聚烯烃粗合成纤维混凝土抗弯韧性试验

邓宗才，师亚军，曹 炜

（北京工业大学 城市与工程防灾减灾省部共建教育部重点实验室，北京 100124）

0 引 言

普通混凝土易裂，严重影响结构耐久性，掺入纤维后，可有效改善抗裂性［1－2］。粗合成纤维价格低廉，施工方便，能有效阻止裂缝扩展，可增强混凝土变形能力和韧性，提高抗疲劳、抗冲击性能等［3－4］。

纤维混凝土抗弯韧性指标极为重要［5－8］，可反映纤维对混凝土的增韧效果，它是开发新纤维品种、确定纤维品种及纤维掺量、检测和控制混凝土质量的重要指标。

本文中笔者通过试验研究了3种不同直径和长度的粗合成纤维增强混凝土的抗弯韧性，并与素混凝土、单掺钢纤维及钢纤维与合成纤维混掺试件进行了对比，探讨了纤维掺量、纤维直径、基体强度、混掺方式等对抗弯韧性的影响规律。

1 试验概况

1.1 纤维材性

聚烯烃粗合成纤维（聚丙烯与聚乙烯的共聚物）力学性能指标见表1。圆丝浪形钢纤维由江西赣州大业金属纤维有限公司提供，直径和长度分别为0.9mm和50mm，强度均为700MPa。

表1 粗合成纤维力学性能指标Tab.1 Mechanical Property Indexes of Macro－fibers

1.2 混凝土配合比

普通混凝土C25，C35采用P.O32.5普通硅酸盐水泥，高强混凝土C50采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，砂采用中砂，石为人工碎石，水为自来水。为了更好地研究混凝土基体强度对纤维增韧效果的影响，试验考虑3种混凝土强度，混凝土配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比Tab.2 Mix Proportions of Concrete

1.3 试件制作

试件尺寸为100mm×100mm×400mm。制作试件时，先将称好的砂、水泥、石依次放入搅拌机，干拌2min，再将水分2次或3次加入，将纤维分散加入并搅拌3min左右，混凝土搅拌好后倒入模具内振捣并抹平，浇注24h后脱模并在标准养护室养护28d，试验前3h从养护室取出晾干，试件编号及纤维掺量见表3。

表3 试件编号及纤维掺量Tab.3 Numbering Specimens and Fiber Contents

1.4 试验方法

抗弯韧性试验在Instron1343伺服系统机上采用三分点加载方式进行，试件跨度为300mm，采用恒位移控制加载，加载速率为0.10mm·s－1。挠度测定时将夹式引伸仪置于试件的中性轴来测定试件的挠度，计算机自动记录数据，并自动绘制荷载－挠度曲线，抗弯韧性试验测试装置如图1所示。

2 试验结果与分析

2.1 破坏过程及形式

单掺或混掺粗合成纤维后，试件具有很好的抗弯韧性，呈延性破坏，各抗弯韧性指数随着纤维掺量的增加而增大。

图1 抗弯韧性试验测试装置Fig.1 Testing Equipment of Flexural Toughness Experiment

当基体强度为C25时，各试件的抗弯强度相差较小。开裂前，荷载增长较快，荷载－挠度曲线呈直线上升趋势；开裂后，挠度增长速度加快，曲线斜率略有下降；当荷载达到峰值以后，荷载迅速下降，挠度也随之有较大增长，试件中部有明显的裂缝出现，之后裂缝缓慢向上发展，裂缝处纤维被逐渐拔出，纤维起到了很好的连接增韧作用。然后荷载缓慢下降，但有部分试件荷载保持不变或略有上升，裂缝逐渐变宽，挠度增大直至试件破坏。

当基体强度为C50时，各试件的抗弯强度同样相差较小，抗弯强度比基体强度为C25时有明显的增大。

3种合成纤维混掺后的试件明显呈延性破坏；单掺钢纤维的试件有较高的峰值荷载，但是开裂后荷载下降较快，然后荷载保持在较低值；粗合成纤维与钢纤维混掺的试件，呈现出良好的延性，粗合成纤维和钢纤维能够发挥各自作用，使试件在出现裂缝后，仍保持较高的荷载，起到了很好的增强增韧作用。

2.2 荷载－挠度曲线

纤维混凝土试件典型的荷载－挠度曲线如图2～9所示。

2.3 抗弯韧性指数

2.3.1 美国ASTM 方法

按照美国ASTM方法求得的纤维混凝土抗弯韧性指数I5，I10，I30及剩余强度SAR见表4。剩余强度SAR的表达式为

式中：P0.5，P0.75，P1.0，P1.25分别为挠度 0.5，0.75，1.0，1.25mm 时的荷载；l，b，h分别为试件的长度、宽度和高度。

相对剩余强度SIR的表达式为

式中：RMO为纤维混凝土的弯拉强度。

由表4可以看出：

（1）对于基体强度为C25和C50的合成纤维混凝土试件，随着纤维掺量的增加，抗弯韧性指数明显增加。直径为0.5mm的纤维，当掺量由6 kg·m－3增加到11kg·m－3时，抗弯韧性指数I5比素混凝土提高了2.3～3.7倍，抗弯韧性指数I10比素混凝土提高了4.0～7.8倍，抗弯韧性指数I30比素混凝土提高了9.3～18.5倍。直径为0.8mm的纤维，当掺量由6kg·m－3增加到11kg·m－3时，抗弯韧性指数I5比素混凝土提高了1.6～2.7倍，I10比素混凝土提高了2.7～4.8倍，I30比素混凝土提高了7.2～11.2倍。直径为1mm的纤维，当掺量由6kg·m－3增加到11kg·m－3时，抗弯韧性指数I5，I10，I30分别比素混凝土提高了1.5～2.7，3.4～5.8，8.9～14.7倍。

表4 抗弯韧性试验结果Tab.4 Experiment Results of Flexural Toughness

（2）当基体强度提高时，抗弯韧性指数略有上升。如单掺直径0.8mm的合成纤维，当基体强度由C25增加到C50时，抗弯韧性指数I30分别由9.1，9.6，12.0增加到9.2，11.8，12.2。

（3）纤维直径对抗弯韧性指数的影响规律不明确，但从总体上看，掺入直径1mm纤维的试件，其抗弯韧性指数比直径为0.5mm或0.8mm纤维的试件小。为改善韧性，宜选用直径相对较小的纤维。

（4）混掺钢纤维和合成纤维对于改善混凝土裂后行为效果显著，特别对于提高I30效果非常显著。当基体强度为C35时，3种合成纤维混掺后试件的抗弯韧性指数I5，I10，I30分别比素混凝土提高了3.1，5.3，12.0倍；单掺钢纤维后试件的抗弯韧性指数I5，I10，I30分别比素混凝土提高了3.6，4.9，9.6倍；同时掺入合成纤维和钢纤维后试件的抗弯韧性指数I5，I10，I30分别比素混凝土提高了3.8，5.8，18.1倍。合成纤维与钢纤维共同作用，使抗弯韧性指数得到有效提高。

（5）剩余强度随纤维掺量的增加而提高，如基体强度为C25、单掺直径1mm纤维的试件，掺量分别为6，8，11kg·m－3时，剩余强度分别为1.15，1.70，2.20MPa。

（6）合成纤维与钢纤维混掺后，对于改善试件剩余强度效果明显。3种合成纤维混掺后剩余强度为1.54MPa，单掺钢纤维后剩余强度为1.31MPa，合成纤维与钢纤维混掺后的剩余强度达到了3.21 MPa，高于上述2种掺法剩余强度之和。

2.3.2 日本JSCE方法

按照日本JSCE方法求得的纤维混凝土抗弯韧性指标和韧度因子试验结果见表5，其中，Tb为抗弯韧性指标，¯σ为韧度因子。

表5 抗弯韧性指标和韧度因子Tab.5 Flexural Toughness Indexes and Toughness Genes

由表5可知，纤维掺量增加对提高抗弯韧性指标效果明显。当基体强度为C25和C50时，3种合成纤维单掺的试件，抗弯韧性指标Tb和韧度因子¯σ随纤维掺量的增加而增加。

混掺3种合成纤维的混凝土试件韧度因子¯σ为1.71MPa，单掺钢纤维的混凝土试件韧度因子¯σ为1.46MPa，同时混掺合成纤维和钢纤维的试件韧度因子¯σ达到了3.24MPa，远高于其他试件。可见，这种混掺方式可有效提高混凝土试件的韧性。

2.3.3 新评价方法

上述方法可以评价纤维对混凝土的增韧效果，但也存在不足之处，美国ASTM方法中的抗弯韧性指数对初裂挠度要求较高，但初裂点不易确定且其离散性较大，不同试验者采用的方法也各不相同，要想取得准确的荷载－挠度曲线，对试验机要求较高；日本JSCE方法中峰值荷载容易确定，但不能反映纤维对混凝土开裂后的增韧作用。由荷载－挠度曲线可知，粗合成纤维混凝土具有良好的延性，峰值荷载后仍可保持较高水平，甚至有上升的趋势，试件挠度为2mm时，纤维对韧性的作用还很明显，挠度大于2mm后，伺服试验机费时且纤维增韧作用下降，为了较好地反映粗合成纤维的增韧效果，剩余强度计算可以将梁挠度为2mm作为结束标准。建议剩余强度SAR为

式中：P1.5，P2.0分别为挠度为1.5，2.0mm 时的荷载。

采用新评价方法［9］计算得到的剩余强度见表6。

与表4相比，单掺合成纤维试件剩余强度SAR变化较小，变化幅度在3%以内，但是单掺钢纤维试件采用新评价方法计算，其剩余强度SAR减小了6.85%，3种合成纤维混掺后剩余强度SAR增加了4.54%。粗合成纤维可有效提高混凝土试件韧性，峰值荷载后可保持较高的荷载，而单掺钢纤维试件在峰值荷载后，荷载下降较快，延性较差。采用此评价方法可充分反映合成纤维混凝土具有良好的阻裂能力和变形特性。

3 结语

（1）掺入粗合成纤维后，试件具有很好的弯曲韧性，呈延性破坏。

（2）当基体强度为C25，C50时，单掺粗合成纤维试件的抗弯韧性指数随纤维掺量增加而增加。

（3）当基体强度提高时，单掺粗合成纤维试件的抗弯韧性指数略有上升；当纤维直径变化时，抗弯韧性指数变化不明显。

（4）3种合成纤维混掺后，试件的剩余强度为1.54MPa，单掺钢纤维试件的剩余强度为1.31 MPa，3种合成纤维与钢纤维混掺后，试件的剩余强度达到了3.21MPa，高于3种合成纤维混掺试件与单掺钢纤维试件的剩余强度之和，使不同纤维的性能得到了充分发挥。

（5）粗合成纤维混掺可有效提高混凝土梁的韧性，峰值荷载后可保持较高荷载，而单掺钢纤维混凝土梁在峰值荷载后，荷载下降较快，延性较差，采用新评价方法可充分反映出粗合成纤维混凝土裂后阻裂能力高、变形大的特点。

表6 采用新评价方法计算的剩余强度Tab.6 Residual Strength Calculated by New Evaluation Method

［1］ASTM C1018－97，Standard Test Method for Flexural Toughness and First－crack Strength for Fiber Reinforced Concrete［S］.

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