混杂纤维增强超高性能混凝土弯曲韧性

邓宗才, 薛会青

(1.北京工业大学 建筑工程学院, 北京 100124; 2.北京市市政工程研究院, 北京 100037)

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)是基于堆积密度理论和纤维增韧技术发展起来的一种具有超高强度、超耐久性的水泥基复合材料,但是随着UHPC强度提高,脆性增加[1],如何改善其韧性、降低脆性是目前国际学术界和工程界关注的热点问题。钢纤维的掺入可以改善UHPC的变形能力,但是当钢纤维掺量为1%～2%时,UHPC受压、受弯和受拉试件峰值荷载后,持荷能力下降较快,荷载-变形曲线下降段较陡,宏观裂缝扩展较迅速,吸收地震、疲劳、冲击能量的能力有待于进一步提升[2-3]。多掺钢纤维大幅度增加了UHPC的制备成本,同时影响了钢纤维分散性,给UHPC的施工带来一定困难。文献[4-5]研究了纤维掺量对喷射混凝土、再生骨料混凝土断裂能的影响。陈倩等[6]研究了钢纤维与聚丙烯纤维混掺对UHPC强度的影响规律。李传习[7]研究了纤维种类对UHPC力学性能的影响。张翼等[8]研究了高韧性水泥基材料制备方法。杨健辉等[9]研究了混掺纤维对混凝土的增强效果。但关于钢纤维与不同种类非金属纤维混掺以改善UHPC弯曲韧性的研究甚少。目前迫切需要开发适用于制备UHPC的非金属类新型纤维,通过钢纤维与合成纤维、无机纤维等混杂,进一步改善UHPC韧性、降低成本[10]。

钢纤维(SF)与粗聚烯烃纤维(PP)混掺对改善UHPC变形能力的影响,结果表明掺入粗PP纤维有利于改善UHPC峰后变形能力[10-12]。本文在此基础上研究了SF分别与粗聚烯烃纤维(PP)、聚乙烯醇纤维(PVA)、粗聚酯纤维(PET)、细耐碱玻璃纤维(GF)和玄武岩纤维(BF)等混掺对改善UHPC弯曲变形能力的影响规律。通过扫描电镜观察了UHPC断面的破坏形态,从微观角度分析了UHPC的断裂过程以及纤维的失效模式。

1 原材料及试验方法

1.1 试验材料

UHPC主要材料由水泥、微细矿物掺合料、河砂组成,各组分比例为1∶0.88∶2.33,水胶比0.18。其中水泥为P·II·42.5R硅酸盐水泥,微细矿物掺合料是以硅粉和S95矿粉为原料,具有一定细度和活性的矿物掺合料。硅粉为Hkem951级硅微粉。细骨料为粒径0.18～0.20 mm的河砂;减水剂为高效聚羧酸减水剂,减水率不小于30%。

钢纤维直径0.20 mm,长度13 mm,抗拉强度2 850 MPa。粗PVA纤维直径为0.20 mm,长度分别为8、12 mm;表面压痕PET纤维直径分别为0.75、0.90 mm,长度均为30 mm。3种长度的GF、1种PVA纤维和1种BF均为细纤维。纤维几何尺寸及力学性能指标列于表1,各类纤维照片如图1所示。纤维的命名原则为:首先为非金属纤维品种的英文缩写,其后是纤维长度,最后是纤维直径。例如PP-16-0.15,表示聚烯烃纤维,长度和直径分别为16 mm和0.15 mm。试验所用配合比中钢纤维体积掺量均为1.30%,其他非金属纤维体积掺量均为0.50%。保持钢纤维和非金属纤维掺量不变,以便比较不同品种和尺寸的非金属纤维对UHPC弯曲韧性的影响。

1.2 试验装置与试验方法

梁试件尺寸均为100 mm×100 mm×400 mm,净跨为300 mm。每个配合比浇筑3个平行试件,试验结果取3个试件的平均值。试件成型后在室内自然条件下静置养护2 d后脱模,20 ℃±2 ℃、相对湿度95%以上的标准养护室养护24 d,最后在室内自然条件下继续养护2 d后开始试验。浇筑了3个尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件,用于测定28 d立方体抗压强度。

采用四点弯曲加载试验,加载点距离支座的距离为50 mm,加载装置为MTS全闭合电液伺服试验机。加载采用位移控制模式,从开始加载到达到峰值荷载前,加载速率为0.10 mm/min,峰值荷载后加载速率为0.60 mm/min。

2 混杂纤维对UHPC强度和弯曲韧性的影响

2.1 抗压强度

各配合比的立方体抗压强度实测平均值列于表2。单掺钢纤维的UHPC抗压强度为116.52 MPa,而混掺非金属纤维后,除S1.3PVA0.5-12a和S1.3G0.5-12a,抗压强度均有提高。S代表钢纤维,1.3表示体积掺量为1.30%,其后依次为非金属纤维名称、体积掺量和纤维长度。试验中长度12 mm的PVA纤维、长度30 mm的PET纤维,分别有2种不同直径用a、b加以区分,a为同类纤维中直径较细的一种。

表2 UHPC立方体抗压强度平均值Table 2 Average value of the compressive strength of UHPC

与单掺1.3%钢纤维的试件相比,混掺粗PP-16-0.15、PP-40-0.6试件的抗压强度分别提高7.74%和11.17%;钢纤维分别与长度为8 mm和12 mm,直径均为0.20 mm的粗PVA纤维混掺,抗压强度分别提高10.30%和17.06%;钢纤维与粗PET纤维混掺,抗压强度提高4.65%～10.75%,混掺粗PVA纤维对改善抗压强度效果较明显。混掺钢纤维和粗合成纤维的UHPC试件受压时,在UHPC微细裂缝扩展过程中,混杂纤维具有良好的约束、桥联作用和控裂能力,对峰值应力有一定的提高作用。关于混掺钢纤维和粗合成纤维的UHPC受压性能还需要更多的试验研究。

2.2 破坏过程

梁的典型破坏形态和断裂面如图2所示。试件的破坏过程与试验现象:对于混掺纤维的试件,当加载值较小时,试件均未开裂,弯曲变形小;进一步加载,试件出现细微小裂缝,如图2(a)所示。继续加载,梁底部最初的细微裂缝明显扩展,裂缝宽度增加,如图2(b)所示,声音是由试件中纤维被拔出或拉断所致。混掺纤维试件初裂后,仍然可以继续承受荷载,呈现二次强化,即荷载持续上升,跨中挠度持续增加,抗弯刚度下降。荷载达到峰值后,荷载减小,挠度持续增加。从试件初裂到下降阶段,一直伴随着间断性“嘎嘣”声,表明在裂缝处纤维拔出或拉断的现象持续发生。随着裂缝扩展变大,主裂缝处纤维被拔出或拉断的数量增加,纤维与基体间滑移不断增加,主裂缝截面有效受拉面积减小,荷载明显下降,直至试件最终破坏,试件破坏后主裂缝状态如图2(c)示。

图2 梁破坏形态和断裂面Fig.2 The failure mode and fracture surface of the beams

图2(d)为钢纤维与粗PP纤维混掺试件的破坏断裂面。可明显看出,断面处钢纤维多数被拔出,部分粗PP纤维被拉断。

2.3 荷载-挠度全曲线

梁的荷载、挠度实测值列于表3,钢纤维与其他种类纤维混掺试件的荷载-挠度(P-f)曲线见图3。可以看出:与单掺钢纤维试件相比,混掺纤维试件的峰值荷载和峰值挠度明显增加,下降段缓慢。试件在达到峰值荷载后仍能保持较高的抗弯承载能力,下降段均呈上下抖动锯齿状,判定为加载过程中纤维不断被拔出或拉断的过程,表明混掺纤维能有效提升其裂后变形能力。

图3 纤维增强UHPC P-f曲线Fig.3 The P-f curves of fiber reinforced UHPC

表3 荷载、挠度及抗弯强度平均值Table 3 Average values of load, deflection and bending strength

图3(a)为典型的钢纤维分别与2种不同长度的粗PP纤维混杂试件的P-f曲线的比较。当PP纤维长度由16 mm提高至40 mm时,试件的P-f上升段略有增加,峰值荷载有所提高,对下降段影响较小;PP纤维长度增加对试件P-f曲线下面积的增加有一定贡献。图3(b)为钢纤维分别与2种不同长度粗PVA纤维、一种细PVA纤维混杂试件的荷载-挠度P-f曲线的比较。粗PVA纤维对UHPC增韧效果明显,P-f曲线下面积均增大。在PVA-12-0.04、PVA-8-0.2和PVA-12-0.2的3种几何尺寸的纤维中,PVA-12-0.04纤维增韧效果显著,曲线下面积明显增加,其次是PVA-12-0.2纤维。钢纤维分别与PVA-8-0.2和PVA-12-0.2混掺的试件,峰值荷载和上升段曲线下面积接近,PVA-12-0.2纤维的曲线下降段明显高于PVA-8-0.2,表明PVA-12-0.2纤维增韧效果高于PVA-8-0.2纤维。图3(c)为钢纤维分别与2种粗PET纤维混掺试件的比较。PET纤维对峰值荷载有提高作用,下降段更平缓。图3(d)为钢纤维分别与4种粗合成纤维混掺试件的比较。在混掺粗纤维试件中,PVA纤维的增韧效果相对最好,峰值荷载和曲线下面积明显增加。PET纤维相较于PP纤维峰值荷载略有增加,但其下降段面积明显减少。图3(e)为钢纤维分别与3种细GF和一种BF混掺试件的比较。试件掺入GF对其峰值荷载提升幅度大。GF对试件下降段的改善效果排序为:GF长度12 mm>6 mm>18 mm。在分析不同长度GF对增韧效果的影响时,需综合考虑纤维在搅拌过程中的分散与磨损状态。

3 弯曲韧性评价与微观机理分析

3.1 硬化指数与弯曲韧性评价

混杂纤维增强UHPC具有明显的应变硬化特征,UHPC初裂后,由于混杂纤维的桥联和阻裂作用,挠度增加,承载力继续增大。本文用硬化指数Ihard表征混杂纤维UHPC的变形硬化特征,Ihard越大,表明应变硬化越显著:

Ihard=fu/fcr

(1)

式中:fu为UHPC峰值抗弯强度;fcr为初裂抗弯强度。

纤维混凝土软化阶段弯曲韧性评价,采用美国ASTMC1609[13]和欧洲的峰值荷载后抗弯强度(post-crack-strengths,PCS)等效法[14-15],分别求出梁抗弯强度值和抗弯强度比。

欧洲PCS计算下降段不同挠度处的等效抗弯强度fm为:

(2)

式中:下标m为特定挠度值(L/a,a分别取150和100,L为梁跨度);Tpost,m为从峰值荷载所对应的挠度算起,直至挠度为L/a时,荷载-挠度曲线下的面积;δpeak为峰值点挠度;b和h是梁的宽度和高度。

将每个试件不同挠度处的等效抗弯强度值列于表3,表中f2和f3分别为挠度为2 mm、3 mm时的等效抗弯强度。

(3)

(4)

结合复合材料理论对表3所示计算结果数据分析进行分析:

1) 纤维弹性模量对增强增韧效果的影响规律。与混掺较低弹性模量的PET纤维、PP纤维相比,混掺较高弹性模量PVA、GF对提高硬化指数和不同挠度处的等效抗弯强度作用明显。其中混掺PVA纤维的等效抗弯强度f2为9.69～12.62 MPa,混掺GF的等效抗弯强度f2为11.25～13.17 MPa,而混掺较低弹性模量PP纤维的等效抗弯强度f2为5.32～7.19 MPa,混掺PET纤维的等效抗弯强度f2约为8.5 MPa。可见混掺较高弹性模量的PVA、GF,其控裂、阻裂能力高于较低弹性模量的PP和PET纤维;

2) 纤维长度对增强增韧效果的影响规律。粗PVA纤维长度在一定范围内增加,有利于提高纤维锚固作用、提高纤维与基体的界面粘结力。如直径为0.2 mm的PVA纤维,长度由8 mm变为12 mm时,UHPC硬化指数提高11.49%,等效抗弯强度f2、f3分别提高30.24%和17.75%。这是由于粗PVA纤维长度增加,其锚固长度增加,纤维与基体的界面粘结面积增大,纤维拔出或拉断所需的能量增大,对提高增强与增韧效果有利。

纤维掺量相同时,粗PP纤维长度从16 mm变为40 mm,其峰值抗弯强度和等效抗弯强度稍有下降。表明粗PP纤维长度过长,超出合理范围时,降低了UHPC密实性,不利于UHPC增强增韧效果的改善。

对于3种长度的细GF,纤维长度增加会影响其分散性,降低UHPC致密性,增加UHPC内部缺陷,影响纤维的增强增韧效果。长度6 mm GF的峰值抗弯强度fu和等效抗弯强度f3高于长度12、18 mm的GF。长度为18 mm的GF硬化指数和等效抗弯强度降低更为明显,这是由于纤维长度增加不仅影响了GF的分散性,也使得GF在搅拌过程中纤维磨损较为明显,影响其增韧效果;

3) 纤维直径对增强增韧效果的影响规律。相同掺量和纤维长度下,粗PET纤维直径由0.75 mm变为0.9 mm时,硬化指标和等效抗弯强度f2均小幅提高,这是由于PET表面进行了压痕处理,纤维直径增加,压痕深度增加;增大压痕深度,提高了纤维与UHPC基体的界面粘结面积和握裹力,纤维不易从基体中拔出,提高其增强与增韧效果;

4) 有机纤维与无机纤维对增强增韧效果的影响规律。长度均为12 mm,细PVA纤维与细BF比较,前者的等效抗弯强度f2、f3和峰值抗弯强度fu均大于后者,这是由于BF是无机纤维,脆性较大,在搅拌过程中容易发生磨损断裂,影响增强增韧效果。

3.2 断面微观形态

图4为UHPC断裂面在扫描电子显微镜下的表面形态。

其中图4(a)～(c)为纤维在UHPC基体中的形态,可知纤维与UHPC基体具有较强的机械咬合作用,粘结紧密。图4(d)显示了纤维与基体的脱粘,纤维与基体间发生的相对滑移不仅迫使部分附着在纤维表面的薄弱基质被携带出来,而且纤维周围包裹的基质也产生大量裂纹,宏观上表现为P-f曲线出现典型的弯曲硬化特征。

图4(e)中孔洞A和B为BF从基体中拔出所致。由于桥接应力的增长,纤维在剥离过程中被明显拉长,消耗大量能量,同时泊松效应引起纤维横向收缩导致其与基体进一步脱粘,直至发生剥离,此时纤维与基体间的粘聚力消失,宏观上对应P-f曲线的软化行为。在扫描电子显微镜图像中,可看出纤维的失效模式为大部分钢纤维为拔出破坏,部分非金属纤维为被拉断。

4 结论

1) 用硬化指数表征峰前应变硬化特征,用峰后不同挠度处的等效抗弯强度表征峰后应变软化特性和残余持载能力的方法,可全面评价UHPC峰前和峰后的混杂纤维增强和增韧效应。

2) 钢纤维分别与粗聚烯烃纤维、聚乙烯醇纤维、聚酯纤维以及细耐碱玻璃纤维、玄武岩纤维混掺,对改善UHPC弯曲韧性具有较好的作用,特别对提高UHPC峰值荷载后的变形能力作用明显。

3) 混掺纤维UHPC梁的P-f曲线具有明显的二次硬化特性,特别是钢纤维分别与聚乙烯醇纤维、玻璃纤维混掺对改善UHPC弯曲韧性和抗弯强度作用明显。

4) 细的玻璃纤维与玄武岩纤维相比,在相同体积掺量下,玻璃纤维比玄武岩纤维的弯曲韧性更优越;混掺较高模量的非金属纤维其增韧控裂效果优于低模量纤维。

5) 微观扫描电镜结果显示,纤维与UHPC基体具有较强的机械咬合作用,粘结紧密;大部分钢纤维失效模式为从基体中被拔出,部分非金属纤维被拉断。