混雜鋼－聚丙烯纖維混凝土的試驗研究與強(qiáng)度計算

陜 亮,張 亮

（1.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,武漢 430072；2.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,武漢 430071；3.長江科學(xué)院材料與結(jié)構(gòu)研究所,武漢 430010）

混雜鋼－聚丙烯纖維混凝土的試驗研究與強(qiáng)度計算

陜 亮1,3,張 亮2,3

（1.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,武漢 430072；2.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,武漢 430071；3.長江科學(xué)院材料與結(jié)構(gòu)研究所,武漢 430010）

為探究混雜鋼－聚丙烯纖維混凝土力學(xué)性能,基于復(fù)合材料強(qiáng)度理論,在試驗研究的基礎(chǔ)上,對混凝土強(qiáng)度對比試驗結(jié)果進(jìn)行數(shù)值分析,并根據(jù)試驗結(jié)果規(guī)律,給出了混雜鋼－聚丙烯纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度的計算式,以及各強(qiáng)度間的關(guān)系。通過數(shù)理統(tǒng)計方法分析研究了混雜纖維混凝土中纖維體積率、長徑比對強(qiáng)度的影響,確定了計算模式中的待定參數(shù)。從強(qiáng)度計算式中不同纖維對應(yīng)的影響系數(shù)可以看出,對混雜鋼－聚丙烯纖維混凝土的強(qiáng)度起決定作用的是鋼纖維的體積率和長徑比；混雜鋼－聚丙烯纖維混凝土的強(qiáng)度計算式與關(guān)系式擬合效果良好,可為同行業(yè)研究者們和工程應(yīng)用提供參考。

混雜鋼－聚丙烯纖維混凝土；強(qiáng)度計算式；強(qiáng)度關(guān)系；體積率；長徑比

2015,32（12）：114－119

1 研究背景

根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)方法,將纖維作為混凝土的次增強(qiáng)筋適量摻入,是提高普通混凝土強(qiáng)度及性能的重要手段之一。復(fù)合化是提高混凝土等水泥基材料性能的主要途徑,而纖維增強(qiáng)是核心[1］。纖維混凝土依靠纖維與混凝土界面的粘結(jié)與混凝土共同作用,當(dāng)混凝土內(nèi)的拉應(yīng)力自其界面?zhèn)鬟f給纖維時,纖維因變形而消耗能量,從而增強(qiáng)了混凝土吸收能量的能力。

纖維在混凝土中主要起著阻裂、增強(qiáng)、增韌3個方面的作用,但是一種纖維有時只起到其中單一方面或兩方面的作用,這與纖維品種、纖維性能、纖維與混凝土界面間的粘結(jié)狀況等因素密切相關(guān)。研究表明：高彈性模量纖維能提高混凝土的抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)度以及抗疲勞性能和剛性；低彈性模量纖維能提高混凝土的抗裂、抗沖擊、抗凍、抗?jié)B及韌性和耐久性等與材料塑性有關(guān)的物理性能[2－7］。將高彈性模量的鋼纖維和低彈性模量的聚丙烯纖維混雜應(yīng)用于混凝土中,能充分發(fā)揮“正混雜效應(yīng)”,通過不同纖維對混凝土在不同階段不同層次的作用,可進(jìn)一步改善混凝土的性能[8－10］。《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[11］（CECS 38：2004）中增加了有關(guān)合成纖維混凝土的內(nèi)容,但對混雜纖維混凝土還沒有規(guī)范性文件。混凝土的強(qiáng)度和強(qiáng)度間的關(guān)系是其力學(xué)性能中的基本指標(biāo),因此,研究混雜鋼－聚丙烯纖維混凝土的強(qiáng)度計算式及其之間的關(guān)系非常有必要。本文在試驗研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)混凝土強(qiáng)度對比試驗結(jié)果進(jìn)行數(shù)值誤差分析,按舍棄準(zhǔn)則進(jìn)行舍棄,建立了強(qiáng)度計算式,并按我國混凝土規(guī)范所建立的變異系數(shù)原則修正力學(xué)關(guān)系式,從而使混雜鋼－聚丙烯纖維混凝土（簡稱HSPFRC）的力學(xué)性能設(shè)計指標(biāo)能與國家現(xiàn)行混凝土規(guī)范并軌,可為工程應(yīng)用提供參考。

2 試驗材料及試驗方案

2.1 試驗材料

HSPFRC基本力學(xué)性能試驗所用材料包括鋼纖維、聚丙烯纖維和基準(zhǔn)混凝土。鋼纖維（簡稱SF）是纖維混凝土承重結(jié)構(gòu)中常采用的纖維,按材質(zhì)可分為碳素鋼纖維與不銹鋼纖維；按外形分有平直形、波浪形、彎鉤形、壓痕形、大頭形等；按生產(chǎn)工藝分有切斷型、剪切型、銑削型、熔抽型等；按施工用途可分為澆筑用鋼纖維和噴射用鋼纖維。本研究采用上海貝卡爾特——二鋼有限公司生產(chǎn)的佳密克絲鋼纖維,該纖維呈膠粘排列的集束狀,其水溶性易分散于混凝土中,主要物理性能如表1所示。

表1 鋼纖維物理性能Table 1 Physical properties of steel fibers

聚丙烯纖維（簡稱PPF）是由丙稀聚合物或共聚物制成的烴類纖維,不吸水,為惰性材料,不與酸堿、外加劑及混凝土其它成分發(fā)生反應(yīng)。本研究采用北京中紡纖建科技有限公司生產(chǎn)的凱泰（CTA）砂漿/混凝土抗裂改性聚丙烯單絲纖維,其主要物理性能如表2所示。

表2 聚丙烯纖維物理性能Table 2 Physical properties of polypropylene fiber

2.2 基準(zhǔn)混凝土配合比設(shè)計

纖維混凝土的配制受到許多邊界條件的約束,因而在混凝土配合比設(shè)計及纖維摻量上都有取值區(qū)間。目前,我國尚沒有混雜纖維混凝土配合比設(shè)計規(guī)程,本文以纖維體積率和纖維長徑比為關(guān)鍵變量進(jìn)行對比試驗研究,因此,采用固定基準(zhǔn)配合比的試驗方法?；炷僚浜媳仍O(shè)計參考《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[11］與《鋼纖維混凝土試驗方法》[12］中的有關(guān)要求,經(jīng)過大量試驗性試拌,確定C50基準(zhǔn)混凝土配合比如表3,在此基礎(chǔ)上確定HSPFRC成型配合比。

表3 基準(zhǔn)混凝土配合比Table 3 Mix proportions of the standard concrete

（1）水泥：由于包裹纖維和粗細(xì)骨料表面的水泥漿用量較普通混凝土多,因而單位體積水泥用量較普通混凝土水泥用量要大,一般為360～550kg/m3。試驗選用武漢亞東水泥廠生產(chǎn)的P.O.42.5普通硅酸鹽水泥,不添加其它如粉煤灰、礦渣等活性摻合料。按設(shè)計抗壓強(qiáng)度設(shè)計水灰比,試驗水灰比W/C采用0.36。

（2）骨料：宜選密度為2.5～2.7 g/cm3優(yōu)質(zhì)中粗砂。試驗采用的砂率為42%,選用的河砂細(xì)度模數(shù)為2.5,含水率為5.5%。碎石的顆粒表面粗糙,富有棱角,能產(chǎn)生良好的機(jī)械嵌鎖作用,與水泥漿有較強(qiáng)的粘結(jié)力,但石料直徑不宜大于鋼纖維長度的2/3,如果石料粒徑過大,鋼纖維易集中于大石料周圍不便于分散。試驗選用級配為5～20 mm的灰?guī)r碎石,針片狀顆粒含量不大于5%。

（3）外加劑：摻入高效減水劑可改善拌合料的和易性。試驗選用上海馬貝產(chǎn)聚羧酸X404高效減水劑。

2.3 試驗方法

拌合物裝模后放入（25±5）℃環(huán)境下靜置一晝夜,然后編號拆模。拆模后的試件放入溫度為（20±2）℃,濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d。采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度試驗,微機(jī)伺服壓力試驗機(jī)以恒定速度加荷,加載速率分別為20 kN/s和2.5 kN/s。單軸極限拉伸試驗采用變截面外夾式軸心抗拉試驗方法,試驗設(shè)備為自動伺服萬能材料試驗機(jī),啞鈴形混凝土試件裝卡在試驗機(jī)的上下兩夾頭中,夾頭頂部設(shè)有球鉸以保證試件物理對中準(zhǔn)確,在量測標(biāo)距段上應(yīng)力分布均勻,試件宏觀裂縫出現(xiàn)的位置可控,加載速率為0.04 kN/s。每組試塊3個,3個測值中的最大值和最小值與中間值的差值均小于中間值的15%,取3個測值的算術(shù)平均值作為該組試塊的強(qiáng)度值。

2.4 試驗因素與水平

本文HSPFRC基本力學(xué)性能試驗包括抗壓強(qiáng)度試驗、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗和軸心抗拉強(qiáng)度試驗,每項試驗各40組,每組3個試件,總計360個試件。為了揭示混雜纖維摻量變化對基體混凝土坍落度的影響程度,以及引起的結(jié)構(gòu)均勻性的變化,采用保持減水劑摻量不變方式,選取廠家推薦使用范圍的上限,為膠凝材料量的0.8%。前期大量的混凝土試拌性試驗表明,摻入混雜纖維對基體混凝土的坍落度有著顯著的影響,混雜纖維摻量越大坍落度越小,造成混凝土和易性有明顯差別[8－9］。在本研究中,混凝土合理的工作性限制了混雜鋼纖維、聚丙烯纖維的最大體積率分別為1.2%和0.15%,全面試驗的相關(guān)纖維體積率、長徑比因素與水平列于表4中。

表4 纖維體積率與長徑比Table 4 Volume fraction and length-diameter ratios of fibers

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 強(qiáng)度試驗結(jié)果

HSPFRC的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度的試驗值,列于表5至表7,軸心抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度比值Rt/cu列于表8。從中可以看出,HSPFRC基本力學(xué)性能中,各強(qiáng)度變化的規(guī)律基本相同,強(qiáng)度間表現(xiàn)出了較好的相關(guān)性；HSPFRC的拉壓比Rt/cu反映出,相對于不摻纖維的基準(zhǔn)混凝土,其拉壓比普遍有所提高,基本為10%左右的增幅,最大可至18%,但纖維體積率與長徑比的不同水平差異對HSPFRC拉壓比的影響并不大。

表5 HSPFRC抗壓強(qiáng)度試驗值Table 5 Measured values of compressive strength of HSPFRC

表6 HSPFRC劈裂抗拉強(qiáng)度試驗值Table 6 Measured values of splitting tensile strength of HSPFRC

表7 HSPFRC軸心抗拉強(qiáng)度試驗值Table 7 Measured values of uniaxial tensile strength of HSPFRC

表8 HSPFRC軸心抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值Rt/cuTable 8 Ratio of uniaxial tensile strength to compressive strength of HSPFRC

試驗結(jié)果表明：①單摻鋼纖維時,混凝土上述強(qiáng)度指標(biāo)隨鋼纖維體積率（0.4%,0.8%,1.2%）和長徑比（40,55,80）的增加而呈線性增長；②單摻聚丙烯纖維時,混凝土各強(qiáng)度指標(biāo)隨聚丙烯纖維體積率（0.05%,0.10%,0.15%）的增加,有先增加再減小的趨勢；③對于混雜纖維混凝土,相同聚丙烯體積率條件下,混凝土強(qiáng)度隨鋼纖維體積率的增加有不同程度的提高,且長徑比為80的鋼纖維混凝土強(qiáng)度的增加略優(yōu)于其他2種長徑比的鋼纖維,但在Vpf達(dá)到0.15%且Vsf達(dá)到1.2%時,混凝土強(qiáng)度有下降趨勢；④混雜纖維混凝土在相同鋼纖維體積率條件下,混凝土的強(qiáng)度隨聚丙烯纖維體積率的增加有先增加后減小的趨勢,Vpf為0.15%時強(qiáng)度比0.10%時普遍要小,說明聚丙烯纖維的體積率不宜超過0.10%。

出現(xiàn)強(qiáng)度有下降趨勢的原因是：纖維摻量過大會大大降低混凝土拌合物的坍落度,此時即使再增加減水劑也無法改善,因而影響成型的密實效果,引起混凝土內(nèi)部形成局部的蜂窩、空洞和孔隙的聚集,以及影響混雜纖維在基體中的均勻分散,即單位體積基體中纖維間距小于某一臨界值后導(dǎo)致纖維間作用的相互干擾,不能夠很好地相互協(xié)調(diào)工作,出現(xiàn)纖維間相互搭接、交叉、纏繞重疊,使纖維與水泥砂漿的接觸面積減少,從而纖維與基體的粘結(jié)削弱,表現(xiàn)在宏觀性能上,就是纖維對混凝土的增強(qiáng)作用弱化乃至減小。

綜上所述,混雜鋼－聚丙烯纖維混凝土中的纖維摻量不宜過大,且在低摻量的情況下存在一個最佳的纖維摻量,本研究中體積率為0.8%、長徑比為80的鋼纖維,與體積率為0.10%的聚丙烯纖維進(jìn)行混摻,可獲得較好的力學(xué)性能。

3.2 強(qiáng)度關(guān)系

由于HSPFRC各強(qiáng)度間有較好的相關(guān)性,因此,可合理建立各強(qiáng)度間的關(guān)系式?；炷僚芽估瓘?qiáng)度試驗,采用標(biāo)準(zhǔn)的立方體試件,試驗方法簡單易行,因而成為抗拉強(qiáng)度試驗中最為普遍的測定方法。根據(jù)試驗實測值統(tǒng)計分析,本文采用冪函數(shù)表達(dá)式反映HSPFRC劈裂抗拉強(qiáng)度fft,s與立方體抗壓強(qiáng)度ffcu之間的關(guān)系為

整體絕對誤差[13］IAE＝3.93%,試驗值對計算值比值的變異系數(shù)δ＝0.049。

由于劈裂抗拉強(qiáng)度是間接測定混凝土的抗拉強(qiáng)度,而軸心抗拉強(qiáng)度即對試件直接施加軸向荷載測得的抗拉強(qiáng)度值才是混凝土的真正抗拉強(qiáng)度值。因此,根據(jù)試驗實測值統(tǒng)計分析,HSPFRC軸心抗拉強(qiáng)度fft與立方體抗壓強(qiáng)度ffcu之間的關(guān)系可表示為

整體絕對誤差I(lǐng)AE＝4.02%,試驗值對計算值比值的變異系數(shù)δ＝0.051。

3.3 強(qiáng)度計算式

《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[11］給出了采用影響系數(shù)法來表征鋼纖維混凝土中,鋼纖維對混凝土強(qiáng)度的增強(qiáng)作用,強(qiáng)度計算公式形式如下：

式中：fsf,f分別為鋼纖維混凝土和普通混凝土強(qiáng)度值；α為鋼纖維影響系數(shù)；λsf為鋼纖維特征值；Vsf為鋼纖維體積率；lsf/dsf為鋼纖維長徑比。

目前的研究者們均以此為基礎(chǔ)提出了同類型的強(qiáng)度表達(dá)式[13－15］。盡管在回歸方程式時,纖維特征值采用冪函數(shù)形式,擬合判斷系數(shù)R2將更高,擬合效果更好,但方程形式也將過于復(fù)雜。因此,本文參照上式給出如下2種HSPFRC強(qiáng)度計算公式,分別為不考慮或考慮纖維混雜交互作用強(qiáng)度影響系數(shù)γ的計算式：

式中：ff,f分別為混雜鋼－聚丙烯纖維混凝土和基準(zhǔn)普通混凝土的強(qiáng)度值；α,β,γ分別為鋼纖維、聚丙烯纖維、纖維混雜交互作用的強(qiáng)度影響系數(shù)；λsf,λpf分別為鋼纖維、聚丙烯纖維特征值；Vsf,Vpf分別為鋼纖維、聚丙烯纖維體積率；lsf/dsf,lpf/dpf分別為鋼纖維、聚丙烯纖維長徑比。

試驗結(jié)果表明纖維摻量過大時,纖維作用出現(xiàn)工作不協(xié)調(diào)的狀態(tài),混凝土強(qiáng)度呈下降趨勢,并不滿足強(qiáng)度隨纖維特征值單調(diào)增加的表現(xiàn)形式。為了使工程應(yīng)用與現(xiàn)行國家混凝土規(guī)范銜接,故HSPFRC強(qiáng)度計算式取Vsf≤1.2%、Vpf≤0.10%的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。對于一元一次或多元一次函數(shù)或可化為一次函數(shù)的,其常數(shù)項和因變量前的系數(shù)可用最小二乘法回歸分析,本文采用DATAFIT軟件對表5至表7中的強(qiáng)度試驗實測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,所得強(qiáng)度計算式列于表9中。

實測結(jié)果顯示,HSPFRC抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度要離散,這個現(xiàn)象與普通混凝土的性能相同,表現(xiàn)為非均質(zhì)材料的內(nèi)部缺陷對受拉的影響比受壓影響敏感,符合混凝土材料的特征。同時,上述計算式中不同纖維對應(yīng)的影響系數(shù)表明,混雜鋼－聚丙烯纖維混凝土中起決定作用的是高彈性模量的鋼纖維的體積率和長徑比,低彈性模量高延性的聚丙烯纖維影響次之。

表9 HSPFRC強(qiáng)度計算式Table 9 Calculation formulas of strength of HSPFRC

4 結(jié) 論

（1）隨著鋼纖維與聚丙烯纖維生產(chǎn)技術(shù)的提高,尤其是混凝土工作性對纖維最大摻量的約束,纖維摻量應(yīng)控制在較低的水平,更大的纖維摻量不必要也不合適。在低摻量的情況下,亦存在一個最佳的纖維摻量,本文混雜鋼－聚丙烯纖維混凝土試驗中,選擇體積率為0.8%,長徑比為80的鋼纖維,與體積率為0.10%的聚丙烯纖維進(jìn)行混摻,可獲得較好的力學(xué)性能。

（2）從強(qiáng)度計算式中不同纖維對應(yīng)的影響系數(shù)可以看出,混雜鋼－聚丙烯纖維混凝土的強(qiáng)度,起決定作用的是鋼纖維的體積率和長徑比。

（3）混雜鋼－聚丙烯纖維混凝土的強(qiáng)度計算式與關(guān)系式擬合效果良好,可為同行業(yè)研究者們和工程應(yīng)用提供參考。

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[10］徐禮華,夏冬桃,夏廣政.鋼纖維和聚丙烯纖維對高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響[J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報,2007,29（4）：58－60,98.（XU Li-hua,XIA Dong-tao,XIA Guang-zheng.Effect of Steel Fiber and Polypropylene Fiber on the Strength of High Strength Concrete[J］.Journal of Wuhan University of Technology,2007,29（4）：58－60,98.（in Chinese））

[11］中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.CECS 38：2004,纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S］.北京：中國計劃出版社,2004.（China Association for Engineering Construction Standardization.CECS 38：2004,Technical Specification for Fiber Reinforced Concrete Structures[S］.Beijing：China Planning Press,2004.（in Chinese））

[12］中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.CECS13：89,鋼纖維混凝土試驗方法[S］.北京：中國計劃出版社,1989.（China Association for Engineering Construction Standardization.CECS13：89,Test Methods for Steel Fiber Reinforced Concrete[S］,Beijing：China Planning Press,1989.（in Chinese））

[13］夏廣政,夏冬桃,徐禮華.混雜纖維增強(qiáng)高性能混凝土拉壓比試驗研究[J］.重慶建筑大學(xué)學(xué)報,2007,29（5）：103－106.（XIA Guang-zheng,XIA Dong-tao,XU Li-hua.Evaluation of Ratio between Splitting Tensile Strength and Compressive Strength for Hybrid Fiber Reinforced HPC[J］.Journal of Chongqing Jianzhu University,2007,29（5）：103－106.（in Chinese））

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（編輯：陳紹選）

Experimental Research and Strength Calculation of Hybrid Steel-polypropylene Fiber Reinforced Concrete

SHAN Liang1,3,ZHANG Liang2,3
（1.School of Civil Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China；2.School of Materials Science and Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430071,China；3.Materials and Structure
Department,Changjiang River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China）

On the basis of contrasting experiment results of concrete strength,numerical analysis is carried out to explore mechanical properties of hybrid steel-polypropylene fiber reinforced concrete（HSPFRC）.The calculation formulas and relations among compressive strength,splitting tensile strength and axial tensile strength of HSPFRC are proposed based on the theory of composite material strength and the experimental observations.The undetermined parameters in the model are solved by means of statistical method,and the effects of volume fraction of fiber and length-diameter ratio on strength are taken into account for hybrid fiber reinforced concrete.In light of influence parameters of the strength formulas for different kinds of fibers,we can find that volume fraction of steel fiber and length-diameter ratio are vital to the strength of HSPFRC.The calculation formulas and dependence relations are well fitted,so they can be referenced for researchers in the same field and engineering application.

hybrid steel-polypropylene fiber reinforced concrete（HSPFRC）；strength formula；strength relationship；

TU528.572

A

1001－5485（2015）12－0114－06

10.11988/ckyyb.20140858

2014－10－09；

2015－01－19

長江科學(xué)院中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費項目（CKSF2013032/CL）

陜 亮（1976－）,男,湖北公安人,高級工程師,博士,主要從事水工結(jié)構(gòu)研究,（電話）027－82829754（電子信箱）robert＿shanl＠163.com。

volume fraction；length-diameter ratio