纖維分布對活性粉末混凝土構(gòu)件力學(xué)性能的影響

李坤坤，楊克家，李坤梁，林一葦

(1.溫州大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 溫州 325035；2.臺州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 臺州318000)

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete, RPC)[1]具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能，尤其在摻入鋼纖維后，其受拉應(yīng)變硬化和多元開裂特性受到工程界的廣泛關(guān)注[2-4]。然而，鋼纖維的摻入顯著提高了材料成本(體積摻量2%的鋼纖維大約占總成本的33%)，故研究人員設(shè)法在鋼纖維摻量相同或降低的情況下提高RPC的拉伸或彎曲性能[5-10]。Wille等[6]對異形鋼纖維與短直纖維的鋼纖維混凝土構(gòu)件進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)異形鋼纖維對其抗拉強(qiáng)度和應(yīng)變能力提升效率更高。Yoo等[8-12]研究表明，使用長徑比較高的鋼纖維能夠提高基體的彎曲性能和耗能能力，并且對于RPC而言，使用易于制造的長直纖維是首選，但當(dāng)纖維長徑比過大時(shí)，可能會出現(xiàn)纖維分布性差和纖維成團(tuán)現(xiàn)象，導(dǎo)致基體力學(xué)性能下降。

纖維分布方向?qū)w的力學(xué)性能同樣有著重要影響。Yoo等[8-12]和Kang等[13]采用圖像分析技術(shù)定量分析了水平分層澆筑和垂直分塊澆筑的鋼纖維RPC彎曲梁的纖維分布特征，結(jié)果表明，纖維方向系數(shù)越高，鋼纖維RPC的裂后增強(qiáng)越明顯。陳寧[14]從理論上論證了應(yīng)用外加磁場方式制備定向型鋼纖維混凝土新型構(gòu)件的構(gòu)想。慕儒等[15-16]通過磁場將鋼纖維按照特定方向排列，制備出了纖維方向系數(shù)達(dá)0.9的單向分布鋼纖維普通混凝土試件，相較亂向分布構(gòu)件，其受彎承載力及韌性性能均有顯著提升。

各種調(diào)整纖維分布的方法中，磁場控制鋼纖維分布最為高效和實(shí)用。但普通混凝土中存在粗骨料，纖維方向效應(yīng)系數(shù)難以進(jìn)一步提高。RPC不含大粒徑粗骨料，鋼纖維在基體中轉(zhuǎn)向所受阻力遠(yuǎn)小于普通混凝土，有利于進(jìn)一步提高鋼纖維的增強(qiáng)效率，實(shí)現(xiàn)鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的突破。筆者利用電磁場定向裝置制備了具有3種不同長度(Lf=13、16、20 mm)、摻量2%的單向分布鋼纖維RPC(ASFRPC)和亂向分布鋼纖維RPC(SFRPC)試件，并開展了四點(diǎn)受彎試驗(yàn)，通過彎拉荷載-撓度曲線上的初裂點(diǎn)、峰值點(diǎn)及其他幾個(gè)特征點(diǎn)，定量分析了纖維分布特征及纖維長度對RPC構(gòu)件力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用P.O.42.5R普通硅酸鹽水泥和硅灰作為膠凝材料，以細(xì)度模數(shù)為2.32的天然河砂作為骨料，添加劑采用密度為1.06 g/m3的粉體聚羧酸高效減水劑，拌合物中不含粗骨料，具體配比見表1。所使用的鋼纖維為鍍銅微絲鋼纖維，其幾何和物理性能見表2。根據(jù)前期試配試驗(yàn)，當(dāng)鋼纖維摻量為2%、長徑比大于100時(shí)，在攪拌過程中，RPC出現(xiàn)纖維成團(tuán)導(dǎo)致纖維分散不均勻的現(xiàn)象，因此，采用的鋼纖維最大長度為20 mm(長徑比為100)。

表1 RPC配合比

表2 鋼纖維的各項(xiàng)性能

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

考慮纖維長度和纖維分布對RPC受彎力學(xué)性能的影響，制備了摻有2%體積分?jǐn)?shù)、3種纖維長度(Lf=13、16、20 mm)、尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的SFRPC和ASFRPC試件，每組3個(gè)，共18個(gè)試件，根據(jù)各組所用纖維摻量和分布方向特征對其進(jìn)行編號，D、L分別表示單向、亂向分布鋼纖維RPC，后加一個(gè)表示纖維長度的數(shù)字。例如，L13表示纖維長度為13 mm、摻量為2%的亂向分布鋼纖維試件。

1.3 單向分布鋼纖維RPC的制備

制備ASFRPC的裝置如圖1所示。將裝有RPC拌合物的塑料試模放入螺線圈后共同放置在振動(dòng)臺上。打開電流轉(zhuǎn)換器，通電螺線圈在試模周圍施加與構(gòu)件軸向平行的恒定磁場。開啟振動(dòng)臺，此時(shí)拌合物處于流體狀態(tài)，鋼纖維在磁場作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，最終與磁場方向基本一致。依次關(guān)閉振動(dòng)臺和電磁場設(shè)備，即可完成ASFRPC試件的制備。制作完成后，及時(shí)在試塊表面覆蓋保鮮膜以防止水分過快蒸發(fā)，在室溫下養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，隨后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d齡期，表3為鋼纖維RPC材料實(shí)測的抗壓強(qiáng)度和彈性模量。

圖1 單向鋼纖維RPC制備裝置Fig.1 Manufacturing device of ASFRPC

表3 鋼纖維RPC實(shí)測的抗壓強(qiáng)度和彈性模量

1.4 試驗(yàn)方法

按照ASTM C1609[17]規(guī)范要求，采用MTS萬能試驗(yàn)機(jī)對100 mm×100 mm×400 mm的試件進(jìn)行四點(diǎn)受彎試驗(yàn)。試驗(yàn)采用位移加載控制，加載速率為0.1 mm/min。試驗(yàn)裝置如圖2所示，在梁的中間高度安裝一個(gè)鋼框架，框架兩側(cè)固定兩個(gè)LVDT用來測量不包括支座沉降的跨中撓度，荷載和跨中撓度均由試驗(yàn)機(jī)自帶采集儀采集。

圖2 四點(diǎn)抗折試驗(yàn)裝置Fig.2 Four-point bending test

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 初裂點(diǎn)的確定

FRC的彎曲性能通常被分為撓度硬化或撓度軟化，如圖3中的曲線(a)、(b)所示[18]。FRC材料受拉或受彎初裂后，相較于普通混凝土或撓度軟化FRC，具有撓度硬化性能的試件可以產(chǎn)生較高的承荷能力。無論是ASFRPC試件還是SFRPC試件，其荷載-撓度關(guān)系曲線均顯示出較明顯的撓曲硬化平臺，故將荷載-撓度曲線上升段首次發(fā)生線性偏離的點(diǎn)稱為初裂點(diǎn)。

以SFRPC-S13試件為例確定初裂點(diǎn)，如圖4所示。根據(jù)該方法得出的各試件組的初裂值及初裂韌性值見表3。按照ASTM C1609[17]四點(diǎn)彎拉等效應(yīng)力計(jì)算方法，將初裂荷載值PLOP代入式(1)中，得到的等效彎曲應(yīng)力定義為初裂強(qiáng)度，即fLOP。

(1)

式中：L為試件跨度,mm；b為試件截面寬度,mm；h為試件截面高度,mm。

圖3 FRC經(jīng)典荷載-撓度響應(yīng)曲線[18]Fig.3 Typical load-deflection response curves of

圖4 鋼纖維RPC初裂點(diǎn)的確定(以SFRPC-S13為例)Fig.4 Determination of first cracking point of SFRPC(Take SFRPC-S13 as an example)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

將四點(diǎn)受彎實(shí)測數(shù)據(jù)經(jīng)過平均處理后，繪制出不同纖維長度ASFRPC和SFRPC的荷載-撓度關(guān)系曲線，如圖5所示。由圖可知，所有試件均呈現(xiàn)撓曲硬化響應(yīng)，其彎拉過程由線彈性階段、撓曲硬化階段、撓曲軟化階段3部分組成。同等條件下，ASFRPC的承載能力和峰值撓曲變形均高于SFRPC，并且相關(guān)性能隨著纖維長度的增加而呈遞增趨勢。

文獻(xiàn)[5,19]指出，UHPC受彎試件的跨中撓度為L/600時(shí)，該試件處于小變形狀態(tài)，當(dāng)UHPC受彎試件的跨中撓度試件為L/150時(shí)，該試件處于大變形狀態(tài)，故取跨中撓度為L/240代表中等彎拉變形狀態(tài)。圖5中荷載-撓度曲線上有兩個(gè)彎曲性能特征點(diǎn)：比例極限點(diǎn)(LOP)和極限強(qiáng)度點(diǎn)(MOR)。為了全面地反映出試件的四點(diǎn)彎曲響應(yīng)，定義另外4個(gè)特征點(diǎn):d0.25(跨中撓度為L/1 200)、d0.5(跨中撓度為L/600)、d1.25(跨中撓度為L/240)、d2(跨中撓度為L/150)。其中，MOR為鋼纖維RPC裂后荷載峰值點(diǎn)，點(diǎn)d0.25、d0.5代表小變形狀態(tài)，點(diǎn)d1.25、d2分別代表中等變形和大變形狀態(tài)。將各特征點(diǎn)對應(yīng)的彎曲特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)于表4。前綴P、f、δ、T等表示特征點(diǎn)相對應(yīng)的荷載、應(yīng)力、撓度和韌性(如LOP)。

圖5 四點(diǎn)彎拉荷載-跨中撓度曲線Fig.5 Curves between load and mid-span deflections of the four-point bending

圖6為部分ASFRPC和SFRPC構(gòu)件破壞形態(tài)。所有試件均在純彎段最薄弱截面處產(chǎn)生一條主裂縫，這種現(xiàn)象稱為裂紋局部化。ASFRPC在發(fā)生開裂后可聽到“滋滋滋”的響聲，同時(shí)可以觀察到纖維和基體發(fā)生滑移現(xiàn)象。然而，SFRPC在發(fā)生開裂后伴隨著“噼啪”的響聲，纖維和基體發(fā)生局部脫落，開裂處可觀察到少量纖維拔出。達(dá)到峰值荷載后，主裂縫水平位移增加并向上延伸，形成裂紋局部化，荷載承載力開始緩慢下降，纖維不斷被拔出，試件發(fā)生明顯彎曲，基體呈現(xiàn)軟化性能。兩種試件斷口處橋接纖維對比如圖7所示。

圖6 彎拉試件失效模式和裂紋形態(tài)Fig.6 Failure mode and crack morphology of the

表4 所有測試試件彎曲性能參數(shù)平均值

圖7 試件破壞斷裂面處纖維拔出圖(以S16為例)Fig.7 Fiber pullout diagram at fracture surface of specimens(Take S16 as an example)

2.2.1 承載能力(等效彎曲強(qiáng)度) 纖維長度對等效彎曲強(qiáng)度的影響如圖8所示。從圖8可見，無論是SFRPC試件還是ASFRPC試件，當(dāng)纖維長徑比由65變化至100時(shí)，其fLOP大致相當(dāng)。另一方面，表4可定量反映出：所有試件的fLOP最大差值僅為2.46 MPa，對應(yīng)的δLOP只有0.013 mm，即纖維方向和長度對鋼纖維RPC試件初裂性能的影響并不明顯，試件開裂應(yīng)力主要取決于基體而非鋼纖維。LOP點(diǎn)之后，隨著撓度的增加，等效彎曲應(yīng)力受纖維長度影響顯著，ASFRPC試件的纖維長度從13 mm增加到20 mm時(shí)，其fMOR增幅約49%，對應(yīng)SFRPC試件的fMOR提高幅度接近29%。這主要是由于鋼纖維RPC材料開裂后，跨越裂縫的鋼纖維通過粘結(jié)橫貫裂縫傳遞應(yīng)力，纖維長徑比越大，纖維與基體間的粘結(jié)應(yīng)力越大。此外，特征點(diǎn)d1.25、d2處于試件軟化范圍，但ASFRPC系列試件仍保持較高的持荷能力，尤其纖維長度為20 mm的ASFRPC試件fd1.25=29.80 MPa，fd2=24.50 MPa，說明ASFRPC系列試件殘余強(qiáng)度的提高幅度隨纖維長度的增加而增大。

圖8 不同纖維長度下特征點(diǎn)的等效彎拉強(qiáng)度比較Fig.8 Comparison of equivalent bending strength of characteristic points under different fiber

圖9表示不同纖維方向與纖維長度下各特征點(diǎn)的等效彎曲應(yīng)力。由圖9可知，兩種不同纖維分布的鋼纖維RPC等效彎曲應(yīng)力-撓度曲線均呈現(xiàn)撓度硬化特性。由表4可知，纖維長度為13、16、20 mm的ASFRPC試件fMOR分別為20.17、24.06、29.99 MPa，較亂向分布試件分別提高了72.12%、78.35%、106.26%。由此可知，與纖維長度相比，纖維分布對等效彎曲強(qiáng)度提高幅度更大，其主要原因?yàn)椋寒?dāng)鋼纖維方向與試件主拉應(yīng)力方向一致時(shí)，單向分布鋼纖維試件裂縫處有更多的鋼纖維起到橋接作用，可有效承擔(dān)荷載，從而大幅提高水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能。圖9中的曲線反映出彎拉試件由小變形狀態(tài)進(jìn)入到大變形狀態(tài)時(shí)，ASFRPC試件的等效彎曲強(qiáng)度fd2與初裂強(qiáng)度fLOP的比值較高，而SFRPC試件在大變形狀態(tài)下的fd2與fLOP大致相當(dāng)或略低于初裂強(qiáng)度(纖維長度為13 mm的SFRPC試件)。表4定量地反映出ASFRPC試件在大變形狀態(tài)下的等效彎曲強(qiáng)度fd2高于初裂強(qiáng)度4.35～16.9 MPa，依然保持一定的持荷能力。總體上，單向分布鋼纖維用于RPC受彎結(jié)構(gòu)中具有較高的安全可靠性。

圖9 不同纖維分布與纖維長度下特征點(diǎn)的彎拉強(qiáng)度Fig.9 Equivalent bending strength of characteristic points under different fiber orientation and different fiber

2.2.2 韌性 圖10表示不同纖維分布與纖維長度下各特征點(diǎn)的韌性，其中，圖10(a)、(c)分別反映了小變形狀態(tài)下ASFRPC試件和SFRPC試件的韌性值；圖10(b)、(d)分別為峰值荷載后ASFRPC試件和SFRPC試件的韌性值。可以看出，纖維分布和纖維長度對試件峰值荷載后的韌性提高幅度較為顯著。在一定纖維長度范圍內(nèi)，單向分布試件的峰值韌性大約是亂向分布試件的2倍。各特征點(diǎn)韌性值如表4所示，由表4可知：對于纖維長度為16 mm的ASFRPC試件和SFRPC試件，前者的TMOR較后者高117.6%左右，較纖維長度為20 mm的SFRPC試件高約73.4%。因此，在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，調(diào)整纖維分布方向也是提高纖維混凝土試件力學(xué)性能的重要方法之一。

圖10 纖維方向與纖維長度下特征點(diǎn)的韌性Fig.10 Toughness of characteristic points under different fiber orientation and different fiber

3 結(jié)論

研究了纖維分布和纖維長度對鋼纖維RPC彎曲性能的影響，得到以下結(jié)論：

1)利用外加磁場將鋼纖維按照特定方向排列制備ASFRPC，其受彎承載力及韌性顯著高于SFRPC。在纖維長度為13～20 mm范圍內(nèi)，單向分布試件的彎拉峰值應(yīng)力較亂向分布彎拉試件提高72.12%～106.26%，韌性提高2～4倍。此外，試件進(jìn)入大變形狀態(tài)時(shí)(跨中撓度為L/150)，前者的殘余彎曲應(yīng)力與初裂應(yīng)力的比值fd2/fLOP為1.69～2.91，而后者的fd2/fLOP不大于1.3。

2)無論是單向分布還是亂向分布，鋼纖維RPC試件初裂強(qiáng)度和相應(yīng)撓度與纖維分布及長度無明顯相關(guān)性，但其裂后等效彎曲應(yīng)力和彎曲韌性均隨纖維長度的增加而呈遞增趨勢，與SFRPC試件相比，纖維長度的變化對ASFRPC試件裂后性能的改善更明顯(增幅約40%)，且ASFRPC試件受荷越大，纖維長度的優(yōu)勢越能體現(xiàn)出來。

3)綜合考慮ASFRPC試件等效彎曲強(qiáng)度、韌性等指標(biāo)，當(dāng)纖維摻量為2%、纖維長度為20 mm時(shí)，單向分布試件力學(xué)性能綜合最優(yōu)。

筆者僅對相同尺寸下的小尺寸梁開展了彎拉試驗(yàn)與分析，實(shí)際工程應(yīng)用尚待對大尺寸ASFRPC構(gòu)件的彎拉性能及其尺寸效應(yīng)進(jìn)行更深一步的研究。