纖維摻量對超高韌性混凝土受彎性能的影響

文 韜， 姜久紅， 王云飛

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

19世紀20年代硅酸鹽水泥橫空出世，混凝土以骨料取材的多樣性、其構件成形速度快等優點，在我國很多地區多個方面運用極廣，但混凝土的抗拉強度低，韌性差，不易受拉，限制著它的應用。為了改變這一現象，一種抗拉強度高、韌性強、開裂后裂紋寬度容易控制的增強混凝土便應運而生，為了進一步強化混凝土材料的韌性和強度，高摻量的高韌性纖維混凝土在近年被廣泛研究。

高延性水泥基復合材料英文名為“Engineered Cementitious Composite”,縮寫為ECC。1992年由密歇根大學的Li.V.C教授[1-2]采取細觀力學和斷裂力學的基本原理提出了這種材料的基本設計理念。2009年2月國際知名雜志Forbes對PVA(聚乙烯醇)ECC進行了專題報道，引起了廣大學者的高度認可，被認為將會引起新型混凝土材料產業化革命。但高額的價格制約了PVA ECC的產業化之路，在我國的土木工程應用當中，PVA纖維主要進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PP(聚丙烯)纖維生產廠家眾多，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用于道路建設當中，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的問題。同時聚丙烯混凝土也廣泛運用于橋梁工程當中，由交通部第二公路局承建的西安市環城大型立交橋采用了聚丙烯纖維，解決了橋面混凝土易產生裂紋的難題。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結合能力，制作的超強韌性改性PP混凝土(HDPFC)與普通混凝土相比，其抗折強度和抗沖擊等力學性能極大提高。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機理分析

根據英國的Swamy和Naman提出的復合力學模型理論，在分析改性PP纖維含量對混凝土的增強機理時，將采取復合力學模型進行分析：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：1)不考慮改性PP纖維與混凝土材料之間的相對側移；2)假設內部改性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，Ffc=σfcAfc；Ff為改性PP纖維所受的力，Ff=σfAf；Fm為混凝土所受的力，Fm=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是應力σ對應變ε的一階導數

其中

dεfc=dεf=dεm；

得

Efc=Efvf+Emvm

?Efc=Efvf+Em(1-vf)

(2)

由式(2)可見，在應變相同的情況下，改性PP纖維混凝土中的改性PP纖維的應力與混凝土應力的比值等同于兩者的彈性模量的比。因此得出結論：當改性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結合能。Fu XuLi[5]等研究表明，未經處理的PP纖維與水的接觸角為112.5°，經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纖維細觀差異如圖1所示。

圖 1 纖維經表面粗糙化處理的SEM照片對比

從圖1可知，經處理后的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合。如圖2中的纖維經攪拌后亂向分布，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

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，試件呈現較好的彎曲性能。但改性PP纖維不同于PVA纖維，根據俞家歡[8]團隊的研究，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準》[9]及日本JSCE SF4[10]標準中受彎韌性試驗的規定，制作每組3個尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體受彎試件;材料使用強制式混凝土攪拌機攪拌，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、養護。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 試驗結果及分析

3.1 試驗現象

在實驗的過程中可以直觀地看到纖維對試件的增強效果，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制和裂縫發展機制有較為明顯影響。

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，當試件出現第一條裂縫時只能聽見很細微的纖維被拉斷的聲音，跨中變形較??；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。最終發展形態如圖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，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展，通過內部纖維被不斷拔出散發能量，試件呈現出較大撓度但未明顯破壞，具有極好的延伸性。最終發展形態如圖3c、d所示。由理論研究可知，改性PP纖維的應力與混凝土應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生的巨大拉應力，而導致裂紋提前產生。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試件在達到最大荷載后表現出較大的撓度，未有明顯破壞，纖維摻量增加但抗折強度沒有繼續增加，出現拐點。根據A1-B3的抗折強度，進一步研究。

3.2 結果分析

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度試驗結果

圖 4 抗壓強度柱狀圖

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度，并且達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生的巨大拉應力，而導致裂紋提前產生。由于理論推導中有三個假設：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；認為整個纖維混凝土為塑形材料，發生彈性變形，但實際實驗中發現：試件在受力時有部分纖維發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??；纖維混凝土實際為纖維和混凝土材料組成的復合材料，并不是塑性材料，只有部分發生彈性變形。因此圖中出現了明顯拐點，纖維含量從3%增加到4%的過程中，抗折強度開始下降，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度最高。

4 結論

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度研究以及纖維增強機理分析，得出以下結論：

1)纖維混凝土的抗折強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生的巨大拉應力，使得裂紋提前產生,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部的纖維呈亂向橋路連接,使試件跨中裂縫的產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，在跨中裂縫產生以后，持續加載，跨中裂縫旁有第二條裂縫產生，跨中裂縫不再明顯變寬，直至加載結束，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纖維混凝土內有纖維產生的橫向約束力，抗折強度提升了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。