李迎春，黃剛，黃安永，張麗輝（.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇南京　03；.三江學(xué)院，江蘇南京　00）

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纖維對高強混凝土彎曲性能及韌性的影響

李迎春1，黃剛1，黃安永2，張麗輝1
（1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇南京211103；2.三江學(xué)院，江蘇南京210012）

摘要：選擇具有代表性的聚乙烯醇（PVA）纖維、聚丙烯（PP）纖維、端鉤型鋼纖維（SF1）和高強微細(xì)鋼纖維（SF2），系統(tǒng)研究纖維摻量和種類對高強混凝土（HSC）彎曲性能及韌性的影響。結(jié)果表明：SF1-HSC和SF2-HSC的彎曲韌性指數(shù)是PVA-HSC和PP-HSC彎曲韌性指數(shù)的2～3倍；相較基準(zhǔn)高強混凝土，摻入SF1和SF2的高強混凝土極限彎曲荷載最高分別提高了72.2%和29.6%，而摻PVA和PP的高強混凝土極限彎曲荷載則分別降低了19.1%和11.5%；在工程應(yīng)用中配制高強混凝土?xí)r，為了提高其彎曲性能及韌性，應(yīng)選擇極限抗拉強度高、摻量更大及與基體間錨固作用力強的端鉤型鋼纖維。

關(guān)鍵詞：纖維；高強混凝土；彎曲性能；彎曲韌性

0 前言

高強混凝土（HSC）具有強度高、脆性大、抗拉強度低等特點［1］，為了提高HSC的韌性，可借鑒吳中偉院士［2］提出的基于“復(fù)合化”的纖維增強技術(shù)，在高強混凝土中摻入適量且適當(dāng)?shù)睦w維，如鋼纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、碳纖維、玻璃纖維和纖維素纖維等，通常采用摻鋼纖維或聚丙烯纖維的方式達到增韌的效果［3-4］。聚乙烯醇纖維是一種具有抗拉強度和彈性模量高、與波特蘭水泥具有良好的化學(xué)相容性、與水泥基材間具有良好的界面粘結(jié)力等優(yōu)異性能的新型合成纖維［5］。為了系統(tǒng)評價常見纖維種類和摻量對高強混凝土韌性的提升效果，本文選擇具有代表性的聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維、端鉤型鋼纖維和高強微細(xì)鋼纖維，以C80高強混凝土為研究主體，對比4種纖維種類和摻量對C80高強混凝土彎曲性能和彎曲韌性的影響，以期為纖維在高強混凝土中應(yīng)用、提高高強混凝土韌性提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 實驗

1.1 原材料

水泥：江南小野田水泥有限公司生產(chǎn)的P·Ⅱ52.5水泥；粉煤灰：南京電廠提供的Ⅰ級粉煤灰；水：自來水；減水劑：聚羧酸型高性能減水劑，減水率40%，江蘇蘇博特新材料股份有限公司產(chǎn)；細(xì)集料：普通河砂，細(xì)度模數(shù)2.5，表觀密度2640kg/m3；粗集料：5～20 mm玄武巖碎石，表觀密度2810 kg/m3；聚乙烯醇纖維（PVA）、聚丙烯纖維（PP）、端鉤型鋼纖維（SF1）和高強微細(xì)鋼纖維（SF2）：均由江蘇蘇博特新材料股份有限公司提供，4種纖維的物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

表1 4種纖維的技術(shù)性能指標(biāo)

1.2 試驗過程及方法

根據(jù)CECS 13：2009《鋼纖維混凝土試驗方法》和CECS 38：2004《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中混凝土配合比設(shè)計方法，設(shè)計13組試驗，研究PVA、PP、SF1和SF2纖維對C80高強混凝土4點彎曲性能的影響，混凝土配合比見表2。

表2 試驗用C80混凝土基準(zhǔn)配合比　kg/m3

按照表2配合比稱取原材料，采用SJD60型單臥軸強制式混凝土攪拌機進行新拌混凝土拌合，具體步驟為：先將水泥、粉煤灰、砂和石干拌30 s，再將減水劑與水加入干混料中，攪拌1～2 min，最后將纖維緩慢多次投入攪拌2～3 min至均勻漿體。待攪拌結(jié)束后，分2層澆注100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件，1 d后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護［溫度（20±2）℃，相對濕度≥95%］至28 d，采用美國INSTRON 8803電液伺服疲勞試驗機進行4點彎曲測試，跨距為300 mm，跨中撓度利用LVDT采集，平行試驗3次。根據(jù)4點彎曲試驗所得最大荷載計算得到抗折強度。

試驗時，PVA和PP纖維的棱柱體試件預(yù)加載速率為0.02 mm/min，預(yù)加載荷載至2 kN，其后加載速率為0.01 mm/ min；SF1、SF2纖維的棱柱體試件預(yù)加載速率為0.03 mm/min，預(yù)加載荷載至2 kN，其后加載速率為0.15 mm/min。當(dāng)彎曲荷載下降到最大荷載的20%時停止試驗，試驗可得彎曲荷載-撓度曲線。

根據(jù)所得荷載-撓度曲線，參照ASTM C1018—89［6］（如圖1所示），選用初裂點撓度δ的3倍、5.5倍、10.5倍時所對應(yīng)的荷載-撓度曲線下的面積與初裂撓度處荷載-撓度曲線下的面積的比值，記為I5、I10和I20，并將這3個比值作為韌性指數(shù)評價纖維種類和摻量對C80高強混凝土彎曲韌性的影響。

圖1 ASTM C1018—89荷載-撓度曲線

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維摻量對C80高強混凝土彎曲性能的影響

PVA、PP、SF1和SF2纖維摻量對C80高強混凝土荷載-撓度曲線的影響見圖2。

圖2 纖維摻量對C80高強混凝土荷載-撓度曲線的影響

從圖2可以看出，摻入纖維后，試件的彎曲荷載-撓度曲線可以分為3個階段，第一階段為彈性上升階段；第二階段為非彈性上升階段，第三階段為下降階段。第一階段，當(dāng)荷載較小時，基體通過界面粘結(jié)力將荷載轉(zhuǎn)移到纖維，使基體和纖維共同承受載荷，二者通過相互協(xié)調(diào)，表現(xiàn)出彈性變形，因此曲線呈直線上升直到到達高強混凝土初裂荷載時結(jié)束；第二階段，當(dāng)載荷達到初裂荷載時，試件內(nèi)部的微裂縫將開始生長為宏觀裂縫，將會在試件表面清晰看到裂紋，由于纖維的搭接分擔(dān)應(yīng)力的作用，使試件不會立即破壞，而是仍能繼續(xù)承擔(dān)更大的應(yīng)力，呈現(xiàn)非線性變化；第三階段，當(dāng)荷載達到纖維混凝土的最大彎曲荷載時，裂縫處的纖維不能承受此載荷，裂縫將會失穩(wěn)擴張，纖維會在跨越界面處被拔斷或者被拔出，因此曲線會緩慢下降。在高強混凝土基體中分別摻入PVA、PP、SF1和SF2纖維后，隨著纖維摻量的增加，纖維增強高強混凝土的韌性愈高，下降段愈加緩慢平緩，其原因在于隨著纖維摻量的增大，在基體開裂處其橋接作用的纖維根數(shù)越多，橋接作用越大，通過纖維的橋接作用，可以把荷載傳遞到未開裂的基體處，使試件仍能繼續(xù)承受荷載，破壞模式由基準(zhǔn)高強混凝土的脆性破壞轉(zhuǎn)為摻入纖維后高強混凝土的延性破壞。此外，摻入SF1和SF2纖維的高強混凝土極限彎曲荷載均比摻入PVA 和PP纖維的高，這與前兩者的彈性模量和極限抗拉強度均比后兩者的大，在裂縫處的橋接作用更大，能傳遞的應(yīng)力越大有關(guān)。

從圖2（a）、（b）可以看出，摻PVA纖維和PP纖維后高強混凝土的最大彎曲荷載較基體均有所下降，其中3#及4#試樣的最大彎曲荷載較基準(zhǔn)下降了約20%，6#和7#試樣的最大彎曲荷載較基準(zhǔn)下降了約10%，原因在于摻入PVA纖維和PP纖維后，在高強混凝土基體中引入了一定氣泡［7］，導(dǎo)致纖維增強高強混凝土所能承受的極限荷載降低。

從圖2（c）、（d）可以看出，曲線的豐滿度隨著纖維的摻量增加而不斷增大，混凝土表現(xiàn)出更大的韌性；不僅如此，高強混凝土的極限彎曲荷載也隨著纖維摻量的增大而不斷增大，對于SF1纖維而言，8#、9#和10#試樣相較1#基準(zhǔn)試樣，最大彎曲荷載分別提高了8.3%、46.3%和72.2%；對于SF2纖維，11#、12#和13#試樣相較1#基準(zhǔn)試樣，最大彎曲荷載則分別提高了11.3%、16.8%和29.6%。2種鋼纖維均提高了高強混凝土的極限彎曲荷載，但摻SF1較SF2對彎曲荷載提高的幅度更大。摻入SF1纖維的高強混凝土均出現(xiàn)了多個起伏段，試件最終破壞時均出現(xiàn)了多條裂縫，原因是在荷載不斷加大的過程中，端鉤型鋼纖維SF1在裂縫處一方面起到傳遞應(yīng)力的作用，可把開裂處基體上承受的應(yīng)力傳遞到未開裂的基體上，且對裂縫尖端應(yīng)力集中的緩減作用越大，從而滯后裂縫的發(fā)展速度，另一方面，鋼纖維端部的彎鉤在纖維拔出過程中會由于塑性變形作用而被拉直，致使整個橋接過程產(chǎn)生更多的能耗［8］，使多縫開裂現(xiàn)象更加明顯。而對于微細(xì)鍍銅鋼纖維SF2而言，端部不存在彎鉤，在開裂處僅存在橋接作用，因此使多縫開裂不明顯，極限彎曲荷載也沒有摻入SF1纖維的高。

2.2 纖維種類對C80高強混凝土彎曲性能的影響

為了比較PVA、PP、SF1和SF2纖維在本研究最大摻量時對C80高強混凝土彎曲性能的影響，將4#、7#、10#和13#這4組配比的彎曲性能結(jié)果進行對比分析，結(jié)果見圖3。

圖3 纖維種類對高強混凝土彎曲性能的影響

從圖3可以看出，摻SF1和SF2纖維的高強混凝土韌性較摻PVA和PP纖維的更優(yōu)，因為從纖維本身角度來看，鋼纖維的抗拉強度要大于合成纖維，雖然PVA纖維的抗拉強度也很高，但是PVA纖維是親水性纖維，與基體間的化學(xué)粘結(jié)力很大，容易被拉斷，而纖維要提高彎曲韌性，一定要保證最大量的纖維從基體中拔出而不是拉斷，如果被拉斷就不能在開裂處起橋接作用，更無法提高超高強纖維混凝土的韌性；摻鋼纖維的極限彎曲荷載也較合成纖維的大很多，最大相差達到50%，因為摻鋼纖維的抗壓強度要大于摻合成纖維的抗壓強度。從下降段看，摻鋼纖維的曲線較合成纖維的更加平緩，說明鋼纖維增強混凝土彎曲韌性的效果較合成纖維的更好，原因在于鋼纖維在裂縫擴展時是大量纖維被拔出，能很好地起到橋接作用，而合成纖維則是大量被拔斷，大大削弱了纖維的橋接作用。

2.3 纖維種類與摻量對C80高強混凝土抗折強度的影響（見表3）

表3 纖維種類與摻量對C80高強混凝土抗折強度和彎曲韌性的影響

從表3可以看出，摻合成纖維的高強混凝土初裂強度及抗折強度均較基準(zhǔn)高強混凝土有所降低，隨著纖維摻量的增加，纖維混凝土的初裂強度以及抗折強度不斷下降。其中PVA纖維高強混凝土的初裂強度、抗折強度較基準(zhǔn)高強混凝土分別下降13.2%～32.3%和2.7%～19.0%；PP纖維高強混凝土的初裂強度、抗折強度則較基準(zhǔn)高強混凝土分別下降7.1%～14.1%和10.3%～12.6%。然而，摻鋼纖維的高強混凝土初裂強度以及抗折強度較基準(zhǔn)高強混凝土均有大幅度提高，且隨著鋼纖維摻量的增加，高強混凝土的初裂強度及抗折強度不斷提高。其中SF1纖維高強混凝土的初裂強度、抗折強度較基準(zhǔn)高強混凝土分別提高1.5%～13.5%和8.4%～72.3%，SF2纖維高強混凝土的初裂強度、抗折強度則較基準(zhǔn)高強混凝土分別提高3.2% ～19.3%和11.3%～29.7%。出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因在于：合成纖維由于粘結(jié)強度小于基體抗拉強度，而且直徑很小，容易拔出和拉斷，其中拔斷的占多數(shù)，因此使初裂強度和抗折強度均降低。PVA纖維是親水性纖維，和基體間的化學(xué)粘結(jié)力很大，因此分散性沒有PP纖維好，所以導(dǎo)致強度下降的幅度較大；合成纖維摻量增大，引入和增多了混凝土的原始缺陷和應(yīng)力集中因子，使微裂紋更容易發(fā)展和貫穿，所以降低了初裂韌度及抗折強度；鋼纖維的抗拉強度高于合成纖維，在裂縫成長的過程中，鋼纖維失去增強增韌作用的表現(xiàn)方式大多數(shù)為拔出，極少數(shù)呈現(xiàn)拔斷狀態(tài)，而合成纖維大多數(shù)是拔斷，極少數(shù)為拔出狀態(tài)。而拔出是一個緩慢的過程，拔斷是一個瞬間的過程，因此鋼纖維增強高強混凝土的初裂強度及抗折強度較合成纖維增強高強混凝土的均大。

2.4 纖維種類與摻量對C80高強混凝土彎曲韌性的影響

按照ASTM C1018—89的方法分析纖維種類與摻量對C80高強混凝土彎曲韌性的影響，以韌性指數(shù)I5、I10和I20作為評價指標(biāo)。由表3測試結(jié)果可見，纖維體積摻量在1/3最大體積摻量到最大體積摻量之間時（2#～4#、5#～7#、8#～10#和10#～13#），纖維明顯地提高了梁的彎曲韌性指數(shù)，比基準(zhǔn)高強混凝土I5提高3.39～5.33倍，I10提高5.61～13.86倍，I20提高8.04～30.78倍。其中SF1增強高強混凝土的韌性指數(shù)最大，表明4種纖維對高強混凝土彎曲韌性的提高幅度最明顯的是端鉤型鋼纖維。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于，纖維在混凝土基體中起到了橋接的作用，轉(zhuǎn)移了部分裂縫尖端應(yīng)力，因此纖維起到了增強高強混凝土基體彎曲韌性的作用；其中端鉤型最為明顯，主要是因為端鉤型鋼纖維與基體之間由于端鉤的存在使錨固作用最大，拔出過程耗能最大，對裂縫擴展的阻滯效果最佳。

3 結(jié)論

（1）對于鋼纖維，端鉤型鋼纖維SF1對高強混凝土極限彎曲荷載提高的幅度較微細(xì)鍍銅鋼纖維SF2的大，隨著摻量由最大體積摻量的1/3、2/3到1變化，SF1和SF2增強高強混凝土的極限荷載較基準(zhǔn)高強混凝土分別提高8.3%、46.3%和72.2%，11.3%、16.8%和29.6%。

（2）隨著纖維摻量的增大，高強混凝土的彎曲性能越好，彎曲韌性逐漸增大，鋼纖維增強高強混凝土的彎曲韌性指數(shù)是合成纖維增強高強混凝土彎曲韌性指數(shù)的2～3倍。

（3）為了提高高強混凝土的彎曲性能，可以選用抗拉強度高、可摻入量大以及與基體錨固作用強的端鉤型鋼纖維。

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Effect of fiber on the flexural property and toughness of high strength concrete

LI Yingchun1，HUANG Gang1，HUANG Anyong2，ZHANG Lihui1
（1.Jiangsu Sobute New Materials Co. Ltd.，Nanjing 211103，China；2.Sanjiang University，Nanjing 210012，China）

Abstract：The representative polyvinyl alcohol（PVA）fiber，polypropylene（PP）fiber，hooked steel fiber（SF1）and fine steel fiber （SF2）with high strength were chosen，and the effect of fiber type and dosage on the flexural property and toughness of high strength concrete（HSC）were systematically studied. The experimental results showed that the toughness indexes of SF1-HSC and SF2-HSC were twice or three times than that of PVA-HSC and PP-HSC. Compared to the control HSC without any fiber，the maximum values of flexural load of SF1-HSC and SF2-HSC were increased by 72.2%and 29.6%，respectively. However，the maximum values of flexural load of PVA-HSC and PP-HSC were decreased by 19.1%and 11.5%，respectively. In engineering application，the fiber with high tensile strength，large dosage and strong anchorage bond between fiber and matrix interface should be used to prepare high strength concrete required high flexural property and toughness.

Key words：fiber，high strength concrete，flexural property，flexural toughness

中圖分類號：TU528.572

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-702X（2016）03-0001-04

基金項目：江蘇省科技計劃青年基金項目（BK20141012）；六大人才高峰項目（2013-JZ-003）

收稿日期：2015-09-08；

修訂日期：2015-10-16

作者簡介：李迎春，男，1978年生，江蘇南京人，工程師，主要從事纖維混凝土韌性提升技術(shù)方面研究。