改性合成纤维混凝土弯曲及抗冲击试验

李长辉，杨 放，王启材，陈 宇，韦志远，吴 堃

(1. 中国民航大学交通科学与工程学院，天津 300300; 2. 天津大学建筑工程学院，天津300384； 3. 广西大学土木建筑工程学院，广西南宁 530004)

0 引 言

纤维混凝土能够有效解决普通混凝土抗拉强度低、韧性差、容易开裂等问题，目前广泛应用于土木工程各领域。现有研究成果表明：玄武岩纤维[1]、钢纤维[2-4]、复合纤维[5-6]、聚丙烯纤维[7-10]、聚乙烯醇纤维[11]的掺入可以在一定程度上提升混凝土的弯曲韧性及冲击韧性。Kurihashi等[12]研究了冻融循环作用下钢筋混凝土梁的抗冲击性能，试验结果表明当钢筋混凝土梁遭受冻融损伤时，损伤发生的位置集中在荷载加载点处。Bankir等[13]研究了钢纤维、玻璃纤维、合成纤维及聚丙烯纤维与水泥中粉煤灰置换率、电弧炉炉渣置换率间的相互作用对钢筋与混凝土机械黏结性能的影响，试验结果表明配比为体积掺量0.02%钢纤维、0.23%玻璃纤维、0.25%合成纤维、0.25%聚丙烯纤维、19.95%粉煤灰、31.64%电弧炉炉渣及400 kg·m-3黏合剂时为最优配比。Sahin等[14]研究了反复冻融循环对混凝土结构冻害及内部损伤作用的微观作用机理，得到了冻结速率及解冻条件对于混凝土结构耐久性能的影响规律。此外，Guo等[15]进行了弯曲、准静态及动态劈裂拉伸试验，研究表明，当聚丙烯纤维体积掺量为0.12%、钢纤维体积掺量为2.5%左右时，钢-聚丙烯混杂纤维混凝土具有较好的弯曲韧性。高峰等[16]的研究表明，当聚酯纤维体积掺量为3%时混凝土抗折强度提高幅度最大。玻璃纤维[17]及碳纤维[18]的掺入也可以提升混凝土的抗冲击性能，试验结果表明同时考虑经济因素及对混凝土抗冲击性能的改善，掺有玻璃纤维的混凝土相较于聚丙烯纤维及碳纤维混凝土表现更为出众。Li等[19-20]以钢纤维、玄武岩纤维、聚丙烯纤维作为增强材料，研究了混杂纤维混凝土在压、拉、弯、剪方面的力学性能及纤维混凝土剪力键的抗震性能，结果表明当钢纤维、玄武岩纤维质量掺量分别为180 kg·m-3及4.5 kg·m-3时，混杂纤维混凝土综合力学性能最优。此外，Hsie等[21]发现单丝粗聚丙烯纤维以及短聚丙烯纤维在协同工作时混凝土的力学性能优于单掺纤维。李长辉等[22]研究了不同孔隙率、冻融速率、除冰液浓度及温度等因素在冻融循环作用下对于透水混凝土道面抗冻性能的影响，得到了多孔混凝土抗冻性与乙二醇除冰液浓度间的变化关系。严武建等[23]研究了在冻融循环作用下引气剂及聚丙烯纤维掺量对于混凝土力学性能的影响，结果表明，掺加引气剂的C30聚丙烯纤维混凝土其抗冻性能改善最为显著。在钢纤维-聚丙烯纤维再生混凝土的抗冲击性能方面，孔祥清等[24]研究发现当钢纤维体积掺量为1.5%、聚丙烯纤维体积掺量为0.9%时，再生混凝土的抗冲击性能提升最佳。刘贺等[25]通过8组混杂纤维混凝土试件对其韧度进行了试验研究，结果表明钢纤维能显著提高混凝土的抗弯、抗拉强度，仿钢丝聚丙烯纤维与铣削型钢纤维组成的混杂纤维混凝土韧度最高。

由上述研究分析可知，目前针对普通混凝土掺入改性合成聚丙烯纤维后的力学性能及冲击性能试验研究有限。此外，这些研究主要集中在纤维混凝土抗压、抗拉、抗弯等方面的增强效果，而关于纤维混凝土试件经冻融后的冲击性能试验研究较少。同时根据研究者前期研究发现[19-20]，在混凝土中同时掺入钢纤维、玄武岩纤维可很大程度上提高混凝土抗弯韧性及抗弯、抗拉强度，但钢纤维混凝土存在纤维掺量大、造价高等情况。改性合成聚丙烯纤维作为一种新型增强材料，具有高强度、高弹性模量、分散性好、经济效能好等优势。因此本文选取与前期所用钢纤维长度相同的40 mm改性合成聚丙烯纤维作为研究对象，同时选取20 mm长的改性合成聚丙烯纤维、6～12 mm长的短切聚丙烯腈纤维及无纤维普通混凝土作为对照组。采用弯曲试验装置及自行设计的落锤式冲击装置，对改性合成聚丙烯纤维混凝土进行四点弯曲试验和经冻融前后的冲击试验，并与聚丙烯腈纤维混凝土及不掺加纤维的普通混凝土的荷载-位移曲线、初裂及破坏冲击次数、抗弯韧性等试验结果进行对比分析，得到了纤维类型、纤维掺量、冻融循环次数等因素对于纤维混凝土材料弯曲及冲击性能的影响规律。

1 试验设计

1.1 试验原材料及试件分组

本试验选用P.O42.5普通硅酸盐水泥，细骨料为干燥清洁的河砂，粗骨料为级配良好的碎石。纤维主要力学参数及纤维混凝土配合比分别如表1及表2所示。本次试验中，试件编号为A、B、C、D，分别表示不掺有纤维的素混凝土试件、掺有长度为20 mm的合成聚丙烯纤维的混凝土试件、掺有长度为40 mm的合成聚丙烯纤维的混凝土试件及掺有聚丙烯腈纤维的混凝土试件。试件编号后的数字表示每立方米纤维的质量掺量，各组掺量分别为1、3、6、9 kg·m-3，合成聚丙烯纤维及聚丙烯腈纤维掺量根据前期研究试验确定，每组试件包括立方体抗压试件3个，四点弯曲试验用试件4个，抗冲击试验用试件4个，共143个试件。

表1 纤维主要力学参数Table 1 Main Mechanical Parameters of Fibers

表2 纤维混凝土配合比Table 2 Mix Proportion of Fiber Reinforced Concrete

1.2 试件制备与养护

在混凝土试件的制备过程中，采用60 L混凝土搅拌机进行搅拌。具体流程为：先将砂、碎石、纤维干拌，然后加入水泥干拌，总时长为1.5 min；最后加入水湿拌4 min。搅拌完成后，将混凝土用标准方法振捣。静置24 h后即可将混凝土从模具内取出，随后将脱模后的试件放入温度20 ℃±2 ℃、相对湿度为95%的标准恒温箱中养护28 d。

2 试验结果及分析

2.1 立方体抗压试验

本次试验测得13组混凝土试件的立方体平均抗压强度柱状图如图1所示，其中红色数据点表示强度变化趋势。由图1可知：在1 kg·m-3掺量下，B组、C组、D组的立方体抗压强度均略高于A0组；在3 kg·m-3掺量下，B组、C组、D组的立方体抗压强度与A0组接近，分别下降了2%、2%、14%；在6 kg·m-3以及9 kg·m-3掺量下，B组、C组、D组立方体抗压强度略低于A0组。

试验结果表明，普通混凝土试件立方体平均抗压强度达到42.7 MPa。当合成聚丙烯纤维及聚丙烯腈纤维掺量较小时，不影响普通混凝土抗压强度或略微提高其抗压强度。然而随着纤维掺量的增加，混凝土的抗压强度呈下降趋势。这是由于纤维在混凝土砂浆中分布不均或在拌合时产生初始裂缝(缺陷)所致。B组与C组合成聚丙烯纤维的弹性模量虽相同，但20 mm长合成聚丙烯纤维在混凝土中更容易搅拌，分布也更均匀，因此其对强度的影响会较小；40 mm长合成聚丙烯纤维由于长度原因，会影响其在混凝土砂浆中的分布均匀性，因此其对强度的影响程度相较于B组更大。D组中掺入的聚丙烯腈纤维属于单丝纤维，随着纤维掺量的增加，在混凝土砂浆中结团的概率也大幅提升，且单丝纤维相比合成纤维，其弹性模量也较低，因此混凝土强度降低的趋势越明显。

2.2 棱柱体四点弯曲试验

2.2.1 试验方法

本文根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)、《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13:2009)开展试验研究，在标准条件下养护28 d后对截面尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件进行四点弯曲试验，采用位移控制方式，加载速率为1 mm·min-1，试验装置如图2所示。

2.2.2 试验结果及分析

四点弯曲试验数据如表3所示，其中，Ω为在荷载-位移曲线中达到峰值荷载时曲线与x轴围成的面积，用以反映混凝土试件的抗弯韧性，该值越大，抗弯韧性越强。相同掺量下不同种类纤维的荷载-位移曲线如图3所示。纤维混凝土的极限弯曲强度可由式(1)计算得到。

表3 四点弯曲试验结果Table 3 Results of Four-point Bending Test

fu=FuL/(bh2)

(1)

式中：L为试验梁支座间的跨距；b为试件横截面宽度；h为试件横截面高度。

由表3可知，A0组的四点弯曲强度最低，为4.92 MPa，B组、C组、D组由于掺入纤维均有小幅度提升，但三者差异很小，四点弯曲强度在5.15～5.53 MPa之间变化，相较于素混凝土提升了4.67%～12.40%。而合成聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维均能显著提升混凝土的抗弯韧性，但表现出较大差异，B组的抗弯韧性相较于A0组提升了40.80%～102.52%；C组的抗弯韧性相较于A0组提升了60.09%～120.62%；D组的抗弯韧性相较于A0组提升了10.39%～62.46%。从图3可以明显看出，掺有纤维的B组、C组、D组峰值荷载都高于A组，峰值荷载对应的位移以及极限位移也表现出同样的规律，按照从小到大排序依次为A组、D组、B组、C组。A组与D组的曲线形状较为接近，曲线在达到峰值荷载后均垂直下降。当合成聚丙烯纤维掺量为6 kg·m-3及9 kg·m-3时，B6、B9、C6、C9组抗弯试件在达到极限荷载后并未直接下降，而是出现了较为平缓的下降段，并且此下降段的延伸幅度随着掺量的增加而增加。此外，部分组曲线在下降后还能继续上升，体现出良好的延性变形能力。由此可见，纤维的掺入使得混凝土和纤维成为受力共同体，共同承受来自外部的荷载，提高了混凝土抵抗变形的能力，从而使得纤维混凝土的抗弯韧性显著增长。

2.2.3 试验现象及破坏形态

在四点弯曲试验过程中，随着荷载的增加，不掺纤维的A0组混凝土试件在出现裂缝的同时，试件直接发生脆性破坏，断裂为两部分。原因在于素混凝土在达到峰值荷载后无法阻止试件内部细观裂缝扩展，从而导致其快速延伸至表面，出现脆性破坏。而掺有改性合成聚丙烯纤维的B组、C组混凝土试件在出现裂缝后，仍能长时间变形，透过裂缝可以观察到试件内部的纤维相互连接，在混凝土部分达到极限承载力后，纤维还能继续承受荷载。在加载末期，可以清楚听到纤维被拔出的声音，裂缝两侧的试件向上拱起但并未破坏，体现出合成聚丙烯纤维混凝土良好的延性变形能力。D组混凝土试件破坏接近素混凝土，但由于纤维的存在，混凝土试件并未直接断裂，只出现一条上下贯通的细小裂缝。不同掺量、不同纤维类型下试件的破坏形态如图4所示。从图4可以看出，当纤维的掺量在1 kg·m-3及3kg·m-3时，试件表面仅有1条主裂缝，当纤维掺量增加到6 kg·m-3时，40 mm长聚丙烯纤维试件在破坏面出现了多裂缝共同延伸的情况，当纤维掺量增加到9 kg·m-3时，3组纤维混凝土试件均出现了多裂缝共同延伸发展的现象。试验结果表明，纤维的掺入可明显改善普通混凝土的脆性，增强混凝土试件的抗裂性能，且随纤维掺量的增加，混凝土试件表面裂缝最大宽度逐渐增大，混凝土表面开裂情况从单裂缝开裂逐渐向多裂缝共同延伸开裂发展，试件在承受峰值荷载后的变形性能也随之提高。

2.3 冲击试验

2.3.1 试验方法

目前常用的冲击试验方法有落锤式冲击试验、MTS试验、SHPB试验、轻气炮冲击试验及摆锤试验等，本文参考中国《纤维混凝土试验方法标准》(CECS13：2009)中落锤冲击试验装置，采用快速冻融循环试验箱及自行设计改进后的冲击试验装置(图5)以测定合成聚丙烯纤维及聚丙烯腈纤维混凝土试件在未经冻融及经受冻融循环后的抗冲击性能。冻融冲击试验采用100 mm×100 mm×100 mm立方体试件进行，采用快速冻融循环试验机，以25次小循环为一次大循环，每一次大循环后将试件取出，置于室温下完全自然晾干后称重，记录质量损失后再放入快速冻融循环试验机进行下一次大循环，以研究冻融循环作用下纤维对于混凝土抗冲击性能的改善作用。本试验用9 kg的落锤从50 cm的高度处做自由落体运动，冲击固定于立方体试件上方的钢球，每次冲击后检查混凝土试件有无开裂或破坏等现象出现，记录试件初裂冲击次数N1(出现第一条裂缝)和破坏时的冲击次数N2(试件与4块挡板中任意3块相接触)。

2.3.2 试验结果及分析

冻融前后的冲击试验数据如表4所示。相同掺量下不同种类纤维的冲击次数如图6所示。纤维混凝土冲击耗能可以按式(2)计算。

表4 冲击试验数据Table 4 Data of Impact Tests

W=Nmgh

(2)

式中：W为冲击耗能；N为冲击次数；m为冲击锤的质量，取9.0 kg；g为重力加速度，取9.8 m·s-2；h为冲击锤下落高度，取500 mm。

由表4和图6可以看出，未经冻融前，掺有长度为40 mm合成聚丙烯纤维的混凝土，其初裂冲击次数及破坏冲击次数均为最高，破坏冲击次数相较于素混凝土提升了120%～306.67%，相较于B组提升了15.15%～35.90%，相较于D组提升了36.36%～60.66%。冻融循环25次后，A0组试件的初裂及破坏冲击次数与冻融前较为接近，冻融循环50次后，初裂及破坏冲击次数开始下降，分别为5次和14次，冻融循环75次后，初裂及破坏冲击次数进一步下降，相比冻融前分别降低了42.86%和20%；B组在经历75次冻融循环后，初裂及破坏冲击次数相比冻融前分别下降了14.29%～23.53%和7.14%～13.33%；C组在经历75次冻融循环后，初裂及破坏冲击次数相比冻融前分别下降了5.56%～20%和6.06%～19.67%；D组在经历75次冻融循环后，初裂冲击次数及破坏冲击次数相比冻融前分别下降了15.38%～29.41%和9.52%～14.29%。

由上述数据分析可知，合成聚丙烯纤维的掺入可以显著地提升混凝土的抗冲击韧性。其中，20 mm短合成聚丙烯纤维对于混凝土韧性的提高略低于40 mm长合成聚丙烯纤维，原因在于两种纤维中较长的纤维所产生的拉结作用更加明显。混凝土的抗冲击能力显著增长的原因在于纤维的拉结作用能有效减缓混凝土裂缝的产生，从而增强材料介质的连续性，减小冲击波被阻断引起的局部应力集中现象。掺有聚丙烯腈纤维的D组可以大幅度提升混凝土的抗冲击韧性，但D组的提升幅度低于B组、C组，原因在于聚丙烯腈纤维的弹性模量及抗拉强度均低于改性合成聚丙烯纤维，且在搅拌过程中更容易结团。此外，聚丙烯腈纤维在混凝土初裂前对于冲击韧性的改善情况良好，混凝土初裂后该种纤维发挥的作用较为有限。3种纤维混凝土在高掺量(6和9 kg·m-3)下相较于素混凝土对初裂及破坏冲击次数的提升程度高于低掺量(1 kg·m-3和3 kg·m-3)。随着冻融次数的增加，4组试件的冲击次数也逐渐降低，原因在于冻融会使混凝土内部产生冻融损伤，并不断加剧。但添加纤维后的冲击次数降低幅度明显低于素混凝土，说明纤维的掺入可以有效缓解混凝土内部的冻融损伤。

2.3.3 试验现象及破坏形态

部分遭受冲击的试件破坏形态如图7所示。由图7可知：在冲击试验过程中，A0组试件一旦表面产生细小裂缝，下次冲击会使得裂缝急剧深化，此后仅数次冲击，试件就会沿着类似于“人”字形的裂缝直接断裂成三部分，属于脆性破坏；B组、C组混凝土在经受多次冲击后，试件表面才产生裂缝，此后裂缝开展较为缓慢，在此过程中可以观察到裂缝间有纤维相互拉结，使得试块在破坏后仍然保持立方体的整体形状不变，属于延性破坏；低掺量时，D组试件与A0组试件破坏形态接近，直接断裂成两部分；高掺量时，试件并未断裂，仅在上表面形成较粗的“人”字形裂缝，且纤维的掺入可以有效改善混凝土经受冻融后的破坏形态，提高混凝土的抗冻性。

3 结语

(1)纤维的掺入可显著提升混凝土的抗弯韧性及抗弯强度，其中掺有40 mm长合成聚丙烯纤维的混凝土的抗弯韧性改善效果最佳，相较于素混凝土提升了60.09%～120.62%；而掺有20 mm长合成聚丙烯纤维以及聚丙烯腈纤维的混凝土对于抗弯韧性的提升幅度也同样可观，相较于素混凝土分别提升了40.80%～102.52%和10.39%～62.46%。纤维混凝土四点弯曲强度在5.15～5.53 MPa之间变化，相较于素混凝土提升了4.67%～12.40%。

(2)纤维的掺入可显著提升混凝土的抗冲击性能。未经冻融前，掺有长度为40 mm的合成聚丙烯纤维混凝土，其初裂冲击次数及破坏冲击次数均为最高，相较于素混凝土分别提升了114.29%～157.14%和120%～306.67%，相较于掺有长度为20 mm的合成聚丙烯纤维混凝土分别提升了5.56%～23.53%和15.15%～35.90%，相较于聚丙烯腈纤维混凝土分别提升了5.56%～13.33%和36.36%～60.66%。

(3)纤维的掺入可减轻混凝土内部的冻融损伤，纤维种类改善冻融的效果以合成聚丙烯纤维最佳，聚丙烯腈纤维次之。