DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.10.031
多尺寸聚丙烯纤维混凝土抗弯韧性试验研究
梁宁慧，钟杨，刘新荣
(重庆大学 土木工程学院，山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆大学)，重庆，400030)
摘要：为研究多尺寸聚丙烯纤维混凝土的抗弯韧性，采用四点弯曲试验对30个长×宽×高为400 mm×100 mm×100 mm的聚丙烯纤维混凝土试件进行研究，得到纤维混凝土梁的荷载-挠度曲线。基于美国ASTM-C1399-98方法，研究不同尺寸聚丙烯纤维及其混杂纤维对混凝土抗弯韧性的影响。研究结果表明：在相同掺量条件下，直径越小、长度越短的聚丙烯细纤维对混凝土裂前抗弯韧性改善效果越好；聚丙烯粗纤维和多尺寸聚丙烯纤维对混凝土裂后抗弯韧性有较大改善，并且在裂后出现低应力应变硬化现象；在相同掺量条件下，多尺寸聚丙烯纤维对混凝土的抗弯韧性改善效果最好；相对于素混凝土剩余强度，单掺聚丙烯细纤维混凝土剩余强度提高1.53~2.53倍，单掺聚丙烯粗纤维混凝土提高5.58~8.88倍，多尺寸聚丙烯纤维混凝土提高7.76~10.82倍。
关键词：抗弯韧性；荷载-挠度曲线；多尺度聚丙烯纤维；剩余强度
中图分类号：TU528.572 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2017)10-2783-07
Experimental study of flexural toughness for multi-scale polypropylene fiber reinforced concrete
LIANG Ninghui, ZHONG Yang, LIU Xinrong
(Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area (Chongqing University),
Ministry of Education, School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China)
Abstract: In order to study the flexural toughness for multi-scale polypropylene fiber reinforced concrete, thirty 400 mm×100 mm×100 mm polypropylene fiber reinforced concrete beams were investigated by using the four point bending test, and their stress-strain curves were obtained. Based on the ASTM-C1399-98 method and the optimal engineering fiber content, the effects of multi-scale polypropylene fiber and hybrid fiber on the flexural toughness of concrete were studied. The results show that under the condition of the same content, the addition of polypropylene fine fibers will greatly improve the flexural toughness of concrete before cracking. Both coarse polypropylene fiber and multi-scale polypropylene fiber will greatly improve the flexural toughness of concrete, and after cracking a stress-strain hardening phenomenon appears under low stress circumstance. Multi-scale polypropylene fiber reinforced concrete would improve the flexural toughness to the maximum. Compared with the common concrete, the residual strength of fine polypropylene fiber concrete increases by 1.53-2.53 times. The residual strength of coarse polypropylene fiber concrete increases to 5.58-8.88 times. The residual strength of hybrid polypropylene fiber concrete increases by 7.76~10.82 times.
Key words: flexural toughness; stress-strain curve; multi-scale polypropylene fiber reinforced concrete; residual strength
混凝土本身具有较高的抗压强度，但其抗裂性、抗冲击性和变形能力较差。纤维在混凝土内部构成均匀乱向支撑体系，可以有效改善混凝土的早期开裂，还可以提高其韧性、抗冲击、抗渗漏等性能[1-3]。纤维的类型、掺量、不同类型纤维的组合等都是影响混凝土工作性能、强度和破坏形态的重要因素[4-7]。采用单一纤维只能在某些方面增强混凝土性能，而多种纤维混杂可以克服单一纤维的不足，充分发挥各种纤维的优点。常见的混杂纤维分为3类：不同尺度的同一种纤维混杂；尺度相近的不同材料纤维的混杂；不同尺度与不同材料纤维的混杂。梅国栋等[8]研究了混杂纤维混凝土抗弯性能及混杂效应，结果表明在特定纤维体积掺量下，钢纤维和聚丙烯纤维能相互协同作用，产生“超叠加效应”，体现出比单掺纤维更高的强度。吴晓春等[9]研究了混杂纤维混凝土的力学与抗冲击性能，发现相较于普通混凝土，单纤维或混杂纤维混凝土的力学与抗冲击性能均有提高，而纤维混杂能显著提高纤维增强混凝土的力学性能。纵观混杂纤维混凝土的研究现状，较多采用不同材料的纤维混杂改性混凝土[10-14]。而对不同尺寸的聚丙烯纤维，尤其是聚丙烯粗纤维与细纤维混杂研究较少。聚丙烯纤维是一种新型增强增韧材料，具有耐腐蚀性好、易分散、重量轻、价格低、对搅拌机器损伤小、无磁性干扰等优点。因此，本文作者选用4种尺寸的聚丙烯细纤维与2种尺寸的聚丙烯粗纤维，在相同拌合工艺、相同配合比条件下对单掺及混掺粗细聚丙烯纤维的混凝土试件进行抗弯韧性试验。对比研究多尺寸聚丙烯纤维对混凝土抗弯性能的影响，探讨多尺寸聚丙烯纤维混凝土的抗弯增韧机理。
1 试验
1.1 试验材料
采用重庆小南海水泥42.5R，细骨料为重庆渠河砂，粗骨料为粒径5~20 mm碎石，聚丙烯纤维采用北京融耐尔工程材料有限公司和宁波大成新材料有限公司生产，性能参数见表1，纤维形状如图1所示。混凝土强度等级为C30，水泥、砂、石、水质量比为 1:1.4:3:0.5，试件纤维掺量见表2。本次试验粗、细纤维的掺量根据大量试验和工程经验确定。单掺聚丙烯细纤维的最佳掺量为0.9 kg/m3，单掺聚丙烯粗纤维的最佳掺量为6 kg/m3。为了增加其可比性，各组混凝土均采用相同的配合比，并尽量避免因原材料性能差异给混凝土性能带来的离散性。
1.2 试验方法
纤维在混凝土中的分散性非常重要，是保证纤维混凝土抗裂效果的关键[15-16]。为使混凝土中的纤维具有良好的分散性，本试验采用的搅拌方法为先掺法[17]，搅拌流程如下：1) 将称量好的砂、石子倒入表面湿润但无明水的搅拌筒内，开动搅拌机1 min，后随着搅拌同时将聚丙烯纤维均匀撒入搅拌筒内；纤维撒完后搅拌时间约2 min；2) 将水泥缓慢倒入搅拌筒，开动搅拌机约1 min，此时可见细纤维在搅拌筒上方飘动；3) 将水缓慢均匀倒入，搅拌时间2 min左右。经观察发现纤维在混凝土中的分布较均匀，和易性可满足施工要求。
图1 聚丙烯纤维形状
Fig. 1 Shapes of polypropylene fiber
表1 聚丙烯纤维的物理力学指标
Table 1 Physical and mechanical properties of polypropylene fiber
表2 C30 混凝土纤维掺量
Table 2 C30 concrete mix kg/m3
试验采用长×宽×高为400 mm×100 mm×100 mm的棱柱体试块，参照CECS 13:2009“纤维混凝土试验方法标准”的规定，不同纤维尺寸混凝土类型的试件为1组，每组3个试件，共浇筑30个试件，标准养护室养护28 d后进行四点弯曲试验。
试验装置采用英国INSTRON-1346型液压伺服试验机系统。测试软件采用INSTRON MERLIN软件包中的抗弯软件，位移-荷载传感器精度为0.05%，梁挠度的测定采用日本YOKE方法，在挠度记录中不包括梁在支座处的沉降、加载点的位移及钢板与试件间的缝隙及钢板的弹性变形等，将夹式引伸仪放于试件的中性轴处测定梁的挠度，该装置还能够消除梁扭转变形引起的附加变形[18]，如图2所示。采用连续稳定加载方式，初始加载速度为0.2 mm/min，当挠度达到1.0 mm时，加载速度调至2.0 mm/min。
图2 YOKE 挠度测试装置
Fig. 2 YOKE apparatus used for surveying deflection
2 试验结果
2.1 荷载-挠度曲线
试验得到的荷载-挠度曲线如图3~12所示。由图3~7可知：基准混凝土试件A0与聚丙烯细纤维混凝土试件A1，A2，A3和A4达峰值后,荷载瞬间下降较快,表现为明显的脆性性质；聚丙烯细纤维的掺入使荷载-挠度曲线下降段所包面积比基准混凝土的略大，说明聚丙烯细纤维有利于混凝土抗裂韧性提高。
由图8~12可知：聚丙烯粗纤维混凝土试件A5和A6及其粗细混杂纤维混凝土试件A7，A8和A9达峰值后，试件承载力瞬间降至5~8 kN，此时，随外荷载持续增加，试件的承载能力会有回升，直至听到试件内纤维的沉闷断裂声后承载力下降，而后又有所上升，纤维断裂，承载力降低后又有所上升。如此反复，持续时间较长，直至试件断裂面处大部分粗纤维被拉断或拔出，试件逐渐丧失承载力。
在试件的整个破坏过程中，聚丙烯粗纤维的桥接作用非常明显，试件下降段出现较长的平缓过程，出现低应力应变硬化现象。聚丙烯粗纤维的掺入在提高基体混凝土抗弯强度的同时极大提高了混凝土的抗弯韧性。粗细聚丙烯纤维混掺试件，峰值后荷载-挠度曲线的下包面积比单掺聚丙烯粗纤维时的大，特别是试件A8和A9，其下包面积几乎是单掺粗纤维A5和A6的2倍。
图3 试件A0荷载-挠度曲线
Fig. 3 load-deflection curve of specimen A0
图4 试件A1荷载-挠度曲线
Fig. 4 Load-deflection curve of specimen A1
图5 试件A2荷载-挠度曲线
Fig. 5 Load-deflection curve of specimen A2
图6 试件A3荷载-挠度曲线
Fig. 6 Load-deflection curve of specimen A3
图7 试件A4荷载-挠度曲线
Fig. 7 Load-deflection curve of specimen A4
图8 试件A5荷载-挠度曲线
Fig. 8 Load-deflection curve of specimen A5
图9 试件A6荷载-挠度曲线
Fig. 9 Load-deflection curve of specimen A6
图10 试件A7荷载-挠度曲线
Fig. 10 Load-deflection curve of specimen A7
图11 试件A8荷载-挠度曲线
Fig. 11 Load-deflection curve of specimen A8
图12 试件A9荷载-挠度曲线
Fig. 12 Load-deflection curve of specimen A9
2.2 弯曲韧性分析
美国ASTM-C1399-98方法得到的韧性指标为剩余强度，与目前结构设计规范中普遍采用的强度指标方法相互衔接，且剩余强度可以较好地反映纤维对混凝土的阻裂增韧性能。在峰值荷载后，剩余承载力的提高是纤维增韧性能的充分体现[19]。
多尺寸聚丙烯纤维混凝土梁的抗弯韧性试验结果如表3所示。其中：ffc,m为抗弯强度；Gcr为梁初裂韧度；I5，I10，I20和I30为弯曲韧性指数。剩余强度表达式为
(1)
式中：P0.5，P0.75，P1.0和P1.25分别为梁跨中挠度为0.50，0.75，1.00和1.25 mm时对应的荷载；l为梁跨度；b为梁宽；h为梁高。
相对剩余强度RSI表达式为
(2)
由表3可得出以下结论：
1) 初裂韧度提高幅度最大的是A1试件，增幅达到42.3%，相对素混凝土其余试件的初裂韧度提高4.2%~26.8%。
2) 聚丙烯纤维混凝土的断裂能Gu相对素混凝土有较大提高。聚丙烯细纤维混凝土的断裂能Gu提高了1.67~1.93倍(相对素混凝土的断裂能Gu为1)；聚丙烯粗纤维混凝土的断裂能Gu提高了9.36~11.33倍；粗、细聚丙烯混合纤维混凝土提高了11.54~17.76倍。
3) 在相同掺量条件下，相对于单掺聚丙烯粗纤维混凝土，混掺聚丙烯纤维混凝土的断裂能均有较大提高。
4) 粗细混杂聚丙烯纤维混凝土的I5和I10相对素混凝土提高幅度分别达13.3%~36.7%和36.8%~ 122.8%；相对聚丙烯粗纤维混凝土A6提高幅度分别达13%~36.2%和19.5%~62.6%。粗细混杂聚丙烯纤维混凝土的I20和I30相对聚丙烯粗纤维混凝土A6提高幅度分别达17%~81.9%和10.7%~82.6%。
表3 多尺寸聚丙烯纤维混凝土梁抗弯韧性试验结果(ASTM-C1399-98)
Table 3 Flexural toughness experimental results of multi-scale polypropylene fiber reinforced concrete beam (ASTM-C1399-98)
5) 相对于素混凝土剩余强度，单掺聚丙烯细纤维混凝土剩余强度提高1.53~2.53倍，单掺聚丙烯粗纤维混凝土提高5.58~8.88倍，多尺寸聚丙烯纤维混凝土提高7.76~10.82倍。并且多尺寸聚丙烯纤维混凝土的剩余强度相对于相同掺量的单掺聚丙烯粗纤维混凝土有较大提高。
3 抗弯机理分析
在混凝土基体中掺入聚丙烯纤维，数以千万计的聚丙烯纤维将三维乱向分布在混凝土中，束缚了各种尺寸的微裂纹。当混凝土试件受弯时，内部微裂纹的开展就需克服聚丙烯纤维的销栓作用，消耗能量[20]。有效提高复合材料的抗裂能力，达到纤维对混凝土的增强增韧目的。
多尺寸聚丙烯纤维的增强与增韧作用可归结为纤维在各个阶段对基体内各种裂缝的抑制作用。对于聚丙烯细纤维，在加载过程中，基体内部初始微裂纹出现，截面内纵横交错的聚丙烯细纤维起到桥接作用，分散应力集中，抑制微裂纹发展，应力重分布后延迟微裂纹的产生。
对于聚丙烯粗纤维，随着外荷载的增大，当基体内的微裂缝张开到临界宽度或裂缝尖端的应力场强度达到混凝土断裂韧性极限值时，裂缝开始不稳定扩展，在断裂面处起桥接作用的聚丙烯粗纤维承受荷载并将荷载传递给未开裂的混凝土，如图13所示。由于聚丙烯粗纤维有较高的抗拉强度，裂缝开展需要克服的桥接力较大，当应力较大处的粗纤维被拔出或拉断时，试件承载力下降，裂缝继续延伸到另一粗纤维处，为克服纤维桥接作用，试件承载力上升，此处粗纤维被拔出或拉断，试件承载力下降，裂缝继续开展。如此反复，试件完全断裂所经历的时间较长。所以，聚丙烯粗纤维混凝土及多尺寸聚丙烯纤维混凝土试件在弯曲试验中出现了低应力应变硬化现象，这2种试件的剩余强度远大于聚丙烯细纤维混凝土试件的剩余强度。
图13 多尺度聚丙烯纤维的桥接作用
Fig. 13 Bridging effect of multi-scale polypropylene fiber
聚丙烯纤维在混凝土基体中的桥接作用，取决于自身良好的抗拉性能和混凝土之间的黏结力，聚丙烯粗纤维LF2抗拉强度比细纤维PF1和PF4的抗拉强度高，且粗纤维表面有波纹，类似于带肋钢筋，与混凝土的机械咬合力相对细纤维要大得多，也就是说，粗纤维与混凝土之间的粘结性要强于细纤维与混凝土之间的黏结性。而聚丙烯粗细纤维混掺后，细纤维能有效阻止微裂纹的发展，粗纤维在宏观裂缝出现后能有效阻止裂缝开展，所以，多尺寸聚丙烯纤维对混凝土抗弯韧性改善比单掺粗、细聚丙烯纤维效果好。
4 结论
1) 相同掺量条件下，直径越小、长度越短(根数越多的)的聚丙烯细纤维对混凝土初裂韧度有较大改善。
2) 在相同掺量条件下，相对于单掺聚丙烯粗纤维混凝土，混掺聚丙烯纤维混凝土的断裂能均有较大提高。
3) 相对于素混凝土的断裂能，聚丙烯细纤维混凝土的断裂能提高1.67~1.93倍(相对素混凝土的断裂能为1)；聚丙烯粗纤维混凝土的断裂能提高9.36~11.33倍；多尺寸聚丙烯纤维混凝土提高11.54~17.76倍。
4) 细纤维能改善混凝土裂前抗弯韧性，粗纤维能改善混凝土裂后抗弯韧性，多尺寸聚丙烯纤维对混凝土抗弯韧性改善效果比单掺粗、细聚丙烯纤维的改善效果好。多尺寸聚丙烯纤维的混掺在不同受力阶段分别发挥作用，从而有效提高了混凝土的抗弯韧性。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2016-11-19；修回日期：2017-02-24
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(41372356)；中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(106112015CDJXY200007)；重庆市研究生科研创新项目(CYS16005)(Project(41372356) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (106112015CDJXY200007) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities; Project(CYS16005) supported by Graduate Scientific Research and Innovation of Chongqing)
通信作者：梁宁慧，博士，副教授，从事边坡工程及纤维混凝土在土木工程中的应用研究；E-mail：liangninghui0705@163.com
