朱洪波， 吳凱凡， 李軍鎖， 陳國強

(1. 同濟大學(xué) 先進(jìn)土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804； 2. 河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 秦皇島 050200)

合成結(jié)構(gòu)纖維對混凝土力學(xué)性能的影響

朱洪波1， 吳凱凡1， 李軍鎖2， 陳國強2

(1. 同濟大學(xué) 先進(jìn)土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804； 2. 河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 秦皇島 050200)

采用長度分別為4.7，5.6和6.5 cm的合成結(jié)構(gòu)纖維，均以5 kg·m-3的摻量配制C40混凝土，通過維勃稠度、抗壓強度、方板和圓板彎曲韌性、混凝土梁和切口梁彎曲韌性等試驗，分析了其對混凝土工作性能和力學(xué)性能的作用規(guī)律與特征，同時與素混凝土以及同體積摻量(40 kg·m-3)的鋼纖維混凝土進(jìn)行對比.結(jié)果顯示，合成纖維的加入降低了混凝土的流動性、抗壓強度和混凝土梁的抗彎強度，其長度越長則降低抗壓強度及抗彎強度的程度越高；合成纖維對混凝土方板或圓板的初始斷裂強度影響不大，但可明顯提高斷裂能，其作用高于同體積摻量的鋼纖維，并且中等長度(5.6 cm)的合成纖維增加混凝土斷裂能的作用最大；合成結(jié)構(gòu)纖維混凝土的應(yīng)力-撓度曲線在其下降過程中呈現(xiàn)一個“平臺段”，雖然平臺高度不及鋼纖維混凝土的，但其長度明顯更長，這是由合成結(jié)構(gòu)纖維的材質(zhì)特征決定的.

纖維增強混凝土； 韌性； 合成纖維； 斷裂能

摻入混凝土中的纖維按照其用途可分為抗裂纖維和結(jié)構(gòu)(增強)纖維2類，其中結(jié)構(gòu)纖維可提高混凝土的延展性、抗彎強度、韌性以及抗磨損性等[1-5]，能夠部分甚至全部替代鋼筋用于道路、機場等工程，實際應(yīng)用中主要以鋼纖維為主[6]，而有機合成纖維多作為抗裂纖維使用[7-9].研究表明，結(jié)構(gòu)纖維的材質(zhì)、外觀[10]、摻量以及方向分布[11-13]等均會對纖維增強混凝土(FRC)的性能產(chǎn)生影響，在混雜纖維組合中，鋼纖維和聚酯纖維的組合可更好地減少塑性收縮裂縫[14]；碳-鋼纖維由于有相似的彈性模量和協(xié)同交互作用，可有效地提高混凝土強度和彎曲韌性[15]；并且適當(dāng)?shù)幕祀s纖維組合對斷裂韌性的影響要好于單一的纖維摻雜[16].當(dāng)纖維摻量低時(w=2%，w為質(zhì)量分?jǐn)?shù))，混凝土的抗壓強度不會明顯改變，但即使摻量非常低(w<0.5%)，也可以改善延展性和抑制裂縫的增大[17]；而纖維摻量變大時，會導(dǎo)致混凝土的和易性降低[18].另外，壓實和澆筑方法很可能會影響纖維的位置和分布[8,19-20]，對纖維的增強效果產(chǎn)生明顯的作用；較長的鋼纖維更容易垂直于荷載方向分布，從而更有效地提高彎曲強度[21]，而纖維長徑比的不同也是影響混凝土性能和行為的重要因素[22].

合成結(jié)構(gòu)纖維只是最近幾年才在發(fā)達(dá)國家得到應(yīng)用并剛剛引入我國[23]，相關(guān)研究資料較少，其與鋼纖維材質(zhì)的不同決定了其增韌效果和作用規(guī)律也存在一定差異.本文采用不同長度的這種纖維與鋼纖維配制混凝土，并與素混凝土進(jìn)行了對比試驗和分析，以期為其應(yīng)用提供一定的技術(shù)參考資料.

1 試驗

1.1 原材料

水泥(C，52.5P.Ⅱ)，上海海螺水泥(集團(tuán))有限公司提供；粉煤灰(FA，Ⅱ級)，來自上海寶鋼自備電廠；聚羧酸減水劑(Ad，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%)，江蘇蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)；粗骨料(石子)，5～35 mm連續(xù)級配；細(xì)骨料(砂)，細(xì)度模數(shù)2.5；合成纖維(SyF)，億枰信(上海)合成纖維科技有限公司提供(馬來西亞公司生產(chǎn))，密度0.92 g·cm-3，熔點150～170℃，燃點450℃，抗拉強度550～640 MPa，3種長度分別為4.7，5.6和6.5 cm；鋼纖維(StF)，上海盾堅鋼纖維廠提供，DJ-07560冷拔型，長徑比為80，抗拉強度大于1 100 MPa.合成纖維與鋼纖維的實物如圖1，圖1a，1b分別為切割纖維混凝土試樣后露出的2種纖維的斷面放大(150倍)圖.圖中Φ為纖維斷面近似直徑，L為纖維斷面長度.

從圖1a，1b可看出，鋼纖維的斷面接近圓形，直徑約0.9 mm，而合成纖維斷面近似于邊長分別為0.5 mm，1.5 mm的長方形.圖1c顯示鋼纖維的兩端有彎折，而合成纖維為短切得到的直線型，表面呈波紋狀.

a鋼纖維(Φ=0．876mm)b合成纖維(L=1．450mm)c鋼纖維和合成纖維

圖1 纖維在水泥石中的斷面及其外觀形貌

Fig.1 The cross section of fiber in harden cement and the appearance of fiber

1.2 試驗方法

3種長度分別為4.7 cm，5.6 cm和6.5 cm的合成纖維在混凝土中的摻量均為5 kg·m-3，根據(jù)合成纖維的密度(0.92 g·cm-3)約為鋼纖維密度(7.8 g·cm-3)的1/8，換算成同體積摻量的鋼纖維摻量為40 kg·m-3，每樣各成型6塊邊長為150 mm的立方體試塊用于測試7 d和28 d的抗壓強度；每樣分別成型8條長、寬、高分別為550，150，150 mm的混凝土小梁(其中4條切口，4條不切口)用于測量彎曲韌性；每樣分別成型3條長、寬、高分別為300，150，150 mm的混凝土梁，分別用來測量彈性模量；方板韌性測試樣長、寬、高分別為600，600，100 mm，每樣成型4塊；圓板韌性測試樣橫截面直徑、高分別為800，75 mm，每樣成型3塊.

試樣成型1 d之后拆模，將立方體試塊和混凝土小梁放到溫度為(20±1)℃、相對濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù).混凝土方板和圓板試樣拆模后，放置在地下室內(nèi)(溫度波動范圍18～20 ℃)自然灑水養(yǎng)護(hù)，前7d每天上、下午各澆水1次.

C40(素)混凝土配合比以及維勃稠度、抗壓強度測試結(jié)果如表1.

表1 纖維混凝土的配合比、維勃稠度及抗壓強度Tab.1 Mixtures, Weber consistency and compressive strength of fiber reinforced concrete

1.3 試驗裝置

采用無錫市中科建材儀器有限公司產(chǎn)的SYE-2000型壓力試驗機測定混凝土抗壓強度.采用澳大利亞TSE Pty公司生產(chǎn)的混凝土圓板專用加載試驗機(如圖2a)測量圓板彎曲韌性，其儀器參數(shù)符合ASTM C-1550的規(guī)定，加載速率(4.0±0.5)mm·min-1.采用MTS工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司生產(chǎn)的SANS-SHT5605微機控制電液伺服萬能試驗機分別測量混凝土方板、梁、切口梁的彎曲韌性及彈性模量.

a圓板測試b方板測試c彈性模量測試d維勃稠度測試

e小梁測試f切口梁測試

圖2 測試裝置

Fig.2 Test apparatus

混凝土梁、切口梁、圓板及方板的彎曲韌性測試參照《纖維混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS13—2009) 進(jìn)行，測試齡期均為28 d.其中，混凝土梁和切口梁分別采用四點和三點彎曲試驗.圓板由均勻分布在直徑為700 mm的圓周的3點支撐，通過1個橢圓頭從其中心位置加載；方板由邊長為400 mm的正方形鋼框支撐，通過一個直徑為100 mm的圓臺墊塊從其中心位置加載.

2 結(jié)果與分析

2.1 稠度及抗壓強度

混凝土維勃稠度結(jié)果見表1.從表1可以看出，素混凝土的稠度值最低，鋼纖維混凝土的次之，合成纖維進(jìn)一步增加了稠度，并且隨著合成纖維長度的增大，稠度增加更明顯.這是由于纖維的加入會占用部分水泥漿體對其進(jìn)行包裹，并且阻礙水泥漿體的流動[18].有研究[23]建議，為了保持纖維增強混凝土的工作性，拌合物中應(yīng)保持足夠的漿體量以使纖維更好地分布.因此，混凝土纖維特別是合成結(jié)構(gòu)纖維的產(chǎn)品說明書中一般會提示應(yīng)比普通混凝土略提高減水劑的用量以抵消纖維對流動性的降低作用.

混凝土抗壓強度測試結(jié)果見表1.從表1可以看出，素混凝土的7 d及28 d的抗壓強度均最高，纖維的加入則分別降低了20%左右的7 d強度和10%～20%的28 d強度，鋼纖維降低強度的作用低于合成纖維，而合成纖維的長度增加會進(jìn)一步降低強度，只是其降低7 d強度的幅度遠(yuǎn)低于對28 d強度的不利影響.由于纖維的加入增加了與混凝土基體之間的大量不良界面，降低了混凝土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而引起抗壓強度下降；鋼纖維由于自身的硬度較高，加上磁力振動成型時可能會誘使其同向分布，可相對降低對混凝土強度的負(fù)面作用[6,24]，而合成纖維的自身硬度較低，并且在混凝土中呈多向異性分布，所以對強度的影響更大[25].纖維長度的增加不僅會導(dǎo)致混凝土中的局部不良界面增大，而且在攪拌過程中更容易團(tuán)聚、形成混凝土內(nèi)部的宏觀結(jié)構(gòu)缺陷，因此，長纖維對混凝土強度的降低作用更明顯，正因如此，纖維混凝土通常會要求比普通混凝土更長的攪拌時間，以保障纖維的充分分散；到水泥水化較為充分的后期，水泥石對纖維的黏結(jié)力顯著增強，界面效應(yīng)逐漸減少或者完全消失，纖維對強度的不利作用一般會減弱[26]，所以多數(shù)纖維混凝土強度在7 d時降低20%而到28 d時減少到降低10%，但最長纖維混凝土試樣(5號)的強度仍降低20%，說明其長度的不利作用較為突出.

2.2 方板的彎曲韌性

混凝土方板的彎曲韌性(每樣4塊板的平均)試驗結(jié)果如圖3，合成纖維及鋼纖維混凝土試樣的斷裂界面和斷裂形態(tài)如圖4.

a 應(yīng)力-撓度

b 斷裂能-撓度圖3 方板的應(yīng)力-撓度及斷裂能-撓度曲線Fig.3 Curves of loads-deflection and energy-deflection of square slabs

a合成纖維b鋼纖維

c斷裂后的素混凝土d斷裂后的鋼纖維混凝土e斷裂后的合成結(jié)構(gòu)纖維混凝土

圖4 纖維混凝土斷裂界面

Fig.4 Interfaces of fractured fiber reinforced concrete

由圖3a可以看出，除了鋼纖維混凝土試樣(2號)外，其他試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均至少出現(xiàn)2個應(yīng)力峰.測試過程顯示，混凝土方板首先隨著應(yīng)力的增加產(chǎn)生初始開裂，形成第1個峰；隨著應(yīng)力的繼續(xù)增加，方板在與第1條裂縫近似垂直的方向上再次發(fā)生開裂，形成第2個峰，圖4c，4d，4e顯示了試樣破壞后的形態(tài).鋼纖維混凝土試樣(2號)只有1個應(yīng)力峰，原因是方板同時發(fā)生縱、橫方向的斷裂，使2個峰疊加在了一起，所以峰值最高.

素混凝土試樣(1號)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映出明顯的脆性材料特征，當(dāng)?shù)?個應(yīng)力峰出現(xiàn)后迅速降低至接近零；鋼纖維混凝土(2號)雖然也在應(yīng)力峰值出現(xiàn)后迅速下降，但下降過程比素混凝土平緩；合成結(jié)構(gòu)纖維混凝土試樣(3號至5號)的第1應(yīng)力峰與素混凝土的接近，但第2峰值均明顯更高，甚至在第2個峰之后又呈現(xiàn)出第3、第4個應(yīng)力峰，且在比較長的撓度變化范圍內(nèi)保持了較高的應(yīng)力值，顯示出合成纖維的顯著增韌作用.相應(yīng)地，圖3b顯示纖維混凝土的斷裂能均高于素混凝土，而合成纖維混凝土的斷裂能又均比鋼纖維混凝土的大幅度提高.

從圖4可以看出，混凝土斷裂后，幾乎所有的纖維都被拉出混凝土而不是被拉斷，但不同纖維被拉出部分的外觀變化明顯不同.鋼纖維(圖4b)由于自身強度較高而外觀完整，能夠看出其彎折的一端已經(jīng)被拉直，可以推測當(dāng)混凝土初裂后、鋼纖維開始發(fā)揮增韌作用時，首先依靠混凝土對其彎折部分的較大握裹力而產(chǎn)生較強的抗彎曲作用，而后隨著彎折部分被拉直，這種作用效果明顯降低，雖然還可依賴鋼纖維與混凝土之間的摩擦力來保持一定的增韌作用，但因之前拉直鋼纖維的過程中已經(jīng)在混凝土中形成了順暢通道，使得該作用也不再明顯.而對比圖4a中被拉出的合成纖維與其原始狀態(tài)(圖1)可以發(fā)現(xiàn)，多數(shù)被拉出的合成纖維已經(jīng)“起毛”并分散為很多股的細(xì)纖維絲.可以推測，合成纖維本身具有一定的彈性，當(dāng)其被施加拉應(yīng)力的初始階段可以利用該特征保持較高的混凝土韌性，隨著應(yīng)力和混凝土撓度的持續(xù)增加，纖維的一端被拉出混凝土，包裹纖維的混凝土內(nèi)壁將原本編織成單股的粗纖維分散成很多股細(xì)絲，由于其原始狀態(tài)呈波紋狀，從而這些細(xì)絲保持蓬松，能夠保持其與混凝土孔壁的較大摩擦力，進(jìn)而使其在被拉出混凝土的過程中產(chǎn)生較大的阻力，最終表現(xiàn)為對混凝土韌性的連續(xù)貢獻(xiàn).

在3種長度的合成纖維中，中等長度(5.6 cm)的纖維混凝土試樣(4號)表現(xiàn)出最佳的增韌作用，不僅其第1、第2應(yīng)力峰都較高(如圖3a)，并且其斷裂能也最高(如圖3b).單從纖維長度角度分析，既然混凝土斷裂后纖維均被拉出，說明纖維的斷裂拉伸強度相對于本試驗條件的混凝土來說足夠高，則其長度越長就應(yīng)該表現(xiàn)出越高的斷裂能，因為其可以在更長的撓度變化范圍內(nèi)受到包裹混凝土的約束；但從另一方面分析，在同等質(zhì)量摻量下，長纖維的根數(shù)就少，則纖維長度越長產(chǎn)生的受約束點也相對較少，其分散性也會降低，對增韌作用不利.這2種正、反作用的綜合結(jié)果，導(dǎo)致了這種合成纖維的長度存在最佳值.

2.3 圓板的彎曲韌性

混凝土圓板的彎曲韌性測試結(jié)果如圖5，每組共3塊試樣，在圖標(biāo)中以“x-y”表示第x組的第y塊試樣.

a 1號

b 2號

c 3號

d 4號

e 5號圖5 圓板的應(yīng)力-撓度和斷裂能-撓度曲線Fig.5 Curves of loads-deflection and energy-deflection of disks

對比圖5中各分圖的應(yīng)力-撓度曲線可以看出(不考慮鋼纖維試件圖5b中2-2與2-3的異常結(jié)果)，各試樣的應(yīng)力峰值都比較接近，說明各種纖維的摻入并未明顯改變混凝土圓板的初始斷裂強度；但其斷裂能的差異顯著，從應(yīng)力-斷裂能曲線上斷裂能最后所達(dá)到的峰值看，鋼纖維混凝土比素混凝土增加1倍以上，而3種長度的合成纖維混凝土均又比鋼纖維混凝土提高大約1倍.該結(jié)果可以從應(yīng)力-撓度曲線的走勢圖中找到根據(jù)，素混凝土(1號)和鋼纖維混凝土(2號)在應(yīng)力出現(xiàn)峰值后迅速回落，只是素混凝土的應(yīng)力-撓度曲線陡降程度更高，合成纖維混凝土試樣(3號、4號、5號)在應(yīng)力下降過程中都出現(xiàn)了“平臺段”(曲線斜率平緩)，其意義表示試樣可以在該荷載下發(fā)生一定的變形而不破壞，平臺越高就預(yù)示著混凝土結(jié)構(gòu)具有越強的抗垮塌能力，而平臺越長則說明混凝土的抗變形能力越強[10，27]，可以看出，最終的斷裂能值與該平臺的高度和長度密切相關(guān)，并隨高度和長度的增加而增大.在裂縫發(fā)展階段，合成纖維的彈性變形能力大且其根數(shù)較多，不易與基體發(fā)生脫黏，可有效延緩裂縫的擴展，并且纖維在拔出和彈性變形增大的過程中會不斷消耗能量[28]，即如圖5表現(xiàn)的那樣使平臺段變高變長.對比3種長度合成纖維混凝土的斷裂能，總體上差異不大，最長合成纖維混凝土(5號)的斷裂能略高，但各試樣斷裂能的平均值差異小于每組試樣中單個試件之間的波動值，即可認(rèn)為合成纖維的長度在此范圍內(nèi)變化對混凝土圓板的斷裂能影響不大.

2.4 梁和切口梁的彎曲韌性

圖6和圖7分別為混凝土梁和切口梁的應(yīng)力-撓度曲線與斷裂能-撓度曲線，表2為混凝土抗彎強度.

a 應(yīng)力-撓度曲線

b 斷裂能-撓度曲線圖6 混凝土梁的應(yīng)力-撓度和斷裂能-撓度曲線Fig.6 Curves of loads-deflection and energy-deflection of concrete beams

a 應(yīng)力-撓度曲線

b 斷裂能-撓度曲線圖7 切口梁的應(yīng)力-撓度和斷裂能-撓度曲線Fig.7 Curves of loads-deflection and energy-deflection of coped concrete beams

根據(jù)圖6a并結(jié)合表2中的混凝土梁抗彎強度可以看出，素混凝土和鋼纖維混凝土的應(yīng)力峰值接近并明顯高于合成纖維混凝土試樣，但從圖6a可以看出素混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在下降段幾乎沒有平臺，鋼纖維混凝土的曲線雖有最高的平臺但平臺長度較短，3種長度的合成纖維混凝土應(yīng)力-撓度曲線在下降段的平臺高度較低但長度明顯更長；其結(jié)果在圖6b中表現(xiàn)為中等長度(5.6 cm)合成纖維混凝土可達(dá)到最高的斷裂能，鋼纖維混凝土的次之，另外2種長度的合成纖維混凝土斷裂能進(jìn)一步降低，素混凝土的斷裂能則大幅度降低.上述結(jié)果與2.2節(jié)中的方板韌性測試結(jié)果較為吻合，其形成原因也基本相同.此外，有研究[15]認(rèn)為，纖維可通過在斜裂縫中的直接作用和轉(zhuǎn)移到橫向力的間接作用來抑制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展；還有研究[13]認(rèn)為，纖維的橋聯(lián)、增韌作用與其長度有關(guān)，當(dāng)長度短于粗骨料的平均尺寸時，只能影響微裂縫產(chǎn)生前的階段，本試驗采用的纖維長度均大于粗骨料的平均粒徑(石子為5～35 cm連續(xù)級配，取平均值為22 cm)，所以對試樣斷裂后的韌性產(chǎn)生了明顯作用.

表2 混凝土梁及切口梁的抗彎強度Tab.2 The bending strength of concrete beams and coped concrete beams MPa

圖7和表2的切口梁彎曲強度數(shù)據(jù)顯示，合成纖維明顯降低抗彎強度但可大幅度提高斷裂能，這與其對混凝土梁的作用規(guī)律一致.分析認(rèn)為，一方面合成纖維降低了混凝土抗壓強度(如表1)，且長纖維的降低程度更大，使混凝土本身的抗彎能力下降；另一方面，合成纖維的彈性較大，在混凝土初始斷裂瞬間能夠被拉長，未能及時表現(xiàn)出增韌作用.

對比表2中梁與切口梁的彎曲強度可以看出，混凝土梁的抗彎強度均比切口梁的更高，這除了由于切口梁更容易斷裂外，主要是因為測試方法不同所致，對梁采用的是雙軸加載(如圖1e)方式，而對切口梁采用的是單軸加載(如圖1f)方式.

3 結(jié)論

(1)合成纖維降低混凝土流動性的能力隨著其長度的增加而增加；在本試驗條件下會使混凝土7 d和28 d強度分別降低20%左右和10%～20%，另外，隨著其長度的增加，合成纖維使28 d強度降低加劇.

(2)合成纖維對混凝土方板和圓板的初裂強度基本無影響，但明顯降低混凝土梁及切口梁的抗彎強度；合成纖維可明顯提高混凝土的斷裂能，其作用高于同體積摻量的鋼纖維，這是因為在被拉出混凝土的過程中，合成纖維比鋼纖維受到了更長周期的較大約束力，中等長度(5.6 cm)的合成纖維對混凝土的斷裂能增加最多.

(3)合成纖維混凝土梁的應(yīng)力-撓度曲線特征是，在其下降過程呈現(xiàn)出一個“平臺段”，雖然平臺高度不及鋼纖維混凝土，但其長度明顯更長，產(chǎn)生這種結(jié)果是由合成結(jié)構(gòu)纖維的材質(zhì)特征決定的.

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Effect of Synthetic Fibers on Mechanical Proportion of Fiber Reinforced Concrete

ZHUHongbo1,WUKaifan1,LIJunsuo2,CHENGuoqiang2

(1. Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2. Hebei Construction Meterial Vocational and Technical College, Qinhuangdao 050200, China)

The synthetic fibers, with three lengths of 4.7,5.6 and 6.5cm respectively and each dosage of them was 5 kg·m-3, were used for the preparation of grade C40 concrete. Weber consistency, compressive strength and the toughness of concrete samples, including square boards, circular plates, beams and coped beams, were tested to analyses the effect of synthetic fibers on the mechanical proportion of fiber reinforced concrete, comparing with that of concrete with the equal volume (40 kg·m-3) of steel fibers. The results indicated that the addition of synthetic fibers lead to both decreases of flowability and compressive strength, and reduced the bending strength of concrete beam, and the longer the length of synthetic fibers, the lower the compressive strength of concrete. The synthetic fibers affected little initial rupture strength of concrete square boards or circular plate. The synthetic fibers can enhance fracture energy of concrete obviously and this action is higher than the same volume content of steel fibers. The synthetic fiber with length of 5.6 cm impressed the most of fracture energy of concrete. The stress and the deflection curve of synthetic fiber reinforced concrete displayed a “platform” structure in the process of its decline. Although the platform height was less than that of the steel fiber reinforced concrete, its length was longer obviously. It is due to the material characteristics of the structure of synthetic fibers.

fiber reinforced concrete; toughness; synthetic fiber; fracture energy

2016-04-22

“十三五”國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0701003-03); “十二五”國家科技支撐計劃(2014BAL03B02)；河北省科技(重點)項目(16273805D)

朱洪波(1965—)，男，副教授，工學(xué)博士，主要研究方向為水泥混凝土材料.E-mail: 08013@#edu.cn

TU528.2

A