混合纤维增强全轻混凝土弯曲韧性试验研究

张晓燕，李长永，袁 浩，潘丽云

（华北水利水电学院河南省水工结构与材料工程重点学科开放实验室，河南 郑州 450011）

结构轻骨料混凝土具有高强、轻质、抗震、抗裂和耐久性能好等优点，由于影响轻骨料混凝土力学性能的因素较多，我国现行规范规定的结构轻骨料混凝土密度等级的合理范围较大[1]。本文在前期开展的全轻混凝土和钢纤维增强全轻混凝土基本力学性能及混合纤维增强全轻混凝土早龄期抗裂性能研究的基础上[2-5]，针对纤维增强全轻混凝土在桥面铺装层、堆石坝面板和其他较大弯曲变形结构中的应用，重点研究钢纤维和聚丙烯纤维混合对全轻混凝土弯曲韧性的影响。

1 试验概况

1.1 原材料及配合比

试验采用的强度等级42.5的普通硅酸盐水泥、轻砂和膨胀页岩陶粒等材料性能见表1～表3，拌和采用自来水，添加UNF-5型高效减水剂。钢纤维为带端头平直剪切型，矩形断面等效直径为0.6 mm，平均长度为30 mm。聚丙烯纤维为束状单丝型，长19 mm，密度0.91g/cm3，抗拉强度不低于300 MPa，弹性模量为3793 MPa。

根据前期的力学性能研究结果，本试验按照全轻混凝土强度等级为LC35和轻骨料密度800级确定配合比[1]，如表4所示，高效减水剂按水泥质量的0.75%掺加。聚丙烯纤维掺量分别为0.6、0.9、1.2kg/m3，钢纤维体积率分别为0、0.5%、1.0%和1.5%。

表1 水泥的物理力学性能

表2 轻砂的物理性能

表3 膨胀页岩陶粒的物理力学性能

表4 混凝土试验配合比

1.2 试验方法

本试验按现行标准CECS13:2009的规定执行[6]。梁式试件的尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，每组3个，共18个。试验在试件成型并标准养护28 d后进行。加载采用200 kN伺服式万能试验机，试件挠度采用电测位移计测试装置配合计算机全自动数据采集处理系统同时记录荷载与挠度值并绘制曲线。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

弯曲韧性是评价混凝土弯曲性能的重要参数，它是指纤维混凝土开裂后能继续保持承受较大荷载的能力。根据现行标准CECS13∶2009对混合纤维增强全轻混凝土的弯曲韧性进行评价，由试验获得的梁式试件荷载-挠度曲线，可确定和计算出试件的弯曲初裂强度、弯曲韧性指数、等效弯曲强度和弯曲韧性比，见表5；典型的试件荷载-挠度实测曲线见图1。

2.2 结果分析

（1）混合纤维增强全轻混凝土的弯曲初裂强度随着钢纤维体积率的增加而线性提高，随着聚丙烯纤维掺量的增加无明显变化。钢纤维体积率每增加0.5%，混合纤维增强全轻混凝土的弯曲初裂强度将提高约10%；聚丙烯纤维掺量从0.6 kg/m3每增加0.3 kg/m3，混合纤维增强全轻混凝土的弯曲初裂强度的变化幅度约为±5%。这与混合纤维增强普通混凝土试验结果一致，这是因为钢纤维、混凝土、聚丙烯纤维的弹性模量不在一个数量级别，因此在全轻混凝土承受荷载开裂时，钢纤维对全轻混凝土具有明显的约束和桥架作用，而聚丙烯纤维则很难起到这种协同承载的有利作用。

表5 主要试验结果

图1 混合纤维全轻混凝土的荷载-挠度曲线

（2）混合纤维增强全轻混凝土的等效弯曲强度和弯曲韧性比均随着钢纤维体积率的增加而显著提高，随着聚丙烯纤维掺量的增加也有明显的改善。钢纤维体积率为0.5%、1.0%和1.5%时，混合纤维增强全轻混凝土的等效弯曲强度依次提高了56%、102%和196%，弯曲韧性比依次提高了40%、76%和128%；聚丙烯纤维掺量从0.6 kg/m3增加到0.9 kg/m3和1.2 kg/m3时，混合纤维增强全轻混凝土的等效弯曲强度分别提高了14%和36%，弯曲韧性比分别提高了13%和36%。说明钢纤维和聚丙烯纤维在试件变形较大 （对应于跨度的1/150）的情况下，发挥了协同承载作用。钢纤维跨越表面宏观裂缝，起到了向裂缝两侧混凝土传递和分散应力的桥架作用，可以限制裂缝的进一步开展；聚丙烯纤维分散于细颗粒骨料和砂浆体中，起到了降低混凝土基体内部收缩裂缝[7]，提高基体密实度和消弱裂缝端部应力集中的作用，从而提高了基体与钢纤维之间的粘结能力，进一步发挥了钢纤维的增强增韧效应；同时聚丙烯纤维的高拉伸性能得到利用，使试件的荷载-挠度曲线更为丰满 （图2），增加荷载-挠度曲线下包围的面积，即结构变形耗能能力。单纯从弯曲韧性比来看，偏保守的估算，掺量0.5 kg/m3的聚丙烯纤维相当于体积率0.5%的钢纤维，这对于在保证同样弯曲韧性比前提下降低混凝土自重具有重要价值。

（3）混合纤维增强全轻混凝土的弯曲韧性指数随着钢纤维体积率的增大而增大，特别是在较大变形情况下 （对应于I10和I20）更为明显；聚丙烯纤维的改善作用不明显甚至在大变形情况下出现反复。这一影响规律进一步说明钢纤维对混凝土的弯曲韧性具有决定性的提高效果[8]。但需要注意到，由于弯曲韧性比和弯曲韧性指数对应的试件挠度有别，前者比后者的I20对应的挠度值都大得多，因此聚丙烯纤维的大变形能力在弯曲韧性指数中没有得到充分的反映。尽管如此，还是能看出聚丙烯纤维的有利作用，聚丙烯纤维掺量从0.6 kg/m3增加到1.2 kg/m3时，混合纤维增强全轻混凝土的弯曲韧性指数I5、I10和I20分别提高了6.9%、8.8%和2.5%。从弯曲韧性指数的定义来看[6]，理想弹塑性材料的I5、I10和I20依次为5、10和20。因此，本试验混合纤维增强全轻混凝土具有优良的弯曲韧性。

3 结 论

通过试验研究了混合纤维增强全轻混凝土的弯曲韧性性能，结果表明:混合纤维增强全轻混凝土的各项弯曲韧性参数均随着钢纤维体积率的增大而提高，钢纤维是明显提高全轻混凝土弯曲韧性的决定性因素；聚丙烯纤维可以协同钢纤维提高全轻混凝土的弯曲韧性，在试件挠度较大的情况下作用更为明显。可以根据结构对混合纤维增强全轻混凝土弯曲韧性的不同要求，选取不同的指标进行韧性评价，以合理利用钢纤维和聚丙烯纤维对全轻混凝土的增韧效果。

［1］JGJ 51—2002 轻骨料混凝土技术规程［S］.

［2］李长永，钱晓军，赵顺波.全轻混凝土力学性能试验研究［J］.混凝土， 2010（5）:79-82.

［3］李长永，陈淮，赵顺波.钢纤维全轻混凝土抗冻性能研究［J］.混凝土， 2011（11）:98-99， 102.

［4］潘丽云，袁浩，赵顺波.Experimental study on mechanical properties of hybrid fiber reinforced full lightweight aggregate concrete［J］.Advanced Materials Research,2011（197-198）:911-914.

［5］潘丽云，袁浩，赵顺波.混合纤维增强全轻混凝土早龄期抗裂性试验研究［J］.水力发电， 2011， 37（9）:95-97.

［6］CECS13∶2009 纤维混凝土试验方法标准［S］.

［7］马一平，仇建刚，王培铭，等.聚丙烯纤维对砂浆塑性收缩行为的影响［J］.建筑材料学报， 2005， 8（5）:499-507.

［8］赵顺波，孙晓燕，李长永，等.高强钢纤维混凝土弯曲韧性试验研究［J］.建筑材料学报， 2003， 6（1）:95-99.