掺入混杂合成纤维的混凝土力学性能分析*

胡建荣　何锐　李永鹏

(1.西安长安大学工程设计研究院有限责任公司， 陕西 西安 710064； 2.长安大学 材料科学与工程学院∥交通铺面材料

教育部工程研究中心， 陕西 西安 710061； 3.郑州市市政工程勘测设计研究院， 河南 郑州 450052)



掺入混杂合成纤维的混凝土力学性能分析*

胡建荣1何锐2李永鹏3

(1.西安长安大学工程设计研究院有限责任公司， 陕西 西安 710064； 2.长安大学 材料科学与工程学院∥交通铺面材料

教育部工程研究中心， 陕西 西安 710061； 3.郑州市市政工程勘测设计研究院， 河南 郑州 450052)

摘要：采用高弹模聚乙烯纤维(PE)和低弹模聚丙烯粗合成纤维(CPP)混杂技术制备混杂纤维混凝土，对其抗压和抗弯性能进行测试，并采用双因素方差分析法对弯曲韧性影响因素的显著性特征进行了分析，同时还对混杂纤维的增强增韧机理进行了探讨.结果表明：在不同的粗集料掺量下，混杂纤维混凝土抗压强度普遍高于素混凝土，其提高幅度主要集中在15%~30%之间；掺入混杂纤维后混凝土试件的荷载-挠度曲线整体较为饱满，多数曲线表现为变形缓慢软化，部分出现变形硬化特征；纤维掺量对混凝土的韧性有非常显著的影响，而粗集料掺量影响较小；CPP/PE纤维可以从不同层次结构对混凝土进行增韧，产生正混杂效应，从而使制备的混杂纤维混凝土具有优异的韧性.

关键词：混杂纤维；混凝土；力学性能；弯曲韧性；双因素方差分析；纤维掺量

近年来，针对不同纤维增强混凝土的研究日益受到国内外学者的关注.混杂纤维增强技术通过采用不同品种纤维的混杂或相同材质、不同几何形态的纤维混杂，可使其在性能层次上产生互补，从而促使混凝土在不同结构层次上抑制裂缝的产生与扩展，其力学性能比单一纤维增强混凝土更为优越[1- 3].目前，国内外研究人员先后对聚丙烯/钢纤维、聚丙烯/碳纤维或碳/碳纤维等混杂混凝土的性能进行了研究，研究结果均表明混杂纤维可提高混凝土的力学性能、抗冲击和抗裂性能等，并且采用高弹模纤维和高延性纤维相互搭配可以使混凝土的强度和韧性均大幅提高[4- 6].因此，文中采用高弹模聚乙烯(PE)纤维和低弹模聚丙烯粗合成纤维(CPP)进行混杂，以期制备出具有优良力学性能的混凝土材料.研究过程中分别从抗压和抗弯两个方面进行评价，采用双因素方差分析法对弯曲韧性影响因素的显著性进行了分析，并对混杂纤维的增韧机理进行了探讨.

1材料与试验方法

本研究采用的胶凝材料由水泥与粉煤灰组成，水泥(C)为盾石42.5级普通硅酸盐水泥，粉煤灰(F)为I级粉煤灰；粗集料(G)为粒径5~20 mm的石灰岩碎石，其中粒径5~10 mm的碎石占30%，粒径10~20 mm的碎石占70%；细集料(S)为洁净河砂，细度模数2.65；外加剂(A)为聚羧酸类高性能减水剂，减水率30%，固含量18%；纤维包括PE和CPP纤维两种，其性能参数如表1所示.

表1　纤维的技术性能指标[2]

在混凝土内部结构中，粗集料用量的变化直接影响增强纤维的分布空间，所以如果粗集料参数选取不合理将会限制纤维增韧效应的作用范围.因此，为了分析材料配比参数对混凝土力学性能的影响，本研究选定了4种粗集料用量(30%(体积分数，下同)、34%、38%和42%，对应配比的混凝土称作G30、G34、G38和G42)，通过变换各种用量下纤维混杂比例来确定合理的粗集料掺量及与之相匹配的纤维混杂比例.综合以上分析，C∶F∶W∶S∶A质量比设为0.8∶0.2∶0.32∶1∶0.01，纤维掺量(PE+CPP)设为0.4%+0.8%、0.4%+1.2%、0.6%+0.8%、0.6%+1.2%、0.8%+0.8%和0.8%+1.2%.

混凝土搅拌均匀后，分别浇筑尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的抗压强度试件和尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的抗弯拉强度试件，成型24 h后拆模，在标准养护室养护至28 d后进行测试，每组3个试件.抗压强度测试根据JTG E30—2005进行，抗弯性能测试参照ASTM C1018方法进行.抗弯测试加载装置为SANS万能试验机，加载方式为三分点加载，试验机加载速率为0.2 mm/min，采用荷载传感器和千分表同步测量抗弯荷载和跨中挠度，并自动存储在计算机中，测试原理图见图1.测试完成后采用韧性指数I5、I10、I20以及残余强度系数R5,10与R10,20对各组试件的弯曲性能进行评价[7- 8].其中，下标表示初裂点挠度的倍数.

图1　四点弯拉试验装置示意图(单位:cm)

2混杂纤维混凝土的抗压强度

不同纤维掺量下的抗压强度测试结果如图2所示.根据图2，本研究制备的各组混凝土抗压强度均较高，并且混杂纤维混凝土的强度更高，纤维掺量变化对其有明显影响.在CPP掺量固定的情况下，当PE掺量由0.4%增大到0.6%时，混凝土G30、G34和G38的抗压强度均随之增大，而G42则随之降低；当PE掺量进一步增大至0.8%时，G34的抗压强度继续增大而其他各组的抗压强度均有一定程度的减小.在PE掺量固定的情况下，混凝土G30、G34和G38的抗压强度均随着CPP掺量的提高而增大，而G42反而略有减小.

图2　纤维掺量对混凝土抗压强度的影响

Fig.2Influence of fiber contents on compressive strength of concrete

不同配比混凝土的抗压强度出现波动的原因可以由纤维的增强作用和削减作用来解释.纤维被粗集料阻隔，随机分散在混凝土内部，形成一种相互连接的三维网状结构，起到加筋补强作用，减缓有害裂缝扩展和分级，从而提高混凝土的强度，表现为增强作用.从另一方面来看，由于有机合成纤维的弹性模量仍小于刚性的混凝土基体，当其分散在混凝土内部时相当于引入大量随机分布的孔隙，当试件受到外部荷载时容易引起内部应力集中，表现为削减作用.所以当原材料配比合理时，纤维增强效应充分发挥，抗压强度得以提升，因此在CPP掺量固定的情况下，当PE掺量由0.4%增大到0.6%时，混凝土G30、G34和G38的抗压强度均随之增大.当粗集料用量较高时，纤维的分散性变差，此时纤维的负效应对正效应的抵消增强，尤其是对于CPP纤维来说，其引入的孔隙更大，削减作用更明显.因此在PE掺量固定的情况下，除G42以外，混凝土G30、G34和G38的抗压强度均随着CPP掺量的提高而增大.

总体来讲，在不同的粗集料用量以及纤维掺量下，纤维的增强作用始终高于其削减作用，所以各组配比下的混杂纤维混凝土抗压强度普遍高于素混凝土，其总体提高幅度主要集中在15%~30%之间.

3混杂纤维混凝土的抗弯性能

3.1　测试结果与分析

各组配比下典型的荷载-挠度曲线测试结果见图3，性能指标结果汇总如表2所示.从图3可以看出，在4种粗集料用量下，素混凝土均呈现为脆性破坏，而混杂纤维混凝土则表现出明显的韧性特征，且其韧性基本随纤维掺量的增大而增大，并且纤维掺量相同时各组混凝土对应的荷载-挠度曲线变化规律比较接近.根据荷载-挠度曲线形状与破坏特征可以将其划分为脆性、变形急速软化、变形缓慢软化和变形硬化4种类型.

图3典型荷载-挠度曲线测试结果

Fig.3Typical test results of load-deflection curves

4种素混凝土属于脆性破坏，初裂以前荷载-挠度曲线呈线性增长的趋势，裂缝一旦形成后荷载即达到峰值状态，试件迅速破坏，荷载峰值有所波动；纤维掺量为0.4%+0.8%和0.4%+1.2%时属于变形急速软化破坏，在初裂前其变化规律与素混凝土相同，初裂出现以后承载力突然下降，达到初裂荷载的50%左右后保持小幅度的上下波动，同时挠度逐渐增大，能达到2 mm以上，呈现出较明显的塑性；纤维掺量为0.6%+0.8%、0.6%+1.2%和0.8%+0.8%时属于变形缓慢软化破坏，其变化规律与变形急速软化较接近，区别主要在于初裂后承载力下降幅度相对较小(约为初裂荷载的80%)，随后承载力会有小幅度的增长，二次峰值不超过峰值荷载的90%，最后承载力下降,材料破坏；变形硬化破坏对应的纤维掺量为0.8%+1.2%，其主要特征为在初裂后承载力会逐渐增大，虽然增幅有所差异，但均高于初裂荷载，在达到二次峰值后承载力才开始随着挠度的增大而逐渐下降，最后试件破坏.

表2　弯曲性能测试结果

承载力保持系数约为50%；随着纤维掺量增加，承载力保持系数均逐渐增大，当纤维掺量增大到0.8%+1.2%时，混杂纤维增韧效果较为理想.此时，试件的承载能力在初裂后都会有所上升，最高达7.9 MPa，其对应的挠度均超过1.0 mm，最大可达1.7 mm.同时，值得注意的是，对于G42来说，虽然随着纤维掺量的增大其承载力保持系数逐步提高，但其初裂强度却大幅降低，并且G42- 0.8- 1.2的极限承载能力比G42- 0- 0还低.分析其原因，主要是因为此时粗集料用量较高，随着纤维掺量的增大而导致新拌混凝土的工作性能降低，影响纤维增强作用的发挥，从而导致混凝土弯曲性能受到影响.

根据ASTM C1018的规定，弯曲韧性指数和残余强度系数越大，则材料的韧性越好，其在出现裂缝后承载力保持水平更高[7- 8].从表2可以看出，除了G42以外，在不同的粗集料用量下，混杂纤维混凝土的韧性指数与残余强度系数随纤维掺量的增大而呈增大趋势，当纤维掺量最大(0.8%+1.2%)时，材料的韧性指数与残余强度系数达到最大.与理想弹塑性材料相比，此时各组材料的I5、I10、I20、R5，10与R10，20均有较大幅度的提升，说明在此纤维掺量下混凝土具备较好的变形能力，弯曲韧性得到了极大改善，同时还具有较高的强度保持能力.对于G42来说，虽然此时纤维的分散会受到较大影响，但是当纤维掺量达到最大时其韧性仍明显高于理想弹塑性材料.

根据以上分析可以看出，文中所制备的CPP/PE混杂纤维增强混凝土表现出了优异的弯曲韧性，可以从混凝土典型的复合多层次结构特征来讨论其增韧机理.从细观尺度来看，微细纤维的加入能够延缓微裂纹的起源和扩展，使结构受力更为均匀.同时，所采用的PE纤维惰性明显，亲水性很差，其与水泥基体的界面结合以摩擦粘结为主，化学粘结较薄弱[9]，故界面结合强度相对较低，这使PE纤维在基体开裂后倾向于从基体中拔出.图4为混凝土试件加载后开裂处的局部破坏形貌，可以看到大量拔出破坏的PE纤维，其伸出长度在4 mm左右.在纤维拔出过程中可通过纤维滑移摩擦有效耗散破坏能量，并利用其桥联作用继续使裂缝两端协同受力，在微裂纹缓慢扩展的同时提供足够的承载力，从而提高混凝土的变形能力.其次，从宏观尺度来分析，CPP纤维较粗且较硬，直径达0.8 mm，因此其分布和取向状态受混凝土内部粗集料的影响相对较小.根据纤维间距理论可计算得到[10- 12]，本研究采用的CPP纤维理论间距(13.08 mm)与集料的最大粒径相当，因此可以相对均匀地分散在混凝土基体中.随着裂缝的扩展，当细纤维已被大量拔出而产生大裂缝时，由于CPP纤维的模量较低，其桥联作用此时开始充分发挥，在拔出过程中耗散能量并传递荷载，从而在宏观尺度上与细观尺度的PE纤维实现协调增韧[13].由此可以看出，PE与CPP纤维在不同结构层次上的协调互补是促使混凝土弯曲韧性大幅提升的重要原因.

图4裂缝处纤维桥联作用与破坏模式

Fig.4Fiber bridging effect and failure mode in cracks

3.2　双因素方差分析

分析因素A、B的差异对试验结果是否有显著影响，即为检验如下假设是否成立：

H01∶α1=α2=…=αa=0

(1)

H02∶β1=β2=…=βb=0

(2)

式中，a、b分别为因素A、B的总水平个数.

当H01假设为真时，FA服从F分布，具体为

FA~F((a-1),(a-1)(b-1))

(3)

当H02假设为真时，FB服从F分布，具体为

FB~F((b-1),(a-1)(b-1))

(4)

于是，对给定的检验水平r，当FA>Fr((a-1),(a-1)(b-1))时，拒绝H01，即因素A的影响有统计意义；当FB>Fr((b-1),(a-1)(b-1))时，拒绝H02，即B因素的影响有统计意义.

通过计算分析，将各因素的F值汇总于表3，各因素对韧性指标的影响显著程度见表4.结合表3和4的分析结果可以看出，对于因素A来说，各韧性指标的F值均高于F0.01(5,15)；对于因素B来说，FB值要明显小于FA值，仅I5的F值高于F0.05(5,15)，但其比F0.01(5,15)低.根据统计学判据可知，纤维掺量变化对混凝土的韧性特征影响非常显著，而粗集料用量对混凝土韧性特征的影响则为显著或不显著，所以在进行混杂纤维混凝土设计时，纤维掺量对混凝土韧性的影响更为明显.

表3　双因素方差计算结果

表4纤维掺量和粗集料用量对韧性指标的影响

Table 4Influence of fiber content and coarse aggregate volume levels on toughness index

韧性指标I5I10I20R5,10R10,20纤维掺量非常显著非常显著非常显著非常显著非常显著粗集料用量显著不显著不显著不显著不显著

4结论

文中将PE和CPP进行纤维混杂，研究了其抗弯和抗压性能，发现：在各粗集料用量下，混杂纤维混凝土抗压强度普遍高于素混凝土，其总体提高幅度主要集中在15%~30%之间；掺入混杂纤维后各组混凝土的荷载-挠度曲线整体较为饱满，多数曲线表现为变形缓慢软化特征，部分出现变形硬化，弯曲韧性得以明显改善.研究还发现，各组试件的断裂特征随纤维掺量和粗集料用量的变化而有所差异，对粗集料用量和纤维掺量进行双因素方差分析后发现，纤维掺量对混凝土韧性影响非常显著，即纤维掺量对混凝土韧性性能的影响更为重要.究其机理认为：在细观结构层次上，PE纤维能够通过与基体的摩擦滑移耗散能量，抑制微细裂缝的扩展；在宏观结构层次上，CPP纤维的低模量、高摩阻特征使得其桥联阻裂作用在大裂缝出现后开始充分发挥，从而在宏观尺度上实现与PE纤维的协调增韧，大幅提高混凝土的弯曲性能.

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Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51278220,51278520) and Jilin Major Project of Science and Technology Agency(20130206093SF)

Analysis of Mechanical Properties of Concrete Mixed

with Hybrid Synthetic Fiber

HuJian-rong1HeRui2LiYong-peng3

(1.Civil Engineering Design Academy of Chang’an University Co.,Ltd., Xi’an 710064, Shaanxi, China; 2. School of Materials

Science and Engineering∥Engineering Research Center of Transportation Materials of the Ministry of Education,Chang’an

University, Xi’an 710061, Shaanxi, China;3.Zhengzhou City Municipal Engineering Design and

Research Institute, Zhengzhou 450052, Henan, China)

Abstract:The hybrid fiber-reinforced concrete was prepared by using the polyethylene fiber(PE) of a high elastic modulus and the polypropylene synthetic fibers(CPP) of a low elastic modulus, and its flexural behaviors and compressive resistance were determined.Then, the significances of the factors influencing the flexural toughness were discussed through a two-factor variance analysis, and the toughening mechanism of the hybrid fiber was explored. The results show that(1) the compressive strength of hybrid fiber-reinforced concrete specimens with different coarse aggregate contents is generally higher than that of plain concrete, and the improvement ranges are mainly between 15%~30%;(2) the load-deflection curves of the concrete specimens with the hybrid fiber are relatively full; and, furthermore, most curves exhibit a slow deformation softening characteristic while some display a defor-mation hardening characteristic;(3) the fiber content has a significant effect on the toughness of the concrete, while the coarse aggregate dosage has a smaller one; and (4) the CPP/PE fiber can toughen the concrete from different hierarchies, which causes a positive hybrid effect, thus enabling the prepared hybrid fiber-reinforced concrete to possess excellent toughness.

Key words:hybrid fiber; concretes; mechanical properties; flexural toughness; two-factor variance analysis; fiber content

文章编号:1000- 565X(2015)10- 0023- 06

通信作者:† 曲昭伟(1962-)，男，博士，教授，主要从事交通控制与视频检测研究.E-mail: quzw@jlu.edu.cn

作者简介:宋现敏(1978-)，女，博士，副教授，主要从事交通控制与交通组织方面的研究.E-mail: songxm@jlu.edu.cn

基金项目:*国家自然科学基金资助项目(51278220,51278520);吉林省科技厅重点项目(20130206093SF)

收稿日期:2014- 12- 02

中图分类号：U 414;TU 528.57

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2015.10.003