夏旸昊 楊鼎宜,2 高 函 郭子榮 錢云峰

(1.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州大學(xué)綠色建筑材料研究所，江蘇揚(yáng)州 225127)

高層、超高層等多樣化的建筑發(fā)展形式使得高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土逐漸成為學(xué)者們的研究焦點(diǎn)之一。超高強(qiáng)混凝土(UHSC)采用低水膠比和緊密堆積理論降低內(nèi)部孔隙率，因此其具備高強(qiáng)度、高耐久性的特點(diǎn)[1-2]。但混凝土自身的脆性并未得到改善，在實(shí)際工程應(yīng)用中容易出現(xiàn)斷裂裂縫而發(fā)生脆性破壞，增加工程風(fēng)險和維修成本，而已有的研究發(fā)現(xiàn)纖維的摻入可以改善其脆性特征，提高斷裂性能。

目前，關(guān)于纖維混凝土斷裂性能的研究已取得一些成果。孔德成等研究發(fā)現(xiàn)隨著聚丙烯粗纖維體積參數(shù)的增加，超高性能混凝土斷裂能、斷裂韌度等斷裂參數(shù)均會提高[3]。

金軼凡等研究結(jié)果表明玄武巖纖維的摻入可以提升混凝土的斷裂性能并確定出最優(yōu)的玄武巖纖維長度和摻量[4]。鄧宗才等研究了生態(tài)鋼纖維混凝土的斷裂性能，發(fā)現(xiàn)生態(tài)鋼纖維可以改善混凝土的脆性并且在合理摻量下可替代高強(qiáng)鋼纖維使用[5]。Reis等研究發(fā)現(xiàn)玻璃纖維的摻入可以改善環(huán)氧聚合物混凝土的斷裂性能[6]。

相對于上述研究的纖維材料，聚甲醛(POM)纖維比聚丙烯(PP)纖維的抗拉強(qiáng)度和彈性模量更高；與鋼纖維相比，POM纖維具備更優(yōu)異的耐腐蝕性能并且價格較低；與玻璃纖維和玄武巖纖維相比，POM纖維的延性更高，同時與無機(jī)材料有良好的相容性，使得其具備良好的應(yīng)用前景[7-9]。張麗輝等研究發(fā)現(xiàn)，在相同摻量下，摻入POM纖維的混凝土比PP纖維具有更加優(yōu)異的工作性能、力學(xué)性能以及耐久性能[10]。劉露等研究發(fā)現(xiàn)POM纖維對混凝土的抗折性能增強(qiáng)作用優(yōu)于PP纖維[11]。侯帥等研究結(jié)果表明，在纖維低摻量時，POM纖維對混凝土劈裂抗拉性能提升效果明顯優(yōu)于PP纖維[12]。上述研究結(jié)果均表明POM纖維具備顯著優(yōu)勢，但對于POM纖維混凝土斷裂性能研究較少。

因此基于雙K斷裂準(zhǔn)則[13]，采用三點(diǎn)彎曲梁法進(jìn)行斷裂試驗，研究不同長度和體積摻量的POM纖維對UHSC斷裂性能的影響，通過起裂韌度、失穩(wěn)韌度、斷裂能和延性指數(shù)等斷裂參數(shù)確定不同指標(biāo)下的最優(yōu)長度和摻量，以期為POM纖維進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。

1 試 驗

1.1 試驗原材料及配合比

采用P·Ⅱ 52.5級硅酸鹽水泥，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 水泥主要力學(xué)指標(biāo)Table 1 Main mechanical indexes of cement

硅灰為灰白色粉末，比表面積23 000 m2/kg，活性指數(shù)88%，燒失量1.5%。粉煤灰為灰白色粉末，比表面積551 m2/kg，活性指數(shù)79%，燒失量1.26%。減水劑采用聚羧酸高性能減水劑，含固量為23%，減水率為30%。POM纖維的主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 POM纖維基本性能指標(biāo)Table 2 Basic property indexes of POM fibers

粗骨料為粒徑在0～10 mm的玄武巖碎石，壓碎指標(biāo)為8%。細(xì)骨料為15%機(jī)制砂與85%河沙為復(fù)摻，機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為3.7，石粉含量為5%，河沙細(xì)度模數(shù)為2.1，含泥量為0.27%。拌和水選用自來水。

本試驗混凝土的水膠比為0.19，具體配合比見表3。

表3 試驗配合比Table 3 Proportions of mix

1.2 試件制備

試驗采用三點(diǎn)彎曲切口梁試件，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，每組5個試件，具體組別見表4。試驗攪拌機(jī)制見圖1，覆膜靜置24 h成型后脫模，放入90 ℃熱水中養(yǎng)護(hù)3 d，自然冷卻至室溫后取出進(jìn)行試驗。

圖1 攪拌機(jī)制Fig.1 Mix processes of UHSC

表4 試驗組別Table 4 Test groups

1.3 試驗方法

工作性能測試依據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》；抗壓強(qiáng)度測試依據(jù)GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》；依據(jù)DL/T 5332—2005《水工混凝土斷裂規(guī)程》進(jìn)行斷裂性能測試，在試驗前對試件進(jìn)行預(yù)處理，采用切割法制備初始裂縫，固定縫高比為0.2，跨高比為0.3，縫寬2 mm。試驗在100 kN萬能試驗機(jī)上完成，試驗的豎向荷載P由試驗機(jī)自帶的荷載傳感器測量，撓度δ由位移計測量，裂縫的張開口位移值由夾式引伸計測量。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 工作性能

通過坍落度和擴(kuò)展度測試研究不同體積摻量和長度的POM纖維對UHSC的工作性能的影響，試驗結(jié)果見表5。從中可以發(fā)現(xiàn)：POM纖維的摻入降低了UHSC的坍落度和擴(kuò)展度。當(dāng)纖維體積摻量為1.5%，纖維長度為20 mm時，坍落度和擴(kuò)展度最小，分別為190，307 mm。在纖維長度相同條件下，隨著纖維摻量的增加，UHSC的坍落度和擴(kuò)展度都在不斷降低。當(dāng)纖維摻量增加時，POM纖維會相互搭接，形成更為致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，阻礙了水泥漿體的流動[14-15]。而隨著纖維長度的增加，POM纖維更易出現(xiàn)結(jié)團(tuán)，進(jìn)一步增強(qiáng)了對漿體流動的抑制作用，UHSC的工作性能不斷下降。

表5 工作性能Table 5 Working performances

2.2 抗壓強(qiáng)度

圖2是以各組別抗壓強(qiáng)度與PU組別相比得到的抗壓強(qiáng)度相對值，從中可以看出:POM纖維的摻入可以提高UHSC的抗壓強(qiáng)度，并且隨著纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度不斷提高。當(dāng)纖維摻量為1.5%，纖維長度為12 mm時，UHSC的抗壓強(qiáng)度最大，相比于PU組別，相對值達(dá)到了123.5%。在相同摻量下，12 mm長度的POM纖維對UHSC抗壓強(qiáng)度提升顯著。這主要是由于在相同體積摻量下，纖維長度越短，纖維在UHSC中的數(shù)量越多，產(chǎn)生的“緊箍作用”越強(qiáng)。但是當(dāng)纖維摻量進(jìn)一步增加時，纖維在內(nèi)部不斷搭接，在這一過程中纖維會出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象并產(chǎn)生較多的薄弱界面，增加內(nèi)部缺陷，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度提升逐漸緩慢甚至發(fā)生削弱[16-17]。

圖2 纖維體積摻量對抗壓強(qiáng)度相對值的影響Fig.2 Influence of fiber volume content on relative values of compressive strength

2.3 荷載-裂縫張開口位移(P-δCMOD)曲線

混凝土進(jìn)行斷裂試驗過程中，其裂縫主要經(jīng)歷初始起裂、平穩(wěn)擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂這三個階段，這三個階段可以通過P-δCMOD曲線圖進(jìn)行描述。圖3是不同纖維長度的P-δCMOD曲線，圖4是不同纖維體積摻量的P-δCMOD曲線。

a—纖維長度12 mm;b—纖維長度16 mm;c—纖維長度20 mm。—— PU;— —0.5%;---10%;— - —15%。圖3 不同纖維長度的P-δCMOD曲線Fig.3 P-δCMOD curves of specimens with different fiber lengths

可以發(fā)現(xiàn):PU組別試件達(dá)到峰值荷載后會發(fā)生陡降，直接降至零，這說明不摻纖維的基準(zhǔn)組別呈現(xiàn)脆性特征，達(dá)到最大承載力后發(fā)生失穩(wěn)破壞便會直接喪失承載力。而纖維摻入后，P-δCMOD曲線雖然達(dá)到峰值荷載后也會發(fā)生陡降，但最終仍能承受一部分荷載，不會直接趨于零。說明纖維摻入后，隨著荷載的不斷增加，纖維混凝土中裂縫不斷擴(kuò)展直至失穩(wěn)破壞，此時混凝土已喪失承載能力，但POM纖維由于自身的韌性和基體之間良好的黏結(jié)力能夠延緩裂縫擴(kuò)展[18-19]，通過被拔斷和拔出消耗能量承擔(dān)了部分荷載，提高了UHSC的延性。在相同纖維長度下，隨著纖維體積摻量的提高，曲線的陡降段越來越短，曲線也更加飽滿，這說明隨著纖維體積摻量的提高，POM纖維的增韌效果更加明顯，阻裂能力更強(qiáng)[20]，而不同長度的纖維在各個體積摻量下對UHSC的增韌、抗裂效果不一致。

a—纖維摻量0.5%；b—纖維摻量1.0%;c—纖維摻量1.5%。—— PU;—·—12 mm;---16 mm;— - —20 mm。圖4 不同纖維摻量的P-δCMOD曲線Fig.4 P-δCMOD curves of specimens with different fiber contents

2.4 斷裂參數(shù)

2.4.1斷裂韌度

表6 雙K斷裂參數(shù)Table 6 Double-K fracture parameters

(1)

α=a0/h

(2)

α=ac/h

起裂韌度和失穩(wěn)韌度均為每組的平均值；相對值為纖維組與基準(zhǔn)組的比值。

圖5 纖維體積摻量對起裂韌度的影響Fig.5 Influence of fiber volume content on crack initiation toughness

圖6 纖維體積摻量對失穩(wěn)韌度的影響Fig.6 Influence of fiber volume content on toughness of instability

2.4.2斷裂能、延性指數(shù)

斷裂能(Gf)指的是裂縫擴(kuò)展單位面積所要消耗的能量，與斷裂過程密切相關(guān)。依據(jù)Rilem的三點(diǎn)彎曲斷裂能計算式[26]和試驗得到的荷載-撓度(P-δ)曲線進(jìn)行計算，算式見式(3)；延性指數(shù)(Du)是斷裂能(Gf)與峰值荷載(Pmax)的比值，通常被用來衡量材料的脆性程度，延性指數(shù)越小，材料的脆性越大，公式見式(4)。

(3)

式中：Gf為試件的斷裂能；W0為外荷載做的功，通過P-δ曲線包圍的面積求得；m為試件支座間的質(zhì)量；g為重力加速度，取9.81 m/s2；δmax為試驗測得的最大撓度；Ali為試件的韌帶面積；b為試件的寬度；h為試件的高度；a0為預(yù)制裂縫的高度。

Du=Gf/Pmax

(4)

式中：Pmax為曲線峰值荷載。

根據(jù)上式計算各組試驗結(jié)果，見表7。

表7 各組別的斷裂能和延性指數(shù)Table 7 Fracture energy and ductility indexes for each group

由于POM纖維的摻入，各個組別P-δ曲線包圍面積不斷增加，這表明POM纖維可以有效提高UHSC能量吸收的能力，即POM纖維的摻入可以提高UHSC的斷裂能。由圖7可知:在同一纖維長度下，隨著纖維摻量的增加，斷裂能不斷提高。在同一纖維摻量下，纖維長度越長，斷裂能提高更加顯著。結(jié)合表7試驗結(jié)果，當(dāng)纖維長度為20 mm，纖維摻量為1.5%時，試件的斷裂能最大，為15 424.51 J·m-2。但當(dāng)纖維摻量為0.5%時，纖維長度為20 mm的試件斷裂能小于纖維長度為16 mm的試件，這主要因為纖維長度越長，在相同摻量下，纖維的數(shù)量更少，對裂縫的抑制作用下降同時會使得基體內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，裂縫更易擴(kuò)展。而相同纖維長度下，纖維摻量的提高導(dǎo)致纖維間平均間距的減少，這限制了基體裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，換而言之，裂縫擴(kuò)展所需的能量更多，因此斷裂能不斷提高[27-29]。結(jié)合表7和圖8可知:PU組別的延性指數(shù)為0.008 1 m-1，其在試驗過程中呈脆性破壞，而纖維的摻入可以提高UHSC的延性指數(shù)并且隨著纖維摻量的增加呈線性上升，和斷裂能變化一致，當(dāng)纖維長度為20 mm，纖維摻量為1.5%時，延性指數(shù)最大達(dá)0.965 4 m-1，因此POM纖維對UHSC脆性的改善效果顯著。

圖7 纖維體積摻量對斷裂能的影響Fig.7 Influence of fiber volume content on fracture energy

圖8 纖維體積摻量對延性指數(shù)的影響Fig.8 Influence of fiber volume content on ductility indexes

3 機(jī)理分析

目前已有許多研究學(xué)者對纖維混凝土的阻裂增強(qiáng)作用進(jìn)行了探究并在基于斷裂力學(xué)原理上總結(jié)了較多的纖維阻裂機(jī)理。運(yùn)用以Griffith理論判據(jù)為基礎(chǔ)的能量平衡理論[30-32]并結(jié)合阻裂過程對POM纖維增強(qiáng)UHSC斷裂性能的機(jī)理進(jìn)行分析。在試件加載過程中，假設(shè)只有外力做功并且只考慮纖維被拉斷，外力做功為GA，基體耗能和纖維耗能分別為GC和GF，則應(yīng)滿足：

GA=GC+GF

(5)

而基體耗能主要由三個部分組成，分別是裂紋擴(kuò)展表面能Gsc、基體變形產(chǎn)生的應(yīng)變能Gvc和裂紋端部的塑性變形能GPC；纖維耗能主要由纖維與裂紋脫黏耗能GSF和纖維斷裂耗能GFF這兩部分組成，則外力做功與各部分耗能關(guān)系如下：

GA=Gsc+Gvc+GPC+GSF+GFF

(6)

在試件受荷過程中，當(dāng)試件還未出現(xiàn)裂紋，此時外荷載對試件的作用力小于纖維混凝土這一復(fù)合體系的抗拉能力，假設(shè)纖維在該復(fù)合體系中均勻分布，當(dāng)基體存在薄弱層時，裂紋首先在薄弱層處產(chǎn)生，但薄弱層處的纖維會吸收這部分產(chǎn)生裂紋的能量并轉(zhuǎn)化為自身的應(yīng)變能，從而抑制試件的初始起裂；當(dāng)試件發(fā)生初始起裂后，此時裂紋在試件的薄弱層出現(xiàn)，但纖維會吸收基體釋放的用于裂紋擴(kuò)展的應(yīng)變能，進(jìn)而抑制裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展；在荷載增大后，裂紋會發(fā)生擴(kuò)展，此時主要通過基體的耗能和纖維的變形消耗外力做的功，從而阻止裂紋的快速擴(kuò)展；當(dāng)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展并無限接近纖維時，此時將纖維與基體仍看作一個整體，并假設(shè)他們滿足協(xié)調(diào)變形，則裂紋擴(kuò)展的表面能全部轉(zhuǎn)移至纖維，從而使得纖維與裂紋基體處發(fā)生脫黏，進(jìn)而消耗能量；當(dāng)裂紋穿過纖維后，與纖維相黏結(jié)的基體會發(fā)生破壞，此時纖維會發(fā)生應(yīng)變突變，基體釋放的應(yīng)變能全部轉(zhuǎn)化為纖維的應(yīng)變能，從而阻止裂紋的擴(kuò)展；當(dāng)纖維被拉斷的瞬間，外力的持續(xù)做功使得基體不斷地釋放應(yīng)變能，該能量被纖維不斷吸收發(fā)生塑性變形直至發(fā)生斷裂，此時外力做功的能量一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榛w的應(yīng)變能，另一部分轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維的變形能和斷裂能。由上可見，纖維的阻裂過程是通過能量的傳遞實(shí)現(xiàn)的，通過纖維被拔出和拉斷消耗外力做功，從而達(dá)到阻裂的目的。

隨著纖維摻量的增加，纖維消耗的總能量越多，纖維發(fā)揮的抵抗裂縫擴(kuò)展作用越強(qiáng)，UHSC的失穩(wěn)韌度提升越顯著。相比于UHSC的基體耗能，纖維消耗的能量也隨著纖維摻量的增加逐漸成為整個試件斷裂過程中能量消耗的主體，斷裂能也進(jìn)一步得到提升。因此在本試驗中，UHSC的失穩(wěn)韌度與斷裂能隨著纖維體積摻量的增加變化趨勢相一致，并且當(dāng)纖維長度為20 mm，體積摻量為1.5%時，兩種性能指標(biāo)均表現(xiàn)最佳。

4 結(jié)束語

1)POM纖維的摻入使得P-δCMOD曲線變化顯著，隨著纖維摻量和纖維長度的增加，P-δCMOD曲線陡降段更短，下降更加平緩，曲線也更加飽滿，這表明摻入POM纖維可以阻止UHSC裂縫的擴(kuò)展，提高其抗裂能力。

2)POM纖維的摻入對UHSC起裂韌度和失穩(wěn)韌度都能起到明顯的提升作用，當(dāng)纖維長度為12 mm，體積摻量為1.5%時，UHSC的起裂韌度最大，為1.503 2 MPa·m1/2，增益比為1.25；當(dāng)纖維長度為20 mm，體積摻量為1.5%時，失穩(wěn)韌度最大，為3.757 2 MPa·m1/2，增益比達(dá)到2.35。

3)POM纖維的摻入可以顯著提高UHSC的斷裂能和延性指數(shù)，當(dāng)纖維長度為20 mm，纖維體積摻量為1.5%時，斷裂能和延性指數(shù)均達(dá)到最大。試驗中使得UHSC斷裂性能最優(yōu)的是長度20 mm、體積摻量1.5%的POM纖維。