活性粉末混凝土在配制過程中剔除粗骨料,合理選用顆粒級配,采用最大密實度堆積原理,使得基體致密具有較高的強度及耐久性[1,2].與普通混凝土、普通高性能混凝土相比,活性粉末混凝土在強度和耐久性方面都表現出優異的性能,目前已在橋梁工程[3]、鐵路工程[4]、市政工程[5]等領域得到應用.由于活性粉末混凝土仍具有脆性,同時水膠比較低容易開裂,因此需要摻加纖維提高其韌性及抗裂性能.鋼纖維是目前配制活性粉末混凝土最常用的抗裂增韌材料[6,7],由于鋼纖維彈性模量較高還能提高活性粉末混凝土的強度[8],目前工程中應用的活性粉末混凝土也多為鋼纖維活性粉末混凝土.

粗合成纖維\\(直徑大于 0.1mm\\)是一種新型的增強增韌材料[9],與鋼纖維相比,具有輕質、耐腐蝕、易分散的特點,同時能提高混凝土的抗裂性、抗沖擊性、抗彎韌性和抗疲勞性能[10],摻入活性粉末混凝土中可以提高試件的延性[11].粗合成纖維為低彈性模量纖維,在混凝土開裂后能夠起到較強的增韌效果,同時粗合成纖維為有機纖維,可提高混凝土的耐高溫性能.彎曲和變形性能是混凝土受彎構件設計的重要參數指標,是反映纖維增韌效果的有效方法.為對比分析不同模量纖維的增韌效果,本文采用四點彎曲試驗對低模量粗合成纖維和高模量鋼纖維摻入后活性粉末混凝土抗彎韌性進行研究,為纖維活性粉末混凝土的應用提供參考.

1 試驗

1.1 試件

活性粉末混凝土抗彎韌性試驗選用 100mm×100mm×400mm 的棱柱體試件,試驗共 9 組,每組 3 個試件.試驗中主要的考慮參數為纖維類型\\(鋼纖維、粗合成纖維\\)及纖維體積摻量 Vf\\(兩種纖維均選用 0%,0.5%,1.0%,1.5%,2.0%五個摻量\\).其中粗合成纖維采用聚丙烯粗纖維,兩種纖維的物理性能指標列于表 1.

試驗中制備活性粉末混凝土所用原材料有:PO42.5 普通硅酸鹽水泥,硅粉,石英砂,纖維,高效減水劑和水,試驗配合比及試件編號列于表 2.試件采用振動成型,制備過程中首先將纖維與石英砂攪拌均勻,然后放入膠凝材料攪拌 2min 后加入減水劑和水,攪拌 5min 后裝模.試件成型后 24h 拆模,隨后在 75℃高溫蒸汽中養護 72h 后移入標準養護室養護至 28d 后進行試驗.試件成型過程中同時制備邊長 100mm 的立方體試件進行抗壓強度試驗.

1.2 試驗方法

試驗在 WAW-300 微控液壓智能試驗機上進行,加載速率為 0.1mm/s.試驗中用 10t 的荷載傳感器量測試驗荷載,同時在跨中位置設置位移傳感器量測試件跨中撓度.位移傳感器及荷載傳感器通過測試系統與計算機連接,實時采集試驗荷載及撓度,試驗裝置如圖 1 所示.

2 試驗結果

2.1 分析方法

對于低彈性模量纖維,剩余強度能夠更好的反映混凝土開裂后纖維的增韌效果[12].試驗中選用的粗合成纖維屬低彈性模量纖維,因此本文采用我國《鋼纖維混凝土試驗方法》\\(CECS13:89\\)確定抗彎試件初裂強度及韌性指標 I5、I10、I30,同時采用 ASTM-C1399-98 建議的剩余強度及相對剩余強度來考查鋼纖維及粗合成纖維對活性粉末混凝土的增韌效果.剩余強度及相對剩余強度可用以下公式計算:

式中:

ARS 為剩余強度,IRS 為相對剩余強度,fc,mf 為抗彎強度\\(即極限荷載對應的強度值\\),0.5P 、0.75P 、1.0P 、1.25P 分別為撓度值 0.50mm、0.75mm、1.00mm、1.25mm 時對應的荷載;l 、b 、 h 分別為支座間距、抗彎試件寬和高,本文中l 、b、h分別為 300mm、100mm 和 100mm。

2.2 試驗結果

根據荷載傳感器及位移傳感器采集到的試驗荷載及試件跨中撓度,繪制不同纖維類型及摻量時活性粉末混凝土抗彎試驗的荷載-撓度曲線,如圖 2 所示.表 3 為根據鋼纖維混凝土試驗方法》\\(CECS13:89\\)及公式\\(1\\)、\\(2\\)計算得到的本次試驗中不同纖維類型及摻量下活性粉末混凝土抗彎試驗結果.

3 分析與討論

3.1 荷載-撓度曲線

從圖 2 中可以看出,鋼纖維和粗合成纖維摻入后活性粉末混凝土抗彎試件的荷載-撓度曲線與不摻纖維試件曲線完全不同.抗彎試件在加載過程中底部受拉,當拉應力大于活性粉末混凝土的抗拉強度時,裂縫出現,荷載達到峰值.不摻纖維的試件表現出明顯的脆性,裂縫出現后試件隨即斷裂,因此未得到荷載-撓度曲線的下降段.鋼纖維和粗合成纖維摻入后,由于纖維的橋接作用能夠控制能量的釋放速率,使試件在裂縫出現后保持持荷能力,達到極限荷載后,荷載隨撓度值的增加緩慢下降,出現較長的下降段.

兩種纖維摻入后抗彎試件的荷載-撓度曲線又有所不同.鋼纖維試件的荷載-撓度曲線為單峰,達到極限荷載前,荷載隨撓度值的增大而增大,基體開裂后,荷載隨撓度值的增大逐漸下降.粗合成纖維試件的荷載-撓度曲線出現二次強化現象,有兩個峰值.第一個峰值荷載同鋼纖維試件一樣為混凝土抗彎試件典型的峰值荷載,在裂縫出現前;裂縫出現后試件破壞,荷載降低,由于纖維的橋接作用,荷載又重新上升,出現第二個峰值.

纖維摻入后活性粉末混凝土試件的荷載-撓度曲線能夠保持較長下降段的主要原因是由于裂縫出現后纖維的橋接作用,使得試件的破壞形式由脆性破壞轉變成延性破壞,相應的荷載-撓度曲線出現穩定的下降段.鋼纖維和粗合成纖維試件荷載-撓度曲線的差異主要是由于纖維自身特性不同,鋼纖維彈性模量較大\\(210GPa\\),在變形較小或裂縫剛出現時就開始起到有效的橋接作用,而粗合成纖維彈性模量較小\\(7.1GPa\\),需要較大的變形或裂縫出現后纖維才能起作用[13].因此,粗合成纖維試件在達到極限荷載后,荷載恢復較晚,出現了雙峰現象.

3.2 彎曲強度

圖 3 是根據表 3 繪制的不同纖維類型活性粉末混凝土抗彎試件初裂強度及抗彎強度隨纖維摻量變化曲線.

從圖 3 中可以看出,隨鋼纖維摻量的增加,活性粉末混凝土試件的初裂強度約呈線性增長.鋼纖維摻量由 0%增加到 2.0%時,初裂強度由 8.73MPa 增加到 17.26MPa,抗彎強度由 9.94MPa 增加到 20.39MPa,都約增長一倍.粗合成纖維的摻入對初裂強度及抗彎強度基本無影響,初裂強度都集中在 8.6MPa 左右,抗彎強度都約為 10MPa,隨纖維摻量變化不大.從表 3 中還可以看出,活性粉末混凝土的抗壓強度隨鋼纖維摻量的增加而增大,而粗合成纖維摻入后活性粉末混凝土的抗壓強度略有降低.由此可見,鋼纖維摻入活性粉末混凝土基體中可起到明顯的增強作用,而粗合成纖維無增強作用.

3.3 彎曲韌性指數

圖 4 是根據表 3 繪制的鋼纖維和粗合成纖維摻量為 0.5%~2.0%時活性粉末混凝土抗彎試件韌性指數隨纖維摻量變化曲線.

從圖 4 及表 3 可以看出,鋼纖維和粗合成纖維試件在纖維摻量為 0.5%~2.0%時,韌性指數 I5均維持在 5~6 之間,隨纖維摻量增加無明顯變化.鋼纖維摻入后對韌性指數 I10也無明顯影響,而韌性指數 I30隨鋼纖維摻量的增加而增大,纖維摻量由 0.5%增加到 2.0%時,I30增加了 52.75%.粗合成纖維摻量由 0.5%增加到 2.0%時,I30由 11.97 增加到 17.89,增加了 50.13%,與鋼纖維持平.對于韌性指數 I10,粗合成纖維摻量由 0.5%增加到 1.0%時, I10增大一倍,纖維摻量由 1.0%增加到 2.0%時,I10變化趨勢減緩,僅增加 7.5%.

從表 3 中數據還可以看出,鋼纖維試件的相對剩余強度都在抗彎強度的 90%以上,說明鋼纖維對開裂后的活性粉末混凝土也具有極強的增韌作用.對于粗合成纖維試件,當纖維摻量為 0.5%時,根據對破壞試件的統計,抗彎試件開裂斷面上的纖維數量僅為 20 根左右,不能起到很好的增韌效果,相對剩余強度僅為 30%左右.而粗合成纖維摻量為 1.0%~2.0%時,粗合成纖維試件的相對剩余強度都在 85%以上,同時粗合成纖維由于彈性模量較小,在拔出前會發生極大變形,因此即使開裂基體變形值\\(撓度\\)很大也不破壞,從而大大提高混凝土的斷裂韌性,達到增韌的目的.

以上分析可見,粗合成纖維具有明顯的增韌效果,但與鋼纖維相比,粗合成纖維不能起到增強作用,同時增韌效果也略低于鋼纖維.圖 5 是鋼纖維和粗合成纖維摻量均為 1.5%時抗彎試件破壞后的斷面圖.從圖中可以看出,兩種纖維摻入后,抗彎試件均發生纖維拔出破壞.當纖維體積摻量相同時,由于粗合成纖維直徑和長度都大于鋼纖維,因此基體內鋼纖維的整體數量要遠大于粗合成纖維,相應地單位面積內纖維數量也遠大于粗合成纖維.試件出現裂縫后纖維開始發揮橋接作用逐漸被拔出,在拔出過程吸收能量從而起到增韌效果[14].纖維吸收能量的大小同纖維與基體間的黏結強度有關.相同體積摻量下,試件開裂斷面上鋼纖維的數量大于粗合成纖維,相應地鋼纖維在拔出過程中消耗的能量也會略大于粗合成纖維,因此鋼纖維的增韌效果優于粗合成纖維.同時,由于鋼纖維彈性模量較大,能夠阻止裂縫的出現和發展,而粗合成纖維彈性模量較小,在裂縫出現前不能有效阻止裂縫的出現,但裂縫出現后能夠阻止裂縫的發展,因此粗合成纖維不能起到增強作用,僅能在裂縫出現后起到增韌作用.

4 結論

通過四點彎曲試驗對鋼纖維和粗合成纖維摻入后活性粉末混凝土的抗彎韌性進行了研究,主要結論如下:

\\(1\\) 鋼纖維和粗合成纖維摻入后能夠改變抗彎試件的破壞形式,使試件由一裂就斷的脆性破壞轉變成裂縫逐漸發展的延性破壞;\\(2\\) 鋼纖維和粗合成纖維摻入后活性粉末混凝土抗彎試件的荷載-撓度曲線都有穩定的下降段,但鋼纖維試件的荷載-撓度曲線僅有一個峰值,而粗合成纖維試件的荷載-撓度曲線有兩個峰值,出現了二次強化現象,此現象與兩種纖維本身的特性有關;\\(3\\) 鋼纖維具有增強作用,摻入到活性粉末混凝土后能夠提高試件的抗壓強度、初裂強度及抗彎強度,而粗合成纖維無增強作用,鋼纖維和粗合成纖維都具有明顯的增韌效果,相同體積摻量下鋼纖維的增韌效果優于粗合成纖維;\\(4\\) 除粗合成纖維摻量為 0.5%的試件外,本試驗范圍內,鋼纖維和粗合成纖維活性粉末混凝土抗彎試件的剩余強度值都在抗彎強度的 85%以上,說明粗合成纖維和鋼纖維摻入后能夠在基體開裂后起到橋接作用,在纖維由基體拔出過程中吸收能量起到增韌效果.

參考文獻

[1] Pierre Richard, Marcel Cheyrezy.Composition of Reactive Powder Concretes [J]. Cement and Concrete Research, 1995, 25\\(7\\):1501-1511.

[2] Ehab Shaheen and Nigel Shrive. Optimization of mechanical properties and durability of reactive powder concrete[J]. ACIMaterials Journal, 2006, 103\\(6\\): 444-451.

[3] A tcin Pierre-Claude, Lachemi Mohamed,Adeline Régis,Richard Pierre. The Sherbrooke Reactive Powder Concrete Footbridge[J]. Structural Engineering International, 1998, 8 \\(2\\): 140-144.

[4] AN Mingzhe, JI Wenyu,ZHONG Tieyi,JIA Fangfang. Application of UHPC in Railway Construction[A]. 2011 InternationalWorkshop on Sustainable and Science-Driven Engineering of Cement-based Materials [C]. 2011, Beijing, China: 141-148.

[5] 唐玉斌, 朱立, 李昊. 活性粉末混凝土在地鐵聲屏障結構單元板中的應用[J]. 混凝土, 2010\\(3\\): 139-141.

[6] 鞠楊, 賈玉丹, 劉紅彬, 陳健. 活性粉末混凝土鋼纖維增強增韌的細觀機理[J]. 中國科學, E 輯: 技術科學, 2007, 37\\(11\\):1403-1416.

[7] Tao Ji, Cai-Yi Chen, Yi-Zhou Zhuang. Evaluation method for cracking resistant behavior of reactive powder concrete [J].Construction and Building Materials, 2012, 28\\(1\\): 45-49.

[8] 單波, 楊吳生, 黃政宇. 鋼纖維對 RPC 抗壓強度增強作用的研究[J]. 湘潭大學自然科學學報, 2002, 24\\(1\\): 109-112.

[9] 鄧宗才. 高性能合成纖維混凝土[M]. 科學出版社, 2002.

[10] 常洪雷, 金祖權, 任鵬程.有機仿鋼纖維增強混凝土斷裂韌性及抗裂性能研究[J]. 混凝土, 2013, \\(2\\): 46-49.

[11] 曹小霞, 鄭居煥. 鋼纖維和聚丙烯粗纖維對活性粉末混凝土強度和延性的影響[J]. 安徽建筑工業學院學報\\(自然科學版\\),2011, 19\\(2\\): 58-61.

[12] 戴建國, 宋玉普. 低彈性模量纖維混凝土剩余彎曲強度的力學意義[J]. 混凝土與水泥制品, 1999\\(1\\): 35-38.

[13] Piti Sukontasukkul.Toughness Evaluation of steel and polypropylene fiber reinforced concrete beams under bending[J].Thammasat Int,J,Sc.Tech., 2004, 9\\(3\\): 35-41

[14] 賴建中, 孫偉, 董賀祥. 粗合成纖維混凝土力學性能及纖維-混凝土界面粘結行為研究[J]. 工業建筑, 2006, 36\\(11\\): 94-97.