。因此，采用彎曲韌性和沖擊韌性兩個指標可以全面表征混凝土路面抵抗開裂損傷的能力。綜上，本文采用高彈模聚乙烯(PE)纖維和低彈模聚丙烯粗合成纖維(CPP)混雜增強制備出性能優異的混雜纖維混凝土，并針對混凝土路面的實際受力特征，采用彎曲韌性和沖擊韌性兩個指標對其韌性特征進行評價，同時結合微結構測試結果分析了其增韌機理。

2　試　驗

本文在參考前期研究基礎上通過優化設計進行混雜纖維的選用和設計[7-9]，具體包括高彈模聚乙烯(PE)纖維和聚丙烯粗合成纖維(CPP)，其主要性能指標如表1所示。其它原材料包括：42.5普通硅酸鹽水泥(C)；I級粉煤灰(F)；SF93硅灰(SF)；粒徑為4.75～16mm的石灰巖碎石(A)粗集料；潔凈天然河砂細集料(S)，細度模數為2.48；聚羧酸高性能減水劑(SP)，固含量20%，減水率30%；飲用自來水(W)拌合。通過對比分析后確定所采用配比如表2所示。表2中除了PE和CPP為總體積摻量(%)外，其它材料用量均為與膠凝材料的質量之比。混凝土攪拌均勻后分別澆筑彎曲韌性和沖擊韌性測試試件。

表1　增強纖維的性能指標

表2　混凝土試驗配合比

參照ASTMC1018彎曲試驗方法進行混雜纖維混凝土梁彎曲韌性試驗[10]，試件為400mm×100mm×100mm的小梁試件，采用三分點加載方式，在跨中安裝數顯千分表，同時記錄荷載與跨中撓度，測試裝置如圖1所示。每組測試3個試件。根據測試荷載-撓度曲線結果，取開裂變形δ對應的曲線下面積為基準值，分別取3δ、5.5δ和10.5δ時的變形曲線下的面積與基準值的比值作為彎曲韌性指標，并依次記為I5、I10和I20。為了表征材料在初裂荷載以后的強度保持能力，根據彎曲韌性指標結果計算其殘余強度指標R5,10和R10,20，對于理想彈塑性材料來說殘余強度指標為100。

目前國際上常用的混凝土抗沖擊性能測試方法主要有爆炸試驗、射彈試驗和落錘沖擊試驗等，其中落錘沖擊試驗由于原理簡單，操作方便等優點而受到ACI544委員會的推薦[11]。因此，本文基于ACI544委員會推薦的測試原理進行優化改進，設計出一種便攜式落錘沖擊試驗裝置(如圖2所示)，其中落錘質量為4.5kg，預設下落高度為457mm。試件為直徑150mm、厚60mm的圓餅形試件，每組配比制備6個試件。觀察每次沖擊完成后試件的表面裂縫，記試件出現第一條裂縫時的沖擊次數為初裂沖擊次數Nc，記試件破壞且與底座上任意3塊擋板接觸時的沖擊次數為破壞沖擊次數Nu。試驗結束后，根據式(1)計算試件在變形與開裂過程中所吸收的沖擊能W。初裂產生以后，橫跨裂縫兩端的纖維將沖擊波分散傳遞，并在界面處產生相對滑移以引起能量損耗。同時，纖維在承受沖擊荷載時通過自身的延性和阻尼作用，可以產生類似于彈簧的緩沖作用以加快沖擊波的衰減速度，提高纖維混凝土的沖擊抗力。初裂產生后的裂縫擴展速度隨纖維混凝土韌性的提高而減慢，其承受沖擊作用的次數也隨之增大。

所以，纖維對混凝土沖擊韌性的改善主要體現在初裂產生以后，僅僅依靠沖擊能W很難準確評判纖維混凝土的沖擊韌性特征。因此，現建立混雜纖維混凝土沖擊韌性指標Tc如式(2)所示。

W=Nmgh

(1)

TC=(NC-Nu)mgh

(2)

式中，N-沖擊次數；m-鋼錘質量，取4.5kg；g-重力加速度，取9.8m/s2；h-沖擊錘下落高度，取457mm。

圖1　彎曲試驗測試裝置Fig.1　Bending test apparatus

圖2　便攜式混凝土落錘沖擊測試裝置Fig.2　Portable concrete drop hammer impact test device

3　結果與討論

3.1彎曲韌性特征

各組試件的彎曲性能測試結果如表3所示，表中ffc為開裂強度、ffu為極限彎拉強度、δfu為極限撓度。可以看出，普通混凝土在初裂發生時即達到其承受極限，承載能力迅速破壞；而混雜纖維混凝土在初裂發生以后強度仍有很大的發展空間，承載力得到大幅提高。雖然纖維的加入使得混凝土的初裂強度有所降低，但是其極限強度大大提升，并且隨著外部荷載的增大跨中撓度持續增長，混雜纖維混凝土的極限跨中撓度是N的13～16倍，具有明顯的韌性特征。

表3　混凝土彎曲性能測試結果

根據ASTMC1018的規定，I5、I10、I20分別為5、10和20時，對應的材料為理想彈塑性材料，對應的殘余強度指標為100。且彎曲韌性指數與參與強度指標越大，表示材料韌性越優異。由于N組材料的破壞迅速，所以無法測出其韌性指數與殘余強度指標。而4組混雜纖維混凝土材料均超過理想彈塑性材料標準，且在初裂產生后仍具有較強的強度保持能力，說明其具有較好的彎曲韌性。因此如果將此4種材料用于水泥路面中，可大幅提高結構的抗裂性能。綜合韌性指數與殘余強度指標來看，P-2和P-4兩組材料要優于另外兩組。

加載結束后從試件底部的開裂裂縫形態(圖3)可以看出，N試件的破壞模式是一條平直的裂縫貫穿整個試件，開口兩側未發現微細裂縫，說明試件受力后迅速破壞，耗散能量較小。而其余四組混雜纖維試件的破壞模式均較曲折，且可明顯觀察到大量的斜向微細裂縫分布在開口附近，說明試件在加載過程中主裂縫擴展緩慢，并是由兩條或多條裂縫匯集而成，耗散的能量更大。因此混雜纖維的加入使得在破壞前裂縫尖端的應力集中得到有效的擴散，裂縫擴展路徑延長，韌性明顯提高。

圖3　彎曲測試開裂模式圖(a)N;(b)P-1;(c)P-2;(d)P-3;(e)P-4Fig.3　Bending test cracking images diagram

3.2沖擊韌性特征

表4所示為沖擊性能測試結果。從表中可以看出，普通混凝土試塊經歷很少的沖擊次數后即開裂，并且Nu與Nc的差值很小，說明其為脆性破壞。混雜纖維混凝土試塊的承受沖擊次數快速增大，吸收的沖擊能相對于普通混凝土試塊提升約14倍。初裂產生前沖擊能主要被水泥基體和粗集料吸收；當初裂產生后PE纖維加速了沖擊波的耗散，約束了微細裂縫的擴展，而隨著裂縫擴展寬度的增大CPP纖維的橋聯作用開始顯現，因此其Nu和W值大幅提高。在測試過程中發現，普通混凝土試塊在初裂后，裂縫向邊緣迅速擴展，發生貫通破壞使試件斷裂，如圖4a所示。而混雜纖維混凝土試塊在初裂后仍能繼續承受沖擊荷載，隨著沖擊荷載的繼續，其變形逐漸變大，沖擊點逐漸出現碎屑，裂縫由試件中心逐漸向四周輻射發展，并且在開裂處可見有大量PE和CPP纖維橋聯在裂縫兩端，其典型的破壞模式如圖4b所示。此外，沖擊試驗結束后，普通混凝土試塊表面的沖擊點處留下約2mm深的淺坑，而混雜纖維混凝土試塊則留下約20～30mm深的凹坑。

表4　混凝土沖擊性能測試結果

圖4　沖擊試驗破壞形態(a)N;(b) P-2Fig.4　Impact test failure mode

根據前文分析可知，纖維對沖擊波的耗散作用主要是初裂產生以后才開始顯現的，因此在沖擊能指標W中纖維的增韌作用被弱化，并且對于硬化后的水泥混凝土路面來講，其在服役過程中都是處于帶裂縫的工作狀態，所以采用沖擊韌性指標Tc能夠較好的反應其抵抗外部車輛荷載沖擊的能力。從沖擊韌性指標Tc來看，配比P-2的沖擊韌性最好，其次為P-4，與彎曲韌性表現為相同的趨勢。

3.3增韌機理分析

纖維主要通過阻止裂縫擴展、增加混凝土基體的強度和斷裂能來實現混凝土的增韌[12]。從幾何形狀及尺寸上來看，本文所采用纖維的外形分別為平直形和波浪形，長度分別為12mm和28mm，直徑分別為25μm和800μm；從力學性能上來看，本文所采用纖維的外形分別為2900MPa和530MPa，彈性模量分別為110GPa和7GPa。因此，這種基于幾何形狀尺寸以及力學性能的多層次結構與混凝土材料多相、多層次的復合結構相契合，可以對從水泥凈漿到粗骨料的混凝土各級組分進行加強增韌，形成一種具有一定級配結構的纖維增強混合材，使斷裂能在宏觀界面的擇優取向逐步弱化，從而使各個層面的裂縫擴展被抑制，有利于纖維增強混凝土不同力學性能之間的相互補充與協同作用，產生正混雜效應。

綜合分析P-1和P-2的韌性指標測試結果可以看出，雖然二者纖維摻量相同，但是摻入硅灰后P-2組試件的彎曲韌性和沖擊韌性均得到大幅提升。分析其原因主要是PE和CPP纖維均為憎水性材料，其分子結構中無親水基團，由于邊壁效應與微區泌水效應的綜合作用導致其與水泥基體之間形成的界面過渡區結構疏松，界面粘結較差。由于硅灰的微填充效應和活性效應，可使膠凝漿體形成致密的體系結構，界面過渡區密實程度提高，所以界面粘結性能得以改善。為了探討纖維/基體界面區微結構的形成與作用機理，本文在P-1和P-2試件的斷面上取樣并進行拋光處理后采用SEM對CPP纖維與基體的界面區微結構進行分析，測試結果如圖5所示。

圖5　界面區微觀形貌(a)P-1(×1000);(b)P-2(×1000);(c) P-1(×20000);(d) P-2(×20000)Fig.5　Morphology of the interfacial region

從圖5可以看出，兩個試樣的微結構存在明顯的差異，P-1的界面區內部有少量的孔隙和微裂縫，結構松散，而P-2則幾乎沒有明顯的界面區，纖維與水泥基體之間的粘結密實。將界面區形貌進一步放大后發現(圖5c,d)，在P-1的界面區內有大量板狀C-H晶體聚集，水化產物分布松散，而在P-2的界面區內其水化產物則大部分是不規則絮狀C-S-H凝膠和少量柱狀AFt，相互疊加、交織而形成致密的網絡狀結構，所以P-2的界面粘結得以改善。對于纖維混凝土而言，當纖維/基體界面區結構松散，C-H取向程度明顯時，則會產生一種“負中心質效應”，從而影響纖維效應的發揮。硅灰的加入不僅消耗掉過量的C-H，減少了其在界面區的聚集，而且反應生成更緊密結合的微結構，提高應力的傳遞效果，從而保證纖維“大中心質效應”的充分發揮。因此，對于P-2來講，其纖維增韌效應范圍增大，在宏觀上表現為彎曲韌性和沖擊韌性的提升。雖然P-3的纖維摻量要比P-2大，但是當纖維摻量過大時纖維不能均勻分散，容易結團，其增韌作用受到限制，所以P-3的韌性反而下降。

4　結　論

(1)所制備的4組混雜纖維混凝土材料的彎曲韌性指標均超過理想彈塑性材料的標準，并且在初裂產生后仍具有較高的強度保持能力；從裂縫形貌上看，試件的裂縫曲折，開口附近有大量的斜向微細裂縫，有效擴散了裂縫尖端的應力集中，使韌性明顯提高；

(2)提出的沖擊韌性指標Tc能較好的反應混凝土抵抗外部車輛荷載沖擊的能力，加入混雜纖維以后混凝土試塊所承受的沖擊次數快速增大，吸收的沖擊能約是普通混凝土試塊的15倍。

(3)采用PE和CPP纖維可以在幾何形狀尺寸與力學性能上形成具有一定級配結構的纖維增強材，弱化了斷裂能在宏觀界面的擇優取向，從而產生正混雜效應；硅灰的加入減少了C-H在界面區的聚集，并生成更緊密結合的微結構，提高了應力的傳遞效果，使得纖維增韌效應范圍增大，在宏觀上表現為彎曲韌性和沖擊韌性的提升。

[1] 丁一寧,劉思國.鋼纖維自密實混凝土彎曲韌性和剪切韌性試驗研究[J].土木工程學報,2010,43(11):55-63.

[2] 白敏,牛荻濤,姜磊,等.鋼纖維改善混凝土力學性能和微觀結構的研究[J].硅酸鹽通報,2013,32(10):2084-2089.

[3] 聞荻江.復合材料原理[M].武漢: 武漢工業大學出版社,1998,150-160.

[4]SorelliLG,MedaAM,PlizzariGA.Bendinganduniaxialtensiletestsonconcretereinforcedwithhybridsteelfibers[J].Journal of Materials in Civil Engineering, 2005, 17(5): 519-527.

[5] 蔣思晨,李曉麗,張鵬遠,等.不同幾何尺寸CF/PF混雜纖維輕骨料混凝土試驗研究[J].硅酸鹽通報,2012, 31(5):1096-1100.

[6] 劉開平,韓定海,鐘佳墻,等.FB/PP混雜纖維對混凝土性能的影響[J].哈爾濱工業大學學報, 2009,41(2):193-195.

[7] 何銳,王帥,李晶晶.高性能纖維混凝土軸拉性能簡易評價模型[J].硅酸鹽通報,2015,34(4):920-926.

[8]HeR,ZhouJL,HuangPM,etal.Effectsofmineraladmixturesonmicrostructure-linkedstrengthpropertiesofmacro-syntheticfiberreinforcedconcrete[J].International Journal of Pavement Research and Technology,2015,8(2):94-102.

[9] 何銳.高韌性水泥混凝土鋪裝材料特性與結構分析[D].西安,長安大學學位論文,2013.

[10] 蔡向榮.超高韌性水泥基復合材料基本力學性能和應變硬化過程理論分析[D].大連:大連理工大學畢業論文,2009.

[11] 王彥明,劉克,孫紀正,等.碼頭面層纖維混凝土的抗沖擊性能與增韌機理[J].工程力學,2011,28(11):138-144.

[12] 王璞,黃真,周岱,等.碳纖維混雜纖維混凝土抗沖擊性能研究[J].振動與沖擊,2012,31(12):14-18.

ToughnessCharacteristicandMechanismAnalysisofHybridSyntheticFiberReinforcedPavementConcrete

WANG Shuai,WU Shu-hua,HE Rui,SHENG Yan-ping

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710061,China)

Accordingtotheactualstressconditionsofcementconcretepavement,flexuraltoughnessandimpacttoughnesswereadoptedtoevaluatethetoughnesscharacteristicofpavementconcretereinforcedwithhighelasticmoduluspolyethylenefiberandlowelasticmoduluspolypropylenesyntheticfiber.ThetougheningmechanismwasdiscussedthroughcombinedwithSEMmicrostructureanalysis.Theresultsshowthat,theflexuraltoughnessindexofallthefourgroupspreparedhybridfiberconcretearebetterthanstandardelastic-perfectlyplasticmaterial.Afterthegenerationoffirstcrack,thespecimenstillpossesseshighstrengthretention,andthecrackpatternistortuous，sothatthecracktipstressconcentrationdiffusedeffectively.Theimpacttoughnessofhybridfiberreinforcedconcreteincreasesgreatly.Itabsorbstheimpactenergyisabout15timesthatofordinaryconcretetestblocks.Thereinforcingmaterialofpolyethylenefiberandpolypropylenesynthetichasagradationinthesizestructureandmechanicalpropertiesofgeometricshapes,producingpositivehybrideffect.

fiberreinforcedconcrete;flexuraltoughness;impacttoughness;microstructural;tougheningmechanism

國家自然科學基金資助(51508030);教育部高等學校博士點基金項目(20130205110013);中國博士后科學基金項目(2014M552397);長安大學中央高校基本科研業務費專項資金資助(2014G1311082，310831162001);浙江省交通運輸廳科研計劃項目(2014H38)

王帥(1990-)，男，碩士研究生.主要從事路面材料工程方面的研究.

何銳，博士,副教授.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0106-06