纖維對(duì)水工混凝土力學(xué)性能的影響研究

譚 成

(遼寧江河水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

鋼纖維水工混凝土是一種應(yīng)用前景非常廣闊的新型復(fù)合材料，一出現(xiàn)就成為了學(xué)術(shù)界與工程界的關(guān)注焦點(diǎn)。工程實(shí)踐表明，鋼纖維能夠改善混凝土性能，相較于普通混凝土表現(xiàn)出許多優(yōu)點(diǎn)，如化學(xué)與物理耐久性較好、徐變和抗收縮性?xún)?yōu)異以及強(qiáng)度-重量的比值大幅增加等[1]。目前，工程實(shí)踐中應(yīng)用最廣泛的纖維有聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維和鋼纖維等。鄧宗才等[2]將聚乙烯醇纖維摻入混凝土內(nèi)，并利用三分點(diǎn)加載法探討其抗彎韌性，結(jié)果顯示兩種纖維混摻表現(xiàn)出較好的協(xié)同效應(yīng)，可以明顯改善梁的抗彎韌性；李正等[3]分析了鋼-聚丙烯纖維的協(xié)同影響作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼纖維、聚丙烯纖維和兩者的混摻比例均會(huì)影響混凝土力學(xué)性能，摻0.3%聚丙烯纖維和3%鋼纖維時(shí)的增強(qiáng)效果最明顯；王軍等[4]利用SEM掃描電鏡和力學(xué)試驗(yàn)研究鋼纖維混凝土，結(jié)果表明鋼纖維的加入可在一定程度上增強(qiáng)劈裂抗拉和抗壓強(qiáng)度，摻量過(guò)高反而會(huì)降低其力學(xué)性能與整體性。徐巍巍等[5]采用單軸受壓試驗(yàn)研究了鋼纖維的體積率、試件的尺寸和形態(tài)效應(yīng)對(duì)纖維混凝土彈性模量、破壞形態(tài)以及抗壓性能的影響；劉艷杰等[6]通過(guò)研究鋼纖維試件的破壞機(jī)理及形態(tài)，揭示了混凝土強(qiáng)度受鋼纖維摻量的影響規(guī)律，為充分利用鋼纖維的增強(qiáng)作用確定最優(yōu)摻入率。然而，針對(duì)纖維混凝土抗折和抗壓強(qiáng)度等代表性力學(xué)參數(shù)的測(cè)定還未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)上述研究成果，本文利用四點(diǎn)抗折的靜力學(xué)試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)試塊的單軸抗壓試驗(yàn)，探討分析纖維水工混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及其破壞形態(tài)。

1 配合比設(shè)計(jì)

加入纖維可以有效改善水工混凝土的韌性、延性、整體性及其強(qiáng)度，本研究選用鋼纖維和聚乙烯纖維兩種材料，控制體積摻率為2%，纖維參數(shù)如表1，使用纖維混凝土材料制備試驗(yàn)所用試件。

表1 纖維參數(shù)

本試驗(yàn)所用原材料主要有纖維、納米SiO2、石英粉、納米CaCO3、水泥、粗砂、中砂、細(xì)砂、粉煤灰和減水劑，結(jié)合前期試驗(yàn)設(shè)計(jì)及有關(guān)資料提供的內(nèi)容，合理計(jì)算混凝土配合比，以揭示水工混凝土力學(xué)性能受纖維以及納米材料的影響作用，如表2。

表2 配合比設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)方法

2.1 抗壓試驗(yàn)

水工混凝土抗壓強(qiáng)度利用單軸受壓法進(jìn)行測(cè)試，采用100 mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)鑄鐵模具將拌合物制作成型，混合料機(jī)械攪拌流程具體如下：(1)參照設(shè)計(jì)配合比提前準(zhǔn)備好所需原材料，然后將石英粉、粉煤灰、納米鈣和砂子加入攪拌機(jī)，攪拌5min至原材料均勻混合；(2)加入防凍水、減水劑以及總用水量70%的水；(3)均勻拌和后再倒入硅灰與水泥，并將另外30%的水加入；(4)在攪拌機(jī)持續(xù)工作的情況下，待攪拌機(jī)攪拌均勻后緩慢持續(xù)的加入鋼纖維，然后再攪拌5 min直至纖維充分混合；(5)從攪拌機(jī)中倒出拌合物，并裝入預(yù)先備好的模具，編號(hào)標(biāo)記。

入模后表面覆蓋薄膜，先灑水養(yǎng)護(hù)24 h，再移入90℃熱水浴養(yǎng)護(hù)48 h，完成以上處理后取出自然養(yǎng)護(hù)28 d，采用YAW-2000型微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)照組為未摻任何纖維組，主要測(cè)試步驟如下：(1)在試驗(yàn)機(jī)下固定端安置混凝土試件，調(diào)整上加載端使其靠近試件但不接觸；(2)安裝位移傳感器，控制電腦使試件與加載端接觸，調(diào)整初始值0；(3)點(diǎn)擊啟動(dòng)，逐級(jí)加載直至試件被完全破壞。通過(guò)多次調(diào)整和試驗(yàn)最終確定以下加載方式：采用力控制的方法作為開(kāi)始階段的加載方式，按照2 kN/s的增加速率將力加載至50 kN，為保證加載端與試驗(yàn)試塊完全接觸維持20 s；然后利用位移控制的方式加載到1 400 kN，加載端位移速率為0.4 mm/min，維持20 s；最后，調(diào)整加載速率至0.2 mm/min，當(dāng)剩余強(qiáng)度接近試塊破壞峰值的40%時(shí)試驗(yàn)停止，并準(zhǔn)確紀(jì)錄相關(guān)數(shù)據(jù)。為確定試塊的應(yīng)力曲線需要測(cè)定其豎向位移，應(yīng)將2個(gè)位移計(jì)對(duì)稱(chēng)安裝在壓力計(jì)的上壓頭處，以此測(cè)定受力方向上混凝土試件的變形和試驗(yàn)力-位移曲線。

2.2 抗折試驗(yàn)

參照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)要求，采用400 mm×100 mm×100 mm的混凝土試塊和YAW-2000型電液伺服壓力微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)測(cè)定抗折強(qiáng)度，試塊的澆筑、成型和養(yǎng)護(hù)方式與抗壓試驗(yàn)相同。將細(xì)鋼條先粘在試件上，然后與位移計(jì)連接，啟動(dòng)測(cè)試并導(dǎo)出中部變形數(shù)據(jù)，由于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)未明確抗折強(qiáng)度加載流程，通過(guò)多次調(diào)整和試驗(yàn)最終確定以下加載方式：整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程實(shí)行位移控制的加載方式，連續(xù)均勻加載速率0.2 mm/s，在滿足安全防護(hù)要求的情況下人工觀察試塊的破壞過(guò)程，并準(zhǔn)確記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 抗壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)比試件抗壓破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn)，未摻纖維的素混凝土試塊發(fā)生X交叉型剪切破壞，抗壓試驗(yàn)表現(xiàn)出典型的環(huán)箍效應(yīng)，隨著不斷加載混凝土碎片逐漸迸出，達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)突然破壞，失去整體性，最后只有殘留芯部，該混凝土材料屬于脆性破壞[7-8]。摻聚丙烯纖維混凝土試件先在邊緣處出現(xiàn)裂縫，持續(xù)加載裂縫開(kāi)始變寬，進(jìn)一步發(fā)展形成貫穿裂縫；而摻鋼纖維混凝土表面產(chǎn)生多條微裂縫，隨著不斷加載出現(xiàn)多道裂紋，混凝土產(chǎn)生脫皮現(xiàn)象，纖維被拔出，該過(guò)程可以聽(tīng)到嗤嗤響聲，加載到峰值強(qiáng)度后微裂縫貫通，進(jìn)一步發(fā)展成大裂縫，承壓截面面積增加使試塊向外鼓脹，宏觀上表現(xiàn)為裂而不散的情況，纖維混凝土具有較好的完整性，該材料屬于塑性破壞。

通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，摻鋼纖維混凝土具有較多的裂紋數(shù)量，微裂縫發(fā)展相對(duì)飽滿均勻，纖維對(duì)基體延性的增強(qiáng)效應(yīng)充分發(fā)揮；摻聚丙烯纖維混凝土少有碎片剝落，受壓微裂縫數(shù)量較少，混凝土開(kāi)裂后微裂紋擴(kuò)展貫通，形成幾條主裂縫致使試件發(fā)生破壞，相較于鋼纖維其整體性較差。設(shè)F、A代表試塊的破壞荷載(N)和承壓面積(mm2)，利用下式計(jì)算混凝土抗壓強(qiáng)度f(wàn)cc，即：

(1)

應(yīng)力-應(yīng)變曲線檢測(cè)結(jié)果顯示摻聚乙烯纖維、鋼纖維和未摻纖維素混凝土的抗壓強(qiáng)度依次為88 MPa、110 MPa、51 MPa。因此，纖維的摻入可以明顯提高水工混凝土抗壓強(qiáng)度，其中摻鋼纖維、聚乙烯纖維相較于素混凝土的抗壓強(qiáng)度增加2.16倍和1.72倍，并且鋼纖維的增強(qiáng)作用優(yōu)于聚乙烯纖維，這是因?yàn)閾饺氲匿摾w維能夠約束混凝土橫向變形，使得混凝土彈性模量明顯提升。另外，纖維的加入可以提高基體與纖維之間的界面強(qiáng)度及其黏結(jié)力，薄弱層減少，改變基體的變形能力和破壞形態(tài)。從作用機(jī)理上，首先在界面區(qū)發(fā)生破壞形成裂縫，纖維逐漸發(fā)揮橋架作用效應(yīng)，在受壓過(guò)程中很難將纖維拔出，從而使得纖維對(duì)基體的增韌和增強(qiáng)效果得以充分發(fā)揮[8]。

3.2 抗折試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)比試件抗折破壞形態(tài)可知，在施加荷載達(dá)到峰值前，對(duì)照組的素混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件表面發(fā)現(xiàn)少數(shù)微裂縫，整體形態(tài)變化不明顯，達(dá)到峰值后無(wú)任何征兆就發(fā)生瞬間斷裂破壞，試件折成兩半失去完整性，大斷裂面貫穿試件的破壞面，該混凝土材料屬脆性破壞。隨著荷載的增加摻鋼纖維混凝土試件中的纖維逐漸被拔出，該過(guò)程可以聽(tīng)到拉拔聲音，并進(jìn)一步發(fā)展成多條微裂紋，荷載達(dá)到峰值后出現(xiàn)1條主裂縫，裂縫不斷變寬延伸，薄弱面發(fā)展成破壞面，結(jié)構(gòu)完全失效，但該過(guò)程出現(xiàn)的許多微裂縫在一定程度上提供了斷裂緩沖時(shí)間[9]。加載斷裂過(guò)程中，摻聚乙烯纖維混凝土試件有許多微裂縫圍繞在主斷裂面周?chē)?，支座處甚至也分布有微裂紋，這些微裂紋使得構(gòu)件的延性和能耗能力明顯增強(qiáng)，有利于推遲構(gòu)件的失效過(guò)程，改善結(jié)構(gòu)整體康能能力，纖維對(duì)基體延性的改善作用充分發(fā)揮，混凝土韌性和整體性較好。

設(shè)F、l代表試塊的最大破壞荷載和制作間的跨度(mm)，b、h代表試塊的界面寬度(mm)和高度，本試驗(yàn)l取300 mm，b、h相等均取100 mm，采用下式計(jì)算混凝土抗折強(qiáng)度f(wàn)t，即：

(2)

荷載-位移曲線檢測(cè)結(jié)果表明摻鋼纖維、聚乙烯纖維和未摻纖維素混凝土的極限荷載依次為42 kN、22 kN、14 kN，采用上式計(jì)算抗折強(qiáng)度依次為12.6 MPa、6.6 MPa、4.2 MPa，，其中摻鋼纖維、聚乙烯纖維相較于素混凝土的抗折強(qiáng)度增加3.00倍和1.57倍。因此，鋼纖維對(duì)提高混凝土抗折強(qiáng)度更加明顯，鋼纖維的存在使得裂縫處骨料與鋼纖維之間的黏結(jié)力明顯增加，對(duì)裂縫的發(fā)展起到有效的抑制作用，從而增強(qiáng)了混凝土的韌性和抗裂能力，混凝土可以承受的最大拉力也明顯提高。從界面力學(xué)上，可將產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因歸結(jié)于水工混凝土基體的界面黏結(jié)強(qiáng)度較低，纖維的摻入可以隨機(jī)分布在基體內(nèi)，在一定程度上改善其與基體的接觸面，兩者的相互搭接形成新的化學(xué)黏著力，在承受荷載時(shí)這種黏結(jié)作用發(fā)揮橋架效應(yīng)，為有效傳遞界面應(yīng)力提供了可靠保證，并對(duì)基體內(nèi)部的微裂縫發(fā)展產(chǎn)生約束，增強(qiáng)混凝土的抗折強(qiáng)度[10-12]。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)纖維的摻入可以明顯提高水工混凝土抗壓強(qiáng)度，其中摻鋼纖維、聚乙烯纖維相較于素混凝土的抗壓強(qiáng)度增加2.16倍和1.72倍，并且鋼纖維的增強(qiáng)作用優(yōu)于聚乙烯纖維，這是因?yàn)閾饺氲匿摾w維能夠約束混凝土橫向變形，使得混凝土彈性模量明顯提升。

(2)摻鋼纖維、聚乙烯纖維相較于素混凝土的抗折強(qiáng)度增加3.00倍和1.57倍，鋼纖維對(duì)提高水工混凝土抗折強(qiáng)度更加明顯。鋼纖維的存在使得裂縫處骨料與鋼纖維之間的黏結(jié)力明顯增加，對(duì)裂縫的發(fā)展起到有效的抑制作用，從而增強(qiáng)了混凝土的韌性和抗裂能力，混凝土可以承受的最大拉力也明顯提高。