鄧宗才，師亞軍，曹 煒

（北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程防災(zāi)減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

0 引 言

普通混凝土易裂，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)耐久性，摻入纖維后，可有效改善抗裂性［1－2］。粗合成纖維價(jià)格低廉，施工方便，能有效阻止裂縫擴(kuò)展，可增強(qiáng)混凝土變形能力和韌性，提高抗疲勞、抗沖擊性能等［3－4］。

纖維混凝土抗彎韌性指標(biāo)極為重要［5－8］，可反映纖維對(duì)混凝土的增韌效果，它是開(kāi)發(fā)新纖維品種、確定纖維品種及纖維摻量、檢測(cè)和控制混凝土質(zhì)量的重要指標(biāo)。

本文中筆者通過(guò)試驗(yàn)研究了3種不同直徑和長(zhǎng)度的粗合成纖維增強(qiáng)混凝土的抗彎韌性，并與素混凝土、單摻鋼纖維及鋼纖維與合成纖維混摻試件進(jìn)行了對(duì)比，探討了纖維摻量、纖維直徑、基體強(qiáng)度、混摻方式等對(duì)抗彎韌性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 纖維材性

聚烯烴粗合成纖維（聚丙烯與聚乙烯的共聚物）力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。圓絲浪形鋼纖維由江西贛州大業(yè)金屬纖維有限公司提供，直徑和長(zhǎng)度分別為0.9mm和50mm，強(qiáng)度均為700MPa。

表1 粗合成纖維力學(xué)性能指標(biāo)Tab.1 Mechanical Property Indexes of Macro－fibers

1.2 混凝土配合比

普通混凝土C25，C35采用P.O32.5普通硅酸鹽水泥，高強(qiáng)混凝土C50采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，砂采用中砂，石為人工碎石，水為自來(lái)水。為了更好地研究混凝土基體強(qiáng)度對(duì)纖維增韌效果的影響，試驗(yàn)考慮3種混凝土強(qiáng)度，混凝土配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比Tab.2 Mix Proportions of Concrete

1.3 試件制作

試件尺寸為100mm×100mm×400mm。制作試件時(shí)，先將稱好的砂、水泥、石依次放入攪拌機(jī)，干拌2min，再將水分2次或3次加入，將纖維分散加入并攪拌3min左右，混凝土攪拌好后倒入模具內(nèi)振搗并抹平，澆注24h后脫模并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d，試驗(yàn)前3h從養(yǎng)護(hù)室取出晾干，試件編號(hào)及纖維摻量見(jiàn)表3。

表3 試件編號(hào)及纖維摻量Tab.3 Numbering Specimens and Fiber Contents

1.4 試驗(yàn)方法

抗彎韌性試驗(yàn)在Instron1343伺服系統(tǒng)機(jī)上采用三分點(diǎn)加載方式進(jìn)行，試件跨度為300mm，采用恒位移控制加載，加載速率為0.10mm·s－1。撓度測(cè)定時(shí)將夾式引伸儀置于試件的中性軸來(lái)測(cè)定試件的撓度，計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，并自動(dòng)繪制荷載－撓度曲線，抗彎韌性試驗(yàn)測(cè)試裝置如圖1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞過(guò)程及形式

單摻或混摻粗合成纖維后，試件具有很好的抗彎韌性，呈延性破壞，各抗彎韌性指數(shù)隨著纖維摻量的增加而增大。

圖1 抗彎韌性試驗(yàn)測(cè)試裝置Fig.1 Testing Equipment of Flexural Toughness Experiment

當(dāng)基體強(qiáng)度為C25時(shí)，各試件的抗彎強(qiáng)度相差較小。開(kāi)裂前，荷載增長(zhǎng)較快，荷載－撓度曲線呈直線上升趨勢(shì)；開(kāi)裂后，撓度增長(zhǎng)速度加快，曲線斜率略有下降；當(dāng)荷載達(dá)到峰值以后，荷載迅速下降，撓度也隨之有較大增長(zhǎng)，試件中部有明顯的裂縫出現(xiàn)，之后裂縫緩慢向上發(fā)展，裂縫處纖維被逐漸拔出，纖維起到了很好的連接增韌作用。然后荷載緩慢下降，但有部分試件荷載保持不變或略有上升，裂縫逐漸變寬，撓度增大直至試件破壞。

當(dāng)基體強(qiáng)度為C50時(shí)，各試件的抗彎強(qiáng)度同樣相差較小，抗彎強(qiáng)度比基體強(qiáng)度為C25時(shí)有明顯的增大。

3種合成纖維混摻后的試件明顯呈延性破壞；單摻鋼纖維的試件有較高的峰值荷載，但是開(kāi)裂后荷載下降較快，然后荷載保持在較低值；粗合成纖維與鋼纖維混摻的試件，呈現(xiàn)出良好的延性，粗合成纖維和鋼纖維能夠發(fā)揮各自作用，使試件在出現(xiàn)裂縫后，仍保持較高的荷載，起到了很好的增強(qiáng)增韌作用。

2.2 荷載－撓度曲線

纖維混凝土試件典型的荷載－撓度曲線如圖2～9所示。

2.3 抗彎韌性指數(shù)

2.3.1 美國(guó)ASTM 方法

按照美國(guó)ASTM方法求得的纖維混凝土抗彎韌性指數(shù)I5，I10，I30及剩余強(qiáng)度SAR見(jiàn)表4。剩余強(qiáng)度SAR的表達(dá)式為

式中：P0.5，P0.75，P1.0，P1.25分別為撓度 0.5，0.75，1.0，1.25mm 時(shí)的荷載；l，b，h分別為試件的長(zhǎng)度、寬度和高度。

相對(duì)剩余強(qiáng)度SIR的表達(dá)式為

式中：RMO為纖維混凝土的彎拉強(qiáng)度。

由表4可以看出：

（1）對(duì)于基體強(qiáng)度為C25和C50的合成纖維混凝土試件，隨著纖維摻量的增加，抗彎韌性指數(shù)明顯增加。直徑為0.5mm的纖維，當(dāng)摻量由6 kg·m－3增加到11kg·m－3時(shí)，抗彎韌性指數(shù)I5比素混凝土提高了2.3～3.7倍，抗彎韌性指數(shù)I10比素混凝土提高了4.0～7.8倍，抗彎韌性指數(shù)I30比素混凝土提高了9.3～18.5倍。直徑為0.8mm的纖維，當(dāng)摻量由6kg·m－3增加到11kg·m－3時(shí)，抗彎韌性指數(shù)I5比素混凝土提高了1.6～2.7倍，I10比素混凝土提高了2.7～4.8倍，I30比素混凝土提高了7.2～11.2倍。直徑為1mm的纖維，當(dāng)摻量由6kg·m－3增加到11kg·m－3時(shí)，抗彎韌性指數(shù)I5，I10，I30分別比素混凝土提高了1.5～2.7，3.4～5.8，8.9～14.7倍。

表4 抗彎韌性試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experiment Results of Flexural Toughness

（2）當(dāng)基體強(qiáng)度提高時(shí)，抗彎韌性指數(shù)略有上升。如單摻直徑0.8mm的合成纖維，當(dāng)基體強(qiáng)度由C25增加到C50時(shí)，抗彎韌性指數(shù)I30分別由9.1，9.6，12.0增加到9.2，11.8，12.2。

（3）纖維直徑對(duì)抗彎韌性指數(shù)的影響規(guī)律不明確，但從總體上看，摻入直徑1mm纖維的試件，其抗彎韌性指數(shù)比直徑為0.5mm或0.8mm纖維的試件小。為改善韌性，宜選用直徑相對(duì)較小的纖維。

（4）混摻鋼纖維和合成纖維對(duì)于改善混凝土裂后行為效果顯著，特別對(duì)于提高I30效果非常顯著。當(dāng)基體強(qiáng)度為C35時(shí)，3種合成纖維混摻后試件的抗彎韌性指數(shù)I5，I10，I30分別比素混凝土提高了3.1，5.3，12.0倍；單摻鋼纖維后試件的抗彎韌性指數(shù)I5，I10，I30分別比素混凝土提高了3.6，4.9，9.6倍；同時(shí)摻入合成纖維和鋼纖維后試件的抗彎韌性指數(shù)I5，I10，I30分別比素混凝土提高了3.8，5.8，18.1倍。合成纖維與鋼纖維共同作用，使抗彎韌性指數(shù)得到有效提高。

（5）剩余強(qiáng)度隨纖維摻量的增加而提高，如基體強(qiáng)度為C25、單摻直徑1mm纖維的試件，摻量分別為6，8，11kg·m－3時(shí)，剩余強(qiáng)度分別為1.15，1.70，2.20MPa。

（6）合成纖維與鋼纖維混摻后，對(duì)于改善試件剩余強(qiáng)度效果明顯。3種合成纖維混摻后剩余強(qiáng)度為1.54MPa，單摻鋼纖維后剩余強(qiáng)度為1.31MPa，合成纖維與鋼纖維混摻后的剩余強(qiáng)度達(dá)到了3.21 MPa，高于上述2種摻法剩余強(qiáng)度之和。

2.3.2 日本JSCE方法

按照日本JSCE方法求得的纖維混凝土抗彎韌性指標(biāo)和韌度因子試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，其中，Tb為抗彎韌性指標(biāo)，ˉσ為韌度因子。

表5 抗彎韌性指標(biāo)和韌度因子Tab.5 Flexural Toughness Indexes and Toughness Genes

由表5可知，纖維摻量增加對(duì)提高抗彎韌性指標(biāo)效果明顯。當(dāng)基體強(qiáng)度為C25和C50時(shí)，3種合成纖維單摻的試件，抗彎韌性指標(biāo)Tb和韌度因子ˉσ隨纖維摻量的增加而增加。

混摻3種合成纖維的混凝土試件韌度因子ˉσ為1.71MPa，單摻鋼纖維的混凝土試件韌度因子ˉσ為1.46MPa，同時(shí)混摻合成纖維和鋼纖維的試件韌度因子ˉσ達(dá)到了3.24MPa，遠(yuǎn)高于其他試件。可見(jiàn)，這種混摻方式可有效提高混凝土試件的韌性。

2.3.3 新評(píng)價(jià)方法

上述方法可以評(píng)價(jià)纖維對(duì)混凝土的增韌效果，但也存在不足之處，美國(guó)ASTM方法中的抗彎韌性指數(shù)對(duì)初裂撓度要求較高，但初裂點(diǎn)不易確定且其離散性較大，不同試驗(yàn)者采用的方法也各不相同，要想取得準(zhǔn)確的荷載－撓度曲線，對(duì)試驗(yàn)機(jī)要求較高；日本JSCE方法中峰值荷載容易確定，但不能反映纖維對(duì)混凝土開(kāi)裂后的增韌作用。由荷載－撓度曲線可知，粗合成纖維混凝土具有良好的延性，峰值荷載后仍可保持較高水平，甚至有上升的趨勢(shì)，試件撓度為2mm時(shí)，纖維對(duì)韌性的作用還很明顯，撓度大于2mm后，伺服試驗(yàn)機(jī)費(fèi)時(shí)且纖維增韌作用下降，為了較好地反映粗合成纖維的增韌效果，剩余強(qiáng)度計(jì)算可以將梁撓度為2mm作為結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。建議剩余強(qiáng)度SAR為

式中：P1.5，P2.0分別為撓度為1.5，2.0mm 時(shí)的荷載。

采用新評(píng)價(jià)方法［9］計(jì)算得到的剩余強(qiáng)度見(jiàn)表6。

與表4相比，單摻合成纖維試件剩余強(qiáng)度SAR變化較小，變化幅度在3%以內(nèi)，但是單摻鋼纖維試件采用新評(píng)價(jià)方法計(jì)算，其剩余強(qiáng)度SAR減小了6.85%，3種合成纖維混摻后剩余強(qiáng)度SAR增加了4.54%。粗合成纖維可有效提高混凝土試件韌性，峰值荷載后可保持較高的荷載，而單摻鋼纖維試件在峰值荷載后，荷載下降較快，延性較差。采用此評(píng)價(jià)方法可充分反映合成纖維混凝土具有良好的阻裂能力和變形特性。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）摻入粗合成纖維后，試件具有很好的彎曲韌性，呈延性破壞。

（2）當(dāng)基體強(qiáng)度為C25，C50時(shí)，單摻粗合成纖維試件的抗彎韌性指數(shù)隨纖維摻量增加而增加。

（3）當(dāng)基體強(qiáng)度提高時(shí)，單摻粗合成纖維試件的抗彎韌性指數(shù)略有上升；當(dāng)纖維直徑變化時(shí)，抗彎韌性指數(shù)變化不明顯。

（4）3種合成纖維混摻后，試件的剩余強(qiáng)度為1.54MPa，單摻鋼纖維試件的剩余強(qiáng)度為1.31 MPa，3種合成纖維與鋼纖維混摻后，試件的剩余強(qiáng)度達(dá)到了3.21MPa，高于3種合成纖維混摻試件與單摻鋼纖維試件的剩余強(qiáng)度之和，使不同纖維的性能得到了充分發(fā)揮。

（5）粗合成纖維混摻可有效提高混凝土梁的韌性，峰值荷載后可保持較高荷載，而單摻鋼纖維混凝土梁在峰值荷載后，荷載下降較快，延性較差，采用新評(píng)價(jià)方法可充分反映出粗合成纖維混凝土裂后阻裂能力高、變形大的特點(diǎn)。

表6 采用新評(píng)價(jià)方法計(jì)算的剩余強(qiáng)度Tab.6 Residual Strength Calculated by New Evaluation Method

［1］ASTM C1018－97，Standard Test Method for Flexural Toughness and First－crack Strength for Fiber Reinforced Concrete［S］.

［2］JSCE 1984，Steel Fiber Reinforced Concrete Research Subcommittee［S］.

［3］鄧宗才.高性能合成纖維混凝土［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.

DENG Zong－cai.High Performance Synthetic Fiber Reinforced Concrete［M］.Beijing：Science Press，2003.

［4］鄧宗才，何唯平，孫成棟.聚丙烯腈纖維增強(qiáng)水泥混凝土的抗彎性能［J］.公路，2004（2）：129－134.

DENG Zong－cai，HE Wei－ping，SUN Cheng－dong.Flexural Behaviour of Cement Concrete Reinforced with Polyacrylonitrile Fiber［J］.Highway，2004（2）：129－134.

［5］鄧宗才，李建輝，劉國(guó)棟.混雜粗纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)特性試驗(yàn)研究［J］.混凝土，2006（8）：50－55.

DENG Zong－cai，LI Jian－h(huán)ui，LIU Guo－dong.Experimental Study on Mechanical Properties of Hybrid Macro－fiber Reinforced Concrete［J］.Concrete，2006（8）：50－55.

［6］杜明干.纖維混凝土細(xì)觀力學(xué)模型與應(yīng)用［D］.北京：清華大學(xué)，2004.

DU Ming－gan.Microscopic Models of Fiber Reinforced Concrete and Their Applications［D］.Beijing：Tsinghua University，2004.

［7］鄧宗才，張鵬飛，李建輝，等.預(yù)應(yīng)力AFRP加固混凝土梁的疲勞與靜載特性［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2007，20（6）：49－55.

DENG Zong－cai，ZHANG Peng－fei，LI Jian－h(huán)ui，et al.Fatigue and Static Behaviors of RC Beams Strengthened with Prestressed AFRP［J］.China Journal of Highway and Transport，2007，20（6）：49－55.

［8］李炳宏，江世永，飛 渭，等.纖維增強(qiáng)塑料筋混凝土梁抗彎設(shè)計(jì)數(shù)值分析［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，31（5）：50－56.

LI Bing－h(huán)ong，JIANG Shi－yong，F(xiàn)EI Wei，et al.Numerical Analysis of Flexural Design of Concrete Beams Reinforced with FRP Bars［J］.Journal of Chang’an University：Natural Science Edition，2011，31（5）：50－56.

［9］鄧宗才，彭書(shū)成.啞鈴型鋼纖維粉煤灰混凝土基本力學(xué)性能及抗彎韌性［J］.公路，2003（9）：149－155.

DENG Zong－cai，PENG Shu－cheng.Basics Performance Characteristics and Flexural Toughness of Dumbbell Steel Fiber Reinforced Fly Ash Concretes［J］.Highway，2003（9）：149－155.