定向鋼纖維活性粉末混凝土受彎及受剪力學(xué)性能試驗(yàn)研究

林一葦，楊克家，李坤坤

（1.溫州大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 溫州 325035；2.臺(tái)州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

0 引言

20世紀(jì)90年代，法國Bouygues公司研制出具有優(yōu)異力學(xué)性能和耐久性能的活性粉末混凝土（RPC）[1]，并逐漸被工程界關(guān)注，而摻入鋼纖維對(duì)處于不良環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)更具有應(yīng)用價(jià)值[2-4]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過改變纖維特征參數(shù)（如形狀、摻量、長度和方向），進(jìn)一步提高鋼纖維RPC力學(xué)性能和降低成本[5-16]。阮燕等[5]對(duì)比了鋼纖維混凝土和普通混凝土力學(xué)性能的差異，結(jié)果表明，混凝土的韌性、彈性模量及構(gòu)件變形能力均與鋼纖維摻量正相關(guān)。Yoo等[6-10]的研究發(fā)現(xiàn)，基體的抗彎承載力和耗能能力隨著纖維長度的增加而增加。但水泥漿體的和易性會(huì)由于纖維長徑比過大而變差，造成鋼纖維結(jié)團(tuán)，產(chǎn)生纖維球，從而擴(kuò)大基體內(nèi)部縫隙，導(dǎo)致力學(xué)性能下降。余睿等[11]研究了超高性能混凝土性能與鋼纖維摻量的關(guān)系，結(jié)果表明，鋼纖維摻量對(duì)超高性能混凝土性能的影響具有雙面性，為了提升整體性能和鋼纖維使用效率，必須合理設(shè)計(jì)鋼纖維摻量。

試驗(yàn)及施工過程中發(fā)現(xiàn)，鋼纖維的取向和分布對(duì)RPC構(gòu)件的力學(xué)性能，特別是抗拉性能和韌性具有顯著影響。當(dāng)鋼纖維分布不均勻且垂直于加載方向時(shí)，對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的提高程度幾乎為零。因此，探究鋼纖維的取向和分布對(duì)RPC力學(xué)性能的提高具有重要意義。Dupont等[12]和Wuest等[13]以立體測(cè)量學(xué)原理為基礎(chǔ)，采用建立模型計(jì)算的方式算出纖維在特定方向的方向系數(shù)小于0.5，有超過半數(shù)的纖維在特定方向上對(duì)基體沒有發(fā)揮增強(qiáng)作用。因此，如何提高纖維的方向系數(shù)，進(jìn)而提高纖維在基體中的增強(qiáng)效率、降低材料成本是一個(gè)亟待解決的問題。陳寧[14]提出了利用外加磁場(chǎng)定向鋼纖維的構(gòu)想。慕儒等[15-17]利用勻強(qiáng)磁場(chǎng)，制備了纖維方向效應(yīng)系數(shù)≥0.9的定向分布鋼纖維水泥基復(fù)合材料，相對(duì)于亂向分布試件，纖維定向后其彎曲抗拉強(qiáng)度提高1倍以上，而直剪強(qiáng)度、剪切模量和韌性的提高幅度也接近50%。

均勻電磁場(chǎng)是調(diào)整纖維分布方向的一種高效簡便的方法，而便于纖維轉(zhuǎn)動(dòng)的基體選擇也非常重要。RPC較普通混凝土組分粒徑小，材質(zhì)更為均勻，鋼纖維在其中轉(zhuǎn)動(dòng)阻力更小，結(jié)合其較好的力學(xué)性能，因而是一種較理想的基體材料。本文在固定鋼纖維體積摻量、改變纖維長度條件下，利用均勻電磁場(chǎng)制備定向分布鋼纖維RPC（Alinged Steel Fiber Reinforced RPC，ASFRPC）和亂向分布鋼纖維RPC（Steel Fiber Reinforced RPC，SFRPC）試件，開展了四點(diǎn)受彎試驗(yàn)和雙面直剪試驗(yàn)，并基于試驗(yàn)結(jié)果定量分析了纖維長度和纖維方向?qū)PC彎曲性能和剪切性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：海螺牌P·O42.5R水泥；硅灰：艾肯，SiO2含量94%；河砂：細(xì)度模數(shù)2.32；聚羧酸高效減水劑：北京慕湖，粉狀；水：自來水；鋼纖維：贛州大業(yè)鍍銅微絲鋼纖維，直徑0.2 mm，長度分別為13、16、20 mm，密度7.9 g/cm3，抗拉強(qiáng)度2900 MPa，彈性模量200 GPa。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

RPC配合比如表1所示。

表1 RPC配合比 kg/m3

考慮纖維長度和分布方向2種主要影響因素，按照CECS 13—2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，纖維體積摻量均為1.5%，纖維長度分別為13、16和20 mm。對(duì)應(yīng)各纖維長度分別制備6個(gè)SFRPC試件和6個(gè)ASFRPC試件，受彎和受剪試件各占1/2，另對(duì)直剪試驗(yàn)增加1組不含鋼纖維的試件。試件編號(hào)規(guī)則為纖維分布符號(hào)（D代表定向、L代表亂向）+纖維長度，如D20代表纖維長度為20 mm的ASFRPC試件。

1.3 ASFRPC的制備

圖1所示為ASFRPC的制備裝置。將水泥、硅灰和砂攪拌均勻后加溶有減水劑的水，再次攪拌均勻后，使用篩網(wǎng)均勻篩入鋼纖維；將均勻混合的RPC拌合物裝入試模，再將試模放入通電螺線圈內(nèi)；試件與線圈置于振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)約180 s即可確保其纖維方向效應(yīng)系數(shù)≥0.9（斷面人工計(jì)數(shù)）；試件放置24 h拆模，然后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d即可完成ASFRPC試件制備。表2為各配比試塊抗壓強(qiáng)度、彈性模量和峰值應(yīng)變。圖2所示為ASFRPC和SFRPC斷裂面處的鋼纖維分布。

表2 各配比試件的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和峰值應(yīng)變

圖1 定向鋼纖維RPC制備裝置

圖2 試件破壞斷裂面處的鋼纖維分布

1.4 試驗(yàn)方法

為控制剪切破壞截面位置并防止試件加載區(qū)域的局部壓壞。在受剪試件上下加載點(diǎn)處分別切割細(xì)縫（深2 mm、寬2 mm）。經(jīng)過改進(jìn)的雙面剪切試驗(yàn)裝置如圖3所示。采用500 t的電液伺服壓力機(jī)對(duì)試塊進(jìn)行加載，直剪試驗(yàn)采取力控制加載，加載速度設(shè)定為0.06 MPa/s。為消除加載設(shè)備與試件之間的間隙，需要將試件放入實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行預(yù)加載。預(yù)加載至15 kN時(shí)停止加載，然后卸載至0，循環(huán)3次。預(yù)加載完畢后，再進(jìn)行正式加載。

圖3 雙面直剪試驗(yàn)裝置

四點(diǎn)受彎試驗(yàn)采用200 t MTS萬能試驗(yàn)機(jī)加載，試驗(yàn)采用位移控制加載，加載速率為0.1 mm/min。試驗(yàn)裝置如圖4所示，跨中撓度通過試件跨中前后固定的2個(gè)位移計(jì)測(cè)量，荷載值通過試驗(yàn)機(jī)加載頭下方的荷載傳感器采集。

圖4 四點(diǎn)抗折試驗(yàn)裝置

2 剪切試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 剪切荷載-變形曲線（見圖5）

圖5 試件的實(shí)測(cè)剪切荷載-變形曲線

由圖5可知，各組試件的剪切荷載-變形曲線在試件開裂前均為線性。隨著荷載增大，開裂后曲線呈現(xiàn)非線性特征，但仍能一定程度保持增長趨勢(shì)，即開裂后的硬化，主要原因是試件剪切開裂后，鋼纖維的橋接作用抑制了裂縫的發(fā)展并提供了承載力，使剪切荷載維持上升趨勢(shì)。硬化階段后曲線進(jìn)入承載力下降段，試件逐漸破壞。

表3為試件的初始剪切強(qiáng)度fLOP、極限剪切強(qiáng)度fv、峰值荷載Fmax、峰值剪切變形Δp。

表3 試件的抗剪強(qiáng)度和峰值剪切變形參數(shù)

由表3可知，纖維長度為13、16、20 mm時(shí)，ASFRPC試件相較于SFRPC試件的極限剪切強(qiáng)度分別提高了25.74%、27.62%、33.13%；對(duì)應(yīng)的峰值剪切變形提高了33.96%、46.27%、35.96%；纖維長度為16、20 mm的ASFRPC試件極限剪切強(qiáng)度比纖維長度為13 mm的試件分別提高了25.70%、70.04%，對(duì)應(yīng)的峰值剪切變形分別提高了38.03%、70.42%。

當(dāng)纖維體積摻量固定為1.5%，纖維長度從13 mm增加到20 mm時(shí)，ASFRPC試件和SFRPC試件的初始剪切強(qiáng)度、極限剪切強(qiáng)度和峰值剪切變形均有顯著提高。對(duì)比RPC試件，摻入鋼纖維的試件，初始剪切強(qiáng)度、極限剪切強(qiáng)度和峰值剪切變形均有顯著提高。主要是由于基體開裂后試件的各條微裂縫都獨(dú)立擴(kuò)展，鋼纖維發(fā)揮了增強(qiáng)增韌作用。而ASFRPC試件剪切面上的鋼纖維數(shù)量較多，斷口處纖維分布均勻，橋接效應(yīng)顯著。

2.2 剪切韌性

表4為根據(jù)文獻(xiàn)[18]的剪切韌性評(píng)價(jià)方法獲得的各試件的等效殘余強(qiáng)度與殘余剪切韌度比。

表4 各試件不同受力階段的剪切韌性指標(biāo)

由表4可知，ASFRPC試件的等效初始剪切強(qiáng)度、峰值剪切應(yīng)變及初始剪切能量密度相比RPC試件和SFRPC試件都要高。這表明纖維方向顯著影響鋼纖維RPC的剪切性能，鋼纖維定向后可承受荷載和傳遞荷載的能力更強(qiáng)，基體開裂后，鋼纖維通過分散吸收荷載表現(xiàn)出更高的剪切韌性。

2.2.1 纖維長度對(duì)剪切韌性的影響

由表4可知，當(dāng)纖維長度由13 mm增至16 mm以及由16 mm增至20 mm時(shí)，ASFRPC試件的等效初始剪切強(qiáng)度分別提高33.90%、17.72%；峰值剪切應(yīng)變分別提高38.03%、23.47%；初始剪切能量密度分別提高85.03%、45.27%；等效殘余剪切強(qiáng)度fp，1.2、fp，1.5、fp，2.0分別提高了45.17%、73.12%；56.83%、33.03%；75.59%、16.19%。由此可知，ASFRPC試件的等效初始剪切強(qiáng)度、峰值剪切應(yīng)變及初始剪切能量密度均隨纖維長度的增加而增加，提高幅度隨纖維長度增加逐漸降低。等效殘余剪切強(qiáng)度fp，k沒有表現(xiàn)出類似的規(guī)律。

2.2.2 纖維方向?qū)羟许g性的影響

由表4可知，由于纖維分布的改變，試件的峰值剪切應(yīng)變、等效初始剪切強(qiáng)度、初始剪切能量密度提高較為顯著。纖維長度分別為13、16、20 mm時(shí)，ASFRPC試件的等效初始剪切強(qiáng)度比SFRPC試件分別提高了36.36%、41.07%、18.82%；對(duì)應(yīng)的峰值剪應(yīng)變分別提高了133.96%、46.27%、35.96%；初始剪切能量密度分別提高了82.56%、106.4%、61.53%。

3 彎曲試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試件破壞形態(tài)

圖6為部分ASFRPC和SFRPC構(gòu)件破壞形態(tài)。

圖6 受彎試件破壞形態(tài)

由圖6可知，所有試件在純彎段均有1條明顯裂縫，并且主裂縫附近幾乎沒有其他小裂縫。隨著荷載增大，ASFRPC試件發(fā)生開裂后，能看到裂縫之間的鋼纖維仍然連接裂縫兩邊基體，沒有被拔出，峰值荷載對(duì)應(yīng)的位移更大；SFRPC試件開裂后承載力出現(xiàn)波動(dòng)，主裂縫寬度約5 mm時(shí)肉眼可見部分纖維從基體中拔出，荷載下降較ASFRPC試件更快。2種纖維分布試件的裂縫發(fā)展規(guī)律類似，即主裂縫從底部向頂部發(fā)展，峰值后隨著纖維不斷被拔出，跨中撓度持續(xù)增大，基體呈現(xiàn)出軟化性能。

3.2 荷載-撓度曲線

ASFRPC和SFRPC試件荷載-撓度曲線與纖維長度的關(guān)系如圖7所示。

圖7 四點(diǎn)受彎荷載-跨中撓度曲線

由圖7可知，所有試件的四點(diǎn)受彎荷載-撓度曲線在加載初期均呈直線，后由于試件裂縫出現(xiàn)，曲線發(fā)生線性偏離，而承載力由于鋼纖維的橋接作用依然呈上升趨勢(shì)，當(dāng)達(dá)到峰值荷載時(shí)，荷載開始平緩下降。相同纖維分布試件的承載能力和峰值撓度隨纖維長度的增加而提高，且ASFRPC試件的相關(guān)性能均優(yōu)于SFRPC試件。

根據(jù)文獻(xiàn)[19]和CECS 13—2009，在圖7荷載-撓度曲線上取比例極限點(diǎn)（LOP）、極限強(qiáng)度點(diǎn)（MOR）以及跨中撓度分別為0.25、0.50、1.25、2.00 mm的共計(jì)6個(gè)點(diǎn)用于曲線對(duì)比及彎曲韌性計(jì)算。表5所示為以位移發(fā)展順序列出的曲線在各點(diǎn)處的荷載P、彎曲強(qiáng)度f、跨中撓度δ和彎曲韌性R。

表5 試件的彎曲性能參數(shù)平均值

3.3 韌性

由表5可見，在纖維分布相同，纖維長度為13~20 mm時(shí)，峰值荷載后的彎曲韌性隨纖維長度的增加有更顯著的提高；ASFRPC試件在峰值荷載后的彎曲韌性提高幅度比SFRPC更明顯，表現(xiàn)出更高的韌性，ASFRPC試件的峰值彎曲韌性比SFRPC試件高1.0~1.2倍。鋼纖維定向能更好地橋接裂縫，對(duì)混凝土具有良好的增韌效果。

3.4 承載能力（等效彎曲強(qiáng)度）

由表5可見，纖維方向和纖維長度對(duì)試件的初裂性能沒有顯著的影響，基體決定了試件的開裂應(yīng)力：當(dāng)纖維長度由13 mm增至20 mm時(shí)，ASFRPC試件和SFRPC試件的fLOP大致相同，所測(cè)試試件的fLOP和δLOP最大差值僅為2.11 MPa和0.005 mm。LOP點(diǎn)后，試件承載力的增幅隨纖維長度增加而增大，纖維長度從13 mm增至20 mm時(shí)，ASFRPC試件和SFRPC試件的fMOR在纖維長度為20 mm時(shí)的增幅達(dá)到最大，分別為202.5%和56.0%。主要原因是，RPC材料開裂時(shí)，摻入的鋼纖維在裂縫中間連接兩側(cè)基體，將應(yīng)力傳導(dǎo)至兩側(cè)未開裂的基體；纖維長度越大、纖維方向效應(yīng)系數(shù)越高，基體開裂后鋼纖維與基體之間的粘結(jié)應(yīng)力越大，從而試件開裂后承載力的提高程度就越大。

整體上，各點(diǎn)彎曲應(yīng)力隨著纖維長度的增加而提高。由于ASFRPC具有較高的纖維方向效應(yīng)系數(shù)，纖維定向增強(qiáng)效率更高，峰值后曲線撓度硬化特征更為顯著，因而其曲線特征點(diǎn)彎曲應(yīng)力均高于SFRPC試件。不同纖維長度ASFRPC試件的fMOR較SFRPC試件的提高幅度均大于100%，纖維長度為20 mm時(shí)提高幅度可達(dá)129.95%，纖維長度對(duì)彎曲應(yīng)力的提高幅度則相對(duì)小一些。SFRPC試件的等效彎曲強(qiáng)度fd2.00與初裂強(qiáng)度fLOP基本相同或略低于fLOP；而ASFRPC試件等效彎曲強(qiáng)度fd2.00比初裂強(qiáng)度fLOP高1.2~2.0倍。

4 結(jié)論

（1）鋼纖維方向?qū)RC的抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度有較大影響。相同纖維摻量，ASFPRC的彎曲強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度比SFPRC均有顯著提高。在纖維長度為13~20 mm的范圍內(nèi)，ASFRPC的峰值彎曲強(qiáng)度較SFRPC提高105.71%~129.95%；抗剪強(qiáng)度提高25.74%~33.13%。

（2）長徑比和纖維方向?qū)︿摾w維RPC試件的剪切峰值荷載和位移產(chǎn)生顯著的影響，其中定向鋼纖維RPC試件的抗剪性能優(yōu)于亂向鋼纖維RPC試件。

（3）ASFRPC試件的抗彎承載力明顯高于SFRPC試件。在纖維體積摻量1.5%、纖維長度為13~20 mm時(shí)，ASFPRC試件的承載力比SFRPC試件提高46.06%~118.68%；ASFRPC的韌性指數(shù)均遠(yuǎn)高于SFRPC，鋼纖維長徑比越高，提高幅度越大。

（4）基于對(duì)鋼纖維體積摻量1.5%試件的受彎和受剪性能分析和對(duì)比，在本試驗(yàn)研究的纖維長度范圍內(nèi)，采用20 mm長纖維的ASFRPC試件的受彎和受剪力學(xué)性能較其他工況試件更好。