混杂合成纤维道路混凝土韧性特征与机理分析

王　帅，武书华，何　锐，盛燕萍

(长安大学材料科学与工程学院， 西安　710061)



混杂合成纤维道路混凝土韧性特征与机理分析

王帅，武书华，何锐，盛燕萍

(长安大学材料科学与工程学院， 西安710061)

根据水泥混凝土路面的实际受力条件，采用弯曲韧性和冲击韧性两个指标对所制备的聚乙烯纤维/聚丙烯粗合成纤维混杂增强混凝土的韧性特征进行全面评价，并结合SEM微结构分析结果对其增韧机理进行了探讨。结果表明，所制备的4组混杂纤维混凝土的弯曲韧性指标均超过理想弹塑性材料的标准，并且在初裂产生后仍具有较高的强度保持能力，试件的裂缝曲折且细微，有效扩散了裂缝尖端的应力集中；混杂纤维混凝土试块的抗冲击韧性大幅提升，吸收的冲击能约是普通混凝土试块的15倍；采用聚乙烯/聚丙烯粗合成纤维可以在几何形状尺寸与力学性能上形成具有一定级配结构的纤维增强材，产生正混杂效应。

纤维混凝土； 弯曲韧性； 冲击韧性； 微结构； 增韧机理

1　引　言

水泥混凝土的致命弱点为抗拉强度低、脆性大和韧性差等，从而易引发混凝土路面早期开裂、断板和错台等现象，严重降低了其服役性能和使用寿命。尤其是随着大型货运和超载超限车辆比重不断增加，其病害现象更为严重。目前国内外学者普遍认为提高混凝土抗裂性能和韧性的有效措施是采用纤维增强的方式。然而人们多是将注意力集中在单一纤维对混凝土增强效果的研究上[1,2]。根据混凝土复杂的结构层次特点[3,4]，通过不同纤维的设计与组合以产生正混杂效应，利用“一加一大于二”的效应，使研制出的新型高性能纤维混凝土材料不仅性能优异而且具有良好的社会经济效益。基于此思想，当前研究人员先后制备了钢/聚丙烯纤维、聚丙烯/碳纤维或碳/碳纤维等多种混杂纤维混凝土，并对其抗压和抗弯拉性能进行了测试与评价，但是对于其韧性特征的研究仍较少[5,6]。

韧性是描述纤维混凝土发生塑性变形直至断裂全过程能量吸收能力的基本参数[1]。其中，弯曲韧性主要用来反映材料抵抗静力荷载破坏的能力，而冲击韧性可以更好的模拟材料抵抗动态荷载的疲劳与冲击作用。因此，采用弯曲韧性和冲击韧性两个指标可以全面表征混凝土路面抵抗开裂损伤的能力。综上，本文采用高弹模聚乙烯(PE)纤维和低弹模聚丙烯粗合成纤维(CPP)混杂增强制备出性能优异的混杂纤维混凝土，并针对混凝土路面的实际受力特征，采用弯曲韧性和冲击韧性两个指标对其韧性特征进行评价，同时结合微结构测试结果分析了其增韧机理。

2　试　验

本文在参考前期研究基础上通过优化设计进行混杂纤维的选用和设计[7-9]，具体包括高弹模聚乙烯(PE)纤维和聚丙烯粗合成纤维(CPP)，其主要性能指标如表1所示。其它原材料包括：42.5普通硅酸盐水泥(C)；I级粉煤灰(F)；SF93硅灰(SF)；粒径为4.75～16mm的石灰岩碎石(A)粗集料；洁净天然河砂细集料(S)，细度模数为2.48；聚羧酸高性能减水剂(SP)，固含量20%，减水率30%；饮用自来水(W)拌合。通过对比分析后确定所采用配比如表2所示。表2中除了PE和CPP为总体积掺量(%)外，其它材料用量均为与胶凝材料的质量之比。混凝土搅拌均匀后分别浇筑弯曲韧性和冲击韧性测试试件。

表1　增强纤维的性能指标

表2　混凝土试验配合比

参照ASTMC1018弯曲试验方法进行混杂纤维混凝土梁弯曲韧性试验[10]，试件为400mm×100mm×100mm的小梁试件，采用三分点加载方式，在跨中安装数显千分表，同时记录荷载与跨中挠度，测试装置如图1所示。每组测试3个试件。根据测试荷载-挠度曲线结果，取开裂变形δ对应的曲线下面积为基准值，分别取3δ、5.5δ和10.5δ时的变形曲线下的面积与基准值的比值作为弯曲韧性指标，并依次记为I5、I10和I20。为了表征材料在初裂荷载以后的强度保持能力，根据弯曲韧性指标结果计算其残余强度指标R5,10和R10,20，对于理想弹塑性材料来说残余强度指标为100。

目前国际上常用的混凝土抗冲击性能测试方法主要有爆炸试验、射弹试验和落锤冲击试验等，其中落锤冲击试验由于原理简单，操作方便等优点而受到ACI544委员会的推荐[11]。因此，本文基于ACI544委员会推荐的测试原理进行优化改进，设计出一种便携式落锤冲击试验装置(如图2所示)，其中落锤质量为4.5kg，预设下落高度为457mm。试件为直径150mm、厚60mm的圆饼形试件，每组配比制备6个试件。观察每次冲击完成后试件的表面裂缝，记试件出现第一条裂缝时的冲击次数为初裂冲击次数Nc，记试件破坏且与底座上任意3块挡板接触时的冲击次数为破坏冲击次数Nu。试验结束后，根据式(1)计算试件在变形与开裂过程中所吸收的冲击能W。初裂产生以后，横跨裂缝两端的纤维将冲击波分散传递，并在界面处产生相对滑移以引起能量损耗。同时，纤维在承受冲击荷载时通过自身的延性和阻尼作用，可以产生类似于弹簧的缓冲作用以加快冲击波的衰减速度，提高纤维混凝土的冲击抗力。初裂产生后的裂缝扩展速度随纤维混凝土韧性的提高而减慢，其承受冲击作用的次数也随之增大。

所以，纤维对混凝土冲击韧性的改善主要体现在初裂产生以后，仅仅依靠冲击能W很难准确评判纤维混凝土的冲击韧性特征。因此，现建立混杂纤维混凝土冲击韧性指标Tc如式(2)所示。

W=Nmgh

(1)

TC=(NC-Nu)mgh

(2)

式中，N-冲击次数；m-钢锤质量，取4.5kg；g-重力加速度，取9.8m/s2；h-冲击锤下落高度，取457mm。

图1　弯曲试验测试装置Fig.1　Bending test apparatus

图2　便携式混凝土落锤冲击测试装置Fig.2　Portable concrete drop hammer impact test device

3　结果与讨论

3.1弯曲韧性特征

各组试件的弯曲性能测试结果如表3所示，表中ffc为开裂强度、ffu为极限弯拉强度、δfu为极限挠度。可以看出，普通混凝土在初裂发生时即达到其承受极限，承载能力迅速破坏；而混杂纤维混凝土在初裂发生以后强度仍有很大的发展空间，承载力得到大幅提高。虽然纤维的加入使得混凝土的初裂强度有所降低，但是其极限强度大大提升，并且随着外部荷载的增大跨中挠度持续增长，混杂纤维混凝土的极限跨中挠度是N的13～16倍，具有明显的韧性特征。

表3　混凝土弯曲性能测试结果

根据ASTMC1018的规定，I5、I10、I20分别为5、10和20时，对应的材料为理想弹塑性材料，对应的残余强度指标为100。且弯曲韧性指数与参与强度指标越大，表示材料韧性越优异。由于N组材料的破坏迅速，所以无法测出其韧性指数与残余强度指标。而4组混杂纤维混凝土材料均超过理想弹塑性材料标准，且在初裂产生后仍具有较强的强度保持能力，说明其具有较好的弯曲韧性。因此如果将此4种材料用于水泥路面中，可大幅提高结构的抗裂性能。综合韧性指数与残余强度指标来看，P-2和P-4两组材料要优于另外两组。

加载结束后从试件底部的开裂裂缝形态(图3)可以看出，N试件的破坏模式是一条平直的裂缝贯穿整个试件，开口两侧未发现微细裂缝，说明试件受力后迅速破坏，耗散能量较小。而其余四组混杂纤维试件的破坏模式均较曲折，且可明显观察到大量的斜向微细裂缝分布在开口附近，说明试件在加载过程中主裂缝扩展缓慢，并是由两条或多条裂缝汇集而成，耗散的能量更大。因此混杂纤维的加入使得在破坏前裂缝尖端的应力集中得到有效的扩散，裂缝扩展路径延长，韧性明显提高。

图3　弯曲测试开裂模式图(a)N;(b)P-1;(c)P-2;(d)P-3;(e)P-4Fig.3　Bending test cracking images diagram

3.2冲击韧性特征

表4所示为冲击性能测试结果。从表中可以看出，普通混凝土试块经历很少的冲击次数后即开裂，并且Nu与Nc的差值很小，说明其为脆性破坏。混杂纤维混凝土试块的承受冲击次数快速增大，吸收的冲击能相对于普通混凝土试块提升约14倍。初裂产生前冲击能主要被水泥基体和粗集料吸收；当初裂产生后PE纤维加速了冲击波的耗散，约束了微细裂缝的扩展，而随着裂缝扩展宽度的增大CPP纤维的桥联作用开始显现，因此其Nu和W值大幅提高。在测试过程中发现，普通混凝土试块在初裂后，裂缝向边缘迅速扩展，发生贯通破坏使试件断裂，如图4a所示。而混杂纤维混凝土试块在初裂后仍能继续承受冲击荷载，随着冲击荷载的继续，其变形逐渐变大，冲击点逐渐出现碎屑，裂缝由试件中心逐渐向四周辐射发展，并且在开裂处可见有大量PE和CPP纤维桥联在裂缝两端，其典型的破坏模式如图4b所示。此外，冲击试验结束后，普通混凝土试块表面的冲击点处留下约2mm深的浅坑，而混杂纤维混凝土试块则留下约20～30mm深的凹坑。

表4　混凝土冲击性能测试结果

图4　冲击试验破坏形态(a)N;(b) P-2Fig.4　Impact test failure mode

根据前文分析可知，纤维对冲击波的耗散作用主要是初裂产生以后才开始显现的，因此在冲击能指标W中纤维的增韧作用被弱化，并且对于硬化后的水泥混凝土路面来讲，其在服役过程中都是处于带裂缝的工作状态，所以采用冲击韧性指标Tc能够较好的反应其抵抗外部车辆荷载冲击的能力。从冲击韧性指标Tc来看，配比P-2的冲击韧性最好，其次为P-4，与弯曲韧性表现为相同的趋势。

3.3增韧机理分析

纤维主要通过阻止裂缝扩展、增加混凝土基体的强度和断裂能来实现混凝土的增韧[12]。从几何形状及尺寸上来看，本文所采用纤维的外形分别为平直形和波浪形，长度分别为12mm和28mm，直径分别为25μm和800μm；从力学性能上来看，本文所采用纤维的外形分别为2900MPa和530MPa，弹性模量分别为110GPa和7GPa。因此，这种基于几何形状尺寸以及力学性能的多层次结构与混凝土材料多相、多层次的复合结构相契合，可以对从水泥净浆到粗骨料的混凝土各级组分进行加强增韧，形成一种具有一定级配结构的纤维增强混合材，使断裂能在宏观界面的择优取向逐步弱化，从而使各个层面的裂缝扩展被抑制，有利于纤维增强混凝土不同力学性能之间的相互补充与协同作用，产生正混杂效应。

综合分析P-1和P-2的韧性指标测试结果可以看出，虽然二者纤维掺量相同，但是掺入硅灰后P-2组试件的弯曲韧性和冲击韧性均得到大幅提升。分析其原因主要是PE和CPP纤维均为憎水性材料，其分子结构中无亲水基团，由于边壁效应与微区泌水效应的综合作用导致其与水泥基体之间形成的界面过渡区结构疏松，界面粘结较差。由于硅灰的微填充效应和活性效应，可使胶凝浆体形成致密的体系结构，界面过渡区密实程度提高，所以界面粘结性能得以改善。为了探讨纤维/基体界面区微结构的形成与作用机理，本文在P-1和P-2试件的断面上取样并进行抛光处理后采用SEM对CPP纤维与基体的界面区微结构进行分析，测试结果如图5所示。

图5　界面区微观形貌(a)P-1(×1000);(b)P-2(×1000);(c) P-1(×20000);(d) P-2(×20000)Fig.5　Morphology of the interfacial region

从图5可以看出，两个试样的微结构存在明显的差异，P-1的界面区内部有少量的孔隙和微裂缝，结构松散，而P-2则几乎没有明显的界面区，纤维与水泥基体之间的粘结密实。将界面区形貌进一步放大后发现(图5c,d)，在P-1的界面区内有大量板状C-H晶体聚集，水化产物分布松散，而在P-2的界面区内其水化产物则大部分是不规则絮状C-S-H凝胶和少量柱状AFt，相互叠加、交织而形成致密的网络状结构，所以P-2的界面粘结得以改善。对于纤维混凝土而言，当纤维/基体界面区结构松散，C-H取向程度明显时，则会产生一种“负中心质效应”，从而影响纤维效应的发挥。硅灰的加入不仅消耗掉过量的C-H，减少了其在界面区的聚集，而且反应生成更紧密结合的微结构，提高应力的传递效果，从而保证纤维“大中心质效应”的充分发挥。因此，对于P-2来讲，其纤维增韧效应范围增大，在宏观上表现为弯曲韧性和冲击韧性的提升。虽然P-3的纤维掺量要比P-2大，但是当纤维掺量过大时纤维不能均匀分散，容易结团，其增韧作用受到限制，所以P-3的韧性反而下降。

4　结　论

(1)所制备的4组混杂纤维混凝土材料的弯曲韧性指标均超过理想弹塑性材料的标准，并且在初裂产生后仍具有较高的强度保持能力；从裂缝形貌上看，试件的裂缝曲折，开口附近有大量的斜向微细裂缝，有效扩散了裂缝尖端的应力集中，使韧性明显提高；

(2)提出的冲击韧性指标Tc能较好的反应混凝土抵抗外部车辆荷载冲击的能力，加入混杂纤维以后混凝土试块所承受的冲击次数快速增大，吸收的冲击能约是普通混凝土试块的15倍。

(3)采用PE和CPP纤维可以在几何形状尺寸与力学性能上形成具有一定级配结构的纤维增强材，弱化了断裂能在宏观界面的择优取向，从而产生正混杂效应；硅灰的加入减少了C-H在界面区的聚集，并生成更紧密结合的微结构，提高了应力的传递效果，使得纤维增韧效应范围增大，在宏观上表现为弯曲韧性和冲击韧性的提升。

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ToughnessCharacteristicandMechanismAnalysisofHybridSyntheticFiberReinforcedPavementConcrete

WANG Shuai,WU Shu-hua,HE Rui,SHENG Yan-ping

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710061,China)

Accordingtotheactualstressconditionsofcementconcretepavement,flexuraltoughnessandimpacttoughnesswereadoptedtoevaluatethetoughnesscharacteristicofpavementconcretereinforcedwithhighelasticmoduluspolyethylenefiberandlowelasticmoduluspolypropylenesyntheticfiber.ThetougheningmechanismwasdiscussedthroughcombinedwithSEMmicrostructureanalysis.Theresultsshowthat,theflexuraltoughnessindexofallthefourgroupspreparedhybridfiberconcretearebetterthanstandardelastic-perfectlyplasticmaterial.Afterthegenerationoffirstcrack,thespecimenstillpossesseshighstrengthretention,andthecrackpatternistortuous，sothatthecracktipstressconcentrationdiffusedeffectively.Theimpacttoughnessofhybridfiberreinforcedconcreteincreasesgreatly.Itabsorbstheimpactenergyisabout15timesthatofordinaryconcretetestblocks.Thereinforcingmaterialofpolyethylenefiberandpolypropylenesynthetichasagradationinthesizestructureandmechanicalpropertiesofgeometricshapes,producingpositivehybrideffect.

fiberreinforcedconcrete;flexuraltoughness;impacttoughness;microstructural;tougheningmechanism

国家自然科学基金资助(51508030);教育部高等学校博士点基金项目(20130205110013);中国博士后科学基金项目(2014M552397);长安大学中央高校基本科研业务费专项资金资助(2014G1311082，310831162001);浙江省交通运输厅科研计划项目(2014H38)

王帅(1990-)，男，硕士研究生.主要从事路面材料工程方面的研究.

何锐，博士,副教授.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0106-06