高性能纤维混凝土力学性能试验研究

张欢欢

(郑州工程技术学院 土木工程学院，郑州 450000)

高性能纤维混凝土(High Performance Fiber Reinforced Concrete，HPFRC)是一种具有广阔市场应用前景的新型高强混凝土，一出现便引起了工程界和学术界的广泛关注。焦楚杰等[1]通过抗弯实验研究了钢纤维体积率Vf对钢纤维高强混凝土(SFRHSC)抗弯性能的影响。柳艳杰等[2]分析了钢纤维掺入率以及养护龄期对混凝土抗压性能的影响。徐巍巍等[3]通过单轴受压实验，分析了试件的形状效应、尺寸效应以及钢纤维的体积率对纤维超高性能混凝土抗压性能、破坏形态以及弹性模量的影响。徐海滨等[4]通过抗剪性能试验，分析了试件剪跨比、配箍率以及预应力水平对HPFRC梁抗剪性能的影响。Su等[5]通过剪切实验从微观尺度的有限元分析阐述了普通混凝土试件的尺寸效应和形状效应软化机理。Mahmud等[6]通过掺加钢纤维活性粉末的超高性能钢筋混凝土梁三点抗弯实验和ABAQUS软件进行数值模拟，研究了梁的尺寸效应现象。但是，针对具有代表性的力学参数，HPFRC抗压强度和抗折强度的测定尚未形成统一的技术标准。在上述研究基础上，本文通过对HPFRC标准试块的单轴抗压实验与四点抗折的综合静力学试验研究，分析HPFRC在实验中的破坏形态及其应力应变关系。

1 试验原材料与配合比

HPFRC具有强度高、延性好的优点，纤维的掺入有效增加了超高性能混凝土的延性及韧性，本文试件所采用的均为纤维混凝土材料，掺用的纤维为超高分子量聚乙烯纤维(UPE)与钢纤维，见图1、图2，纤维掺用体积率为2%，纤维的基本参数见表1。

图1 UPE纤维

图2 钢纤维

表1 纤维参数

本文试验混凝土材料拌合物有水泥、纳米SiO2、微珠、纳米CaCO3、石英粉、细沙、中砂、粗砂、减水剂以及纤维，根据相关资料[7]提供的内容以及前期试验设计，研究了纳米材料以及纤维对超高性能混凝土材料力学性能的影响，确定了混凝土的最终配合比，见表2。

表2 超高性能混凝土基本配合比 kg

2 抗压试验

2.1 试件制备、养护及实验方法

采用单轴受压的方法[8]来研究HPFRC的抗压性能，试件为100 mm3的立方体，采用标准铸铁模具加工成型，采用机械搅拌方式拌合物料，具体搅拌步骤如下：

1)根据最终设计配合比分别准备各种材料；

2)向搅拌机加入砂子、纳米钙、微珠以及石英粉，搅拌大约5 min，待各种材料搅拌均匀；

3)加入设计配合比中70%的水以及减水剂和防冻水；

4)待水分搅拌均匀后加入水泥和硅灰；

5)最后加入剩余的30%的水分；

6)待材料搅拌均匀后，在搅拌机持续工作的状态下持续缓慢加入称量好的钢纤维，待纤维加入完毕之后再搅拌5 min，将纤维混合均匀；

7)将拌合物自搅拌机中卸出，将胶乳倒入准备好的模具中。

筑后覆盖薄膜并且洒水养护24 h，然后进行48 h设置温度为90 ℃热水浴养护，最后取出自然养护28 d，进行力学试验。试验设置不添加任何纤维的混凝土试块进行对照。

试验过程主要分为3个步骤：1)启动试验机，将试件安置在试验机的下固定端上，调整上加载端，使加载端压头靠近但不接触试件；2)安置位移传感器，通过电脑控制加载端与试件接触、归0；3)开始逐步加载，一直到试件被完全破坏。依据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》(以下简称为《标准》)的相关规定，试验机器使用YAW-3000型电液伺服压力微机控制试验机，对100 mm3试块进行抗压试验，由于《标准》中并没有规定关于超高性能混凝土抗压强度试验的加载方式，经过多次试验后定义该加载方式为：在加载的开始阶段采用力控制的加载方式，设置力的增加速率为2 kN/s，加载至50 kN，维持20 s确保试验试块与加载端接触完全，采用位移控制方式，以0.4 mm/min的加载端位移加载至1 400 kN，然后再保持20 s，最后改变加载速率为0.2 mm/min进行加载，当试块的剩余强度约为其峰值的40%时停止试验，记录试验数据。

试验装置如图3所示，为了获取试块的应力曲线图，测量试块的竖向位移，在压力机的上压头对称安装2个位移计用以测量混凝土试件在受力方向的变形，最终获取试验记录的试验力-位移曲线。

图3 抗压试验设置

2.2 抗压试验结果分析

试验过程中发现，未掺加纤维的素混凝土试块受压时为典型的环箍效应的X交叉型剪切破坏，试件随着不断加载，混凝土碎片不断迸出，到达峰值强度后，突然破坏，整体性丧失，最终仅部分芯部残留，破坏形态如图4(a)所示，表现出脆性破坏的性质。当混凝土中加入UPE纤维时，破坏形态如图4(b)所示，试件的破坏形式为首先在边缘处产生裂缝，随着不断加载，裂缝逐渐变宽最终形成贯穿的裂缝；当混凝土中加入钢纤维时，试块表面出现多道微裂缝，随后呈现出多道裂纹进而出现脱皮的现象，纤维不断被拔出同时发出嗤嗤声，到达峰值强度后，微裂纹逐渐贯通并演化为大裂缝，承压面截面面积增大，致使试件向外鼓胀，表现出裂而不散的状态,纤维混凝土试块完整性较好，试验过程中表现为塑性破坏的性质,破坏形态如图4(c)所示。

(a)素混凝土试块 (b)UPE纤维混凝土试块 (c)钢纤维混凝土试块

对比分析可知，掺入钢纤维的实验组裂纹数量较多，微裂纹发展得比较均匀饱满，充分发挥了纤维改善超高性能混凝土(UHPC)基体延性的作用；掺入UPE纤维的实验组微裂纹数量少，少有碎片剥落；待试块开裂后，微裂纹进一步扩展和贯通，形成了造成试件破坏的几条主裂缝，整体性与钢纤维相比则较差。

计算超高性能混凝土立方体抗压强度fcc：

(1)

式中：F为试块破坏荷载，N；A为试块承压面积，mm2。

试块的应力应变曲线如图5所示，可知高性能UPE纤维混凝土试块抗压强度为92 MPa，高性能钢纤维混凝土试块抗压强度为116 MPa，未掺加纤维的素混凝土试块的抗压强度为56 MPa。可知高性能纤维混凝土试块的抗压强度明显高于未掺加纤维的素混凝土试块的抗压强度，钢纤维混凝土是素混凝土强度的2倍，UPE纤维混凝土是素混凝土强度的1.6倍，并且钢纤维对混凝土抗压强度提高的贡献程度要大于UPE纤维，钢纤维的加入有效约束了

图5 试块应力-应变曲线

试件的横向变形，进一步提升了试件的弹性模量。这是由于纤维的掺入强化了其与基体间的界面区域，减少了薄弱层，提高了二者界面的黏结力，基体的破坏形态和变形能力发生变化。界面区首先发生破坏，裂缝形成后，纤维的桥架效应开始发挥作用，纤维很难被拔出，从而能充分发挥其对基体混凝土增强和增韧效果。

3 抗折试验

3.1 试件制备、养护及实验方法

根据《标准》相关规定，使用与抗压试验相同的试验机对100 mm×100 mm×400 mm长方体试块进行抗折试验，试块的浇筑方式与上一节相同。在试块上表面粘细钢条后连接位移计，将试块中部变形数据导出，考虑《标准》中并没有给出超高性能混凝土抗折强度试验的加载制度，经过多次试验以后总结出本试验的加载制度为：全程使用位移控制施加均匀连续的荷载，设定加载速率为0.2 mm/s，试验过程中在安全防护的前提下人工观察试块，当试块完全破坏时停止试验并记录数据，试验设置如图6所示。

3.2 抗折试验结果分析

试块抗折破坏形态如图7所示，对照组的素混凝土标准试件施加荷载时，达到峰值之前，试件表面开始出现极少数的微裂纹，但试件整体形态并无任何变化；到达峰值之后，瞬间断裂破坏，失效无任何征兆，试件几乎同时断成两半，完整性彻底丧失；其破坏面为贯穿试件的大断裂面，属于典型的脆性破坏,破坏形态如图 7(a)所示。对于掺入钢纤维的试块而言，随着荷载的增大，会不断听到纤维拔出的声音，继而形成许多微裂纹，直至达到峰值，1条主裂缝出现并逐渐延伸变宽，薄弱面演化为破坏面，宣告结构失效；但期间由于诸多微裂纹的出现，断裂有一定的缓冲时间,破坏形态如图7(b)所示。掺入UPE纤维的试件断裂过程中会在主断裂面周围形成许多微裂缝，有的微裂纹甚至出现在支座处，这些微裂纹的出现增强了构件的延性，耗能能力的提升导致构件失效过程推迟，抗震能力得到改善；充分发挥了纤维改善UHPC基体延性的作用，整体性和韧性较优,破坏形态如图 7(c)所示。

计算超高性能混凝土抗折强度ft：

(2)

式中：F为试件破坏时最大荷载，N；l为支座间的跨度，取300 mm；b为试件截面的宽度，取100 mm；h为试件截面的高度，取100 mm。

试块的荷载-位移曲线如图8所示，钢纤维混凝土试块的极限荷载为47 kN，UPE混凝土试块的极限荷载为28 kN，未掺加纤维的素混凝土试块的极限荷载为18 kN，运用式(2)计算3种类型混凝土试块的抗折强度分别为：14.1，8.4，5.4 MPa，高性能钢纤维混凝土试块抗折强度为素混凝土的2.61倍，UPE纤维混凝土试块的抗折强度为素混凝土的1.56倍。由此可知钢纤维对试块抗折强度的提高较为明显，由于裂缝处钢纤维的存在，使裂缝处钢纤维和骨料的黏结力增大，有效抑制了裂缝的开展，进而提高了钢纤维混凝土试块的抗裂能力及韧性，使试块能承担更大的拉力。从界面力学角度可以解释上述现象产生的主要原因：UHPC基体本身界面黏结强度较低，掺入纤维后，纤维在基体中随机分布，其与基体的接触面得到了改善，形成了新的化学黏着力。承受荷载时，二者之间的黏结作用形成了桥架作用，保证了界面应力的有效传递，并约束了混凝土基体内部微裂纹的发展，进而提高了UHPC基体抗折强度。

图8 荷载-位移曲线

3.3 试验结论

1)高性能纤维混凝土试块的抗压强度明显高于素混凝土试块的抗压强度，钢纤维混凝土是素混凝土强度的2倍，UPE纤维混凝土是素混凝土强度的1.6倍，并且钢纤维对混凝土抗压强度提高的贡献程度要大于UPE纤维，钢纤维的加入有效约束了试件的横向变形，进一步提升了试件的弹性模量。

2)高性能钢纤维混凝土试块抗折强度为素混凝土的2.61倍，UPE纤维混凝土试块的抗折强度为素混凝土的1.56倍，钢纤维对试块抗折强度的提高较为明显，由于在裂缝处钢纤维的存在，使裂缝处钢纤维和骨料的黏结力增大，有效抑制了裂缝的开展，进而提高了钢纤维混凝土试块的抗裂能力及韧性，进而使试块能承受更大的拉力。