钢筋与结构型合成纤维对混凝土抗冲击性能混杂效应的分析

李 冬，丁一宁

(大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

钢筋与结构型合成纤维对混凝土抗冲击性能混杂效应的分析

李 冬，丁一宁

(大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

为了研究钢筋与结构型合成纤维混杂后对混凝土抗冲击性能的影响，采用改进的自由落球冲击试验装置，对素混凝土、钢筋混凝土、结构型合成纤维增强混凝土以及钢筋-结构型合成纤维混杂增强的混凝土试件的抗冲击性能进行了试验研究，分析了钢筋、结构型合成纤维以及钢筋与结构型合成纤维混杂后对混凝土抗冲击性能的影响及其增强机理。同时，利用Weibull分布理论分析了试件初裂冲击次数和破坏冲击次数的分布规律。研究表明：结构型合成纤维可以提高混凝土抗冲击性能；对于提高混凝土的抗冲击性能，钢筋与结构型合成纤维表现出显著的正混杂效应； 两参数Weibull分布能较好的描述钢筋-结构型合成纤维混凝土抗冲击次数的分布特征。

自由落锤冲击试验；抗冲击性能；混杂效应；Weibull分布

由于我国沿海省份多为软土地基，地质情况较差，这就要求超过一定高度的建筑必须采用桩基础，而钢筋混凝土预制桩成本较低、施工较快，被广泛应用。但是，采用打入式施工的钢筋混凝土预制桩，尤其是中长桩和长桩，常在打桩阶段发生桩顶冲击破坏的情况(如图1)。目前，国内外通常采用钢纤维作为钢筋混凝土预制桩的增强材料，以提高桩顶的抗冲击性能[1]。虽然钢纤维与钢筋共同作用可以显著提高混凝土的抗冲击性能[2]，但是桩基通常处于软土地基中，桩周环境恶劣，混凝土内的钢纤维容易锈蚀，严重时会造成混凝土剥落，影响桩基的耐久性。而结构型合成纤维也是一种优异的增强增韧材料，具有耐腐蚀性好，价格低的优点[3-4]，在恶劣环境下可以替代钢纤维使用，因此研究结构型合成纤维改善钢筋混凝土的抗冲击性能具有重要的工程应用价值。

图1 冲击破坏的桩头Fig.1 Impact failure of pile head

国内外学者针对结构型合成纤维混凝土抗冲击性能进行了大量的研究。ERDEM等[5-6]利用落球冲击试验,DAWOOD等[7-9]利用弯曲冲击试验研究了结构型合成纤维对混凝土抗冲击性能的影响，结果表明结构型合成纤维可以提高基体的抗冲击性能。但是，实际工程中应用的大多是钢筋混凝土结构，而针对钢筋与结构型合成纤维混杂以改善混凝土抗冲击性能的研究尚鲜有报道。

本文参照美国混凝土协会(ACI544)推荐的混凝土落锤冲击试验方法，利用本课题组的发明专利——自由落球冲击试验装置，进行了钢筋-结构型合成纤维混凝土抗冲击性能的试验研究，比较了纤维掺量对钢筋-结构型合成纤维混凝土抗冲击性能的影响，量化了钢筋与结构型合成纤维的正混杂效应并利用Weibull分布理论对冲击试验结果进行了统计分析。

1 试验概况

1.1 原材料与混凝土配合比

表1 混凝土配合比

表2 macro PP纤维和钢筋用量

NC:素混凝土,设计强度 C60; PPm: macro PP 纤维混凝土，纤维掺量为mkg/m3(m=4,6) ; RC: 钢筋混凝土; RC+PPm: 钢筋与 macro PP 纤维混杂混凝土, 纤维掺量为mkg/m3(m=4, 6)。

图2 macro PP纤维和12钢筋Fig.2 macro PP fibers and 12 steel rebar

1.2 试验方法

目前，对于测试混凝土的抗冲击性能，常用的试验方法有落球冲击试验、爆炸试验、霍普金森压杆试验、摆锤冲击试验等。其中由美国混凝土协会(ACI 544)提出的落球冲击试验法较为经济、适用，得到广泛地推广，根据试件支撑条件分为冲压冲击试验和弯曲冲击试验两种。该法由一定重量的钢球从指定高度自由下落冲击试件，试验过程中记录试件初裂与破坏的冲击次数[10-11]。

1-磁性开关；2-冲击锤；3-支架；4-护筒；5-传力球；6-试件挡板；7-刚性底板图3 改进的自由落锤冲击试验装置(mm)Fig.3 Improved drop-weight test device(mm)

本文参照美国混凝土协会(ACI 544)的冲压冲击试验方法，试验装置的形状、尺寸如图3所示。我们借助竖向支架在指定高度设置磁性开关，以保证每次冲击锤下落高度和冲击点位置的准确性，从而减少人为因素给试验带来的误差。此外，由于本试验部分试件中配有钢筋，破坏冲击次数将大大提高，为了减少工作量，将冲击锤的高度提升至600 mm。试验前，预先将试件底部涂一层黄油以减少装置对试件的横向约束，按照图3将试件和辅助装置安装好。试验时，将质量为4.54 kg的钢质冲击球从落距为600 mm的高度自由下落。在每次冲击完后，仔细观察试件表面是否出现裂缝，当试件表面出现第一条可见裂缝后，记下冲击次数，即为初裂冲击次数N1。然后在不断冲击的过程中，试件裂缝逐渐变大，当试件接触到装置4个挡板中的3个时，定义为试件破坏，记录破坏时的冲击次数N2。

2 试验结果与统计分析

2.1 冲击试验

对36个试件采用改进的试验装置进行自由落锤冲击试验。表3列出了各组试件的初裂冲击次数N1、破坏冲击次数N2的比例关系N1/N2; 从表3中可以看出N1、N2都具有较大的离散性。

表3 冲击试验结果

掺不同增强项的混凝土试件抗冲击性能指标的分析结果如表4所示。表中冲击耗能的计算公式为：

W=N2mgh

(1)

式中：W为冲击耗能，J；N2为破坏冲击次数；m为落球质量，4.54 kg;g为重力加速度，9.8 N/kg；h为落球下落高度，0.6 m。

表4 冲击试验分析结果

通过对表4中各组试件初裂冲击次数N1和破坏冲击次数N2的对比分析，可以看出：

对素混凝土试件NC：初裂冲击次数N1与破坏冲击次数N2相等。表明素混凝土具有明显的脆性，试件开裂即破坏。

对于macro PP纤维增强的混凝土试件PP4和PP6：当纤维掺量为4 kg/m3时，N1和N2的平均值分别为素混凝土的1.1倍和2.2倍；当纤维掺量为6 kg/m3时，N1和N2的平均值分别为素混凝土的1.5倍和2.7倍。表明macro PP纤维的掺入可以提高试件的破坏冲击次数，即可以提高试件的冲击耗能能力，而且纤维掺量越高，效果越明显。原因是macro PP纤维的阻裂耗能机制。以PP4试件为例，其破坏时沿高度方向的裂缝如图4所示，从图中可以看出，桥接裂缝的macro PP纤维被拉断或拔出。由于桥接裂缝的macro PP纤维传递拉力，可以限制裂缝的扩展，在拉断和拔出两种机制下消耗冲击荷载产生的能量，从而提高试件的耗能能力[12]。另外，由于纤维在基体内是三维随机分布的，因此，macro PP纤维的阻裂耗能作用还受纤维分布、纤维体积率和纤维取向的影响。

图4 PP4试件沿高度方向的裂缝Fig.4 Crack of PP4 specimen along the height direction

对配筋混凝土试件RC：N1和N2的平均值分别为素混凝土的1.4倍和23倍。表明配置钢筋可显著提高试件的破坏冲击次数，即可以显著提高试件的冲击耗能能力，并且提高效果要优于单掺macro PP纤维的试件。主要是由于钢筋、macro PP纤维与混凝土界面间粘结强度的差异。macro PP纤维表面凹凸程度较小，摩擦因数较低；而钢筋表面凸出的肋对混凝土产生的斜向挤压力(图5)，可显著增加其与混凝土的机械咬合作用[13-14]，从而大大提高粘结强度，在与基体界面相对滑移的过程中消耗大量冲击能，显著提高试件的冲击耗能能力。

图5 钢筋肋斜向挤压力[14]Fig.5 Pressure of steel ribs[14]

对钢筋与macro PP纤维混杂试件RC+PP4和RC+PP6：RC+PP4试件N1和N2的平均值分别为素混凝土的1.4倍和33倍；RC+PP6试件N1和N2的平均值分别为素混凝土的1.3倍和50倍。表明钢筋与macro PP纤维混杂还可以使试件的破坏冲击次数有大幅度的提高，即可以使试件的冲击耗能能力大幅提高。原因是在冲击初裂后，钢筋与混凝土界面间的滑移、桥接裂缝的macro PP纤维在基体中滑移、拔出或被拉断两种耗能机制同时存在，冲击耗能能力和限制裂缝扩展的能力大大提高。

2.2 钢筋与macro PP纤维的混杂效应

正混杂效应是指基体中加入不同的增强项，它们之间性能互补，达到一加一大于二的效果[15-16]。本试验中试件的破坏冲击次数如图6、图7所示。从图6可以看出PP4、RC和RC+PP4的破坏冲击次数的值N2分别为33、350和489。RC+PP4的破坏冲击次数与RC和PP4的破坏冲击次数的和相比，提高了28%，即RC+PP4试件的冲击耗能与RC和PP4试件冲击耗能的和相比，提高了28%；从图7可以看出PP6、RC和RC+PP6的破坏冲击次数的值N2分别为40、350和743。RC+PP6的破坏冲击次数与RC和PP6的破坏冲击次数的和相比，提高了90%，即RC+PP6试件的冲击耗能与RC和PP6试件冲击耗能的和相比，提高了90%。因此，在提高混凝土抗冲击性能方面，钢筋与macro PP纤维表现出显著的正混杂效应，即钢筋与macro PP纤维混杂后试件的抗冲击性能要好于单掺macro PP纤维和只配钢筋试件抗冲击性能的总和，而且随着macro PP纤维掺量的增加，正混杂效应明显增加。

图6 RC+PP4的N2值和RC与PP4 N2值和的比较Fig.6 Comparison of N2 values between specimen RC+PP4 and sum of specimen RC and specimen PP4

图7 RC+PP6的N2值和RC与PP6 N2值和的比较Fig.7 Comparison of N2 values between specimen RC+PP6 and sum of specimen RC and specimen PP6

钢筋和macro PP纤维共同作用时，对抗冲击性能的增强效应还可以从试件的破坏形态上加以说明，掺不同增强项混凝土试件的破坏形态如图8所示。

从图8中可以看出在冲击荷载作用下，素混凝土试件NC在第一条裂缝出现时即发生破坏，分成2块(图8中NC)，表现出明显的脆性破坏；掺入macro PP纤维或配筋后，即PP试件和RC试件，在第一条裂缝出现后仍能继续承受冲击荷载，并且随着冲击次数的增加，新的裂缝会产生，随着裂缝的充分发展，变形逐渐增大至试件破坏，破坏时试件通常会出现2～3条裂缝，分成3～4块，表现出显著的韧性破坏特征(图8中PP、RC)；而对于RC+PP试件，试件在承受冲击荷载的过程中，裂缝发展更加充分，其破坏时试件通常出现多条裂缝(图8中RC+PP)。这说明加入增强相(macro PP纤维或钢筋)可以使基体由脆性破坏转变为韧性破坏，试件开裂后，桥接裂缝的macro PP纤维与基体滑移、拔出和被拉断的过程、钢筋基体界面的滑移的过程都可以消耗冲击荷载产生的能量，从而限制裂缝的扩张，使试件破坏时呈多处开裂，且裂而不散，从而提高试件的冲击耗能能力[17-21]。

图8 不同试件破坏形态的比较Fig.8 Comparison of failure patterns of specimens

2.3 冲击次数的概率分布

试验研究表明，混凝土的疲劳寿命服从Weibull分布[22-25]，而混凝土的抗冲击性能与疲劳性能在破坏机理上较为相似[26-27]。本文采用Weibull分布理论对钢筋-macro PP纤维混凝土的抗冲击性能进行概率分布分析。试件抗冲击性能指标的分布规律可以用两参数Weibull分布来表示。Weibull变量N大于某值Nε的概率为：

(2)

式中：Na为特征寿命参数；b为Weibull分布形状参数。

对式(2)进行等价变换可得

lnln(1/P)=blnN-blnNa

(3)

即

Y=α1X-β1

(4)

式中：Y=lnln(1/P)；X=lnN；α1、β1为回归系数。式(4)可用来检验macro PP纤维钢筋混凝土试件抗冲击试验数据是否服从两参数Weibull分布。分析过程分两步进行。第一步，分别将各组试件的初裂冲击次数和破坏冲击次数按递增顺序排列，第二步，存活概率可以表示为

(5)

式中：i为试验数据按照递增排列的序数；k为每类试件的样本总数。图9为各组混凝土试件破坏冲击次数N2的两参数Weibull分布拟合直线。表5列出了按照两参数Weibull线性拟合时不同混凝土试件初裂冲击次数N1和破坏冲击次数N2的结果。

图9 破坏冲击次数N2的Weibull分布线性拟合Fig.9 Linear regression of N2 in Weibull distribution

从图9中可以看出，对于各组混凝土试件的破坏冲击次数N2，各数据点都落在一条直线附近，这说明两参数Weibull分布可以较好的描述混凝土的破坏冲击次数N2。

从表5中初裂冲击次数N1和破坏冲击次数N2的Weibull线性拟合结果可知：12组拟合中，有7组拟合的相关系数R2超过0.950，4组拟合的相关系数R2超过0.900，剩余1组拟合的相关系数R2为0.869，相关系数R2均较高，说明lnln(1/P) 与lnN之间有较好的线性关系，即表明混凝土的初裂冲击次数N1和破坏冲击次数N2均可以采用两参数Weibull分布进行分析。

表5 冲击次数的Weibull分布线性拟合参数

3 结 论

本文研究了钢筋与macro PP纤维混杂后对混凝土抗冲击性能的影响，量化了钢筋与macro PP纤维的正混杂效应，并利用Weibull分布理论对冲击试验结果进行了统计分析。得到结论如下：

(1)macro PP纤维可以提高试件的冲击耗能能力，并且纤维掺量越高，提高效果越明显；当macro PP纤维掺量超过4 kg/m3时，试件由明显的脆性破坏转变为韧性破坏。

(2)在提高混凝土抗冲击性能方面，钢筋和macro PP纤维具有正混杂效应，并且配筋率一定时，macro PP纤维掺量越高，正混杂效应越明显；钢筋与6 kg/m3macro PP纤维混杂后，试件的冲击耗能较RC试件和PP 6试件冲击耗能总和可提高90%。

(3)利用两参数Weibull分布对各组试件的初裂冲击次数N1和破坏冲击次数N2进行线性拟合后，得到的相关系数均大于0.850，说明采用两参数Weibull分布可以较好的描述混凝土抗冲击次数的分布特征。

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Hybrid effect of steel rebar and polypropylene fiber on the impact resistance of concrete

LI Dong, DING Yining

(State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

In order to investigate the hybrid effect of steel rebar and macro polypropylene fiber on the impact resistance of concrete, a series of drop-weight tests were carried out on different kinds of reinforced concrete specimens. The effects of steel rebar and macro polypropylene fiber on the concrete impact performance was analyzed, and the theory of Weibull distribution was adopted to analyse the number of blows till the first visible crack as well as till the failure of the specimen. The results indicate that macro polypropylene fiber can improve the impact resistance capacity and the combination of steel rebar and macro polypropylene fiber has a positive hybrid effect on impact behaviors. The goodness-of-fit tests indicate that the theory of Weibull distribution has a good fitness to describe the impact resistance of concrete.

drop-weight test；impact resistance；hybrid effect；Weibull distribution

国家自然科学基金(51578109)

2015-08-03 修改稿收到日期：2015-12-29

李冬 男，博士生，1989年1月生

丁一宁 男，博士，教授，1962年9月生

TU528.572

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.02.020