混雜纖維噴射混凝土板彎曲韌性評價分析*

張嚴(yán)方

武昌工學(xué)院 湖北 武漢 430065

引言

普通素噴射混凝土由于抗拉強度低，易發(fā)生脆性破壞而失效，限制了其在實際工程中的應(yīng)用。如在噴射混凝土中摻入亂向分布的纖維，能有效阻止混凝土內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，并能提高噴射混凝土的韌性及延性[1-2]。近年來采用噴射大板法來測定噴射混凝土的彎曲韌性，本文采用圓板、方板兩種大板試件，對鋼纖維與聚丙烯纖維組成的混雜纖維噴射混凝土彎曲韌性進行了試驗研究，測定了試件的荷載-撓度曲線，分別按照歐洲EFNARC 2002標(biāo)準(zhǔn)[3]、美國ASTM C1550標(biāo)準(zhǔn)[4]的韌性指標(biāo)計算方法，分析了混雜纖維噴射混凝土的彎曲韌性，計算各組試件的斷裂能，探討了纖維摻量及類型對噴射混凝土彎曲韌性的影響規(guī)律，與單一聚丙烯、鋼纖維噴射混凝土韌性進行了對比。并比較了圓板與方板韌性評價方法的優(yōu)缺點。

1 試驗概況

1.1 噴射混凝土配合比設(shè)計

混凝土基準(zhǔn)配合比見表1。

表2 混凝土基準(zhǔn)配合比 kg/m3

1.2 試件制作方法及編號

纖維噴射混凝土試件采用濕噴法進行噴射，纖維噴射混凝土試件的制作與養(yǎng)護過程參照CECS13：2009纖維混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[5]。彎曲韌性方板法試件尺寸為600mm×600mm×100mm,圓板試件尺寸：直徑800mm，厚度75mm。試件編號和纖維摻量(體積率)見表2。表中SP: Square panel，方板試件；RP：round panel,圓板試件。鋼纖維a：微細(xì)平直型鋼纖維，鋼纖維b:端鉤型鋼纖維。

表2 試件各組編號及纖維體積摻量 %

2 彎曲韌性試驗方法

2.1 試驗加載方法

方板法按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EFNARC 2002對進行試驗，支座為正方形鋼框加載至方板中心撓度達到25mm時結(jié)束。圓板法按照美國ASTM C1550韌性試驗標(biāo)準(zhǔn)進行試驗，采用三點對稱球鉸支座支撐試件進行加載，加載的速率為2mm/min，試驗加載至方板中心撓度達到45mm時結(jié)束。

2.2 試件荷載撓度曲線

圖1 試件荷載-撓度曲線

由圖1(a)可知，不摻任何纖維的素混凝土方板撓度值達到6.8mm時試驗結(jié)束。鋼纖維與聚丙烯纖維混雜的混凝土方板的耗能能力均有不同程度的提高，鋼纖維與聚丙烯纖維的同時摻入能發(fā)揮較好的橋接裂縫與增韌的作用。當(dāng)聚丙烯纖維摻量不變時，隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的荷載-撓度曲線更趨于平緩。當(dāng)混凝土開裂后，混雜纖維混凝土方板的抗彎承載力并沒有立刻的下降，而是持續(xù)上升直至出現(xiàn)二次峰值，且隨著鋼纖維摻量的增加，二次增強的作用更加明顯。數(shù)量眾多的鋼纖維橫跨裂縫，纖維傳遞拉應(yīng)力的能力隨著鋼纖維摻量的增加而增強。從圖中可以看出，與方板SP2相比，方板SP3的抗彎極限荷載值提高了30%，且荷載撓度曲線的下降段更趨于平緩。纖維混凝土在受彎破壞的過程中，由于受拉區(qū)混凝土產(chǎn)生的應(yīng)變硬化效應(yīng)以及纖維的橋聯(lián)作用，導(dǎo)致混凝土試件的受彎失效模式發(fā)生了改變，受拉區(qū)混凝土的裂縫在開展的過程中，鋼纖維與混凝土界面逐漸發(fā)生滑移而被拔出，在此過程中吸收了大量的能量，從而提高了試件的彎曲韌性。

由圖1(b)可發(fā)現(xiàn)，摻有微細(xì)平直型鋼纖維混凝土圓板的峰值荷載值比同摻量的端鉤型鋼纖維混凝土圓板高出約8%～12%，荷載-撓度曲線的下降趨勢也更加平緩，微細(xì)平直型鋼纖維的增韌效果優(yōu)于端鉤型鋼纖維。導(dǎo)致兩者出現(xiàn)差異性的原因：①混凝土在受拉開裂后退出工作，混凝土的承載能力均由鋼纖維承擔(dān)，鋼纖維的抗拉強度是影響纖維混凝土極限承載能力的主控因素，而微細(xì)平直型鋼纖維的抗拉強度是端鉤型鋼纖維的2倍，對混凝土的增強作用更加明顯。②單根微細(xì)平直型鋼纖維的體積僅為端鉤型鋼纖維的0.07，在纖維摻量相同的條件下，單根微細(xì)平直型鋼纖維根數(shù)是端鉤型鋼纖維14倍，基體混凝土開裂后，橫跨裂縫的鋼纖維數(shù)量有著大幅度的提升，纖維傳遞拉應(yīng)力的能力隨之增強，增韌的效果得以提升。

由圖1(b) RP3，RP6兩組的荷載撓度曲線可知，聚丙烯纖維與鋼纖維的同時加入能明顯的改善噴射混凝土裂后耗能能力，降低了混凝土裂后抗彎承載力的下降速度，曲線下降段更加平緩，曲線包圍面積相應(yīng)增大，其包圍面積混雜纖維混凝土＞單摻鋼纖維a混凝土＞單摻鋼纖維b混凝土＞素混凝土，混雜纖維混凝土的增韌能力最優(yōu)。

2.3 斷裂能

基于斷裂力學(xué)測量各組圓板試件斷裂區(qū)所消耗的能量GF，通常采用荷載-撓度曲線下的面積來計算，參照RILEM標(biāo)準(zhǔn)，斷裂區(qū)耗能公式為：

式中：W0——荷載撓度曲線與橫坐標(biāo)所圍成的面積，N?m

mm1——支座間板的質(zhì)量，g；2——加載設(shè)備的質(zhì)量，g

δ0——板最終破壞的撓度，mm；g——重力加速度；

Alig——斷裂區(qū)的面積， m2

表3 噴射混凝土斷裂能

利用公式（1）～（2）對纖維噴射混凝土圓板試件斷裂能GF進行計算，結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，隨著纖維的摻入，噴射混凝土的斷裂能有不同程度的提高。與素噴射混凝土RP1相比，RP2提高了7.7倍，RP3提高了11.5倍，RP4提高了6.3倍，RP5提高了9.3倍，RP6提高了10.7倍。與RP2相比，RP3斷裂能提高了49.1%，隨著鋼纖維的增加，噴射混凝土斷裂能隨之提高。與RP6相比，RP3斷裂能略有提高，分析其原因，混凝土裂縫宏觀尺寸較大時，除了通過鋼纖維與混凝土基體的結(jié)合力發(fā)揮作用外，低彈模聚丙烯纖維在自身變形拉長的過程中耗散了大量的能量，能較好地阻止裂縫進一步的擴展。由此可見，鋼纖維與聚丙烯纖維同時摻入，能顯著提高噴射混凝土的斷裂能，鋼纖維對噴射混凝土斷裂能的增強作用尤為突出，其次聚丙烯纖維能夠略微提高。

3 圓板、方板彎曲韌性試驗方法比較

3.1 受彎破壞形態(tài)

纖維噴射混凝土方板破壞時在二維的方向發(fā)生作用，由方板試驗可以看出方板SP1～SP3破壞時出現(xiàn)裂縫的條數(shù)均不等，裂縫實際出現(xiàn)的位置及產(chǎn)生數(shù)量很難去預(yù)測，方板法只能反映部分噴射混凝土的性能。而纖維噴射混凝土圓板試件的支座采用的是三點對稱支撐，可以保證同時出現(xiàn)三條從圓板中心向外擴散的裂縫，這種破壞形態(tài)更有利于混凝土能量的吸收與消耗，能夠如實的反映纖維在一個平面三個方向上的增韌作用。因此，圓板法的破壞形態(tài)與實際隧道襯砌支護工程更為接近。

3.2 韌性指標(biāo)與受力狀態(tài)

分別對方板、圓板的荷載撓度曲線積分求出能量吸收值，圓板試件需按照公式（3）對能量吸收值進行修正。

式中： β = 2 .0 - ( δ - 0 .5)/80，w0為儀器測量的能量吸收值，t0與t分別為板的公稱厚度(t0=75mm)與平均厚度，mm；d0與d分別為板的公稱直徑(d0=800mm)與平均直徑，mm；δ為圓板中心點處的撓度值，mm。

表4 方板與圓板試件韌性指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果

對同纖維摻量的方板SP2與圓板RP2，方板SP3與圓板RP3進行能量吸收值的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，方板法選用的耗能指標(biāo)為方板中心撓度值達到25mm時的能量吸收值（ES,25），圓板法選用的耗能指標(biāo)為圓板中心撓度值達到40mm時的能量吸收值（ER,40），每組6個試件，統(tǒng)計的數(shù)據(jù)見表4。由表中的數(shù)據(jù)可知，各組試件的能量吸收值均存在顯著的差異，與鋼纖維摻量為0.8%的RP2、SP2相比，鋼纖維摻量為1.2%的RP3、SP3能量吸收值分別提升52.4%、44.5%。纖維混凝土的韌性隨著鋼纖維摻量的增加而顯著提升。

從兩種方法統(tǒng)計的離散系數(shù)來看，采用方板法測得能量吸收值變異系數(shù)的最小值為12.3%，變異系數(shù)的最大值為16.7%，采用圓板法測得能量吸收值變異系數(shù)的最小值為3.5%，最大值為6.9%，方板能量吸收值的變異系數(shù) CV%比同纖維摻量的圓板高出8%～10%。說明采用方板法測得的耗能指標(biāo)離散程度要比圓板法高。產(chǎn)生試驗結(jié)果的差異性有以下原因：

（1）由于方板法支撐條件采用的是四邊簡支，這種支撐條件必須依賴高度平整的方板試件，試件任何細(xì)微的形狀不規(guī)則或者不平整均會影響方板的支撐條件進而導(dǎo)致方板的實際受力狀態(tài)發(fā)生改變，由于試件本身混凝土正常收縮也會導(dǎo)致試件出現(xiàn)變形，現(xiàn)實的試驗條件很難保證方板試件四邊支撐條件完全相同，從而導(dǎo)致最終試驗結(jié)果的離散性較高。

（2）圓板法試驗裝置采用的是三個球鉸支座互成120度角支撐形成一靜定體系，傳力途徑比較合理，其試驗結(jié)果的離散性不依賴于支撐條件的影響。

（3）圓板法耗能指標(biāo)采用的是修正值，避免噴射混凝土試件實際尺寸發(fā)生誤差進而影響最終測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此圓板法試驗結(jié)果的精確度較高。綜上所述，圓板法是更適合評價噴射混凝土實際支護結(jié)構(gòu)變形耗能的韌性測試方法。

4 結(jié)束語

（1）纖維噴射混凝土的韌性與鋼纖維摻量、種類有關(guān)，方板、圓板試件的抗彎極限荷載值、能量吸收值與斷裂能隨著鋼纖維摻量的增加而提高。摻有超短微細(xì)平直型鋼纖維混凝土的裂后增韌效果均優(yōu)于端鉤型鋼纖維混凝土。

（2）與單一鋼纖維噴射混凝土相比，聚丙烯纖維與鋼纖維同時加入能明顯的改善混凝土裂后耗能能力，荷載撓度曲線下降更加平緩，曲線包圍面積、斷裂能均大于單一鋼纖維噴射混凝土。

（3）通過比較方板法與圓板法的受彎破壞形態(tài)、耗能與受力狀態(tài)等方面因素，發(fā)現(xiàn)圓板法更適合評價纖維噴射混凝土的彎曲韌性。

[1] 黃承逵.纖維混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004:55.

[2] 鄧宗才,劉國平,杜超超,等. 新型粗聚烯烴纖維高性能混凝土彎曲韌性[J]. 建筑材料學(xué)報,2014,17(2):228-233.

[3] EFNARC-2002(European Federation of Producers and Applications of Specialist Products for Structures),European Specification for Sprayed Concrete [S]. Loughborough:Loughborough University,2002.

[4] ASTM C-1550.Standard test method for flexural toughness of fibre reinforced concrete(using a centrally loaded round panel)[S]. West Conshohoken:American Society for Testing and Materials,2003.

[5] CECS13:2009 .纖維混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國計劃出版社,2010.