混杂钢－聚丙烯纤维混凝土的试验研究与强度计算

陕 亮,张 亮

（1.武汉大学土木建筑工程学院,武汉 430072；2.武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉 430071；3.长江科学院材料与结构研究所,武汉 430010）

混杂钢－聚丙烯纤维混凝土的试验研究与强度计算

陕 亮1,3,张 亮2,3

（1.武汉大学土木建筑工程学院,武汉 430072；2.武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉 430071；3.长江科学院材料与结构研究所,武汉 430010）

为探究混杂钢－聚丙烯纤维混凝土力学性能,基于复合材料强度理论,在试验研究的基础上,对混凝土强度对比试验结果进行数值分析,并根据试验结果规律,给出了混杂钢－聚丙烯纤维混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和轴心抗拉强度的计算式,以及各强度间的关系。通过数理统计方法分析研究了混杂纤维混凝土中纤维体积率、长径比对强度的影响,确定了计算模式中的待定参数。从强度计算式中不同纤维对应的影响系数可以看出,对混杂钢－聚丙烯纤维混凝土的强度起决定作用的是钢纤维的体积率和长径比；混杂钢－聚丙烯纤维混凝土的强度计算式与关系式拟合效果良好,可为同行业研究者们和工程应用提供参考。

混杂钢－聚丙烯纤维混凝土；强度计算式；强度关系；体积率；长径比

2015,32（12）：114－119

1 研究背景

根据复合材料力学方法,将纤维作为混凝土的次增强筋适量掺入,是提高普通混凝土强度及性能的重要手段之一。复合化是提高混凝土等水泥基材料性能的主要途径,而纤维增强是核心[1］。纤维混凝土依靠纤维与混凝土界面的粘结与混凝土共同作用,当混凝土内的拉应力自其界面传递给纤维时,纤维因变形而消耗能量,从而增强了混凝土吸收能量的能力。

纤维在混凝土中主要起着阻裂、增强、增韧3个方面的作用,但是一种纤维有时只起到其中单一方面或两方面的作用,这与纤维品种、纤维性能、纤维与混凝土界面间的粘结状况等因素密切相关。研究表明：高弹性模量纤维能提高混凝土的抗拉、抗弯、抗剪强度以及抗疲劳性能和刚性；低弹性模量纤维能提高混凝土的抗裂、抗冲击、抗冻、抗渗及韧性和耐久性等与材料塑性有关的物理性能[2－7］。将高弹性模量的钢纤维和低弹性模量的聚丙烯纤维混杂应用于混凝土中,能充分发挥“正混杂效应”,通过不同纤维对混凝土在不同阶段不同层次的作用,可进一步改善混凝土的性能[8－10］。《纤维混凝土结构技术规程》[11］（CECS 38：2004）中增加了有关合成纤维混凝土的内容,但对混杂纤维混凝土还没有规范性文件。混凝土的强度和强度间的关系是其力学性能中的基本指标,因此,研究混杂钢－聚丙烯纤维混凝土的强度计算式及其之间的关系非常有必要。本文在试验研究的基础上,根据混凝土强度对比试验结果进行数值误差分析,按舍弃准则进行舍弃,建立了强度计算式,并按我国混凝土规范所建立的变异系数原则修正力学关系式,从而使混杂钢－聚丙烯纤维混凝土（简称HSPFRC）的力学性能设计指标能与国家现行混凝土规范并轨,可为工程应用提供参考。

2 试验材料及试验方案

2.1 试验材料

HSPFRC基本力学性能试验所用材料包括钢纤维、聚丙烯纤维和基准混凝土。钢纤维（简称SF）是纤维混凝土承重结构中常采用的纤维,按材质可分为碳素钢纤维与不锈钢纤维；按外形分有平直形、波浪形、弯钩形、压痕形、大头形等；按生产工艺分有切断型、剪切型、铣削型、熔抽型等；按施工用途可分为浇筑用钢纤维和喷射用钢纤维。本研究采用上海贝卡尔特——二钢有限公司生产的佳密克丝钢纤维,该纤维呈胶粘排列的集束状,其水溶性易分散于混凝土中,主要物理性能如表1所示。

表1 钢纤维物理性能Table 1 Physical properties of steel fibers

聚丙烯纤维（简称PPF）是由丙稀聚合物或共聚物制成的烃类纤维,不吸水,为惰性材料,不与酸碱、外加剂及混凝土其它成分发生反应。本研究采用北京中纺纤建科技有限公司生产的凯泰（CTA）砂浆/混凝土抗裂改性聚丙烯单丝纤维,其主要物理性能如表2所示。

表2 聚丙烯纤维物理性能Table 2 Physical properties of polypropylene fiber

2.2 基准混凝土配合比设计

纤维混凝土的配制受到许多边界条件的约束,因而在混凝土配合比设计及纤维掺量上都有取值区间。目前,我国尚没有混杂纤维混凝土配合比设计规程,本文以纤维体积率和纤维长径比为关键变量进行对比试验研究,因此,采用固定基准配合比的试验方法。混凝土配合比设计参考《纤维混凝土结构技术规程》[11］与《钢纤维混凝土试验方法》[12］中的有关要求,经过大量试验性试拌,确定C50基准混凝土配合比如表3,在此基础上确定HSPFRC成型配合比。

表3 基准混凝土配合比Table 3 Mix proportions of the standard concrete

（1）水泥：由于包裹纤维和粗细骨料表面的水泥浆用量较普通混凝土多,因而单位体积水泥用量较普通混凝土水泥用量要大,一般为360～550kg/m3。试验选用武汉亚东水泥厂生产的P.O.42.5普通硅酸盐水泥,不添加其它如粉煤灰、矿渣等活性掺合料。按设计抗压强度设计水灰比,试验水灰比W/C采用0.36。

（2）骨料：宜选密度为2.5～2.7 g/cm3优质中粗砂。试验采用的砂率为42%,选用的河砂细度模数为2.5,含水率为5.5%。碎石的颗粒表面粗糙,富有棱角,能产生良好的机械嵌锁作用,与水泥浆有较强的粘结力,但石料直径不宜大于钢纤维长度的2/3,如果石料粒径过大,钢纤维易集中于大石料周围不便于分散。试验选用级配为5～20 mm的灰岩碎石,针片状颗粒含量不大于5%。

（3）外加剂：掺入高效减水剂可改善拌合料的和易性。试验选用上海马贝产聚羧酸X404高效减水剂。

2.3 试验方法

拌合物装模后放入（25±5）℃环境下静置一昼夜,然后编号拆模。拆模后的试件放入温度为（20±2）℃,湿度为95%的标准养护室中养护28 d。采用尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体试块进行抗压强度与劈裂抗拉强度试验,微机伺服压力试验机以恒定速度加荷,加载速率分别为20 kN/s和2.5 kN/s。单轴极限拉伸试验采用变截面外夹式轴心抗拉试验方法,试验设备为自动伺服万能材料试验机,哑铃形混凝土试件装卡在试验机的上下两夹头中,夹头顶部设有球铰以保证试件物理对中准确,在量测标距段上应力分布均匀,试件宏观裂缝出现的位置可控,加载速率为0.04 kN/s。每组试块3个,3个测值中的最大值和最小值与中间值的差值均小于中间值的15%,取3个测值的算术平均值作为该组试块的强度值。

2.4 试验因素与水平

本文HSPFRC基本力学性能试验包括抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验和轴心抗拉强度试验,每项试验各40组,每组3个试件,总计360个试件。为了揭示混杂纤维掺量变化对基体混凝土坍落度的影响程度,以及引起的结构均匀性的变化,采用保持减水剂掺量不变方式,选取厂家推荐使用范围的上限,为胶凝材料量的0.8%。前期大量的混凝土试拌性试验表明,掺入混杂纤维对基体混凝土的坍落度有着显著的影响,混杂纤维掺量越大坍落度越小,造成混凝土和易性有明显差别[8－9］。在本研究中,混凝土合理的工作性限制了混杂钢纤维、聚丙烯纤维的最大体积率分别为1.2%和0.15%,全面试验的相关纤维体积率、长径比因素与水平列于表4中。

表4 纤维体积率与长径比Table 4 Volume fraction and length-diameter ratios of fibers

3 试验结果与分析

3.1 强度试验结果

HSPFRC的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和轴心抗拉强度的试验值,列于表5至表7,轴心抗拉强度与立方体抗压强度比值Rt/cu列于表8。从中可以看出,HSPFRC基本力学性能中,各强度变化的规律基本相同,强度间表现出了较好的相关性；HSPFRC的拉压比Rt/cu反映出,相对于不掺纤维的基准混凝土,其拉压比普遍有所提高,基本为10%左右的增幅,最大可至18%,但纤维体积率与长径比的不同水平差异对HSPFRC拉压比的影响并不大。

表5 HSPFRC抗压强度试验值Table 5 Measured values of compressive strength of HSPFRC

表6 HSPFRC劈裂抗拉强度试验值Table 6 Measured values of splitting tensile strength of HSPFRC

表7 HSPFRC轴心抗拉强度试验值Table 7 Measured values of uniaxial tensile strength of HSPFRC

表8 HSPFRC轴心抗拉强度与抗压强度比值Rt/cuTable 8 Ratio of uniaxial tensile strength to compressive strength of HSPFRC

试验结果表明：①单掺钢纤维时,混凝土上述强度指标随钢纤维体积率（0.4%,0.8%,1.2%）和长径比（40,55,80）的增加而呈线性增长；②单掺聚丙烯纤维时,混凝土各强度指标随聚丙烯纤维体积率（0.05%,0.10%,0.15%）的增加,有先增加再减小的趋势；③对于混杂纤维混凝土,相同聚丙烯体积率条件下,混凝土强度随钢纤维体积率的增加有不同程度的提高,且长径比为80的钢纤维混凝土强度的增加略优于其他2种长径比的钢纤维,但在Vpf达到0.15%且Vsf达到1.2%时,混凝土强度有下降趋势；④混杂纤维混凝土在相同钢纤维体积率条件下,混凝土的强度随聚丙烯纤维体积率的增加有先增加后减小的趋势,Vpf为0.15%时强度比0.10%时普遍要小,说明聚丙烯纤维的体积率不宜超过0.10%。

出现强度有下降趋势的原因是：纤维掺量过大会大大降低混凝土拌合物的坍落度,此时即使再增加减水剂也无法改善,因而影响成型的密实效果,引起混凝土内部形成局部的蜂窝、空洞和孔隙的聚集,以及影响混杂纤维在基体中的均匀分散,即单位体积基体中纤维间距小于某一临界值后导致纤维间作用的相互干扰,不能够很好地相互协调工作,出现纤维间相互搭接、交叉、缠绕重叠,使纤维与水泥砂浆的接触面积减少,从而纤维与基体的粘结削弱,表现在宏观性能上,就是纤维对混凝土的增强作用弱化乃至减小。

综上所述,混杂钢－聚丙烯纤维混凝土中的纤维掺量不宜过大,且在低掺量的情况下存在一个最佳的纤维掺量,本研究中体积率为0.8%、长径比为80的钢纤维,与体积率为0.10%的聚丙烯纤维进行混掺,可获得较好的力学性能。

3.2 强度关系

由于HSPFRC各强度间有较好的相关性,因此,可合理建立各强度间的关系式。混凝土劈裂抗拉强度试验,采用标准的立方体试件,试验方法简单易行,因而成为抗拉强度试验中最为普遍的测定方法。根据试验实测值统计分析,本文采用幂函数表达式反映HSPFRC劈裂抗拉强度fft,s与立方体抗压强度ffcu之间的关系为

整体绝对误差[13］IAE＝3.93%,试验值对计算值比值的变异系数δ＝0.049。

由于劈裂抗拉强度是间接测定混凝土的抗拉强度,而轴心抗拉强度即对试件直接施加轴向荷载测得的抗拉强度值才是混凝土的真正抗拉强度值。因此,根据试验实测值统计分析,HSPFRC轴心抗拉强度fft与立方体抗压强度ffcu之间的关系可表示为

整体绝对误差IAE＝4.02%,试验值对计算值比值的变异系数δ＝0.051。

3.3 强度计算式

《纤维混凝土结构技术规程》[11］给出了采用影响系数法来表征钢纤维混凝土中,钢纤维对混凝土强度的增强作用,强度计算公式形式如下：

式中：fsf,f分别为钢纤维混凝土和普通混凝土强度值；α为钢纤维影响系数；λsf为钢纤维特征值；Vsf为钢纤维体积率；lsf/dsf为钢纤维长径比。

目前的研究者们均以此为基础提出了同类型的强度表达式[13－15］。尽管在回归方程式时,纤维特征值采用幂函数形式,拟合判断系数R2将更高,拟合效果更好,但方程形式也将过于复杂。因此,本文参照上式给出如下2种HSPFRC强度计算公式,分别为不考虑或考虑纤维混杂交互作用强度影响系数γ的计算式：

式中：ff,f分别为混杂钢－聚丙烯纤维混凝土和基准普通混凝土的强度值；α,β,γ分别为钢纤维、聚丙烯纤维、纤维混杂交互作用的强度影响系数；λsf,λpf分别为钢纤维、聚丙烯纤维特征值；Vsf,Vpf分别为钢纤维、聚丙烯纤维体积率；lsf/dsf,lpf/dpf分别为钢纤维、聚丙烯纤维长径比。

试验结果表明纤维掺量过大时,纤维作用出现工作不协调的状态,混凝土强度呈下降趋势,并不满足强度随纤维特征值单调增加的表现形式。为了使工程应用与现行国家混凝土规范衔接,故HSPFRC强度计算式取Vsf≤1.2%、Vpf≤0.10%的试验数据进行回归分析。对于一元一次或多元一次函数或可化为一次函数的,其常数项和因变量前的系数可用最小二乘法回归分析,本文采用DATAFIT软件对表5至表7中的强度试验实测数据进行回归分析,所得强度计算式列于表9中。

实测结果显示,HSPFRC抗拉强度比抗压强度要离散,这个现象与普通混凝土的性能相同,表现为非均质材料的内部缺陷对受拉的影响比受压影响敏感,符合混凝土材料的特征。同时,上述计算式中不同纤维对应的影响系数表明,混杂钢－聚丙烯纤维混凝土中起决定作用的是高弹性模量的钢纤维的体积率和长径比,低弹性模量高延性的聚丙烯纤维影响次之。

表9 HSPFRC强度计算式Table 9 Calculation formulas of strength of HSPFRC

4 结 论

（1）随着钢纤维与聚丙烯纤维生产技术的提高,尤其是混凝土工作性对纤维最大掺量的约束,纤维掺量应控制在较低的水平,更大的纤维掺量不必要也不合适。在低掺量的情况下,亦存在一个最佳的纤维掺量,本文混杂钢－聚丙烯纤维混凝土试验中,选择体积率为0.8%,长径比为80的钢纤维,与体积率为0.10%的聚丙烯纤维进行混掺,可获得较好的力学性能。

（2）从强度计算式中不同纤维对应的影响系数可以看出,混杂钢－聚丙烯纤维混凝土的强度,起决定作用的是钢纤维的体积率和长径比。

（3）混杂钢－聚丙烯纤维混凝土的强度计算式与关系式拟合效果良好,可为同行业研究者们和工程应用提供参考。

[1]吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M］.北京：中国铁道出版社,1999.（WU Zhong-wei,LIAN Hui-zhen.High Performance Concrete[M］.Beijing：China Railway Publishing House,1999.（in Chinese））

[2]赵国藩,彭少民,黄承逵.钢纤维混凝土结构[M］.北京：中国建筑工业出版社,1999.（ZHAO Guo-fan,PENG Shao-min,HUANG Cheng-kui.Steel Fiber Reinforced Concrete Structure[M］.Beijing：China Architecture and Building Press,1999.（in Chinese））

[3]GAO J M,SUN W,MORINO K.Mechanical Properties of Steel Fiber-reinforced,High-strength,Lightweight Concrete[J］.Cement and Concrete Composites,1997,19（1）：307－313.

[4]BENSAID B,MOSTEFA H.Flowability of Fibre-reinforced Concrete and Its Effect on the Mechanical Properties of the Material[J］.Construction and Building Materials,2010,24（9）：1664－1667.

[5]SONG P S,HWANG S,SHEU B C.Strength Properties of Nylon-and Polypropylene-fiber-reinforced Concretes[J］.Cement and Concrete Research,2005,35：1546－1550.

[6]SOROUSHIAN P,KHAN A,HSU J W.Mechanical Properties of Concrete Materials Reinforced with Polypropylene or Polyethylene Fibers[J］.ACI Materials Journal,1992,89（2）：535－540.

[7]BAYASI Z,ZENG J.Properties of Polypropylene Fiber Reinforced Concrete[J］.ACI Materials Journal,1993,90（6）：605－610.

[8]SHAN L,ZHANG L.Experimental Study on Mechanical Properties of Steel and Polypropylene Fiber-Reinforced Concrete[J］.Applied Mechanics and Materials,2014,584－586：1355－1361.

[9]SHAN L,ZHANG L,XU L H.Experimental Investigations on Mechanical Properties of Hybrid Steel-Polypropylene Fiber-Reinforced Concrete[J］.Applied Mechanics and Materials,2014,638－640：1550－1555.

[10］徐礼华,夏冬桃,夏广政.钢纤维和聚丙烯纤维对高强混凝土强度的影响[J］.武汉理工大学学报,2007,29（4）：58－60,98.（XU Li-hua,XIA Dong-tao,XIA Guang-zheng.Effect of Steel Fiber and Polypropylene Fiber on the Strength of High Strength Concrete[J］.Journal of Wuhan University of Technology,2007,29（4）：58－60,98.（in Chinese））

[11］中国工程建设标准化协会.CECS 38：2004,纤维混凝土结构技术规程[S］.北京：中国计划出版社,2004.（China Association for Engineering Construction Standardization.CECS 38：2004,Technical Specification for Fiber Reinforced Concrete Structures[S］.Beijing：China Planning Press,2004.（in Chinese））

[12］中国工程建设标准化协会.CECS13：89,钢纤维混凝土试验方法[S］.北京：中国计划出版社,1989.（China Association for Engineering Construction Standardization.CECS13：89,Test Methods for Steel Fiber Reinforced Concrete[S］,Beijing：China Planning Press,1989.（in Chinese））

[13］夏广政,夏冬桃,徐礼华.混杂纤维增强高性能混凝土拉压比试验研究[J］.重庆建筑大学学报,2007,29（5）：103－106.（XIA Guang-zheng,XIA Dong-tao,XU Li-hua.Evaluation of Ratio between Splitting Tensile Strength and Compressive Strength for Hybrid Fiber Reinforced HPC[J］.Journal of Chongqing Jianzhu University,2007,29（5）：103－106.（in Chinese））

[14］黄承逵,赵国藩.钢纤维混凝土设计强度的计算模式[J］.大连理工大学学报,1991,31（5）：585－591.（HUANG Cheng-kui,ZHAO Guo-fan.Calculation Models for Design Strength of Steel Fibre Reinforced Concrete[J］.Journal of Dalian University of Technology,1991,31（5）：585－591.（in Chinese））

[15］刘胜兵,徐礼华.混杂纤维高性能混凝土强度的计算方法探讨[J］.武汉理工大学学报,2012,34（11）：109－113.（LIU Sheng-bing,XU Li-hua.Calculation Method of Strength of Hybrid Fiber Reinforced High Performance Concrete[J］.Journal of Wuhan University of Technology,2012,34（11）：109－113.（in Chinese））

（编辑：陈绍选）

Experimental Research and Strength Calculation of Hybrid Steel-polypropylene Fiber Reinforced Concrete

SHAN Liang1,3,ZHANG Liang2,3
（1.School of Civil Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China；2.School of Materials Science and Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430071,China；3.Materials and Structure
Department,Changjiang River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China）

On the basis of contrasting experiment results of concrete strength,numerical analysis is carried out to explore mechanical properties of hybrid steel-polypropylene fiber reinforced concrete（HSPFRC）.The calculation formulas and relations among compressive strength,splitting tensile strength and axial tensile strength of HSPFRC are proposed based on the theory of composite material strength and the experimental observations.The undetermined parameters in the model are solved by means of statistical method,and the effects of volume fraction of fiber and length-diameter ratio on strength are taken into account for hybrid fiber reinforced concrete.In light of influence parameters of the strength formulas for different kinds of fibers,we can find that volume fraction of steel fiber and length-diameter ratio are vital to the strength of HSPFRC.The calculation formulas and dependence relations are well fitted,so they can be referenced for researchers in the same field and engineering application.

hybrid steel-polypropylene fiber reinforced concrete（HSPFRC）；strength formula；strength relationship；

TU528.572

A

1001－5485（2015）12－0114－06

10.11988/ckyyb.20140858

2014－10－09；

2015－01－19

长江科学院中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（CKSF2013032/CL）

陕 亮（1976－）,男,湖北公安人,高级工程师,博士,主要从事水工结构研究,（电话）027－82829754（电子信箱）robert＿shanl＠163.com。

volume fraction；length-diameter ratio