纖維分布對活性粉末混凝土構件力學性能的影響

李坤坤 楊克家 李坤梁 林一葦

摘 要：為研究準靜態荷載下纖維分布對活性粉末混凝土（RPC）構件力學性能的影響，對同一纖維摻量（2%）下不同纖維長度（13～20 mm）的單向分布和亂向分布鋼纖維RPC試件開展了四點受彎試驗。通過選取彎拉荷載撓度曲線上的初裂點、峰值點及其他幾個特征點，定量分析單向分布和亂向分布鋼纖維RPC的彎拉性能。結果表明：鋼纖維在主拉應力方向上的方向系數顯著影響基體的彎曲性能。其中，較亂向分布試件，單向分布鋼纖維試件的彎拉峰值應力、彎曲韌性均大幅提高，且跨中撓度達到L/150時，殘余強度仍比初裂強度高4.35～16.9 MPa;纖維長度由13 mm增加至20 mm時，與亂向分布試件相比，單向分布試件的裂后彎曲性能提高幅度更明顯，且單向分布試件受荷越大，纖維長徑比的優勢越顯著;單向分布試件斷口處纖維分布均勻，絕大部分方向與主裂紋方向垂直，錨固長度大，斷口處橋接效應顯著;綜合考慮單向鋼纖維RPC試件的等效彎曲應力、耗能能力等指標，在纖維摻量為2%、纖維長度為20 mm時，其力學性能最優。

關鍵詞：單向分布鋼纖維;活性粉末混凝土;纖維長度;等效彎曲應力;韌性

中圖分類號：TU528.58 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2022）05-0197-08

收稿日期：2020-08-31

基金項目：浙江省教育廳一般項目（Y201942336）

作者簡介：李坤坤（1995- ），女，主要從事單向鋼纖維活性粉末混凝土力學性能研究，E-mail：184611572168@stu.wzu.edu.cn。

楊克家（通信作者），男，副教授，E-mail：yangkejia@tom.com。

Received：2020-08-31

Foundation item：General Project of Zhejiang Education Department （No. Y201942336）

Author brief：LI Kunkun （1995- ）， main research interest： mechanical properties of aligned steel fiber reactive powder concrete， E-mail： 184611572168@stu.wzu.edu.cn.

YANG Kejia （corresponding author）， associate professor， E-mail： yangkejia@tom.com.

Effect of fiber orientation on the mechanical properties of reactive powder concrete members

LI Kunkun， YANG Kejia， LI Kunliang， LIN Yiwei

（1. School of Architecture Engineering， Wenzhou University， Wenzhou 325035， Zhejiang， P. R. China; 2. School of Architecture Engineering， Taizhou University， Taizhou 318000， Zhejiang， P. R. China）

Abstract：To study the influence of fiber distribution on the mechanical properties of Reactive Power Concrete（RPC） members under quasi-static loading， the four-point bending test was carried out on aligned steel fiber RPC and steel fiber RPC specimens at the same fiber content （2%） and different fiber lengths （13～20 mm）.By selecting the initial crack point， peak point and other characteristic points on the bending load-deflection curves， the bending properties of aligned steel fiber RPC（ASFRPC） and steel fiber RPC（SFRPC） were analyzed quantitatively. The experimental results show that orientation coefficient of steel fibers in the direction of main tensile stress has a strong impact on the deflection hardening behavior in bending. First of all， the bending tensile peak stress and bending ductility of ASFRPC is greater than that of SFRPC.In particular， when the mid-span deflection reaches L/150， the residual strength of ASFRPC specimen is still 4.35～6.9 MPa higher than that of the initial crack strength.Secondly， when the fiber length increases from 13 mm to 20 mm， the flexural property of ASFRPC specimen improves more significantly than that of SFRPC specimen， and the advantage of fiber length diameter ratio is more significant with the increasing load of ASFRPC specimen. Thirdly， the fiber distribution of ASFRPC is uniform at the fracture， most of which are perpendicular to the main crack direction.Besides， the anchorage length is also long， and the bridging effect is significant at the fracture. In conclusion， considering the equivalent bending stress and energy absorption capacity of ASFRPC specimens， the mechanical properties of aligned steel fiber specimens perform best when the fiber content is 2% and the fiber length is 20 mm.

Keywords：aligned steel fiber; reactive powder concrete; fiber length; the equivalent bending stress; toughness

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete， RPC）具有優異的力學性能和耐久性能，尤其在摻入鋼纖維后，其受拉應變硬化和多元開裂特性受到工程界的廣泛關注。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。Wille等對異形鋼纖維與短直纖維的鋼纖維混凝土構件進行了對比，發現異形鋼纖維對其抗拉強度和應變能力提升效率更高。Yoo等研究表明，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，但當纖維長徑比過大時，可能會出現纖維分布性差和纖維成團現象，導致基體力學性能下降。

纖維分布方向對基體的力學性能同樣有著重要影響。Yoo等和Kang等采用圖像分析技術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，結果表明，纖維方向系數越高，鋼纖維RPC的裂后增強越明顯。陳寧從理論上論證了應用外加磁場方式制備定向型鋼纖維混凝土新型構件的構想。慕儒等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達0.9的單向分布鋼纖維普通混凝土試件，相較亂向分布構件，其受彎承載力及韌性性能均有顯著提升。

各種調整纖維分布的方法中，磁場控制鋼纖維分布最為高效和實用。但普通混凝土中存在粗骨料，纖維方向效應系數難以進一步提高。RPC不含大粒徑粗骨料，鋼纖維在基體中轉向所受阻力遠小于普通混凝土，有利于進一步提高鋼纖維的增強效率，實現鋼纖維增強水泥基復合材料力學性能的突破。筆者利用電磁場定向裝置制備了具有3種不同長度（L=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，并開展了四點受彎試驗，通過彎拉荷載撓度曲線上的初裂點、峰值點及其他幾個特征點，定量分析了纖維分布特征及纖維長度對RPC構件力學性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗選用P.O.42.5R普通硅酸鹽水泥和硅灰作為膠凝材料，以細度模數為2.32的天然河砂作為骨料，添加劑采用密度為1.06 g/m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。根據前期試配試驗，當鋼纖維摻量為2%、長徑比大于100時，在攪拌過程中，RPC出現纖維成團導致纖維分散不均勻的現象，因此，采用的鋼纖維最大長度為20 mm（長徑比為100）。

1.2 試驗設計

考慮纖維長度和纖維分布對RPC受彎力學性能的影響，制備了摻有2%體積分數、3種纖維長度（L_f=13、16、20 mm）、尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的SFRPC和ASFRPC試件，每組3個，共18個試件，根據各組所用纖維摻量和分布方向特征對其進行編號，D、L分別表示單向、亂向分布鋼纖維RPC，后加一個表示纖維長度的數字。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臺上。打開電流轉換器，通電螺線圈在試模周圍施加與構件軸向平行的恒定磁場。開啟振動臺，此時拌合物處于流體狀態，鋼纖維在磁場作用下發生轉動，最終與磁場方向基本一致。依次關閉振動臺和電磁場設備，即可完成ASFRPC試件的制備。制作完成后，及時在試塊表面覆蓋保鮮膜以防止水分過快蒸發，在室溫下養護24 h后拆模，隨后放入標準養護室養護至28 d齡期，表3為鋼纖維RPC材料實測的抗壓強度和彈性模量。

1.4 試驗方法

按照ASTM C1609規范要求，采用MTS萬能試驗機對100 mm×100 mm×400 mm的試件進行四點受彎試驗。試驗采用位移加載控制，加載速率為0.1 mm/min。

試驗裝置如圖2所示，在梁的中間高度安裝一個鋼框架，框架兩側固定兩個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機自帶采集儀采集。

2 試驗結果與討論

2.1 初裂點的確定

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。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生線性偏離的點稱為初裂點。

以SFRPC-S13試件為例確定初裂點，如圖4所示。根據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 C1609四點彎拉等效應力計算方法，將初裂荷載值P代入式（1）中，得到的等效彎曲應力定義為初裂強度，即f。

f=P·Lbh（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。

2.2 試驗結果分析

將四點受彎實測數據經過平均處理后，繪制出不同纖維長度ASFRPC和SFRPC的荷載撓度關系曲線，如圖5所示。由圖可知，所有試件均呈現撓曲硬化響應，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，并且相關性能隨著纖維長度的增加而呈遞增趨勢。

文獻[5，19]指出，UHPC受彎試件的跨中撓度為L/600時，該試件處于小變形狀態，當UHPC受彎試件的跨中撓度試件為L/150時，該試件處于大變形狀態，故取跨中撓度為L/240代表中等彎拉變形狀態。圖5中荷載撓度曲線上有兩個彎曲性能特征點：比例極限點（LOP）和極限強度點（MOR）。為了全面地反映出試件的四點彎曲響應，定義另外4個特征點：d（跨中撓度為L/1 200）、d（跨中撓度為L/600）、d（跨中撓度為L/240）、d（跨中撓度為L/150）。其中，MOR為鋼纖維RPC裂后荷載峰值點，點d、d代表小變形狀態，點d、d分別代表中等變形和大變形狀態。將各特征點對應的彎曲特征參數統計于表4。前綴P、f、δ、T等表示特征點相對應的荷載、應力、撓度和韌性（如LOP）。

圖6為部分ASFRPC和SFRPC構件破壞形態。所有試件均在純彎段最薄弱截面處產生一條主裂縫，這種現象稱為裂紋局部化。ASFRPC在發生開裂后可聽到“滋滋滋”的響聲，同時可以觀察到纖維和基體發生滑移現象。然而，SFRPC在發生開裂后伴隨著“噼啪”的響聲，纖維和基體發生局部脫落，開裂處可觀察到少量纖維拔出。達到峰值荷載后，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，試件發生明顯彎曲，基體呈現軟化性能。兩種試件斷口處橋接纖維對比如圖7所示。

2.2.1 承載能力（等效彎曲強度）

纖維長度對等效彎曲強度的影響如圖8所示。從圖8可見，無論是SFRPC試件還是ASFRPC試件，當纖維長徑比由65變化至100時，其f大致相當。另一方面，表4可定量反映出：所有試件的f最大差值僅為2.46 MPa，對應的δ_LOP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，試件開裂應力主要取決于基體而非鋼纖維。LOP點之后，隨著撓度的增加，等效彎曲應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，其f增幅約49%，對應SFRPC試件的f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橫貫裂縫傳遞應力，纖維長徑比越大，纖維與基體間的粘結應力越大。此外，特征點d、d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f=29.80 MPa，f=24.50 MPa，說明ASFRPC系列試件殘余強度的提高幅度隨纖維長度的增加而增大。

圖9表示不同纖維方向與纖維長度下各特征點的等效彎曲應力。由圖9可知，兩種不同纖維分布的鋼纖維RPC等效彎曲應力撓度曲線均呈現撓度硬化特性。由表4可知，纖維長度為13、16、20 mm的ASFRPC試件f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度提高幅度更大，其主要原因為：當鋼纖維方向與試件主拉應力方向一致時，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，可有效承擔荷載，從而大幅提高水泥基復合材料的力學性能。圖9中的曲線反映出彎拉試件由小變形狀態進入到大變形狀態時，ASFRPC試件的等效彎曲強度f與初裂強度f的比值較高，而SFRPC試件在大變形狀態下的f與f大致相當或略低于初裂強度（纖維長度為13 mm的SFRPC試件）。表4定量地反映出ASFRPC試件在大變形狀態下的等效彎曲強度f高于初裂強度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受彎結構中具有較高的安全可靠性。

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的韌性，其中，圖10（a）、（c）分別反映了小變形狀態下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，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T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，在實際結構設計中，調整纖維分布方向也是提高纖維混凝土試件力學性能的重要方法之一。

3 結論

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，單向分布試件的彎拉峰值應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，試件進入大變形狀態時（跨中撓度為L/150），前者的殘余彎曲應力與初裂應力的比值f/f為1.69～2.91，而后者的f/f不大于1.3。

2）無論是單向分布還是亂向分布，鋼纖維RPC試件初裂強度和相應撓度與纖維分布及長度無明顯相關性，但其裂后等效彎曲應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，纖維長度的優勢越能體現出來。

3）綜合考慮ASFRPC試件等效彎曲強度、韌性等指標，當纖維摻量為2%、纖維長度為20 mm時，單向分布試件力學性能綜合最優。

筆者僅對相同尺寸下的小尺寸梁開展了彎拉試驗與分析，實際工程應用尚待對大尺寸ASFRPC構件的彎拉性能及其尺寸效應進行更深一步的研究。

參考文獻：

[1] RICHARD P， CHEYREZY M. Composition of reactive powder concretes [J]. Cement and Concrete Research， 1995， 25（7）： 1501-1511.

[2] MAKITA T， BRHWILER E. Tensile fatigue behaviour of ultra-high performance fibre reinforced concrete （UHPFRC） [J]. Materials and Structures， 2014， 47（3）： 475-491.

[3] 張哲， 邵旭東， 李文光， 等. 超高性能混凝土軸拉性能試驗[J]. 中國公路學報， 2015， 28（8）： 50-58.

ZHANG Z， SHAO X D， LI W G， et al. Axial tensile behavior test of ultra high performance concrete [J]. China Journal of Highway and Transport， 2015， 28（8）： 50-58. （in Chinese）

[4] 梁興文， 胡翱翔， 于婧， 等. 鋼纖維對超高性能混凝土抗彎力學性能的影響[J]. 復合材料學報， 2018， 35（3）： 722-731.

LIANG X W， HU A X， YU J， et al. Effect of steel fibers on the flexural response of ultra-high performance concrete [J]. Acta Materiae Compositae Sinica， 2018， 35（3）： 722-731. （in Chinese）

[5] 邵旭東， 李芳園， 邱明紅， 等. 鋼纖維特性對UHPC軸拉性能與彎拉性能的影響及對比研究[J]. 中國公路學報， 2020， 33（4）： 51-64.

SHAO X D， LI F Y， QIU M H， et al. Influential and comparative research on the effects of steel fiber properties on the axial tensile and bending tensile properties of UHPC [J]. China Journal of Highway and Transport， 2020， 33（4）： 51-64. （in Chinese）

[6] WILLE K， KIM D J， NAAMAN A E. Strain-hardening UHP-FRC with low fiber contents [J]. Materials and Structures， 2011， 44（3）： 583-598.

[7] 張哲， 邵旭東， 朱平， 等. 基于超高性能混凝土彎曲拉伸特性的二次倒推分析法[J]. 土木工程學報， 2016， 49（2）： 77-86.

ZHANG Z， SHAO X D， ZHU P， et al. Twice inverse analysis method based on four-point bending test results for UHPC tensile behavior characterization [J]. China Civil Engineering Journal， 2016， 49（2）： 77-86. （in Chinese）

[8] YOO D Y， BANTHIA N， YOON Y S. Predicting the flexural behavior of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete [J]. Cement and Concrete Composites， 2016， 74： 71-87.

[9] YOO D Y， YOON Y S. Structural performance of ultra-high-performance concrete beams with different steel fibers [J]. Engineering Structures， 2015， 102： 409-423.

[10] YOO D Y， KANG S T， YOON Y S. Enhancing the flexural performance of ultra-high-performance concrete using long steel fibers [J]. Composite Structures， 2016， 147： 220-230.

[11] YOO D Y， BANTHIA N， KANG S T， et al. Effect of fiber orientation on the rate-dependent flexural behavior of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete [J]. Composite Structures， 2016， 157： 62-70.

[12] YOO D Y， KANG S T， YOON Y S. Effect of fiber length and placement method on flexural behavior， tension-softening curve， and fiber distribution characteristics of UHPFRC [J]. Construction and Building Materials， 2014， 64： 67-81.

[13] KANG S T， KIM J K. Investigation on the flexural behavior of UHPCC considering the effect of fiber orientation distribution [J]. Construction and Building Materials， 2012， 28（1）： 57-65.

[14] 陳寧. 定向型鋼纖維增強混凝土可能性探討[J]. 預應力技術， 2012（3）： 8-10.

CHEN N. Discussion on the possibility of directional steel fiber reinforced concrete [J]. Prestress Technology， 2012（3）： 8-10.（in Chinese）

[15] 慕儒， 李輝， 王曉偉， 等. 單向分布鋼纖維增強水泥基復合材料（Ⅱ）： 制備及鋼纖維增強作用[J]. 建筑材料學報， 2015， 18（3）： 387-392.

MU R， LI H， WANG X W， et al. Aligned steel fibre reinforced cement based composites（Ⅱ）： Preparation and reinforcement of aligned steel fibres [J]. Journal of Building Materials， 2015， 18（3）： 387-392. （in Chinese）

[16] MU R， LI H， QING L B， et al. Aligning steel fibers in cement mortar using electro-magnetic field [J]. Construction and Building Materials， 2017， 131： 309-316.

[17] Standard test method for flexural performance of fiber-reinforced concrete（using beam with third-point loading）： ASTM C 1609-97 [S]. American Society of Testing and Materials， 2006： 1-8.

[18] NAAMAN A E， REINHARDT H W. Proposed classification of HPFRC composites based on their tensile response [J]. Materials and Structures， 2006， 39（5）： 547-555.

[19] 王俊顏， 李鋼， 郭君淵， 等. 常溫養護型超高性能混凝土的彎曲性能表征方法[J]. 同濟大學學報（自然科學版）， 2017， 45（9）： 1352-1358.

WANG J Y， LI G， GUO J Y， et al. Characterization of flexural performance of ultra-high performance concrete without thermal curing [J]. Journal of Tongji University （Natural Science）， 2017， 45（9）： 1352-1358. （in Chinese）

（編輯 黃廷）