聚甲醛纤维超高强混凝土断裂性能研究*

夏旸昊 杨鼎宜,2 高 函 郭子荣 钱云峰

(1.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州 225127；2.扬州大学绿色建筑材料研究所，江苏扬州 225127)

高层、超高层等多样化的建筑发展形式使得高强、超高强混凝土逐渐成为学者们的研究焦点之一。超高强混凝土(UHSC)采用低水胶比和紧密堆积理论降低内部孔隙率，因此其具备高强度、高耐久性的特点[1-2]。但混凝土自身的脆性并未得到改善，在实际工程应用中容易出现断裂裂缝而发生脆性破坏，增加工程风险和维修成本，而已有的研究发现纤维的掺入可以改善其脆性特征，提高断裂性能。

目前，关于纤维混凝土断裂性能的研究已取得一些成果。孔德成等研究发现随着聚丙烯粗纤维体积参数的增加，超高性能混凝土断裂能、断裂韧度等断裂参数均会提高[3]。

金轶凡等研究结果表明玄武岩纤维的掺入可以提升混凝土的断裂性能并确定出最优的玄武岩纤维长度和掺量[4]。邓宗才等研究了生态钢纤维混凝土的断裂性能，发现生态钢纤维可以改善混凝土的脆性并且在合理掺量下可替代高强钢纤维使用[5]。Reis等研究发现玻璃纤维的掺入可以改善环氧聚合物混凝土的断裂性能[6]。

相对于上述研究的纤维材料，聚甲醛(POM)纤维比聚丙烯(PP)纤维的抗拉强度和弹性模量更高；与钢纤维相比，POM纤维具备更优异的耐腐蚀性能并且价格较低；与玻璃纤维和玄武岩纤维相比，POM纤维的延性更高，同时与无机材料有良好的相容性，使得其具备良好的应用前景[7-9]。张丽辉等研究发现，在相同掺量下，掺入POM纤维的混凝土比PP纤维具有更加优异的工作性能、力学性能以及耐久性能[10]。刘露等研究发现POM纤维对混凝土的抗折性能增强作用优于PP纤维[11]。侯帅等研究结果表明，在纤维低掺量时，POM纤维对混凝土劈裂抗拉性能提升效果明显优于PP纤维[12]。上述研究结果均表明POM纤维具备显著优势，但对于POM纤维混凝土断裂性能研究较少。

因此基于双K断裂准则[13]，采用三点弯曲梁法进行断裂试验，研究不同长度和体积掺量的POM纤维对UHSC断裂性能的影响，通过起裂韧度、失稳韧度、断裂能和延性指数等断裂参数确定不同指标下的最优长度和掺量，以期为POM纤维进一步应用提供参考。

1 试 验

1.1 试验原材料及配合比

采用P·Ⅱ 52.5级硅酸盐水泥，主要技术参数见表1。

表1 水泥主要力学指标Table 1 Main mechanical indexes of cement

硅灰为灰白色粉末，比表面积23 000 m2/kg，活性指数88%，烧失量1.5%。粉煤灰为灰白色粉末，比表面积551 m2/kg，活性指数79%，烧失量1.26%。减水剂采用聚羧酸高性能减水剂，含固量为23%，减水率为30%。POM纤维的主要技术参数见表2。

表2 POM纤维基本性能指标Table 2 Basic property indexes of POM fibers

粗骨料为粒径在0～10 mm的玄武岩碎石，压碎指标为8%。细骨料为15%机制砂与85%河沙为复掺，机制砂细度模数为3.7，石粉含量为5%，河沙细度模数为2.1，含泥量为0.27%。拌和水选用自来水。

本试验混凝土的水胶比为0.19，具体配合比见表3。

表3 试验配合比Table 3 Proportions of mix

1.2 试件制备

试验采用三点弯曲切口梁试件，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，每组5个试件，具体组别见表4。试验搅拌机制见图1，覆膜静置24 h成型后脱模，放入90 ℃热水中养护3 d，自然冷却至室温后取出进行试验。

图1 搅拌机制Fig.1 Mix processes of UHSC

表4 试验组别Table 4 Test groups

1.3 试验方法

工作性能测试依据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》；抗压强度测试依据GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》；依据DL/T 5332—2005《水工混凝土断裂规程》进行断裂性能测试，在试验前对试件进行预处理，采用切割法制备初始裂缝，固定缝高比为0.2，跨高比为0.3，缝宽2 mm。试验在100 kN万能试验机上完成，试验的竖向荷载P由试验机自带的荷载传感器测量，挠度δ由位移计测量，裂缝的张开口位移值由夹式引伸计测量。

2 试验结果和分析

2.1 工作性能

通过坍落度和扩展度测试研究不同体积掺量和长度的POM纤维对UHSC的工作性能的影响，试验结果见表5。从中可以发现：POM纤维的掺入降低了UHSC的坍落度和扩展度。当纤维体积掺量为1.5%，纤维长度为20 mm时，坍落度和扩展度最小，分别为190，307 mm。在纤维长度相同条件下，随着纤维掺量的增加，UHSC的坍落度和扩展度都在不断降低。当纤维掺量增加时，POM纤维会相互搭接，形成更为致密的网状结构，阻碍了水泥浆体的流动[14-15]。而随着纤维长度的增加，POM纤维更易出现结团，进一步增强了对浆体流动的抑制作用，UHSC的工作性能不断下降。

表5 工作性能Table 5 Working performances

2.2 抗压强度

图2是以各组别抗压强度与PU组别相比得到的抗压强度相对值，从中可以看出:POM纤维的掺入可以提高UHSC的抗压强度，并且随着纤维掺量的增加，抗压强度不断提高。当纤维掺量为1.5%，纤维长度为12 mm时，UHSC的抗压强度最大，相比于PU组别，相对值达到了123.5%。在相同掺量下，12 mm长度的POM纤维对UHSC抗压强度提升显著。这主要是由于在相同体积掺量下，纤维长度越短，纤维在UHSC中的数量越多，产生的“紧箍作用”越强。但是当纤维掺量进一步增加时，纤维在内部不断搭接，在这一过程中纤维会出现团聚现象并产生较多的薄弱界面，增加内部缺陷，导致抗压强度提升逐渐缓慢甚至发生削弱[16-17]。

图2 纤维体积掺量对抗压强度相对值的影响Fig.2 Influence of fiber volume content on relative values of compressive strength

2.3 荷载-裂缝张开口位移(P-δCMOD)曲线

混凝土进行断裂试验过程中，其裂缝主要经历初始起裂、平稳扩展和失稳断裂这三个阶段，这三个阶段可以通过P-δCMOD曲线图进行描述。图3是不同纤维长度的P-δCMOD曲线，图4是不同纤维体积掺量的P-δCMOD曲线。

a—纤维长度12 mm;b—纤维长度16 mm;c—纤维长度20 mm。—— PU;— —0.5%;---10%;— - —15%。图3 不同纤维长度的P-δCMOD曲线Fig.3 P-δCMOD curves of specimens with different fiber lengths

可以发现:PU组别试件达到峰值荷载后会发生陡降，直接降至零，这说明不掺纤维的基准组别呈现脆性特征，达到最大承载力后发生失稳破坏便会直接丧失承载力。而纤维掺入后，P-δCMOD曲线虽然达到峰值荷载后也会发生陡降，但最终仍能承受一部分荷载，不会直接趋于零。说明纤维掺入后，随着荷载的不断增加，纤维混凝土中裂缝不断扩展直至失稳破坏，此时混凝土已丧失承载能力，但POM纤维由于自身的韧性和基体之间良好的黏结力能够延缓裂缝扩展[18-19]，通过被拔断和拔出消耗能量承担了部分荷载，提高了UHSC的延性。在相同纤维长度下，随着纤维体积掺量的提高，曲线的陡降段越来越短，曲线也更加饱满，这说明随着纤维体积掺量的提高，POM纤维的增韧效果更加明显，阻裂能力更强[20]，而不同长度的纤维在各个体积掺量下对UHSC的增韧、抗裂效果不一致。

a—纤维掺量0.5%；b—纤维掺量1.0%;c—纤维掺量1.5%。—— PU;—·—12 mm;---16 mm;— - —20 mm。图4 不同纤维掺量的P-δCMOD曲线Fig.4 P-δCMOD curves of specimens with different fiber contents

2.4 断裂参数

2.4.1断裂韧度

表6 双K断裂参数Table 6 Double-K fracture parameters

(1)

α=a0/h

(2)

α=ac/h

起裂韧度和失稳韧度均为每组的平均值；相对值为纤维组与基准组的比值。

图5 纤维体积掺量对起裂韧度的影响Fig.5 Influence of fiber volume content on crack initiation toughness

图6 纤维体积掺量对失稳韧度的影响Fig.6 Influence of fiber volume content on toughness of instability

2.4.2断裂能、延性指数

断裂能(Gf)指的是裂缝扩展单位面积所要消耗的能量，与断裂过程密切相关。依据Rilem的三点弯曲断裂能计算式[26]和试验得到的荷载-挠度(P-δ)曲线进行计算，算式见式(3)；延性指数(Du)是断裂能(Gf)与峰值荷载(Pmax)的比值，通常被用来衡量材料的脆性程度，延性指数越小，材料的脆性越大，公式见式(4)。

(3)

式中：Gf为试件的断裂能；W0为外荷载做的功，通过P-δ曲线包围的面积求得；m为试件支座间的质量；g为重力加速度，取9.81 m/s2；δmax为试验测得的最大挠度；Ali为试件的韧带面积；b为试件的宽度；h为试件的高度；a0为预制裂缝的高度。

Du=Gf/Pmax

(4)

式中：Pmax为曲线峰值荷载。

根据上式计算各组试验结果，见表7。

表7 各组别的断裂能和延性指数Table 7 Fracture energy and ductility indexes for each group

由于POM纤维的掺入，各个组别P-δ曲线包围面积不断增加，这表明POM纤维可以有效提高UHSC能量吸收的能力，即POM纤维的掺入可以提高UHSC的断裂能。由图7可知:在同一纤维长度下，随着纤维掺量的增加，断裂能不断提高。在同一纤维掺量下，纤维长度越长，断裂能提高更加显著。结合表7试验结果，当纤维长度为20 mm，纤维掺量为1.5%时，试件的断裂能最大，为15 424.51 J·m-2。但当纤维掺量为0.5%时，纤维长度为20 mm的试件断裂能小于纤维长度为16 mm的试件，这主要因为纤维长度越长，在相同掺量下，纤维的数量更少，对裂缝的抑制作用下降同时会使得基体内部产生缺陷，裂缝更易扩展。而相同纤维长度下，纤维掺量的提高导致纤维间平均间距的减少，这限制了基体裂缝的产生和扩展，换而言之，裂缝扩展所需的能量更多，因此断裂能不断提高[27-29]。结合表7和图8可知:PU组别的延性指数为0.008 1 m-1，其在试验过程中呈脆性破坏，而纤维的掺入可以提高UHSC的延性指数并且随着纤维掺量的增加呈线性上升，和断裂能变化一致，当纤维长度为20 mm，纤维掺量为1.5%时，延性指数最大达0.965 4 m-1，因此POM纤维对UHSC脆性的改善效果显著。

图7 纤维体积掺量对断裂能的影响Fig.7 Influence of fiber volume content on fracture energy

图8 纤维体积掺量对延性指数的影响Fig.8 Influence of fiber volume content on ductility indexes

3 机理分析

目前已有许多研究学者对纤维混凝土的阻裂增强作用进行了探究并在基于断裂力学原理上总结了较多的纤维阻裂机理。运用以Griffith理论判据为基础的能量平衡理论[30-32]并结合阻裂过程对POM纤维增强UHSC断裂性能的机理进行分析。在试件加载过程中，假设只有外力做功并且只考虑纤维被拉断，外力做功为GA，基体耗能和纤维耗能分别为GC和GF，则应满足：

GA=GC+GF

(5)

而基体耗能主要由三个部分组成，分别是裂纹扩展表面能Gsc、基体变形产生的应变能Gvc和裂纹端部的塑性变形能GPC；纤维耗能主要由纤维与裂纹脱黏耗能GSF和纤维断裂耗能GFF这两部分组成，则外力做功与各部分耗能关系如下：

GA=Gsc+Gvc+GPC+GSF+GFF

(6)

在试件受荷过程中，当试件还未出现裂纹，此时外荷载对试件的作用力小于纤维混凝土这一复合体系的抗拉能力，假设纤维在该复合体系中均匀分布，当基体存在薄弱层时，裂纹首先在薄弱层处产生，但薄弱层处的纤维会吸收这部分产生裂纹的能量并转化为自身的应变能，从而抑制试件的初始起裂；当试件发生初始起裂后，此时裂纹在试件的薄弱层出现，但纤维会吸收基体释放的用于裂纹扩展的应变能，进而抑制裂纹的进一步扩展；在荷载增大后，裂纹会发生扩展，此时主要通过基体的耗能和纤维的变形消耗外力做的功，从而阻止裂纹的快速扩展；当裂纹进一步扩展并无限接近纤维时，此时将纤维与基体仍看作一个整体，并假设他们满足协调变形，则裂纹扩展的表面能全部转移至纤维，从而使得纤维与裂纹基体处发生脱黏，进而消耗能量；当裂纹穿过纤维后，与纤维相黏结的基体会发生破坏，此时纤维会发生应变突变，基体释放的应变能全部转化为纤维的应变能，从而阻止裂纹的扩展；当纤维被拉断的瞬间，外力的持续做功使得基体不断地释放应变能，该能量被纤维不断吸收发生塑性变形直至发生断裂，此时外力做功的能量一部分转变为基体的应变能，另一部分转变为纤维的变形能和断裂能。由上可见，纤维的阻裂过程是通过能量的传递实现的，通过纤维被拔出和拉断消耗外力做功，从而达到阻裂的目的。

随着纤维掺量的增加，纤维消耗的总能量越多，纤维发挥的抵抗裂缝扩展作用越强，UHSC的失稳韧度提升越显著。相比于UHSC的基体耗能，纤维消耗的能量也随着纤维掺量的增加逐渐成为整个试件断裂过程中能量消耗的主体，断裂能也进一步得到提升。因此在本试验中，UHSC的失稳韧度与断裂能随着纤维体积掺量的增加变化趋势相一致，并且当纤维长度为20 mm，体积掺量为1.5%时，两种性能指标均表现最佳。

4 结束语

1)POM纤维的掺入使得P-δCMOD曲线变化显著，随着纤维掺量和纤维长度的增加，P-δCMOD曲线陡降段更短，下降更加平缓，曲线也更加饱满，这表明掺入POM纤维可以阻止UHSC裂缝的扩展，提高其抗裂能力。

2)POM纤维的掺入对UHSC起裂韧度和失稳韧度都能起到明显的提升作用，当纤维长度为12 mm，体积掺量为1.5%时，UHSC的起裂韧度最大，为1.503 2 MPa·m1/2，增益比为1.25；当纤维长度为20 mm，体积掺量为1.5%时，失稳韧度最大，为3.757 2 MPa·m1/2，增益比达到2.35。

3)POM纤维的掺入可以显著提高UHSC的断裂能和延性指数，当纤维长度为20 mm，纤维体积掺量为1.5%时，断裂能和延性指数均达到最大。试验中使得UHSC断裂性能最优的是长度20 mm、体积掺量1.5%的POM纤维。