层布式混杂纤维混凝土抗压及抗拉性能试验研究

2015-12-21张海鹏

水利与建筑工程学报 2015年5期

张海鹏，陈猛，白帅，蔡勤

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110819)

混凝土在工程中使用广泛，其自重大、易产生裂缝和抗拉强度低等缺点也越来越难以满足对建筑的要求。由此许多学者想到在混凝土中添加纤维来探索混凝土性能的变化情况，被添加在混凝土中的纤维包括有机、无机和金属纤维等。钢纤维等高弹性模量纤维对混凝土的增强和增韧效果明显，但是价格高，施工难度大[1－2]。合成纤维等低弹性模量纤维对混凝土的增韧效果较好并且对耐久性改善较大，但增强效果较差[3－4]。为此，某些学者提出了层布式钢纤维混凝土，即把钢纤维均匀分布于试件的上下表面一定厚度的表层内，中间仍为素混凝土。其力学性能与钢纤维混凝土相近，但钢纤维用量只有钢纤维混凝土的10%，明显降低了成本[5－8]。然而，由于纤维只是添加在上下表面，其中间部分十分脆弱。在此基础上，为有效地结合钢纤维在增加混凝土强度和韧性方面的性能以及聚丙烯纤维在提高耐久性方面的功效，采用层布式钢－聚丙烯混杂纤维混凝土，即把聚丙烯纤维均匀分布于混凝土中，而把钢纤维均匀分布于试件的上下表面一定厚度表层内，以得到增强增韧效果好且价格便宜的层布式混杂纤维混凝土[9－11]。同济大学姚武等[12]研究了碳－钢混杂纤维混凝土的抗压、抗拉、弯曲韧性等性能。黄国栋等[13]研究了强度为CF40混杂纤维混凝土在14 d、28 d、56 d的抗压强度和劈裂强度。朱海堂等[14]对混杂纤维高强混凝土试件进行楔劈拉伸试验。可见相关学者对混杂纤维混凝土进行的研究工作中，选取的混凝土强度、纤维类型、纤维掺量等各有不同，对钢－聚丙烯混杂纤维混凝土的力学性能研究仍有大量工作需要开展。

在现有理论和试验基础上，本实验通过改变纤维的掺加方式，对设计强度为C50的层布式混杂纤维混凝土进行立方体抗压和劈裂抗拉试验，研究层布式混杂纤维对混凝土的增强效果和作用机理。

1 试验内容与方法

为了对C、PFRC、LSFRC和 LHFRC进行力学性能对比，分别对四种混凝土进行立方体抗压和劈裂抗拉试验。

混凝土胶凝材料为华新42.5普通硅酸盐水泥，减水剂为FDN－2000早强高效减水剂。连续级配碎石作为粗骨料，粒径取5 mm～30 mm，中粗砂作为细骨料，细度模数取为2.6。钢纤维为上海贝尔卡特钢纤维公司生产的端勾型钢纤维，其主要参数见表1;聚丙烯纤维为廊坊华能化工有限公司生产的聚丙烯纤维，其主要参数见表2。

表1 钢纤维物理力学性能指标

表2 聚丙烯纤维物理力学性能指标

本试验制备C、PFRC、LSFRC和 LHFRC四种材料，素混凝土设计强度等级为 C50。混凝土材料的配合比见表3。

表3 四种类型混凝土配合比

2 抗压性能试验结果及分析

2.1 抗压强度结果及分析

测试抗压强度的试件为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，混凝土立方体抗压强度代表值计算式为，式中:fcu为混凝土立方体抗压强度，MPa;F为极限荷载，N;A为受压面积，mm2。四种材料的立方体抗压强度试验结果见表4。

表4 立方体抗压强度试验结果

由表4可知，PFRC的立方体抗压强度比C低3.9%;LSFRC和LHFRC的立方体抗压强度分别比C高4.9%和4.3%;LHFRC的立方体抗压强度比PFRC高8.6%，比LSFRC低0.5%。聚丙烯纤维会使混凝土立方体抗压强度有所降低，钢纤维会使混凝土立方体抗压强度有所提高，但是二者增强和减弱效果均不明显。

2.2 受压破坏形态及分析

四种材料的立方体抗压强度试验试件破坏形态如图1所示。

从破坏形态来看，C在破坏时表现为典型的脆断，出现爆裂现象，属于脆性破坏。压碎时出现整面压碎脱落现象，并且边缘破坏严重。由于环箍效应，破坏后呈“上下粗，中间细”的形状。而PFRC内大量均匀分布的纤维形成纤维网，在破坏时并不像C那样出现崩碎和强度的突然降低，出现不剥落和破碎的裂缝，整体性较好。LSFRC和LHFRC呈现出相当大的延性，开裂后裂缝有一个明显的开展过程，出现破坏征兆，使混凝土表现出延性破坏的性质。受压时LSFRC由于纤维仅分布在两个侧面的表面，与之相邻另外两个侧面并没有掺杂钢纤维，裂缝较宽且长，混凝土逐渐剥离掉落;LHFRC破坏时裂纹小于LSFRC，试件很完整，整体性表现良好。

图1 四种材料立方体抗压强度试验破坏图

在受压破坏中，聚丙烯纤维等合成纤维有一定的阻裂作用，但钢纤维的阻裂作用更大。加入的纤维在混凝土中产生了新的界面即“纤维—混凝土界面”，这形成了新的破坏因素。特别是聚丙烯纤维掺量大时，需要大量的水泥浆体进行包裹，使振捣困难，基于以上原因，PFRC的抗压强度会适当降低。而在进行立方体抗压强度试验时，LSFRC和LHFRC中间的混凝土部分会受压膨胀，两个侧面掺有钢纤维的表面能有效限制膨胀作用，进而使抗压强度增大。所以说，LSFRC和LHFRC的强度增长是由于钢纤维发挥了阻裂作用。

聚丙烯纤维的加入可以使混凝土发挥一定的延性作用。钢纤维的层布掺入或钢纤维与聚丙烯纤维的混杂掺入能够有效改变混凝土的破坏特征，使延性作用更明显，即由脆性破坏变为延性破坏。LHFRC和LSFRC比PFRC具有更加良好的破坏形态，原因是钢纤维的阻裂效果比聚丙烯纤维大得多，并因此导致强度的提高。

3 抗拉性能试验结果及分析

3.1 劈裂抗拉强度结果及分析

测试劈裂抗拉强度的试件同样选用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，将劈裂抗拉强度作为表征混凝土抗拉强度的特征值。混凝土劈裂抗拉强度计算式为:fts=0.637，式中 fts为混凝土劈裂抗拉强度，MPa;F为试件破坏荷载，N;A为试件劈裂面面积，mm2。四种材料的劈裂抗拉试验结果及拉压比见表5。

表5 四种材料的劈裂抗拉试验结果及拉压比表

由表5可知:PFRC、LSFRC和LHFRC的劈裂抗拉强度分别比 C高出5.19%、10.86%和12.59%;LHFRC的劈裂抗拉强度比PFRC和LSFRC的分别高出 7.04% 和 1.56% 。

LHFRC能够有效提高混凝土的劈裂抗拉强度，并且其抗拉性能比PFRC和LSFRC都高，即比掺入一种纤维时提高混凝土性能更多，可见层布式混杂纤维混凝土在提高劈裂抗拉强度方面，能够集聚丙烯纤维混凝土和层布式钢纤维混凝土二者优点于一身。但是LHFRC与LSFRC的劈裂抗拉强度十分接近，这说明掺加层布式钢纤维对混凝土劈拉强度的提高远大于掺填聚丙烯纤维对混凝土劈拉强度的提高。

四种材料的拉压比均在1/12～1/14之间，层布式混杂纤维的掺入提高了混凝土的拉压比，说明层布式混杂纤维的掺入对混凝土抗拉强度的提高较为明显。

3.2 劈裂抗拉破坏形态及分析

四种材料的劈裂抗拉试验破坏形态如图2所示。

C劈裂抗拉试验试件沿劈裂线发生脆性断裂，PFRC劈裂抗拉试验试件断裂时有一定的延性，而LSFRC和LHFRC试件沿劈裂线发生延性拉裂。从破坏形态来看，PFRC略好于 C;LSFRC和 LHFRC均保持良好的整体性，LHFRC试件裂缝处可见上下两层钢纤维交错排列，LHFRC的裂缝小于LSFRC，可见LSFRC和LHFRC均具有较好的延性。

图2 四种材料的劈裂抗拉试验破坏形态图

在混凝土硬化过程中聚丙烯纤维可以减少初始裂缝的产生，从而减少材料的内部缺陷，间接增强了混凝土的抗拉强度。由于聚丙烯纤维的弹性模量只有3.8×103MPa，因此可以在混凝土初裂阶段发挥阻裂作用。钢纤维的弹性模量远高于混凝土的弹性模量，在混凝土开裂后上下两层钢纤维可以约束裂缝发展。钢纤维和混凝土之间具有良好的粘结效果，在裂缝扩展阶段，混凝土基体将荷载传递给钢纤维，提高了材料的劈裂抗拉强度。

4 层布式混杂纤维混凝土增强机理分析

混凝土硬化过程中，混凝土骨料会在重力作用下逐渐下沉。在振实过程中，上下两层撒布的钢纤维会由于密度的差异在混凝土中四处分散开来，从而形成乱向的交叉分布，加上聚丙烯纤维均匀分散于基体混凝土中形成网状结构，所以会阻止骨料的下沉，减少了硬化过程中的基体收缩，从而减少原始微裂纹的萌发。

另外，由于水分的蒸发和转移会引起混凝土内部产生裂纹，裂纹的存在使混凝土在受到荷载作用时发生应力集中，从而使裂纹逐渐扩展。纤维在混凝土中主要起桥接裂缝的作用[15]。聚丙烯纤维的存在能够限制混凝土的开裂，延缓裂缝出现的时间。但是由于聚丙烯纤维弹性模量较低，它的阻裂作用有限，主要在较低拉应力情况下起作用。拉应力较大时，具有高弹性模量的钢纤维将发挥突出的增强作用。

宏观裂缝出现后，此时聚丙烯纤维因弹性模量很低承受不住如此大的拉应力就会破坏，相应的拉应力会传递给钢纤维，钢纤维担负的拉应力将变得更大。可见，聚丙烯纤维与钢纤维在裂缝开展的过程中分别对混凝土起约束作用，从而提高混凝土的强度。

从试件的破坏形态来看，LHFRC试件的破坏形态与C有较大的区别。在抗压试验中，C试件裂缝数量少而裂缝很宽。在劈拉试验中，混凝土试件劈裂断开。LHFRC的表现明显不同，其抗压试件裂缝细密，劈拉试验试件破坏时虽然开裂但仍能保持为整体。