纖維分布對(duì)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

摘 要：為研究準(zhǔn)靜態(tài)荷載下纖維分布對(duì)活性粉末混凝土（RPC）構(gòu)件力學(xué)性能的影響，對(duì)同一纖維摻量（2%）下不同纖維長(zhǎng)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(diǎn)受彎試驗(yàn)。通過選取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)，定量分析單向分布和亂向分布鋼纖維RPC的彎拉性能。結(jié)果表明：鋼纖維在主拉應(yīng)力方向上的方向系數(shù)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(yīng)力、彎曲韌性均大幅提高，且跨中撓度達(dá)到L/150時(shí)，殘余強(qiáng)度仍比初裂強(qiáng)度高4.35～16.9 MPa;纖維長(zhǎng)度由13 mm增加至20 mm時(shí)，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(zhǎng)徑比的優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)度大，斷口處橋接效應(yīng)顯著;綜合考慮單向鋼纖維RPC試件的等效彎曲應(yīng)力、耗能能力等指標(biāo)，在纖維摻量為2%、纖維長(zhǎng)度為20 mm時(shí)，其力學(xué)性能最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗蚍植间摾w維;活性粉末混凝土;纖維長(zhǎng)度;等效彎曲應(yīng)力;韌性

中圖分類號(hào)：TU528.58 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2022）05-0197-08

收稿日期：2020-08-31

基金項(xiàng)目：浙江省教育廳一般項(xiàng)目（Y201942336）

作者簡(jiǎn)介：李坤坤（1995- ），女，主要從事單向鋼纖維活性粉末混凝土力學(xué)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(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。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。Wille等對(duì)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(duì)比，發(fā)現(xiàn)異形鋼纖維對(duì)其抗拉強(qiáng)度和應(yīng)變能力提升效率更高。Yoo等研究表明，使用長(zhǎng)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(duì)于RPC而言，使用易于制造的長(zhǎng)直纖維是首選，但當(dāng)纖維長(zhǎng)徑比過大時(shí)，可能會(huì)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等和Kang等采用圖像分析技術(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。陳寧從理論上論證了應(yīng)用外加磁場(chǎng)方式制備定向型鋼纖維混凝土新型構(gòu)件的構(gòu)想。慕儒等通過磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)定向裝置制備了具有3種不同長(zhǎng)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(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(zhǎng)度對(duì)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/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(jù)前期試配試驗(yàn)，當(dāng)鋼纖維摻量為2%、長(zhǎng)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(zhǎng)度為20 mm（長(zhǎng)徑比為100）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

考慮纖維長(zhǎng)度和纖維分布對(duì)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(zhǎng)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(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(duì)其進(jìn)行編號(hào)，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(zhǎng)度的數(shù)字。例如，L13表示纖維長(zhǎng)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(tái)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(chǎng)。開啟振動(dòng)臺(tái)，此時(shí)拌合物處于流體狀態(tài)，鋼纖維在磁場(chǎng)作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，最終與磁場(chǎng)方向基本一致。依次關(guān)閉振動(dòng)臺(tái)和電磁場(chǎng)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(cè)的抗壓強(qiáng)度和彈性模量。

1.4 試驗(yàn)方法

按照ASTM C1609規(guī)范要求，采用MTS萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)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(cè)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。

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。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(tái)，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 C1609四點(diǎn)彎拉等效應(yīng)力計(jì)算方法，將初裂荷載值P代入式（1）中，得到的等效彎曲應(yīng)力定義為初裂強(qiáng)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(yàn)結(jié)果分析

將四點(diǎn)受彎實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過平均處理后，繪制出不同纖維長(zhǎng)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(zhǎng)度的增加而呈遞增趨勢(shì)。

文獻(xiàn)[5，19]指出，UHPC受彎試件的跨中撓度為L(zhǎng)/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(zhǎng)/150時(shí)，該試件處于大變形狀態(tài)，故取跨中撓度為L(zhǎng)/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)：d（跨中撓度為L(zhǎng)/1 200）、d（跨中撓度為L(zhǎng)/600）、d（跨中撓度為L(zhǎng)/240）、d（跨中撓度為L(zhǎng)/150）。其中，MOR為鋼纖維RPC裂后荷載峰值點(diǎn)，點(diǎn)d、d代表小變形狀態(tài)，點(diǎn)d、d分別代表中等變形和大變形狀態(tài)。將各特征點(diǎn)對(duì)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(duì)應(yīng)的荷載、應(yīng)力、撓度和韌性（如LOP）。

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(duì)比如圖7所示。

2.2.1 承載能力（等效彎曲強(qiáng)度）

纖維長(zhǎng)度對(duì)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(zhǎng)徑比由65變化至100時(shí)，其f大致相當(dāng)。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(duì)應(yīng)的δ_LOP只有0.013 mm，即纖維方向和長(zhǎng)度對(duì)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(zhǎng)度影響顯著，ASFRPC試件的纖維長(zhǎng)度從13 mm增加到20 mm時(shí)，其f增幅約49%，對(duì)應(yīng)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(jié)橫貫裂縫傳遞應(yīng)力，纖維長(zhǎng)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)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(zhǎng)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(qiáng)度的提高幅度隨纖維長(zhǎng)度的增加而增大。

圖9表示不同纖維方向與纖維長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度相比，纖維分布對(duì)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f與初裂強(qiáng)度f的比值較高，而SFRPC試件在大變形狀態(tài)下的f與f大致相當(dāng)或略低于初裂強(qiáng)度（纖維長(zhǎng)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f高于初裂強(qiáng)度4.35～16.9 MPa，依然保持一定的持荷能力?？傮w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。

2.2.2 韌性

圖10表示不同纖維分布與纖維長(zhǎng)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?？梢钥闯?，纖維分布和纖維長(zhǎng)度對(duì)試件峰值荷載后的韌性提高幅度較為顯著。在一定纖維長(zhǎng)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(duì)于纖維長(zhǎng)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(zhǎng)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。

3 結(jié)論

研究了纖維分布和纖維長(zhǎng)度對(duì)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(chǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)/150），前者的殘余彎曲應(yīng)力與初裂應(yīng)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(qiáng)度和相應(yīng)撓度與纖維分布及長(zhǎng)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(zhǎng)度的增加而呈遞增趨勢(shì)，與SFRPC試件相比，纖維長(zhǎng)度的變化對(duì)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(zhǎng)度的優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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。

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（編輯 黃廷）