張曉燕，李長永，袁 浩，潘麗云

（華北水利水電學(xué)院河南省水工結(jié)構(gòu)與材料工程重點學(xué)科開放實驗室，河南 鄭州 450011）

結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土具有高強、輕質(zhì)、抗震、抗裂和耐久性能好等優(yōu)點，由于影響輕骨料混凝土力學(xué)性能的因素較多，我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)輕骨料混凝土密度等級的合理范圍較大[1]。本文在前期開展的全輕混凝土和鋼纖維增強全輕混凝土基本力學(xué)性能及混合纖維增強全輕混凝土早齡期抗裂性能研究的基礎(chǔ)上[2-5]，針對纖維增強全輕混凝土在橋面鋪裝層、堆石壩面板和其他較大彎曲變形結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，重點研究鋼纖維和聚丙烯纖維混合對全輕混凝土彎曲韌性的影響。

1 試驗概況

1.1 原材料及配合比

試驗采用的強度等級42.5的普通硅酸鹽水泥、輕砂和膨脹頁巖陶粒等材料性能見表1～表3，拌和采用自來水，添加UNF-5型高效減水劑。鋼纖維為帶端頭平直剪切型，矩形斷面等效直徑為0.6 mm，平均長度為30 mm。聚丙烯纖維為束狀單絲型，長19 mm，密度0.91g/cm3，抗拉強度不低于300 MPa，彈性模量為3793 MPa。

根據(jù)前期的力學(xué)性能研究結(jié)果，本試驗按照全輕混凝土強度等級為LC35和輕骨料密度800級確定配合比[1]，如表4所示，高效減水劑按水泥質(zhì)量的0.75%摻加。聚丙烯纖維摻量分別為0.6、0.9、1.2kg/m3，鋼纖維體積率分別為0、0.5%、1.0%和1.5%。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 輕砂的物理性能

表3 膨脹頁巖陶粒的物理力學(xué)性能

表4 混凝土試驗配合比

1.2 試驗方法

本試驗按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)CECS13:2009的規(guī)定執(zhí)行[6]。梁式試件的尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，每組3個，共18個。試驗在試件成型并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d后進行。加載采用200 kN伺服式萬能試驗機，試件撓度采用電測位移計測試裝置配合計算機全自動數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)同時記錄荷載與撓度值并繪制曲線。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

彎曲韌性是評價混凝土彎曲性能的重要參數(shù)，它是指纖維混凝土開裂后能繼續(xù)保持承受較大荷載的能力。根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)CECS13∶2009對混合纖維增強全輕混凝土的彎曲韌性進行評價，由試驗獲得的梁式試件荷載-撓度曲線，可確定和計算出試件的彎曲初裂強度、彎曲韌性指數(shù)、等效彎曲強度和彎曲韌性比，見表5；典型的試件荷載-撓度實測曲線見圖1。

2.2 結(jié)果分析

（1）混合纖維增強全輕混凝土的彎曲初裂強度隨著鋼纖維體積率的增加而線性提高，隨著聚丙烯纖維摻量的增加無明顯變化。鋼纖維體積率每增加0.5%，混合纖維增強全輕混凝土的彎曲初裂強度將提高約10%；聚丙烯纖維摻量從0.6 kg/m3每增加0.3 kg/m3，混合纖維增強全輕混凝土的彎曲初裂強度的變化幅度約為±5%。這與混合纖維增強普通混凝土試驗結(jié)果一致，這是因為鋼纖維、混凝土、聚丙烯纖維的彈性模量不在一個數(shù)量級別，因此在全輕混凝土承受荷載開裂時，鋼纖維對全輕混凝土具有明顯的約束和橋架作用，而聚丙烯纖維則很難起到這種協(xié)同承載的有利作用。

表5 主要試驗結(jié)果

圖1 混合纖維全輕混凝土的荷載-撓度曲線

（2）混合纖維增強全輕混凝土的等效彎曲強度和彎曲韌性比均隨著鋼纖維體積率的增加而顯著提高，隨著聚丙烯纖維摻量的增加也有明顯的改善。鋼纖維體積率為0.5%、1.0%和1.5%時，混合纖維增強全輕混凝土的等效彎曲強度依次提高了56%、102%和196%，彎曲韌性比依次提高了40%、76%和128%；聚丙烯纖維摻量從0.6 kg/m3增加到0.9 kg/m3和1.2 kg/m3時，混合纖維增強全輕混凝土的等效彎曲強度分別提高了14%和36%，彎曲韌性比分別提高了13%和36%。說明鋼纖維和聚丙烯纖維在試件變形較大 （對應(yīng)于跨度的1/150）的情況下，發(fā)揮了協(xié)同承載作用。鋼纖維跨越表面宏觀裂縫，起到了向裂縫兩側(cè)混凝土傳遞和分散應(yīng)力的橋架作用，可以限制裂縫的進一步開展；聚丙烯纖維分散于細顆粒骨料和砂漿體中，起到了降低混凝土基體內(nèi)部收縮裂縫[7]，提高基體密實度和消弱裂縫端部應(yīng)力集中的作用，從而提高了基體與鋼纖維之間的粘結(jié)能力，進一步發(fā)揮了鋼纖維的增強增韌效應(yīng)；同時聚丙烯纖維的高拉伸性能得到利用，使試件的荷載-撓度曲線更為豐滿 （圖2），增加荷載-撓度曲線下包圍的面積，即結(jié)構(gòu)變形耗能能力。單純從彎曲韌性比來看，偏保守的估算，摻量0.5 kg/m3的聚丙烯纖維相當(dāng)于體積率0.5%的鋼纖維，這對于在保證同樣彎曲韌性比前提下降低混凝土自重具有重要價值。

（3）混合纖維增強全輕混凝土的彎曲韌性指數(shù)隨著鋼纖維體積率的增大而增大，特別是在較大變形情況下 （對應(yīng)于I10和I20）更為明顯；聚丙烯纖維的改善作用不明顯甚至在大變形情況下出現(xiàn)反復(fù)。這一影響規(guī)律進一步說明鋼纖維對混凝土的彎曲韌性具有決定性的提高效果[8]。但需要注意到，由于彎曲韌性比和彎曲韌性指數(shù)對應(yīng)的試件撓度有別，前者比后者的I20對應(yīng)的撓度值都大得多，因此聚丙烯纖維的大變形能力在彎曲韌性指數(shù)中沒有得到充分的反映。盡管如此，還是能看出聚丙烯纖維的有利作用，聚丙烯纖維摻量從0.6 kg/m3增加到1.2 kg/m3時，混合纖維增強全輕混凝土的彎曲韌性指數(shù)I5、I10和I20分別提高了6.9%、8.8%和2.5%。從彎曲韌性指數(shù)的定義來看[6]，理想彈塑性材料的I5、I10和I20依次為5、10和20。因此，本試驗混合纖維增強全輕混凝土具有優(yōu)良的彎曲韌性。

3 結(jié) 論

通過試驗研究了混合纖維增強全輕混凝土的彎曲韌性性能，結(jié)果表明:混合纖維增強全輕混凝土的各項彎曲韌性參數(shù)均隨著鋼纖維體積率的增大而提高，鋼纖維是明顯提高全輕混凝土彎曲韌性的決定性因素；聚丙烯纖維可以協(xié)同鋼纖維提高全輕混凝土的彎曲韌性，在試件撓度較大的情況下作用更為明顯?？梢愿鶕?jù)結(jié)構(gòu)對混合纖維增強全輕混凝土彎曲韌性的不同要求，選取不同的指標(biāo)進行韌性評價，以合理利用鋼纖維和聚丙烯纖維對全輕混凝土的增韌效果。

［1］JGJ 51—2002 輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］李長永，錢曉軍，趙順波.全輕混凝土力學(xué)性能試驗研究［J］.混凝土， 2010（5）:79-82.

［3］李長永，陳淮，趙順波.鋼纖維全輕混凝土抗凍性能研究［J］.混凝土， 2011（11）:98-99， 102.

［4］潘麗云，袁浩，趙順波.Experimental study on mechanical properties of hybrid fiber reinforced full lightweight aggregate concrete［J］.Advanced Materials Research,2011（197-198）:911-914.

［5］潘麗云，袁浩，趙順波.混合纖維增強全輕混凝土早齡期抗裂性試驗研究［J］.水力發(fā)電， 2011， 37（9）:95-97.

［6］CECS13∶2009 纖維混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［7］馬一平，仇建剛，王培銘，等.聚丙烯纖維對砂漿塑性收縮行為的影響［J］.建筑材料學(xué)報， 2005， 8（5）:499-507.

［8］趙順波，孫曉燕，李長永，等.高強鋼纖維混凝土彎曲韌性試驗研究［J］.建筑材料學(xué)報， 2003， 6（1）:95-99.