新型粗聚烯烃纤维高性能混凝土弯曲韧性

邓宗才， 刘国平， 杜超超， 施慧聪

（1.北京工业大学城市与重大工程安全减灾省部共建重点实验室，北京100124；2.上海罗洋新材料科技有限公司，上海200120）

普通混凝土容易开裂，常发生脆性破坏.乱向分布于混凝土中的纤维对裂缝扩展具有良好的抑制作用，可显著改善混凝土裂后性能，提高混凝土韧性.纤维在拔出或拔断的过程中吸收大量能量，有利于改善混凝土的抗震耗能能力.粗合成纤维具有分散性良好、阻裂增韧效果显著，可有效改善硬化混凝土裂后行为的特点，能提高其抗疲劳、抗冲击和抗震等性能[1－3]，克服了钢纤维易结团、对设备磨损大、易生锈等不足.

韧性是纤维混凝土的重要特性，韧性指标已成为开发新品种纤维、甄选纤维品种、确定纤维掺量、设计纤维混凝土配合比、检测和控制混凝土质量的重要指标[4].

本文采用圆板试件和梁试件，对两种国产粗合成纤维增强混凝土的韧性进行了试验研究，测定了其荷载－挠度全曲线，分别按照美国ASTM C1550标准[5]、日本JSCE方法[6]和Nemkumar等[7]定义的韧性指标计算方法，分析了粗纤维混凝土的弯曲韧性，比较了圆板试验评价其韧性的优点，探讨了纤维掺量对粗纤维混凝土韧性的影响规律，并与钢纤维混凝土韧性进行了比较.

1 试验概况

1.1 纤维材性

新型粗聚烯烃纤维（简称聚烯烃纤维），由上海罗洋新材料科技有限公司提供；中等弹模合成纤维为国产纤维；钢纤维由上海贝卡尔特有限公司提供. 3种纤维的物理、力学指标见表1.

表1 3种纤维的物理、力学指标Table 1 Physical and mechanical properties of fibers

1.2 混凝土配合比

基准混凝土的设计强度为35MPa，水泥、水、砂及石的配合比为mc∶mw∶ms∶mg＝1.00∶0.37∶1.27∶2.37，其中mc＝486kg／m3.

1.3 试件制作及编号

圆板试件直径800mm，厚度75mm，弯曲韧性梁试件的尺寸100mm×100mm×400mm.试件浇注24h后脱模，在标准养护室养护28d，试验前3h从养护室取出晾干.试件编号和纤维掺量列于表2，其中B0，BP和LP分别表示素混凝土圆板、聚烯烃纤维混凝土圆板和梁试件；LM和LS分别表示中等弹模合成纤维和钢纤维混凝土梁试件；BP，LP，LM和LS后的数值为纤维长度，单位为mm；“－”后数值为纤维的质量掺量，单位为kg／m3.

2 圆板三点弯曲试验

2.1 圆板破坏过程

按照美国ASTM C1550对圆板试件进行试验，试验装置和仪器如图1所示.试验过程中，不掺纤维的薄板在达到最大弯曲荷载后瞬间断裂，为脆性破坏.掺入粗聚烯烃纤维后，当荷载达到一定值时，薄板表面通常出现3条裂缝（见图2），随着荷载逐渐增大，裂缝不断扩展，但弯曲承载力下降缓慢，裂缝截面的纤维逐渐从混凝土中拔出（见图3），表现出良好的变形性能，呈延性破坏.试验后，对圆板试件断裂面上的纤维情况进行统计发现，长度为38mm的纤维混凝土试件中的纤维皆被拔出，而长度为48，60mm的纤维混凝土试件中的纤维则出现拔出和拔断两种现象，纤维被拔断的平均比例分别为56%和76%.

表2 试件编号及纤维掺量Table 2 Specimen label and fiber content

图1 圆板韧性试验测试装置Fig.1 Equipment of toughness experiment

图2 纤维混凝土圆板试件破坏形态Fig.2 Failure mode of specimen for fiber reinforced concrete

图3 长度为38，48，60mm的纤维破坏形式Fig.3 Failure mode of fiber with the length of 38，48，60mm

2.2 圆板的荷载－挠度全曲线

图4为素混凝土和长度为38，48，60mm的3种聚烯烃纤维混凝土圆板试件的弯曲荷载－挠度（PS）全曲线.

图4 BP38，BP48，BP60系列纤维混凝土圆板荷载－挠度全曲线Fig.4 Load－deflection curves of BP38，BP48，BP60

由图4可见，粗聚烯烃纤维具有良好的桥联和阻裂性能，随着纤维掺量的增加，混凝土的荷载－挠度曲线也变得越来越平滑、饱满.由图4（b），（c）可看出，当纤维长度≥48mm时，在荷载达到峰值荷载后，荷载出现下降现象，但下降趋势随着纤维掺量的增加变得越来越平缓，在峰值荷载之后出现了二次峰值，且随着掺量的增加，此二次强化现象愈发明显.原因主要是粗聚烯烃纤维横跨裂缝，阻止了裂缝的进一步扩展，引起了受拉区的应力重分布，这也说明粗纤维在抗弯破坏过程中吸收能量的能力较强.同时发现，纤维掺量相同时，纤维长度为60mm的纤维混凝土荷载－挠度曲线要明显优于纤维长度为38，48mm的曲线.

2.3 美国ASTM C1550标准评价方法

根据美国ASTM C1550能量计算式（式（1））计算了各圆板能量吸收值w（见表3）.

由表3可见，聚烯烃纤维掺量和纤维长度的变化对纤维混凝土圆板试件的峰值荷载几乎没有影响，随着纤维掺量和纤维长度的增加，试件吸收能量的能力有显著提高.由此说明，粗聚烯烃纤维具有良好的阻止裂缝扩展的能力，该纤维与混凝土间黏结性能良好，在纤维拔出的过程中，消耗了更多能量.由表3还可知，在挠度达到20mm时，各纤维混凝土圆板试件吸收的能量值约占总能量吸收值的66%～79%；聚烯烃纤维掺量9kg／m3，长度60mm的试件（BP60－9）在加载后期仍能承受较大荷载、吸收更多能量；在挠度为40mm处，当纤维长度为38，48，60mm时，纤维掺量为6kg／m3的纤维混凝土圆板试件（BP38－6，BP48－6，BP60－6）的能量吸收值w40分别比纤维掺量为3kg／m3的试件（BP38－3，BP48－3，BP60－3）提高了66%，72%和96%.当纤维长度为38，48，60mm时，纤维掺量为9kg／m3的纤维混凝土圆板试件（BP38－9，BP48－9，BP60－9）的能量吸收值w40比纤维掺量为6kg／m3的试件提高了62%，58%和52%.由此可知，纤维掺量增加，各种长度纤维的混凝土圆板试件其能量吸收值w40均有所增大.而当纤维掺量从6kg／m3增加到9kg／m3时，纤维混凝土圆板的能量吸收值提升比例较纤维掺量从3kg／m3增加到6kg／m3时稍有下降.另外，随着纤维长度的增加，聚烯烃纤维混凝土圆板的能量吸收值也在增大.当纤维长度分别为38，48，60mm时，相比于素混凝土，在挠度为40mm处，纤维掺量为3kg／m3的纤维混凝土圆板试件能量吸收值w40分别提高了86%，274%和392%；纤维掺量为6kg／m3时试件的能量吸收值分别提高了212%，542%和864%；纤维掺量为9kg／m3时试件的能量吸收值分别提高了452%，699%和1 462%.由此可知，当纤维掺量相同时，长度为60mm的聚烯烃纤维更有利于在混凝土弯曲破坏过程中发挥阻裂耗能作用.

表3 聚烯烃纤维混凝土圆板试件的能量吸收值Table 3 Energy absorption value for specimens with polyolefin fiber

3 梁试件的四点弯曲试验

3.1 试验方法与装置

采用三分点加载方法对梁试件进行韧性试验，梁跨度300mm.试验在万能电子试验机上进行，恒位移控制加载，位移速率2min／mm，试验装置如图5所示.

图5 韧性试验测试装置Fig.5 Equipment of toughness experiment

3.2 梁试件的荷载－挠度全曲线

梁试验测得各类纤维混凝土的荷载－挠度（P－S）全曲线如图6所示.

图6 纤维混凝土梁试件的荷载－挠度全曲线Fig.6 Load－deflection curves of fiber reinforced concrete beams

由图6可看出，聚烯烃纤维混凝土梁试件变形性能良好、韧性高，属于延性破坏.在抗弯试验过程中，聚烯烃纤维混凝土梁试件开裂后，荷载略有下降，然后荷载继续增大，曲线呈上升趋势，当达到峰值后，荷载开始下降，但荷载－挠度曲线总体下降趋势较平缓.而钢纤维、中等弹模纤维混凝土梁试件的荷载－挠度曲线在峰值荷载之后下降较陡，主要是因为聚烯烃纤维界面黏结性能优于中等弹模纤维和钢纤维，聚烯烃纤维阻止了微裂缝扩展与贯通，使曲线下降段更加缓慢、饱满.在跨中挠度达到1.2mm时，聚烯烃纤维混凝土梁试件仍能承受较高的荷载，而中等弹模纤维和钢纤维混凝土梁在挠度达到0.8mm时已经接近破坏，其可承受的荷载很小.

3.3 日本JSCE－SF4方法

JSCE－SF4方法将试件挠度为L／150（其中L为试件的跨度）时荷载－挠度曲线下的面积定义为韧性指标（flexural toughness，FT），将加载到挠度为L／150时的平均强度值[6]定义为韧度因子¯σ.表4为根据JSCE－SF4方法计算得到的纤维增强混凝土梁的韧性指标和韧度因子.

表4 纤维增强混凝土梁韧性指标和韧度因子Table 4 Flexural toughness and toughness factor of fiber reinforced concrete beams

由表4可以看出，纤维掺量为8，11kg／m3的聚烯烃纤维混凝土梁试件的韧性指标FT和韧度因子¯σ比纤维掺量为6kg／m3时分别提高了15%和44%.由此可见，当纤维掺量增加时，聚烯烃纤维混凝土抗弯韧性提高；当纤维掺量为6，8，11kg／m3时，聚烯烃纤维混凝土梁试件的韧性指标FT比相同掺量的中等弹模纤维混凝土试件分别提高了101%，68%和76%，比纤维掺量为15.6kg／m3的钢纤维增强混凝土梁试件提高了65%，90%和138%.由此可见，聚烯烃纤维混凝土梁试件的增韧效果非常明显.主要原因是：一方面，在相同纤维掺量下聚烯烃纤维的数量多于中等弹模纤维和钢纤维，在混凝土中分布较密；另一方面，聚烯烃纤维与混凝土之间的界面黏结性能优于中等弹模纤维和钢纤维[8].就试件破坏断裂面处纤维被拔出、拔断的数目而言，聚烯烃纤维被拔断的数目要远低于中等弹模纤维.

3.4 Nemkumar韧性指标方法

由于确定初裂挠度存在很大的人为误差，可考虑以峰值荷载为界限的定义方法，把荷载－挠度曲线面积在峰值荷载处分为峰前（Tpre）和峰后（Tpwt，m）两部分，以特定的挠度（L／m）为变量来考虑纤维混凝土在变形过程中的能量消耗.由此定义的韧性指标既不必像ASTM方法那样过度依赖初裂挠度，也不必像JSCE方法那样只考虑L／150挠度时纤维混凝土的整体平均韧性，这就是Nemkumar等提出的纤维混凝土韧性分析方法.此韧性指标计算方法示意图如图7所示.

图7 韧性指标计算方法示意图Fig.7 Sketch map of calculation method for flexural toughness index

韧性指标PCSm（post－crack strength）的定义为：

式中：Tpwt，m为峰值荷载后荷载－挠度曲线下的面积；L为梁的跨度（取300mm）；δ为峰值荷载对应的挠度；b，h分别为梁截面的宽和高；L／m为梁的挠度，其中m为定值，如150，200，300等.

由表5可以看出，按照Nemkumar等定义的韧性指标PCSm，对于聚烯烃纤维混凝土梁试件，当挠度达到L／300（1mm），L／200（1.5mm）和L／150（2mm）时，与纤维掺量为6kg／m3时相比，纤维掺量为8kg／m3梁试件的韧性指标PCSm分别提高了35%，46%和47%，纤维掺量为11kg／m3时分别提高了54%，55%和51%.即随着纤维掺量的增加，纤维混凝土抗弯韧性得到了显著提高，这和荷载－挠度曲线变化规律比较一致.

表5 Nemkumar定义的韧性指标PCSm计算结果Table 5 Flexural toughness experimental results defined by Nemkumar

聚烯烃纤维混凝土韧性指标高于中等弹模纤维，当纤维掺量均为6kg／m3时，梁挠度为L／300（1mm），L／200（1.5mm）和L／150（2mm）的聚烯烃纤维混凝土梁韧性指标PCSm分别比同掺量中等弹模纤维混凝土提高了132%，144%和165%；纤维掺量为8kg／m3时，分别提高了105%，89%和137%；纤维掺量为11kg／m3时，分别提高了73%，71%和113%.可见，在挠度较大时，聚烯烃纤维混凝土韧性指标PCSm明显高于中等弹模纤维混凝土，即聚烯烃纤维对混凝土裂后韧性性能的提升更明显.总体上说，聚烯烃纤维对于改善混凝土抗弯韧性的能力要明显优于中等弹模纤维.6kg／m3聚烯烃纤维与15.6kg／m3钢纤维混凝土梁相比，挠度为L／300（1mm），L／200（1.5mm）和L／150（2mm）时，前者比后者的韧性指标PCSm分别提高了53%，107%和137%.聚烯烃纤维掺量8kg／m3和11kg／m3时，其韧性指标比钢纤维混凝土提高的幅度更大.

4 板、梁韧性评价方法比较

4.1 破坏形态

聚烯烃纤维混凝土梁试件的破坏主要集中在梁跨中的1条裂缝上，随着荷载的增大，裂缝萌生、扩展直至试件破坏.聚烯烃纤维混凝土圆板试件破坏时表面通常会出现3条主裂缝，这种破坏形态更有利于能量的吸收和消耗.聚烯烃纤维混凝土梁试件在挠度达到2mm时就接近破坏，而聚烯烃纤维混凝土圆板试件的挠度在20mm时仍能承受较大荷载，挠度可发展到50mm左右，所以圆板试件更适合于测定纤维混凝土的弯曲韧性，且圆板试件的破坏形态更接近于工程实际.

4.2 耗能指标

聚烯烃纤维混凝土圆板试件破坏时，试件能量吸收值达到了620.6J，而聚烯烃纤维混凝土梁试件破坏时，能量吸收值为24.6J，即纤维混凝土圆板试件吸收的能量是梁试件的25倍，圆板试件破坏时吸收能量值远高于梁试件.

4.3 受力状态

粗纤维一般适合用于混凝土薄板结构，具有较高的经济性，如工业地坪、楼板、隧道衬砌和污水池等大板结构，而圆板试件更接近大板结构的受力状态，所以用圆板试验甄选纤维、确定其合理掺量和长度比较科学.

5 结论

（1）随着纤维掺量的增加，聚烯烃纤维混凝土圆板试件和梁试件的抗弯韧性均得到了不同程度的提高，荷载－挠度全曲线变得更加饱满、平滑，且曲线的下降段也变得愈加平缓.

（2）聚烯烃纤维混凝土圆板试件的弯曲韧性、能量吸收值主要与纤维掺量和纤维长度有关，纤维掺量增加后，能量吸收值有所提高；增加纤维长度，有利于改善聚烯烃纤维混凝土裂后变形性能和耗能能力.

（3）采用日本JSCE－SF4和Nemkumar等定义的韧性指标评价方法均得出，聚烯烃纤维改善混凝土抗弯韧性的能力要明显优于中等弹模纤维和钢纤维的结论.

（4）从破坏形态、能量吸收值和受力状态等方面看，圆板试件更适合评价粗纤维混凝土的弯曲韧性.

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