混杂纤维喷射混凝土板弯曲韧性评价分析*

张严方

武昌工学院 湖北 武汉 430065

引言

普通素喷射混凝土由于抗拉强度低，易发生脆性破坏而失效，限制了其在实际工程中的应用。如在喷射混凝土中掺入乱向分布的纤维，能有效阻止混凝土内部裂纹的产生和发展，并能提高喷射混凝土的韧性及延性[1-2]。近年来采用喷射大板法来测定喷射混凝土的弯曲韧性，本文采用圆板、方板两种大板试件，对钢纤维与聚丙烯纤维组成的混杂纤维喷射混凝土弯曲韧性进行了试验研究，测定了试件的荷载-挠度曲线，分别按照欧洲EFNARC 2002标准[3]、美国ASTM C1550标准[4]的韧性指标计算方法，分析了混杂纤维喷射混凝土的弯曲韧性，计算各组试件的断裂能，探讨了纤维掺量及类型对喷射混凝土弯曲韧性的影响规律，与单一聚丙烯、钢纤维喷射混凝土韧性进行了对比。并比较了圆板与方板韧性评价方法的优缺点。

1 试验概况

1.1 喷射混凝土配合比设计

混凝土基准配合比见表1。

表2 混凝土基准配合比 kg/m3

1.2 试件制作方法及编号

纤维喷射混凝土试件采用湿喷法进行喷射，纤维喷射混凝土试件的制作与养护过程参照CECS13：2009纤维混凝土试验方法标准[5]。弯曲韧性方板法试件尺寸为600mm×600mm×100mm,圆板试件尺寸：直径800mm，厚度75mm。试件编号和纤维掺量(体积率)见表2。表中SP: Square panel，方板试件；RP：round panel,圆板试件。钢纤维a：微细平直型钢纤维，钢纤维b:端钩型钢纤维。

表2 试件各组编号及纤维体积掺量 %

2 弯曲韧性试验方法

2.1 试验加载方法

方板法按照欧洲标准EFNARC 2002对进行试验，支座为正方形钢框加载至方板中心挠度达到25mm时结束。圆板法按照美国ASTM C1550韧性试验标准进行试验，采用三点对称球铰支座支撑试件进行加载，加载的速率为2mm/min，试验加载至方板中心挠度达到45mm时结束。

2.2 试件荷载挠度曲线

图1 试件荷载-挠度曲线

由图1(a)可知，不掺任何纤维的素混凝土方板挠度值达到6.8mm时试验结束。钢纤维与聚丙烯纤维混杂的混凝土方板的耗能能力均有不同程度的提高，钢纤维与聚丙烯纤维的同时掺入能发挥较好的桥接裂缝与增韧的作用。当聚丙烯纤维掺量不变时，随着钢纤维掺量的增加，混凝土的荷载-挠度曲线更趋于平缓。当混凝土开裂后，混杂纤维混凝土方板的抗弯承载力并没有立刻的下降，而是持续上升直至出现二次峰值，且随着钢纤维掺量的增加，二次增强的作用更加明显。数量众多的钢纤维横跨裂缝，纤维传递拉应力的能力随着钢纤维掺量的增加而增强。从图中可以看出，与方板SP2相比，方板SP3的抗弯极限荷载值提高了30%，且荷载挠度曲线的下降段更趋于平缓。纤维混凝土在受弯破坏的过程中，由于受拉区混凝土产生的应变硬化效应以及纤维的桥联作用，导致混凝土试件的受弯失效模式发生了改变，受拉区混凝土的裂缝在开展的过程中，钢纤维与混凝土界面逐渐发生滑移而被拔出，在此过程中吸收了大量的能量，从而提高了试件的弯曲韧性。

由图1(b)可发现，掺有微细平直型钢纤维混凝土圆板的峰值荷载值比同掺量的端钩型钢纤维混凝土圆板高出约8%～12%，荷载-挠度曲线的下降趋势也更加平缓，微细平直型钢纤维的增韧效果优于端钩型钢纤维。导致两者出现差异性的原因：①混凝土在受拉开裂后退出工作，混凝土的承载能力均由钢纤维承担，钢纤维的抗拉强度是影响纤维混凝土极限承载能力的主控因素，而微细平直型钢纤维的抗拉强度是端钩型钢纤维的2倍，对混凝土的增强作用更加明显。②单根微细平直型钢纤维的体积仅为端钩型钢纤维的0.07，在纤维掺量相同的条件下，单根微细平直型钢纤维根数是端钩型钢纤维14倍，基体混凝土开裂后，横跨裂缝的钢纤维数量有着大幅度的提升，纤维传递拉应力的能力随之增强，增韧的效果得以提升。

由图1(b) RP3，RP6两组的荷载挠度曲线可知，聚丙烯纤维与钢纤维的同时加入能明显的改善喷射混凝土裂后耗能能力，降低了混凝土裂后抗弯承载力的下降速度，曲线下降段更加平缓，曲线包围面积相应增大，其包围面积混杂纤维混凝土＞单掺钢纤维a混凝土＞单掺钢纤维b混凝土＞素混凝土，混杂纤维混凝土的增韧能力最优。

2.3 断裂能

基于断裂力学测量各组圆板试件断裂区所消耗的能量GF，通常采用荷载-挠度曲线下的面积来计算，参照RILEM标准，断裂区耗能公式为：

式中：W0——荷载挠度曲线与横坐标所围成的面积，N⋅m

mm1——支座间板的质量，g；2——加载设备的质量，g

δ0——板最终破坏的挠度，mm；g——重力加速度；

Alig——断裂区的面积， m2

表3 喷射混凝土断裂能

利用公式（1）～（2）对纤维喷射混凝土圆板试件断裂能GF进行计算，结果如表3所示。从表3可以看出，随着纤维的掺入，喷射混凝土的断裂能有不同程度的提高。与素喷射混凝土RP1相比，RP2提高了7.7倍，RP3提高了11.5倍，RP4提高了6.3倍，RP5提高了9.3倍，RP6提高了10.7倍。与RP2相比，RP3断裂能提高了49.1%，随着钢纤维的增加，喷射混凝土断裂能随之提高。与RP6相比，RP3断裂能略有提高，分析其原因，混凝土裂缝宏观尺寸较大时，除了通过钢纤维与混凝土基体的结合力发挥作用外，低弹模聚丙烯纤维在自身变形拉长的过程中耗散了大量的能量，能较好地阻止裂缝进一步的扩展。由此可见，钢纤维与聚丙烯纤维同时掺入，能显著提高喷射混凝土的断裂能，钢纤维对喷射混凝土断裂能的增强作用尤为突出，其次聚丙烯纤维能够略微提高。

3 圆板、方板弯曲韧性试验方法比较

3.1 受弯破坏形态

纤维喷射混凝土方板破坏时在二维的方向发生作用，由方板试验可以看出方板SP1～SP3破坏时出现裂缝的条数均不等，裂缝实际出现的位置及产生数量很难去预测，方板法只能反映部分喷射混凝土的性能。而纤维喷射混凝土圆板试件的支座采用的是三点对称支撑，可以保证同时出现三条从圆板中心向外扩散的裂缝，这种破坏形态更有利于混凝土能量的吸收与消耗，能够如实的反映纤维在一个平面三个方向上的增韧作用。因此，圆板法的破坏形态与实际隧道衬砌支护工程更为接近。

3.2 韧性指标与受力状态

分别对方板、圆板的荷载挠度曲线积分求出能量吸收值，圆板试件需按照公式（3）对能量吸收值进行修正。

式中： β = 2 .0 - ( δ - 0 .5)/80，w0为仪器测量的能量吸收值，t0与t分别为板的公称厚度(t0=75mm)与平均厚度，mm；d0与d分别为板的公称直径(d0=800mm)与平均直径，mm；δ为圆板中心点处的挠度值，mm。

表4 方板与圆板试件韧性指标统计结果

对同纤维掺量的方板SP2与圆板RP2，方板SP3与圆板RP3进行能量吸收值的数据统计，方板法选用的耗能指标为方板中心挠度值达到25mm时的能量吸收值（ES,25），圆板法选用的耗能指标为圆板中心挠度值达到40mm时的能量吸收值（ER,40），每组6个试件，统计的数据见表4。由表中的数据可知，各组试件的能量吸收值均存在显著的差异，与钢纤维掺量为0.8%的RP2、SP2相比，钢纤维掺量为1.2%的RP3、SP3能量吸收值分别提升52.4%、44.5%。纤维混凝土的韧性随着钢纤维掺量的增加而显著提升。

从两种方法统计的离散系数来看，采用方板法测得能量吸收值变异系数的最小值为12.3%，变异系数的最大值为16.7%，采用圆板法测得能量吸收值变异系数的最小值为3.5%，最大值为6.9%，方板能量吸收值的变异系数 CV%比同纤维掺量的圆板高出8%～10%。说明采用方板法测得的耗能指标离散程度要比圆板法高。产生试验结果的差异性有以下原因：

（1）由于方板法支撑条件采用的是四边简支，这种支撑条件必须依赖高度平整的方板试件，试件任何细微的形状不规则或者不平整均会影响方板的支撑条件进而导致方板的实际受力状态发生改变，由于试件本身混凝土正常收缩也会导致试件出现变形，现实的试验条件很难保证方板试件四边支撑条件完全相同，从而导致最终试验结果的离散性较高。

（2）圆板法试验装置采用的是三个球铰支座互成120度角支撑形成一静定体系，传力途径比较合理，其试验结果的离散性不依赖于支撑条件的影响。

（3）圆板法耗能指标采用的是修正值，避免喷射混凝土试件实际尺寸发生误差进而影响最终测试结果的准确性，因此圆板法试验结果的精确度较高。综上所述，圆板法是更适合评价喷射混凝土实际支护结构变形耗能的韧性测试方法。

4 结束语

（1）纤维喷射混凝土的韧性与钢纤维掺量、种类有关，方板、圆板试件的抗弯极限荷载值、能量吸收值与断裂能随着钢纤维掺量的增加而提高。掺有超短微细平直型钢纤维混凝土的裂后增韧效果均优于端钩型钢纤维混凝土。

（2）与单一钢纤维喷射混凝土相比，聚丙烯纤维与钢纤维同时加入能明显的改善混凝土裂后耗能能力，荷载挠度曲线下降更加平缓，曲线包围面积、断裂能均大于单一钢纤维喷射混凝土。

（3）通过比较方板法与圆板法的受弯破坏形态、耗能与受力状态等方面因素，发现圆板法更适合评价纤维喷射混凝土的弯曲韧性。

[1] 黄承逵.纤维混凝土结构[M].北京:机械工业出版社,2004:55.

[2] 邓宗才,刘国平,杜超超,等. 新型粗聚烯烃纤维高性能混凝土弯曲韧性[J]. 建筑材料学报,2014,17(2):228-233.

[3] EFNARC-2002(European Federation of Producers and Applications of Specialist Products for Structures),European Specification for Sprayed Concrete [S]. Loughborough:Loughborough University,2002.

[4] ASTM C-1550.Standard test method for flexural toughness of fibre reinforced concrete(using a centrally loaded round panel)[S]. West Conshohoken:American Society for Testing and Materials,2003.

[5] CECS13:2009 .纤维混凝土试验方法标准[S].北京:中国计划出版社,2010.