混杂纤维超高性能混凝土断裂性能研究

梁睿，李传习，聂洁，李海春，刘高成，王圣杰

（长沙理工大学桥梁与建筑绿色建造和维护湖南省重点实验室，湖南 长沙，410114）

超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，简称为UHPC）是一种具有超高强度、超高韧性和超强耐久性的新型水泥基复合材料[1-2]，通常掺入钢纤维或高强聚合物纤维，从而提高其抗拉、弯曲韧性和抗冲击能力[3]。目前，已广泛应用于大跨径桥梁、超高层建筑及其他特殊结构当中[4-6]。在开展工程应用的同时，对其材料性能的深入研究仍不可或缺，而作为准脆性材料，断裂性能研究是UHPC 安全评定的重要研究课题之一。但是由于钢纤维造价较高，且通常在UHPC中掺量较大，导致UHPC的成本较高，在一定程度上阻碍了其进一步的应用与发展[7]。PVA 纤维表面存在羟基，具有良好的亲水性，与基体锚固性能好，有利于阻碍微裂缝的发展，能有效提高混凝土的断裂性能[8-10]。已有研究表明：PP 纤维能有效阻碍混凝土开裂[11]，对提高混凝土的断裂韧性和改善裂后行为有明显的效果[12-14]。考虑到这两种纤维的经济性明显优于钢纤维的[13,15]，若以合成纤维（PVA 或PP纤维）代替部分钢纤维，能提高断裂力学性能，降低经济成本，对UHPC的推广应用有重要意义。

国内外学者已对UHPC的断裂性能进行了一系列研究。杨益伦等人[16-17]分别针对不同钢纤维掺量、不同试件尺寸研究钢纤维对UHPC断裂性能的影响，均表明钢纤维的掺入能有效提高UHPC的断裂韧性。Sovják 等人[18-19]的研究表明：UHPC 的断裂能随钢纤维掺量增加而增加。邓宗才[8]研究了不同掺量的钢纤维与粗聚烯烃纤维和聚乙烯醇纤维混掺、不同几何尺寸钢纤维混掺对改善UHPC韧性的效果表明：钢纤维与合成纤维在裂缝开裂阶段相继发生作用，能有效提高UHPC的韧性。这些研究表明：钢纤维掺量的增加对提高UHPC的断裂性能至关重要，在掺入钢纤维的基础上加入不同性能、尺寸的合成纤维，能进一步提高UHPC的断裂性能，但针对PVA 纤维与PP 纤维替代部分钢纤维对UHPC断裂性能影响的研究鲜见。因此，本研究拟以PVA 纤维与PP 纤维替代部分钢纤维，混掺3种不同几何尺度与力学性能的纤维（即钢纤维、PVA 纤维、PP 纤维）制作混杂纤维超高性能混凝土（hybrid-Fiber ultra-high performance concrete，简称HFUHPC）材料，通过切口梁三点弯曲试验，基于双K 断裂模型[20-22]，研究HFUHPC 在不同纤维混掺模式下的双K 断裂韧度和断裂能，分析合成纤维替代率对HFUHPC 断裂韧度的影响规律。通过纤维桥接韧度的增值，探讨不同纤维混掺的影响效果。

1 双K断裂参数与断裂能解析式

断裂韧度KIc是断裂力学中重要的参数，是判断混凝土对裂缝扩展的抵抗能力，对评价裂缝的稳定性与结构的安全性起关键作用。国内外大量研究表明：混凝土的断裂过程分为裂缝起裂、裂缝稳定扩展、裂缝失稳扩展等3个阶段。徐世烺等人[23-24]提出了双K 断裂理论，引入了起裂韧度KiniIc与失稳韧度KunIc作为裂缝起裂与临界失稳的控制参数，分别表征材料抵抗裂缝开展的能力和构件在裂缝即将失稳扩展时对外力的抵抗能力。当裂缝尖端处的应力强度因子K＜KiniIc时，裂缝不起裂；当KiniIc≤K＜KunIc时，裂缝稳定扩展；当K≥KunIc时，裂缝失稳扩展。

1.1 失稳韧度

试件的失稳韧度KunIc的计算式为[23]：

式中：Pmax为切口梁三点弯曲试验实测峰值荷载，kN；S为两支座间的跨度，m；t为试件厚度，m；h为试件高度，m；a0为初始裂缝长度，m；ac为临界失稳下裂缝的长度；CMODc为临界失稳状态下裂缝口张开位移临界值，μm，如图1所示；m为支座间试件的质量，kg；g为重力加速度，9.81 m/s2；h0装置夹式引伸计刀口薄钢板的厚度，m；E为PCMOD 曲线的计算切线弹性模量，GPa；k为PCMOD 曲线弹性段拟合直线的斜率，kN/mm；b为P-CMOD曲线弹性段拟合直线的截距，kN。

图1 失稳韧度的主要参数示意Fig.1 Schematic of main parameters of unstable toughness

1.2 起裂韧度

用试件的切口梁三点弯曲试验起裂荷载Pini和初始裂缝长度a0分别代替式（1）和式（3）中的Pmax与ac，可得试件的起裂韧度。其中，起裂点通过试验曲线法确定，即起裂荷载Pini为试件PCMOD 曲线的上升段从直线段转变为曲线段的转折点对应的荷载[23]。

1.3 黏聚韧度与纤维桥接韧度

根据混凝土双K 断裂模型，在裂缝没有开始发展时，结构只受到外荷载的作用。起裂韧度是裂缝开始发展时结构抵抗外力的能力。失稳韧度是最大荷载时结构抵抗外力的能力。和并非2 个孤立参数，两者之差值是虚拟裂缝上黏聚力作用的结果[24]，可认为：

相同混凝土的基体，黏聚韧度为定值[14,25]，因此，可通过求纤维混掺后裂缝尖端处纤维桥接应力强度因子的增值来表征该混掺方案对基准混掺方案的效果增量：

式中：ΔKsIc、ΔKunIc、ΔKiniIc分别为目标混凝土对基准混凝土纤维桥接韧度、起裂韧度、失稳韧度的增量。

1.4 断裂能

混凝土的断裂能Gf是评价混凝土断裂过程中耗能能力的参数，反映裂缝扩展单位面积所需消耗的能量，可由三点弯曲试验测得的荷载-位移曲线（P-δ曲线）与横坐标包围的面积得出[26]。由于试验条件的限制，P-δ曲线的尾段一般难以直接测出，P-δ曲线的尾段符合幂函数规律[23]，可表示为：

P=βδ-λ。 （11）

式中：β、λ可通过P=Pmax/3后的试验数据点拟合确定，设此时位移为δ1。

假设曲线尾段延伸至位移无穷大处，可得曲线尾段包围面积：

因为本试验所用试件质量较小，试件自重做功对断裂能计算结果影响不大，为简化计算，保证足够的精确度，试件自重做功部分取实际加载过程中最终测得的跨中位移δ0进行计算，所以断裂能的最终计算式为：

式中：W0为实测P-δ曲线在δ＜δ1段与横坐标的包围面积；A为试件断裂韧带面积，即A=t(h－a0)。

2 试验

2.1 原材料组成

试验原材料为：水泥、矿粉、石英砂、硅灰、减水剂、水、钢纤维、PVA 纤维和PP 纤维等。其中，拌和用水直接采用城市自来水；水泥选用南方牌P.O52.5 级普通硅酸盐水泥，实测抗压和抗折强度分别为33.8、6.6 MPa（3 d）与61.37、8.5 MPa（28 d），比表面积342 m2/kg，烧失量1.95%；石英砂选用粒径为26～40 目的精制石英砂；硅灰的活性指数、烧失量及比表面积分别为125、2.8、20 m2/g；减水剂减水效率为30%；钢纤维、PVA纤维、PP纤维尺寸及力学性能见表1，纤维外观如图2所示。

表1 钢纤维、PVA纤维和PP纤维物理与力学特性Table 1 Physical and mechanical properties of steel fiber,PVA fiber and PP fiber

图2 钢纤维、PVA纤维和PP纤维样品Fig.2 Steel fiber,PVA fiber and PP fiber samples

2.2 纤维掺量设计

设置纤维总体积掺量为2%，以单掺2%钢纤维（S1）为对照组，以合成纤维替代率γ为10%、20%、30%分别设置钢纤维混掺PVA/PP 纤维各1组（S2～S7），外加1 组同时混掺3 种纤维的试件（S8）作为第2组对照组（γ=30%），见表2。

表2 试件编号及纤维体积掺量Table 2 Specimen number and corresponding volume content of each fiber %

2.3 试件制作与养护

UHPC混合料的搅拌流程及试件养护分别如图3～4所示。

图4 试件养护制度Fig.4 Specimen curing process

2.4 试验方法

三点弯曲断裂试验参考《水工混凝土断裂试验规程》（DL/T 5332—2005）[27]进行。试验切口梁试件的使用尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，跨中带长12 mm、宽2 mm 的预制裂缝（浇筑前预先嵌入固定尺寸的薄钢板），试件尺寸及试验装置如图5所示。试验选用WDW-300D 型万能试验机进行三点弯曲试验，支座间跨度为100 mm，加载采用位移控制模式。由开始加载到荷载下降至峰值荷载的70%时，保持加载速率为0.1 mm/min。荷载小于峰值荷载的70%后，以0.5 mm/min 的速率继续加载。荷载降至峰值荷载的10%时，停止加载，即此时的挠度值为δ0。试件的跨中挠度值δ由万能试验机自动采集，跨中裂缝张开位移CMOD 由夹式引伸计采集，引伸计标距为10 mm，量程为4 mm，精度为0.001 mm。

图5 切口梁试件及断裂试验装置Fig.5 Notched beam specimen and fracture test device

3 试验结果及分析

3.1 试验现象

各组切口梁试件的断裂破坏形态如图6 所示。从图6中可以看出，由于混凝土基体中存在纤维桥接的作用，断裂面的发展并没有随着荷载的增大直达试件顶面，而是以“C”形或者“S”型的形式曲折地向上蔓延。在蔓延过程中，主裂缝附近会出现很多细小的裂缝，这些细小的裂缝与主裂缝共同承担耗能作用，具有明显的延性破坏特征。在试验过程中，当荷载达到试件的“起裂点”后，试件会随着荷载的提升，偶尔发出钢纤维与混凝土基体轻微摩擦的“呲啦”声，并逐渐在预制裂缝上方出现众多细小裂纹。当荷载达到最大荷载后或即将达到最大荷载时，预制裂缝尖端的微裂缝变得更加清晰可见。同时，试件会发出清脆的钢纤维拔出声或较小的合成纤维被拔出或拉断的声音，随着试验的进行，最后试件断裂破坏。在断裂面可以看出，破坏主要是因为钢纤维被拔出，其次是PVA/PP纤维等合成纤维被拔出或拉断。

图6 各组试件断裂破坏形态Fig.6 Fracture failure modes of specimens in each group

3.2 荷载-变形曲线

各组试件的荷载变形曲线如图7～14所示，部分不完整的P-CMOD 曲线是因引伸计的安装误差使裂缝张开的位移超出了引伸计的量程所致。

8组试件在P-CMOD 曲线形态中，曲线皆出现了明显斜率不变的弹性段，斜率逐渐降低的裂缝稳定发展阶段，以及平稳下降的裂缝失稳发展阶段。PVA/PP 纤维代替部分钢纤维后，大部分试件在最大荷载附近出现明显的曲线波动，具体表现为荷载短暂下降后继续上升的“二次硬化”现象，原因是部分钢纤维拔出后荷载下降，当合成纤维普遍开始发挥作用后，荷载又随之继续上升。

在P-δ曲线中，除S3 组与S8 组试件外，其余试件的曲线饱满程度皆有不同程度的削弱，甚至出现曲线在达到峰值荷载后快速下降的现象。表明：单以一种合成纤维代替部分钢纤维，容易引起试件耗能能力的下降，而混掺两种不同尺度的合成纤维代替钢纤维时，3 种纤维由于弹性模量、几何尺寸和抗拉强度的梯度变化，在断裂过程中相继发挥桥接的作用，弥补了性能较弱的单一合成纤维对试件耗能能力的削弱。与S1 组试件进行对比，S2～S7组试件P-δ曲线的下降段皆出现了更为明显的波动，原因是掺入了合成纤维后，合成纤维不断拔出、拉断所致。而S8 组的下降段并没有出现明显的波动，表明：3 种纤维在开裂区相继发挥作用的机理，有利于促进裂缝失稳扩展后纤维桥接应力传递的稳定。

图7 S1组试件的荷载-变形曲线Fig.7 Load-deformation curves of specimens in group S1

图8 S2组试件的荷载-变形曲线Fig.8 Load-deformation curves of specimens in group S2

图9 S3组试件的荷载-变形曲线Fig.9 Load-deformation curves of specimens in group S3

图10 S4组试件的荷载-变形曲线Fig.10 Load-deformation curves of specimens in group S4

图11 S5组试件的荷载-变形曲线Fig.11 Load-deformation curves of specimens in group S5

图12 S6组试件的荷载-变形曲线Fig.12 Load-deformation curves of specimens in group S6

图13 S7组试件的荷载-变形曲线Fig.13 Load-deformation curves of specimens in group S7

图14 S8组试件的荷载-变形曲线Fig.14 Load-deformation curves of specimens in group S8

3.3 断裂参数计算结果及分析

由式（1）和（14）计算得出各组试件双K 断裂韧度参数和断裂能，见表3，表中数据皆为均值。

由表3 可知，与S1 相比，试件S2～S4 的起裂韧度均有所提升，表现为正替代效应，随着合成纤维替代率（γ）的增加呈逐渐提升趋势，最大增幅为34.2%（γ=30%）。试件S2～S4 的失稳韧度随着γ的增加而逐渐降低，均低于试件S1 的，表现为负替代效应，最大降幅为56.0%（γ=30%）。表明：直径较小的PVA 纤维能有效抑制HFUHPC 微裂缝的产生与发展，且抑制效果较钢纤维的优秀，但对裂缝稳定扩展阶段的抑制作用则逊色于钢纤维的。当γ=30%时，掺量过大的PVA 纤维将导致纤维分布不均，从而影响纤维整体的增韧效果[29]，失稳韧度呈断崖式下跌。试件S5～S7 的起裂韧度较S1 的均有所减小，但减小幅度并不大，表现为负替代效应。γ=20%时，其最低下降13.0%；γ=10%时，其最高下降7.5%。试件S5～S7 的失稳韧度与S1 的对比，也有不同程度下降，表现为负替代效应，但降幅随着γ的提高而减小。试件S5～S7的失稳韧度在γ=10%时，最低下降36.1%；γ=30%时，最高下降29.9%。这是由于PP 纤维较PVA 纤维的直径大，加上PVA 纤维表面的羟基具有优秀的基体黏结性能，表明：①PP 纤维在早期抗裂减缩的能力上较PVA 纤维的差[8，29]。PP纤维的弹性模量较低，意味着对抑制微裂缝的产生与发展存在“效果延迟”，导致其对起裂韧度的增益效果不如钢纤维的。②以少量PP 纤维替代钢纤维（γ=10%），会严重影响钢纤维对HFUHPC 的增韧效果，而随着替代率的提高，较长的PP 纤维所带来的裂缝有效桥接，能部分弥补这种混掺的负效应。因此，相同单种合成纤维替代率下（S2～S7），PVA 纤维对起裂韧度的增益效果优于PP 纤维与钢纤维的，PVA 纤维与PP 纤维对失稳韧度的增益效果均不如钢纤维的。

在断裂能方面，无论是单以PVA 纤维还是单以PP 纤维替代钢纤维，随着γ的逐渐提升，断裂能变化趋势皆为先减后增再减，且均在γ=20%时，分别达到混掺后断裂能的最大值。但是，除S3 与S6外，断裂能均低于S1的，最低为S5组的，下降了40%。同时，在γ值一致的前提下，以PVA 纤维替代部分钢纤维试件的断裂能，大于以PP 纤维替代部分钢纤维试件的。表明：单种合成纤维替代钢纤维时，替代率过低或过高，会因为纤维整体质量的降低，纤维分布不均等原因，使试件耗能能力大幅降低。PVA 纤维因为对混凝土基体的锚固能力更强，所以在提升试件耗能能力方面更优于PP纤维。

当3 种纤维混掺时（S8），试件的起裂韧度明显大于单掺钢纤维试件（S1）的，提升了20.1%，表现为正替代效应。但其起裂韧度低于同γ值下S4组试件的，同时略高于PVA纤维掺量较大试件（S3）。原因为：①PVA 纤维对起裂韧度的增益效果远比PP 纤维优秀，在同γ 值下，试件S8 的起裂韧度略低于试件S4 的。②混掺多种尺寸、性能尺度的纤维，能进一步抑制试件微裂缝的产生，足以抵消PP 纤维对起裂韧度微弱的削弱效果。与此同时，S8组试件的失稳韧度、断裂能皆高于S1组试件的，分别提升了2.9%、0.7%，表明：PVA 纤维与PP 纤维的组合能在断裂性能上良好的替代部分钢纤维。

断裂位移δ0越大，试件在裂缝失稳发展后，保持强度的能力越强，延性越强。S2～S8组试件中，除S4 组外，断裂位移皆高于S1 组的。表明：以适量的合成纤维替代部分钢纤维，能提升UHPC的延性。其中，S3 组试件（γ=20%）的断裂破坏位移最大，延性最佳，提升了19.2%。除S4 组的断裂位移小于S7、S1 组外，同γ值下PVA 纤维对断裂位移的提升效果大于PP 纤维的，表明：在合适的掺量范围内，PVA 纤维更有利于提高试件的延性，而过多的PVA 纤维因分布不均，对试件的延性产生负替代效应。3 种纤维混掺后（S8），试件的断裂位移与S1 组的对比，没有获得较大的提升（仅提升0.1%），且小于除S4 组外的各组单以一种合成纤维替代钢纤维的试件。表明：PVA 纤维与PP纤维同时替代钢纤维，对UHPC延性的提升作用不大，且不及单一合成纤维替代钢纤维的。

表3 断裂参数计算结果Table 3 Calculation results of fracture parameters

由式（8）、（10）计算出各组试件的黏聚韧度，以及混掺合成纤维后的试件纤维桥接韧度的增量（皆以S1组试件为基准），其计算结果见表4。由表4 可知，单独以PVA 纤维或PP 纤维替代钢纤维，纤维桥接应力与黏聚应力裂缝尖端处的应力强度因子皆有明显下降，且两者变化趋势相同。而PVA 与PP 纤维共同替代部分钢纤维时（S8），黏聚韧度提升了1.5%，且纤维桥接韧度增量为正数（即0.247），3 种纤维随着裂缝的产生与发展相继产生桥接效果，共同作用产生的桥接应力对裂缝尖端强度因子具有明显的增强效果，产生正替代效应，进一步验证了以多种多尺度的合成纤维混掺替代部分钢纤维在一定纤维掺量范围内行之有效。

表4 黏聚韧度与纤维桥接韧度增量计算结果Table 4 Calculation results of cohesion toughness and fiber bridging toughness increment

3.4 合成纤维替代钢纤维增韧机理分析

试验表明，单以PVA 或PP 纤维任意一种纤维替代钢纤维时，失稳韧度、黏聚韧度、纤维桥接韧度与断裂能都会受到不同程度的削弱，起裂韧度则各有增减，而以等量的PVA 与PP 纤维共同替代30%钢纤维时，HFUHPC 的各项断裂性能参数皆高于单掺钢纤维UHPC 的。这归因于钢纤维、PVA 纤维与PP 纤维之间良好的协同抗裂能力。在裂缝产生前，不仅细小的PVA 纤维与PP 纤维填充了混凝土基体内的细微孔隙，降低了HFUHPC 初期的塑性收缩，减少了其内部初始缺陷[29]，而且PVA 纤维的表面存在羟基，具有加强纤维与混凝土基体黏结作用的能力，进一步阻止微裂缝的产生[8]，使试件的初裂强度与起裂韧度得到提高。在裂缝起裂后，钢纤维具有弹性模量较高、长度较短、对混凝土基体锚固能力强的特点，其附近微小的变形能使钢纤维产生较大的拉应力。钢纤维最先对微裂缝起到了桥接作用，有效阻止微裂缝的发展。弹性模量居中的PVA 纤维随着荷载提升与钢纤维拔出，开始发挥阻止裂缝进一步发展的作用。同时，PVA 与混凝土基体黏结能力强，使其在拔出与拉断的过程中消耗较多能量。试件变形继续增大，钢纤维的作用逐渐减小。此时，弹性模量最小、长度最大的PP 纤维开始发挥作用，在纤维地拔出与拉断过程中消耗大量能量，而PP纤维本身的疏水性为其带来了良好的分散性，使试件的增韧效果更稳定。与此同时，细小的PVA纤维与PP 纤维在搅拌的过程中，与钢纤维产生“纤维连锁”机制[29-30]，从而产生了良好的机械咬合力，有效阻止了HFUHPC 裂缝间的纤维被拔出，进一步增强了试件的韧性。PVA 纤维与PP 纤维组合因为该纤维混掺增韧机理，良好的弥补了由于钢纤维掺量下降而导致断裂性能下降的缺陷，并产生了正替代效应，从而在提升断裂性能的情况下有效降低成本。

4 结论

通过三点弯曲断裂试验，以合成纤维替代率为变量，开展了以聚乙烯醇纤维（PVA 纤维）、聚丙烯纤维（PP 纤维）替代部分钢纤维对UHPC 断裂性能影响的研究工作，得到结论为：

1）以PVA 纤维替代适量的钢纤维，能有效提高单掺钢纤维UHPC试件的起裂韧度与延性，同时会造成黏聚韧度与纤维桥接韧度的下降，从而导致失稳韧度的下降。其中，γ=30%时试件的起裂韧度最高，提升了34.2%，但失稳韧度最低，下降了56.0%；γ=20%时试件的断裂破坏位移最大，断裂能最大，延性最佳，增幅分别为19.2%、14.5%。

2）以PP纤维替代一定量钢纤维，会导致单掺钢纤维UHPC试件的起裂韧度小幅下降，γ=20%时最低，下降了13.0%；也会导致失稳韧度与断裂能明显下降，两者在γ=10% 时最低，分别下降36.1%、40.0%。PP 纤维替代部分钢纤维，能小幅提升单掺钢纤维UHPC试件的断裂破坏位移量。

3）钢纤维、PVA纤维与PP纤维共同增韧的效果良好，3 种纤维能在裂缝开裂的不同阶段发挥自身的效果，且三者形成的“纤维连锁”机制使纤维更难被拔出，有效弥补了因钢纤维的减少而造成断裂韧性降低的缺陷，从而在提升断裂性能的情况下有效降低成本。以等量的PVA 纤维与PP 纤维，共同替代30%的钢纤维，能提高单掺钢纤维UHPC试件的起裂韧度、黏聚韧度、失稳韧度、断裂破坏位移量与断裂能，增幅分别为20.1%、1.5%、2.9%、0.1%、0.7%。

4）纤维桥接韧度增量的概念对纤维桥接效果的定量描述更为清晰，有助于分析HFUHPC 在不同纤维混掺模式下纤维增韧的机理。