摻入混雜合成纖維的混凝土力學(xué)性能分析*

胡建榮　何銳　李永鵬

(1.西安長安大學(xué)工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710064； 2.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院∥交通鋪面材料

教育部工程研究中心， 陜西 西安 710061； 3.鄭州市市政工程勘測設(shè)計研究院， 河南 鄭州 450052)

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摻入混雜合成纖維的混凝土力學(xué)性能分析*

胡建榮1何銳2李永鵬3

(1.西安長安大學(xué)工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710064； 2.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院∥交通鋪面材料

教育部工程研究中心， 陜西 西安 710061； 3.鄭州市市政工程勘測設(shè)計研究院， 河南 鄭州 450052)

摘要：采用高彈模聚乙烯纖維(PE)和低彈模聚丙烯粗合成纖維(CPP)混雜技術(shù)制備混雜纖維混凝土，對其抗壓和抗彎性能進(jìn)行測試，并采用雙因素方差分析法對彎曲韌性影響因素的顯著性特征進(jìn)行了分析，同時還對混雜纖維的增強(qiáng)增韌機(jī)理進(jìn)行了探討.結(jié)果表明：在不同的粗集料摻量下，混雜纖維混凝土抗壓強(qiáng)度普遍高于素混凝土，其提高幅度主要集中在15%~30%之間；摻入混雜纖維后混凝土試件的荷載-撓度曲線整體較為飽滿，多數(shù)曲線表現(xiàn)為變形緩慢軟化，部分出現(xiàn)變形硬化特征；纖維摻量對混凝土的韌性有非常顯著的影響，而粗集料摻量影響較小；CPP/PE纖維可以從不同層次結(jié)構(gòu)對混凝土進(jìn)行增韌，產(chǎn)生正混雜效應(yīng)，從而使制備的混雜纖維混凝土具有優(yōu)異的韌性.

關(guān)鍵詞：混雜纖維；混凝土；力學(xué)性能；彎曲韌性；雙因素方差分析；纖維摻量

近年來，針對不同纖維增強(qiáng)混凝土的研究日益受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注.混雜纖維增強(qiáng)技術(shù)通過采用不同品種纖維的混雜或相同材質(zhì)、不同幾何形態(tài)的纖維混雜，可使其在性能層次上產(chǎn)生互補(bǔ)，從而促使混凝土在不同結(jié)構(gòu)層次上抑制裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展，其力學(xué)性能比單一纖維增強(qiáng)混凝土更為優(yōu)越[1- 3].目前，國內(nèi)外研究人員先后對聚丙烯/鋼纖維、聚丙烯/碳纖維或碳/碳纖維等混雜混凝土的性能進(jìn)行了研究，研究結(jié)果均表明混雜纖維可提高混凝土的力學(xué)性能、抗沖擊和抗裂性能等，并且采用高彈模纖維和高延性纖維相互搭配可以使混凝土的強(qiáng)度和韌性均大幅提高[4- 6].因此，文中采用高彈模聚乙烯(PE)纖維和低彈模聚丙烯粗合成纖維(CPP)進(jìn)行混雜，以期制備出具有優(yōu)良力學(xué)性能的混凝土材料.研究過程中分別從抗壓和抗彎兩個方面進(jìn)行評價，采用雙因素方差分析法對彎曲韌性影響因素的顯著性進(jìn)行了分析，并對混雜纖維的增韌機(jī)理進(jìn)行了探討.

1材料與試驗方法

本研究采用的膠凝材料由水泥與粉煤灰組成，水泥(C)為盾石42.5級普通硅酸鹽水泥，粉煤灰(F)為I級粉煤灰；粗集料(G)為粒徑5~20 mm的石灰?guī)r碎石，其中粒徑5~10 mm的碎石占30%，粒徑10~20 mm的碎石占70%；細(xì)集料(S)為潔凈河砂，細(xì)度模數(shù)2.65；外加劑(A)為聚羧酸類高性能減水劑，減水率30%，固含量18%；纖維包括PE和CPP纖維兩種，其性能參數(shù)如表1所示.

表1　纖維的技術(shù)性能指標(biāo)[2]

在混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，粗集料用量的變化直接影響增強(qiáng)纖維的分布空間，所以如果粗集料參數(shù)選取不合理將會限制纖維增韌效應(yīng)的作用范圍.因此，為了分析材料配比參數(shù)對混凝土力學(xué)性能的影響，本研究選定了4種粗集料用量(30%(體積分?jǐn)?shù)，下同)、34%、38%和42%，對應(yīng)配比的混凝土稱作G30、G34、G38和G42)，通過變換各種用量下纖維混雜比例來確定合理的粗集料摻量及與之相匹配的纖維混雜比例.綜合以上分析，C∶F∶W∶S∶A質(zhì)量比設(shè)為0.8∶0.2∶0.32∶1∶0.01，纖維摻量(PE+CPP)設(shè)為0.4%+0.8%、0.4%+1.2%、0.6%+0.8%、0.6%+1.2%、0.8%+0.8%和0.8%+1.2%.

混凝土攪拌均勻后，分別澆筑尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的抗壓強(qiáng)度試件和尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的抗彎拉強(qiáng)度試件，成型24 h后拆模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d后進(jìn)行測試，每組3個試件.抗壓強(qiáng)度測試根據(jù)JTG E30—2005進(jìn)行，抗彎性能測試參照ASTM C1018方法進(jìn)行.抗彎測試加載裝置為SANS萬能試驗機(jī)，加載方式為三分點加載，試驗機(jī)加載速率為0.2 mm/min，采用荷載傳感器和千分表同步測量抗彎荷載和跨中撓度，并自動存儲在計算機(jī)中，測試原理圖見圖1.測試完成后采用韌性指數(shù)I5、I10、I20以及殘余強(qiáng)度系數(shù)R5,10與R10,20對各組試件的彎曲性能進(jìn)行評價[7- 8].其中，下標(biāo)表示初裂點撓度的倍數(shù).

圖1　四點彎拉試驗裝置示意圖(單位:cm)

2混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度

不同纖維摻量下的抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如圖2所示.根據(jù)圖2，本研究制備的各組混凝土抗壓強(qiáng)度均較高，并且混雜纖維混凝土的強(qiáng)度更高，纖維摻量變化對其有明顯影響.在CPP摻量固定的情況下，當(dāng)PE摻量由0.4%增大到0.6%時，混凝土G30、G34和G38的抗壓強(qiáng)度均隨之增大，而G42則隨之降低；當(dāng)PE摻量進(jìn)一步增大至0.8%時，G34的抗壓強(qiáng)度繼續(xù)增大而其他各組的抗壓強(qiáng)度均有一定程度的減小.在PE摻量固定的情況下，混凝土G30、G34和G38的抗壓強(qiáng)度均隨著CPP摻量的提高而增大，而G42反而略有減小.

圖2　纖維摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

Fig.2Influence of fiber contents on compressive strength of concrete

不同配比混凝土的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)波動的原因可以由纖維的增強(qiáng)作用和削減作用來解釋.纖維被粗集料阻隔，隨機(jī)分散在混凝土內(nèi)部，形成一種相互連接的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到加筋補(bǔ)強(qiáng)作用，減緩有害裂縫擴(kuò)展和分級，從而提高混凝土的強(qiáng)度，表現(xiàn)為增強(qiáng)作用.從另一方面來看，由于有機(jī)合成纖維的彈性模量仍小于剛性的混凝土基體，當(dāng)其分散在混凝土內(nèi)部時相當(dāng)于引入大量隨機(jī)分布的孔隙，當(dāng)試件受到外部荷載時容易引起內(nèi)部應(yīng)力集中，表現(xiàn)為削減作用.所以當(dāng)原材料配比合理時，纖維增強(qiáng)效應(yīng)充分發(fā)揮，抗壓強(qiáng)度得以提升，因此在CPP摻量固定的情況下，當(dāng)PE摻量由0.4%增大到0.6%時，混凝土G30、G34和G38的抗壓強(qiáng)度均隨之增大.當(dāng)粗集料用量較高時，纖維的分散性變差，此時纖維的負(fù)效應(yīng)對正效應(yīng)的抵消增強(qiáng)，尤其是對于CPP纖維來說，其引入的孔隙更大，削減作用更明顯.因此在PE摻量固定的情況下，除G42以外，混凝土G30、G34和G38的抗壓強(qiáng)度均隨著CPP摻量的提高而增大.

總體來講，在不同的粗集料用量以及纖維摻量下，纖維的增強(qiáng)作用始終高于其削減作用，所以各組配比下的混雜纖維混凝土抗壓強(qiáng)度普遍高于素混凝土，其總體提高幅度主要集中在15%~30%之間.

3混雜纖維混凝土的抗彎性能

3.1　測試結(jié)果與分析

各組配比下典型的荷載-撓度曲線測試結(jié)果見圖3，性能指標(biāo)結(jié)果匯總?cè)绫?所示.從圖3可以看出，在4種粗集料用量下，素混凝土均呈現(xiàn)為脆性破壞，而混雜纖維混凝土則表現(xiàn)出明顯的韌性特征，且其韌性基本隨纖維摻量的增大而增大，并且纖維摻量相同時各組混凝土對應(yīng)的荷載-撓度曲線變化規(guī)律比較接近.根據(jù)荷載-撓度曲線形狀與破壞特征可以將其劃分為脆性、變形急速軟化、變形緩慢軟化和變形硬化4種類型.

圖3典型荷載-撓度曲線測試結(jié)果

Fig.3Typical test results of load-deflection curves

4種素混凝土屬于脆性破壞，初裂以前荷載-撓度曲線呈線性增長的趨勢，裂縫一旦形成后荷載即達(dá)到峰值狀態(tài)，試件迅速破壞，荷載峰值有所波動；纖維摻量為0.4%+0.8%和0.4%+1.2%時屬于變形急速軟化破壞，在初裂前其變化規(guī)律與素混凝土相同，初裂出現(xiàn)以后承載力突然下降，達(dá)到初裂荷載的50%左右后保持小幅度的上下波動，同時撓度逐漸增大，能達(dá)到2 mm以上，呈現(xiàn)出較明顯的塑性；纖維摻量為0.6%+0.8%、0.6%+1.2%和0.8%+0.8%時屬于變形緩慢軟化破壞，其變化規(guī)律與變形急速軟化較接近，區(qū)別主要在于初裂后承載力下降幅度相對較小(約為初裂荷載的80%)，隨后承載力會有小幅度的增長，二次峰值不超過峰值荷載的90%，最后承載力下降,材料破壞；變形硬化破壞對應(yīng)的纖維摻量為0.8%+1.2%，其主要特征為在初裂后承載力會逐漸增大，雖然增幅有所差異，但均高于初裂荷載，在達(dá)到二次峰值后承載力才開始隨著撓度的增大而逐漸下降，最后試件破壞.

表2　彎曲性能測試結(jié)果

承載力保持系數(shù)約為50%；隨著纖維摻量增加，承載力保持系數(shù)均逐漸增大，當(dāng)纖維摻量增大到0.8%+1.2%時，混雜纖維增韌效果較為理想.此時，試件的承載能力在初裂后都會有所上升，最高達(dá)7.9 MPa，其對應(yīng)的撓度均超過1.0 mm，最大可達(dá)1.7 mm.同時，值得注意的是，對于G42來說，雖然隨著纖維摻量的增大其承載力保持系數(shù)逐步提高，但其初裂強(qiáng)度卻大幅降低，并且G42- 0.8- 1.2的極限承載能力比G42- 0- 0還低.分析其原因，主要是因為此時粗集料用量較高，隨著纖維摻量的增大而導(dǎo)致新拌混凝土的工作性能降低，影響纖維增強(qiáng)作用的發(fā)揮，從而導(dǎo)致混凝土彎曲性能受到影響.

根據(jù)ASTM C1018的規(guī)定，彎曲韌性指數(shù)和殘余強(qiáng)度系數(shù)越大，則材料的韌性越好，其在出現(xiàn)裂縫后承載力保持水平更高[7- 8].從表2可以看出，除了G42以外，在不同的粗集料用量下，混雜纖維混凝土的韌性指數(shù)與殘余強(qiáng)度系數(shù)隨纖維摻量的增大而呈增大趨勢，當(dāng)纖維摻量最大(0.8%+1.2%)時，材料的韌性指數(shù)與殘余強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到最大.與理想彈塑性材料相比，此時各組材料的I5、I10、I20、R5，10與R10，20均有較大幅度的提升，說明在此纖維摻量下混凝土具備較好的變形能力，彎曲韌性得到了極大改善，同時還具有較高的強(qiáng)度保持能力.對于G42來說，雖然此時纖維的分散會受到較大影響，但是當(dāng)纖維摻量達(dá)到最大時其韌性仍明顯高于理想彈塑性材料.

根據(jù)以上分析可以看出，文中所制備的CPP/PE混雜纖維增強(qiáng)混凝土表現(xiàn)出了優(yōu)異的彎曲韌性，可以從混凝土典型的復(fù)合多層次結(jié)構(gòu)特征來討論其增韌機(jī)理.從細(xì)觀尺度來看，微細(xì)纖維的加入能夠延緩微裂紋的起源和擴(kuò)展，使結(jié)構(gòu)受力更為均勻.同時，所采用的PE纖維惰性明顯，親水性很差，其與水泥基體的界面結(jié)合以摩擦粘結(jié)為主，化學(xué)粘結(jié)較薄弱[9]，故界面結(jié)合強(qiáng)度相對較低，這使PE纖維在基體開裂后傾向于從基體中拔出.圖4為混凝土試件加載后開裂處的局部破壞形貌，可以看到大量拔出破壞的PE纖維，其伸出長度在4 mm左右.在纖維拔出過程中可通過纖維滑移摩擦有效耗散破壞能量，并利用其橋聯(lián)作用繼續(xù)使裂縫兩端協(xié)同受力，在微裂紋緩慢擴(kuò)展的同時提供足夠的承載力，從而提高混凝土的變形能力.其次，從宏觀尺度來分析，CPP纖維較粗且較硬，直徑達(dá)0.8 mm，因此其分布和取向狀態(tài)受混凝土內(nèi)部粗集料的影響相對較小.根據(jù)纖維間距理論可計算得到[10- 12]，本研究采用的CPP纖維理論間距(13.08 mm)與集料的最大粒徑相當(dāng)，因此可以相對均勻地分散在混凝土基體中.隨著裂縫的擴(kuò)展，當(dāng)細(xì)纖維已被大量拔出而產(chǎn)生大裂縫時，由于CPP纖維的模量較低，其橋聯(lián)作用此時開始充分發(fā)揮，在拔出過程中耗散能量并傳遞荷載，從而在宏觀尺度上與細(xì)觀尺度的PE纖維實現(xiàn)協(xié)調(diào)增韌[13].由此可以看出，PE與CPP纖維在不同結(jié)構(gòu)層次上的協(xié)調(diào)互補(bǔ)是促使混凝土彎曲韌性大幅提升的重要原因.

圖4裂縫處纖維橋聯(lián)作用與破壞模式

Fig.4Fiber bridging effect and failure mode in cracks

3.2　雙因素方差分析

分析因素A、B的差異對試驗結(jié)果是否有顯著影響，即為檢驗如下假設(shè)是否成立：

H01∶α1=α2=…=αa=0

(1)

H02∶β1=β2=…=βb=0

(2)

式中，a、b分別為因素A、B的總水平個數(shù).

當(dāng)H01假設(shè)為真時，F(xiàn)A服從F分布，具體為

FA~F((a-1),(a-1)(b-1))

(3)

當(dāng)H02假設(shè)為真時，F(xiàn)B服從F分布，具體為

FB~F((b-1),(a-1)(b-1))

(4)

于是，對給定的檢驗水平r，當(dāng)FA>Fr((a-1),(a-1)(b-1))時，拒絕H01，即因素A的影響有統(tǒng)計意義；當(dāng)FB>Fr((b-1),(a-1)(b-1))時，拒絕H02，即B因素的影響有統(tǒng)計意義.

通過計算分析，將各因素的F值匯總于表3，各因素對韌性指標(biāo)的影響顯著程度見表4.結(jié)合表3和4的分析結(jié)果可以看出，對于因素A來說，各韌性指標(biāo)的F值均高于F0.01(5,15)；對于因素B來說，F(xiàn)B值要明顯小于FA值，僅I5的F值高于F0.05(5,15)，但其比F0.01(5,15)低.根據(jù)統(tǒng)計學(xué)判據(jù)可知，纖維摻量變化對混凝土的韌性特征影響非常顯著，而粗集料用量對混凝土韌性特征的影響則為顯著或不顯著，所以在進(jìn)行混雜纖維混凝土設(shè)計時，纖維摻量對混凝土韌性的影響更為明顯.

表3　雙因素方差計算結(jié)果

表4纖維摻量和粗集料用量對韌性指標(biāo)的影響

Table 4Influence of fiber content and coarse aggregate volume levels on toughness index

韌性指標(biāo)I5I10I20R5,10R10,20纖維摻量非常顯著非常顯著非常顯著非常顯著非常顯著粗集料用量顯著不顯著不顯著不顯著不顯著

4結(jié)論

文中將PE和CPP進(jìn)行纖維混雜，研究了其抗彎和抗壓性能，發(fā)現(xiàn)：在各粗集料用量下，混雜纖維混凝土抗壓強(qiáng)度普遍高于素混凝土，其總體提高幅度主要集中在15%~30%之間；摻入混雜纖維后各組混凝土的荷載-撓度曲線整體較為飽滿，多數(shù)曲線表現(xiàn)為變形緩慢軟化特征，部分出現(xiàn)變形硬化，彎曲韌性得以明顯改善.研究還發(fā)現(xiàn)，各組試件的斷裂特征隨纖維摻量和粗集料用量的變化而有所差異，對粗集料用量和纖維摻量進(jìn)行雙因素方差分析后發(fā)現(xiàn)，纖維摻量對混凝土韌性影響非常顯著，即纖維摻量對混凝土韌性性能的影響更為重要.究其機(jī)理認(rèn)為：在細(xì)觀結(jié)構(gòu)層次上，PE纖維能夠通過與基體的摩擦滑移耗散能量，抑制微細(xì)裂縫的擴(kuò)展；在宏觀結(jié)構(gòu)層次上，CPP纖維的低模量、高摩阻特征使得其橋聯(lián)阻裂作用在大裂縫出現(xiàn)后開始充分發(fā)揮，從而在宏觀尺度上實現(xiàn)與PE纖維的協(xié)調(diào)增韌，大幅提高混凝土的彎曲性能.

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Analysis of Mechanical Properties of Concrete Mixed

with Hybrid Synthetic Fiber

HuJian-rong1HeRui2LiYong-peng3

(1.Civil Engineering Design Academy of Chang’an University Co.,Ltd., Xi’an 710064, Shaanxi, China; 2. School of Materials

Science and Engineering∥Engineering Research Center of Transportation Materials of the Ministry of Education,Chang’an

University, Xi’an 710061, Shaanxi, China;3.Zhengzhou City Municipal Engineering Design and

Research Institute, Zhengzhou 450052, Henan, China)

Abstract:The hybrid fiber-reinforced concrete was prepared by using the polyethylene fiber(PE) of a high elastic modulus and the polypropylene synthetic fibers(CPP) of a low elastic modulus, and its flexural behaviors and compressive resistance were determined.Then, the significances of the factors influencing the flexural toughness were discussed through a two-factor variance analysis, and the toughening mechanism of the hybrid fiber was explored. The results show that(1) the compressive strength of hybrid fiber-reinforced concrete specimens with different coarse aggregate contents is generally higher than that of plain concrete, and the improvement ranges are mainly between 15%~30%;(2) the load-deflection curves of the concrete specimens with the hybrid fiber are relatively full; and, furthermore, most curves exhibit a slow deformation softening characteristic while some display a defor-mation hardening characteristic;(3) the fiber content has a significant effect on the toughness of the concrete, while the coarse aggregate dosage has a smaller one; and (4) the CPP/PE fiber can toughen the concrete from different hierarchies, which causes a positive hybrid effect, thus enabling the prepared hybrid fiber-reinforced concrete to possess excellent toughness.

Key words:hybrid fiber; concretes; mechanical properties; flexural toughness; two-factor variance analysis; fiber content

文章編號:1000- 565X(2015)10- 0023- 06

通信作者:? 曲昭偉(1962-)，男，博士，教授，主要從事交通控制與視頻檢測研究.E-mail: quzw@jlu.edu.cn

作者簡介:宋現(xiàn)敏(1978-)，女，博士，副教授，主要從事交通控制與交通組織方面的研究.E-mail: songxm@jlu.edu.cn

基金項目:*國家自然科學(xué)基金資助項目(51278220,51278520);吉林省科技廳重點項目(20130206093SF)

收稿日期:2014- 12- 02

中圖分類號：U 414;TU 528.57

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2015.10.003