纤维掺量对超高韧性混凝土受弯性能的影响

文 韬， 姜久红， 王云飞

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

19世纪20年代硅酸盐水泥横空出世，混凝土以骨料取材的多样性、其构件成形速度快等优点，在我国很多地区多个方面运用极广，但混凝土的抗拉强度低，韧性差，不易受拉，限制着它的应用。为了改变这一现象，一种抗拉强度高、韧性强、开裂后裂纹宽度容易控制的增强混凝土便应运而生，为了进一步强化混凝土材料的韧性和强度，高掺量的高韧性纤维混凝土在近年被广泛研究。

高延性水泥基复合材料英文名为“Engineered Cementitious Composite”,缩写为ECC。1992年由密歇根大学的Li.V.C教授[1-2]采取细观力学和断裂力学的基本原理提出了这种材料的基本设计理念。2009年2月国际知名杂志Forbes对PVA(聚乙烯醇)ECC进行了专题报道，引起了广大学者的高度认可，被认为将会引起新型混凝土材料产业化革命。但高额的价格制约了PVA ECC的产业化之路，在我国的土木工程应用当中，PVA纤维主要进口于日本宝可丽公司，价格昂贵并且制作工艺难以与厂家沟通，而国内PP(聚丙烯)纤维生产厂家众多，制作工艺相对成熟，每公斤价格仅为PVA的1/8。2000年前后，掺有改性PP纤维的高韧性纤维混凝在全球各地大放异彩。美国将聚丙烯纤维大量应用于道路建设当中，采用纤维混凝土铺成的路面，叫做白色路面，简称UTW。1991年，美国肯塔基州路易斯维尔市采用UTW工艺修建的公路解决了沥青路面需要无限修补的问题。同时聚丙烯混凝土也广泛运用于桥梁工程当中，由交通部第二公路局承建的西安市环城大型立交桥采用了聚丙烯纤维，解决了桥面混凝土易产生裂纹的难题。2000年，宁波白溪水库也采用了聚丙烯纤维混凝土浇筑面板坝，以提高抗冲击力和耐磨能力。

本次实验采用表面粗糙化、Y字口截面的改性PP纤维，通过增加其表面性能和粗糙度，继而提高改性PP纤维与水泥基材料的化学结合能力，制作的超强韧性改性PP混凝土(HDPFC)与普通混凝土相比，其抗折强度和抗冲击等力学性能极大提高。由于改性PP纤维价格只有PVA的1/8，使得HDPFC可在土木工程中大范围使用。目前国际上关于PP ECC的研究仅俞家欢[3]和LI V C[4]曾有提及。

1 改性PP纤维掺量对混凝土的增强机理分析

根据英国的Swamy和Naman提出的复合力学模型理论，在分析改性PP纤维含量对混凝土的增强机理时，将采取复合力学模型进行分析：将纤维混凝土看作各向同性材料，整体由混凝土和纤维两部分组成。假设：1)不考虑改性PP纤维与混凝土材料之间的相对侧移；2)假设内部改性PP纤维分布均匀且方向与受力方向保持一致；3)不考虑混凝土和改性PP纤维的塑形变形，将其看作弹性材料。

根据弹性叠加原理：

Ffc=Fc+Fm

其中：Ffc为改性PP纤维混凝土所受的力，Ffc=σfcAfc；Ff为改性PP纤维所受的力，Ff=σfAf；Fm为混凝土所受的力，Fm=σmAm；

可得(单位体积下横截面的比值近似等效于体积率)

σfcAfc=σfAf+σmAm

(1)

式(1)中两边同除以Afc即改性PP纤维混凝土的横截面积，可得

σfc=σfvf+σmvm

其中：vf为改性PP纤维体积率，vm为混凝土体积率。

改性PP纤维混凝土弹性模量Efc是应力σ对应变ε的一阶导数

其中

dεfc=dεf=dεm；

得

Efc=Efvf+Emvm

⟹Efc=Efvf+Em(1-vf)

(2)

由式(2)可见，在应变相同的情况下，改性PP纤维混凝土中的改性PP纤维的应力与混凝土应力的比值等同于两者的弹性模量的比。因此得出结论：当改性PP纤维含量较低时，没有足量的纤维来承受整体材料的拉应力，增加纤维掺量可解决这个问题。

2 试验概况

2.1 试验选材

本试验中超高延性改性PP纤维混凝土的组成材料包括：PO 42.5水泥，一级粉煤灰直径0.1～0.2 mm的精细石英砂、普通自来水、聚羧酸高效减水剂、改性PP纤维中主要的Y字口截面改性PP纤维，在不改变纤维的拉伸强度和韧性的前提下使得纤维表面粗糙化，提高改性PP纤维与水泥基材料的化学结合能。Fu XuLi[5]等研究表明，未经处理的PP纤维与水的接触角为112.5°，经过酸碱表面粗糙化处理过的接触角为78.1°和82.2°，即通过表面粗糙化处理的PP纤维被水浸湿的程度大幅提升。其与普通PP纤维细观差异如图1所示。

图 1 纤维经表面粗糙化处理的SEM照片对比

从图1可知，经处理后的PP纤维表面的粗糙程度大幅增加，更易与水泥基材料及水结合。如图2中的纤维经搅拌后乱向分布，其Y字截面更易贴合水泥基材料。PP纤维的基本性能如表1所示。

表1 PP纤维性能参数

2.2 配合比

邓明科[6-7]等人的研究表示高延性混凝土的PVA含量2%，水胶比在0.27左右时，试件呈现较好的弯曲性能。但改性PP纤维不同于PVA纤维，根据俞家欢[8]团队的研究，PP纤维含量在3%左右时其性能最佳，故取改性PP纤维含量0；2%；3%；4%，水胶比0.29制成试件。配合比如表2。

表2 超高韧性改性PP纤维混凝土配合比

2.3 试件制作

参考我国CECS 13∶2009《纤维混凝土试验方法标准》[9]及日本JSCE SF4[10]标准中受弯韧性试验的规定，制作每组3个尺寸为100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体受弯试件;材料使用强制式混凝土搅拌机搅拌，材料制作时采用“后掺纤维法”制备，在保证纤维的分散相对均匀的前提下，每组试件搅拌的时间基本一致，尽量减少搅拌时间对试件的影响，且所有试件均在同一条件下浇筑、养护。加载时试件龄期为49 d。制作过程如图2所示。

图 2 试件的制备实验过程

3 试验结果及分析

3.1 试验现象

在实验的过程中可以直观地看到纤维对试件的增强效果，在做四点抗折的实验中，随着荷载的不断加大，可以清楚听到纤维拉断的吱吱声，特别是B2和B3的纤维含量较高，纤维含量的增大对试件的受弯机制和裂缝发展机制有较为明显影响。

图 3 四种试件破坏断口裂纹图

B1组改性PP纤维含量为2%，在加载的初期，由于其较低的纤维含量，当试件出现第一条裂缝时只能听见很细微的纤维被拉断的声音，跨中变形较小；随着荷载不断增大，裂纹呈纵向延伸；加载到峰值之后，裂缝宽度开始呈锥形延伸，最终破坏时试件开裂为一条或者多条。最终发展形态如图3b所示。

B2和B3这种纤维含量为3%以上的试件，在加载初期未有明显变化，随着荷载不断增大，第一条裂缝开始出现，此时能明显听见纤维被拉断的“呲呲”声，第一道裂纹没有立马延伸，而是在跨中裂缝旁边延伸出第二条裂缝；当加载到峰值时，跨中裂缝没有明显变化，第二条裂缝开始延倾斜角发展，通过内部纤维被不断拔出散发能量，试件呈现出较大挠度但未明显破坏，具有极好的延伸性。最终发展形态如图3c、d所示。由理论研究可知，改性PP纤维的应力与混凝土应力的比值等同于两者的弹性模量的比。所以低掺量的试件中，少量的纤维无法支撑断裂时产生的巨大拉应力，而导致裂纹提前产生。而增加纤维掺量可解决这一问题。B3试件纤维含量大于B2，图3c和d可明确看出B3试件裂纹大于B2且B2试件在达到最大荷载后表现出较大的挠度，未有明显破坏，纤维掺量增加但抗折强度没有继续增加，出现拐点。根据A1-B3的抗折强度，进一步研究。

3.2 结果分析

从表3和图4中可以看出：随着纤维含量的增加，由于纤维在内部呈乱向桥路连接，在跨中裂缝开始初期，乱向连接的纤维不断撕裂，消耗了巨大的能量。

表3 高延性改性pp纤维混凝土试件抗折强度试验结果

图 4 抗压强度柱状图

高纤维含量的试件除了跨中裂缝之外会在旁边延伸出第二裂缝，从而具有更高的抗折强度，并且达到最大荷载以后拥有较大的挠度。符合上面的理论研究：低掺量的纤维无法支撑断裂时产生的巨大拉应力，而导致裂纹提前产生。由于理论推导中有三个假设：忽略了纤维与混凝土材料之间的相对位移；假想纤维分布均匀并且方向与受力方向一致；认为整个纤维混凝土为塑形材料，发生弹性变形，但实际实验中发现：试件在受力时有部分纤维发生了位移被连根拔起；纤维由于掺量高，在混凝土材料里面呈乱向桥路连接，在受拉时有部分纤维分布方向不平行于受力方向且有倾斜角，横向约束力大大减小；纤维混凝土实际为纤维和混凝土材料组成的复合材料，并不是塑性材料，只有部分发生弹性变形。因此图中出现了明显拐点，纤维含量从3%增加到4%的过程中，抗折强度开始下降，说明并不是纤维含量越高越好，在本次实验中3%掺量的高韧性混凝土抗折强度最高。

4 结论

通过对3组不同掺量的改性PP纤维高韧性混凝土试样抗折强度研究以及纤维增强机理分析，得出以下结论：

1)纤维混凝土的抗折强度随纤维掺量增加而增大，对于纤维掺量较低的高韧性混凝土，其中少量的纤维不足以支撑断裂时产生的巨大拉应力，使得裂纹提前产生,提高纤维含量可解决这一问题。纤维掺量3%～4%过程中混凝土的抗折强度明显减弱，在本次实验中，3%纤维含量的超高韧性改性PP纤维混凝土抗弯性性能最佳。

2)通过试样断裂界面可以看出，改性PP纤维高韧性混凝土内部的纤维呈乱向桥路连接,使试件跨中裂缝的产生和拉伸变形受到了一定的约束，棱柱体破坏之前的抗折能力大大提升，特别是3%纤维含量的棱柱体，在跨中裂缝产生以后，持续加载，跨中裂缝旁有第二条裂缝产生，跨中裂缝不再明显变宽，直至加载结束，棱柱体拥有较大挠度但未明显破坏，拥有良好的延伸性能。

3)与普通混凝土相比，高韧性改性PP纤维混凝土内有纤维产生的横向约束力，抗折强度提升了184%～254%。在受弯过程中，纤维的断裂和拔出消耗了大量能量，增大了高延性改性PP纤维混凝土的挠度，受弯性能大大提升。