混杂纤维对高性能混凝土拉压比的影响

刘胜兵， 徐礼华

(1.武汉工程大学环境与城市建设学院，湖北 武汉 430074；2.武汉大学土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072)

0 引 言

“正交试验法”是安排多因素试验问题行之有效的一种方法，通过安排合理的因素和水平，可以达到以较少试验代替全面试验，从而取得较多成果的目的.本文采用正交试验法，设计了18组混杂纤维(钢纤维/聚丙烯纤维)高性能混凝土试件和1组未掺纤维的普通高性能混凝土对比试件，进行立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试验研究，分析混杂纤维对高性能混凝土拉压比及韧性的影响，以期为《纤维混凝土结构技术规程》(CECS 38：2004)[13]增补有关混杂纤维混凝土的内容提供参考.

1 试验概况

1.1 材料和配合比

根据高性能混凝土有关材料选用和配合比设计的要求，参考《纤维混凝土结构技术规程》(CECS 38：2004)，选择配置基体高性能混凝C50及混杂纤维高性能混凝土的材料，相关材料的选用及各种性能指标参见文献[14].现场配置基体高性能混凝土时，配合比设计取水胶比0.3，1 m3高性能混凝土中所用材料为：水泥390.5 kg，砂子747.1 kg，石子856 kg，水156.8 kg，粉煤灰132 kg，减水剂4.4 kg.混杂纤维高性能混凝土仅根据纤维掺量及坍落度适当调整减水剂的用量，其他材料均与基体高性能混凝土相同.

1.2 正交设计

根据试验的因素和水平数，采用L18(21×37)正交表安排试验.正交试验的因素和水平安排见表1所示.

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels table

1.3 试验方法

混杂纤维高性能混凝土立方体抗压强度及劈裂抗拉强度的试验方法、试件尺寸及误差限制、加载速率和试验结果处理等关键问题上的取值原则，与钢纤维混凝土试验方法标准相同.参考《钢纤维混凝土试验方法》[15]及《普通混凝土力学性能试验方法标准》有关规定，抗压强度和劈拉强度试验所用试件均为标准试件，即尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试块，常温下养护28天后在5 000 kN的压力试验机上进行试验.试验中当试块接近破坏而迅速变形时，停止调整试验机阀门，直至试块破坏，记录破坏荷载.

2 试验结果及分析

2.1 受压破坏过程及破坏形态

对于基体高性能混凝土试件，试件的上下端承面因受加载垫板的摩阻约束而横向变形很小，试块中部在水平方向膨胀变形最大，当试块的水平伸长应变达到混凝土的极限拉应变或者靠近表面的混凝土在多轴压-拉力作用下达到其极限强度值时，试块出现裂缝.最初出现的裂缝靠近表层，在中央部分为竖向，斜向往上、下端发展，至承压面附近则向试块角部发展，上方形成倒立的“八”字形裂缝，下方形成正“八”字形裂缝.荷载继续增加时，新的“八”字裂缝由表层逐渐向内部扩展，表层混凝土开始向外鼓凸剥落，随着荷载稍许增加，试件的最终破坏为正倒相连的四角锥状破坏.破坏时试件被压碎，且碎块四处散落，表现出明显的脆性性质.对于混杂纤维高性能混凝土，由于纤维的加入，显著改善了高性能混凝土的受压变形和破坏特性，破坏时没有明显的碎块或崩落，只出现近似垂直的微小裂纹，具有较好的完整性，破坏时表现出一定的塑性性能，如图1所示.

图1 混杂纤维高性能混凝土的受压破坏形态Fig.1 Compressive failure mode of hybrid fiber reinforced HPC

2.2 受拉破坏过程及破坏形态

普通高性能混凝土基体由于干缩，在其内部存在很多微小收缩裂缝，在整个受力过程中，随着荷载的逐步增加，微裂缝在应力集中处被引发，此后裂缝进一步稳定扩展，临近破坏时裂缝变为不稳定扩展，并发展很快，最终混凝土破坏.如图2所示，普通高性能混凝土的劈裂抗拉破坏表现出明显的脆性，从宏观上呈现有明显的碎块或崩落；高性能混凝土具有不同于普通混凝土的特点，随着强度的提高其脆性也愈大，延性更差.混杂纤维高性能混凝土的劈拉破坏表现出较好的延性，破坏时没有明显的碎块或崩落，整体基本保持完整，只是在中部附近出现细小微裂缝，混杂纤维的加入对普通高性能混凝土的脆性性能有明显改善.

2.3 试件参数及试验结果

18组混杂纤维高性能混凝土试件及1组普通高性能混凝土试件的相关参数及试验结果见表2.

表2 试件参数及试验结果Table 2 Parameters of test specimens and test results

2.4 拉压比分析

表3 拉压比直观分析计算表Table 3 Intuitive analysis of tension-compression ratio

2.4.1 混杂纤维对拉压比的影响

由表4的直观分析结果可见，混杂纤维的4个因素对高性能混凝土拉压比的影响顺序为：B(钢纤维类型)>C(聚丙烯纤维体积率)>A(钢纤维体积率)>D(钢纤维长径比).由表2的试验结果可以看出，与对比试件相比，除个别组合外，实测混杂纤维高性能混凝土的拉压比普遍有所提高，最大提高了26.2%，平均提高了9.9%.

2.4.2 单一因素的影响

a. 钢纤维体积率的影响.从图3可以看出，随着钢纤维体积率的增大，混杂纤维高性能混凝土的拉压比减小，当钢纤维体积率从0.5%增大到1.0%时，拉压比降低了2.7%；当钢纤维体积率从1.0%增大到1.5%时，拉压比基本没有变化.说明当钢纤维体积率达一定程度时，钢纤维的继续增加不仅不能改善高性能混凝土的韧性，还可能起负面作用，原因主要是钢纤维掺入过多会导致分散不均，和混凝土产生弱界面效应.

图3 钢纤维体积率对拉压比的影响Fig.3 Effect of the volume fraction of steel fiber on tension-compression ratio

b. 钢纤维类型的影响.图4为钢纤维类型对混杂纤维高性能混凝土拉压比的影响直方图.掺入波纹形钢纤维的混杂纤维高性能混凝土比掺入端钩形钢纤维的混杂纤维高性能混凝土拉压比平均高11.7%.

图4 钢纤维类型对拉压比的影响Fig.4 Effect of types of steel fiber on tension-compression ratio

图5 钢纤维长径比对拉压比的影响Fig.5 Effect of the aspect ratio of steel fiber on tension-compression ratio

d. 聚丙烯纤维体积率的影响.从图6可见，高性能混凝土的拉压比随聚丙烯纤维体积率的增大而增大，近似呈线性关系.当聚丙烯纤维体积率从0.055%增大到0.165%时，混杂纤维高性能混凝土拉压比提高了10.3%.说明掺入适量的聚丙烯纤维能有效提高高性能混凝土的韧性.

图6 聚丙烯纤维体积率对拉压比的影响Fig.6 Effect of the volume fraction of polypropylene fiber on tension-compression ratio

3 结 语

a. 普通高性能混凝土的受压破坏和劈裂抗拉破坏均表现出很大的脆性，而混杂纤维高性能混凝土大都近似于延性破坏.b. 混杂纤维掺入高性能混凝土后，使基体高性能混凝土的拉压比普遍提高.各种混杂组合使高性能混凝土的拉压比最大提高了26.2%，平均提高了9.9%.c. 钢纤维类型对混杂纤维高性能混凝土拉压比影响最大，聚丙烯纤维体积率的影响其次，钢纤维长径比的影响最小.

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