纤维活性粉末混凝土的抗弯韧性研究

　　活性粉末混凝土在配制过程中剔除粗骨料,合理选用颗粒级配,采用最大密实度堆积原理,使得基体致密具有较高的强度及耐久性[1,2].与普通混凝土、普通高性能混凝土相比,活性粉末混凝土在强度和耐久性方面都表现出优异的性能,目前已在桥梁工程[3]、铁路工程[4]、市政工程[5]等领域得到应用.由于活性粉末混凝土仍具有脆性,同时水胶比较低容易开裂,因此需要掺加纤维提高其韧性及抗裂性能.钢纤维是目前配制活性粉末混凝土最常用的抗裂增韧材料[6,7],由于钢纤维弹性模量较高还能提高活性粉末混凝土的强度[8],目前工程中应用的活性粉末混凝土也多为钢纤维活性粉末混凝土.

　　粗合成纤维(直径大于 0.1mm)是一种新型的增强增韧材料[9],与钢纤维相比,具有轻质、耐腐蚀、易分散的特点,同时能提高混凝土的抗裂性、抗冲击性、抗弯韧性和抗疲劳性能[10],掺入活性粉末混凝土中可以提高试件的延性[11].粗合成纤维为低弹性模量纤维,在混凝土开裂后能够起到较强的增韧效果,同时粗合成纤维为有机纤维,可提高混凝土的耐高温性能.弯曲和变形性能是混凝土受弯构件设计的重要参数指标,是反映纤维增韧效果的有效方法.为对比分析不同模量纤维的增韧效果,本文采用四点弯曲试验对低模量粗合成纤维和高模量钢纤维掺入后活性粉末混凝土抗弯韧性进行研究,为纤维活性粉末混凝土的应用提供参考.

　　1 试验

　　1.1 试件

　　活性粉末混凝土抗弯韧性试验选用 100mm×100mm×400mm 的棱柱体试件,试验共 9 组,每组 3 个试件.试验中主要的考虑参数为纤维类型(钢纤维、粗合成纤维)及纤维体积掺量 Vf(两种纤维均选用 0%,0.5%,1.0%,1.5%,2.0%五个掺量).其中粗合成纤维采用聚丙烯粗纤维,两种纤维的物理性能指标列于表 1.

　　

　　试验中制备活性粉末混凝土所用原材料有:PO42.5 普通硅酸盐水泥,硅粉,石英砂,纤维,高效减水剂和水,试验配合比及试件编号列于表 2.试件采用振动成型,制备过程中首先将纤维与石英砂搅拌均匀,然后放入胶凝材料搅拌 2min 后加入减水剂和水,搅拌 5min 后装模.试件成型后 24h 拆模,随后在 75℃高温蒸汽中养护 72h 后移入标准养护室养护至 28d 后进行试验.试件成型过程中同时制备边长 100mm 的立方体试件进行抗压强度试验.

　　

　　1.2 试验方法

　　试验在 WAW-300 微控液压智能试验机上进行,加载速率为 0.1mm/s.试验中用 10t 的荷载传感器量测试验荷载,同时在跨中位置设置位移传感器量测试件跨中挠度.位移传感器及荷载传感器通过测试系统与计算机连接,实时采集试验荷载及挠度,试验装置如图 1 所示.

　　

　　2 试验结果

　　2.1 分析方法

　　对于低弹性模量纤维,剩余强度能够更好的反映混凝土开裂后纤维的增韧效果[12].试验中选用的粗合成纤维属低弹性模量纤维,因此本文采用我国《钢纤维混凝土试验方法》(CECS13:89)确定抗弯试件初裂强度及韧性指标 I5、I10、I30,同时采用 ASTM-C1399-98 建议的剩余强度及相对剩余强度来考查钢纤维及粗合成纤维对活性粉末混凝土的增韧效果.剩余强度及相对剩余强度可用以下公式计算:

　　

　　式中:

　　ARS 为剩余强度,IRS 为相对剩余强度,fc,mf 为抗弯强度(即极限荷载对应的强度值),0.5P 、0.75P 、1.0P 、1.25P 分别为挠度值 0.50mm、0.75mm、1.00mm、1.25mm 时对应的荷载;l 、b 、 h 分别为支座间距、抗弯试件宽和高,本文中l 、b、h分别为 300mm、100mm 和 100mm。

    2.2 试验结果

　　根据荷载传感器及位移传感器采集到的试验荷载及试件跨中挠度,绘制不同纤维类型及掺量时活性粉末混凝土抗弯试验的荷载-挠度曲线,如图 2 所示.表 3 为根据钢纤维混凝土试验方法》(CECS13:89)及公式(1)、(2)计算得到的本次试验中不同纤维类型及掺量下活性粉末混凝土抗弯试验结果.

　　

　　3 分析与讨论

　　3.1 荷载-挠度曲线

　　从图 2 中可以看出,钢纤维和粗合成纤维掺入后活性粉末混凝土抗弯试件的荷载-挠度曲线与不掺纤维试件曲线完全不同.抗弯试件在加载过程中底部受拉,当拉应力大于活性粉末混凝土的抗拉强度时,裂缝出现,荷载达到峰值.不掺纤维的试件表现出明显的脆性,裂缝出现后试件随即断裂,因此未得到荷载-挠度曲线的下降段.钢纤维和粗合成纤维掺入后,由于纤维的桥接作用能够控制能量的释放速率,使试件在裂缝出现后保持持荷能力,达到极限荷载后,荷载随挠度值的增加缓慢下降,出现较长的下降段.

　　两种纤维掺入后抗弯试件的荷载-挠度曲线又有所不同.钢纤维试件的荷载-挠度曲线为单峰,达到极限荷载前,荷载随挠度值的增大而增大,基体开裂后,荷载随挠度值的增大逐渐下降.粗合成纤维试件的荷载-挠度曲线出现二次强化现象,有两个峰值.第一个峰值荷载同钢纤维试件一样为混凝土抗弯试件典型的峰值荷载,在裂缝出现前;裂缝出现后试件破坏,荷载降低,由于纤维的桥接作用,荷载又重新上升,出现第二个峰值.

　　纤维掺入后活性粉末混凝土试件的荷载-挠度曲线能够保持较长下降段的主要原因是由于裂缝出现后纤维的桥接作用,使得试件的破坏形式由脆性破坏转变成延性破坏,相应的荷载-挠度曲线出现稳定的下降段.钢纤维和粗合成纤维试件荷载-挠度曲线的差异主要是由于纤维自身特性不同,钢纤维弹性模量较大(210GPa),在变形较小或裂缝刚出现时就开始起到有效的桥接作用,而粗合成纤维弹性模量较小(7.1GPa),需要较大的变形或裂缝出现后纤维才能起作用[13].因此,粗合成纤维试件在达到极限荷载后,荷载恢复较晚,出现了双峰现象.

　　3.2 弯曲强度

　　图 3 是根据表 3 绘制的不同纤维类型活性粉末混凝土抗弯试件初裂强度及抗弯强度随纤维掺量变化曲线.　

　　从图 3 中可以看出,随钢纤维掺量的增加,活性粉末混凝土试件的初裂强度约呈线性增长.钢纤维掺量由 0%增加到 2.0%时,初裂强度由 8.73MPa 增加到 17.26MPa,抗弯强度由 9.94MPa 增加到 20.39MPa,都约增长一倍.粗合成纤维的掺入对初裂强度及抗弯强度基本无影响,初裂强度都集中在 8.6MPa 左右,抗弯强度都约为 10MPa,随纤维掺量变化不大.从表 3 中还可以看出,活性粉末混凝土的抗压强度随钢纤维掺量的增加而增大,而粗合成纤维掺入后活性粉末混凝土的抗压强度略有降低.由此可见,钢纤维掺入活性粉末混凝土基体中可起到明显的增强作用,而粗合成纤维无增强作用.

　　3.3 弯曲韧性指数

　　图 4 是根据表 3 绘制的钢纤维和粗合成纤维掺量为 0.5%~2.0%时活性粉末混凝土抗弯试件韧性指数随纤维掺量变化曲线.

　　

　　从图 4 及表 3 可以看出,钢纤维和粗合成纤维试件在纤维掺量为 0.5%~2.0%时,韧性指数 I5均维持在 5~6 之间,随纤维掺量增加无明显变化.钢纤维掺入后对韧性指数 I10也无明显影响,而韧性指数 I30随钢纤维掺量的增加而增大,纤维掺量由 0.5%增加到 2.0%时,I30增加了 52.75%.粗合成纤维掺量由 0.5%增加到 2.0%时,I30由 11.97 增加到 17.89,增加了 50.13%,与钢纤维持平.对于韧性指数 I10,粗合成纤维掺量由 0.5%增加到 1.0%时, I10增大一倍,纤维掺量由 1.0%增加到 2.0%时,I10变化趋势减缓,仅增加 7.5%.

　　从表 3 中数据还可以看出,钢纤维试件的相对剩余强度都在抗弯强度的 90%以上,说明钢纤维对开裂后的活性粉末混凝土也具有极强的增韧作用.对于粗合成纤维试件,当纤维掺量为 0.5%时,根据对破坏试件的统计,抗弯试件开裂断面上的纤维数量仅为 20 根左右,不能起到很好的增韧效果,相对剩余强度仅为 30%左右.而粗合成纤维掺量为 1.0%~2.0%时,粗合成纤维试件的相对剩余强度都在 85%以上,同时粗合成纤维由于弹性模量较小,在拔出前会发生极大变形,因此即使开裂基体变形值(挠度)很大也不破坏,从而大大提高混凝土的断裂韧性,达到增韧的目的.

　　以上分析可见,粗合成纤维具有明显的增韧效果,但与钢纤维相比,粗合成纤维不能起到增强作用,同时增韧效果也略低于钢纤维.图 5 是钢纤维和粗合成纤维掺量均为 1.5%时抗弯试件破坏后的断面图.从图中可以看出,两种纤维掺入后,抗弯试件均发生纤维拔出破坏.当纤维体积掺量相同时,由于粗合成纤维直径和长度都大于钢纤维,因此基体内钢纤维的整体数量要远大于粗合成纤维,相应地单位面积内纤维数量也远大于粗合成纤维.试件出现裂缝后纤维开始发挥桥接作用逐渐被拔出,在拔出过程吸收能量从而起到增韧效果[14].纤维吸收能量的大小同纤维与基体间的黏结强度有关.相同体积掺量下,试件开裂断面上钢纤维的数量大于粗合成纤维,相应地钢纤维在拔出过程中消耗的能量也会略大于粗合成纤维,因此钢纤维的增韧效果优于粗合成纤维.同时,由于钢纤维弹性模量较大,能够阻止裂缝的出现和发展,而粗合成纤维弹性模量较小,在裂缝出现前不能有效阻止裂缝的出现,但裂缝出现后能够阻止裂缝的发展,因此粗合成纤维不能起到增强作用,仅能在裂缝出现后起到增韧作用.

　　

　　4 结论

　　通过四点弯曲试验对钢纤维和粗合成纤维掺入后活性粉末混凝土的抗弯韧性进行了研究,主要结论如下:

　　(1) 钢纤维和粗合成纤维掺入后能够改变抗弯试件的破坏形式,使试件由一裂就断的脆性破坏转变成裂缝逐渐发展的延性破坏;(2) 钢纤维和粗合成纤维掺入后活性粉末混凝土抗弯试件的荷载-挠度曲线都有稳定的下降段,但钢纤维试件的荷载-挠度曲线仅有一个峰值,而粗合成纤维试件的荷载-挠度曲线有两个峰值,出现了二次强化现象,此现象与两种纤维本身的特性有关;(3) 钢纤维具有增强作用,掺入到活性粉末混凝土后能够提高试件的抗压强度、初裂强度及抗弯强度,而粗合成纤维无增强作用,钢纤维和粗合成纤维都具有明显的增韧效果,相同体积掺量下钢纤维的增韧效果优于粗合成纤维;(4) 除粗合成纤维掺量为 0.5%的试件外,本试验范围内,钢纤维和粗合成纤维活性粉末混凝土抗弯试件的剩余强度值都在抗弯强度的 85%以上,说明粗合成纤维和钢纤维掺入后能够在基体开裂后起到桥接作用,在纤维由基体拔出过程中吸收能量起到增韧效果.

　　参考文献

　　[1] Pierre Richard, Marcel Cheyrezy.Composition of Reactive Powder Concretes [J]. Cement and Concrete Research, 1995, 25(7):1501-1511.

　　[2] Ehab Shaheen and Nigel Shrive. Optimization of mechanical properties and durability of reactive powder concrete[J]. ACIMaterials Journal, 2006, 103(6): 444-451.

　　[3] A tcin Pierre-Claude, Lachemi Mohamed,Adeline Régis,Richard Pierre. The Sherbrooke Reactive Powder Concrete Footbridge[J]. Structural Engineering International, 1998, 8 (2): 140-144.

　　[4] AN Mingzhe, JI Wenyu,ZHONG Tieyi,JIA Fangfang. Application of UHPC in Railway Construction[A]. 2011 InternationalWorkshop on Sustainable and Science-Driven Engineering of Cement-based Materials [C]. 2011, Beijing, China: 141-148.

　　[5] 唐玉斌, 朱立, 李昊. 活性粉末混凝土在地铁声屏障结构单元板中的应用[J]. 混凝土, 2010(3): 139-141.

　　[6] 鞠杨, 贾玉丹, 刘红彬, 陈健. 活性粉末混凝土钢纤维增强增韧的细观机理[J]. 中国科学, E 辑: 技术科学, 2007, 37(11):1403-1416.

　　[7] Tao Ji, Cai-Yi Chen, Yi-Zhou Zhuang. Evaluation method for cracking resistant behavior of reactive powder concrete [J].Construction and Building Materials, 2012, 28(1): 45-49.

　　[8] 单波, 杨吴生, 黄政宇. 钢纤维对 RPC 抗压强度增强作用的研究[J]. 湘潭大学自然科学学报, 2002, 24(1): 109-112.

　　[9] 邓宗才. 高性能合成纤维混凝土[M]. 科学出版社, 2002.

　　[10] 常洪雷, 金祖权, 任鹏程.有机仿钢纤维增强混凝土断裂韧性及抗裂性能研究[J]. 混凝土, 2013, (2): 46-49.

　　[11] 曹小霞, 郑居焕. 钢纤维和聚丙烯粗纤维对活性粉末混凝土强度和延性的影响[J]. 安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2011, 19(2): 58-61.

　　[12] 戴建国, 宋玉普. 低弹性模量纤维混凝土剩余弯曲强度的力学意义[J]. 混凝土与水泥制品, 1999(1): 35-38.

　　[13] Piti Sukontasukkul.Toughness Evaluation of steel and polypropylene fiber reinforced concrete beams under bending[J].Thammasat Int,J,Sc.Tech., 2004, 9(3): 35-41

　　[14] 赖建中, 孙伟, 董贺祥. 粗合成纤维混凝土力学性能及纤维-混凝土界面粘结行为研究[J]. 工业建筑, 2006, 36(11): 94-97.