三元混杂纤维增强高性能混凝土基本力学性能.pdf

2 0 1 5年第 5期 5月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 5 No 5 Ma v 三元混杂纤维增强高性能混凝土基本力学性能 魏贵添 ， 夏冬桃 ， 刘 向坤 ， 周博儒 ( 湖北工业大学土木工程与建筑学院 ， 武汉 4 3 0 0 6 8 ) 摘要 ： 选用钢纤 维、 杜拉纤维和塑钢 纤维， 在 总体积 率不超 过 1 时 ， 按 二元或三元 混杂制备混 杂纤维增强 高 性能混凝土。 并通过立方体标准试块的基本力学性能试验 ， 研 究 了三种纤维的混杂 方式以及 混掺 比例 对混凝土抗压 强度 、 劈拉 强度 以及拉压 比的影响 。 研 究结果表 明 ， 钢 纤维一 塑钢纤维一 杜拉纤维三元混杂对混凝 土的抗压 强度影响 并不 明显 但能显著改善 混凝 土试块破坏时的延性 ； 适宜 比例的钢 纤维、 塑钢纤维与杜拉 纤维混杂可显著改善基体 混凝 土的劈拉韧性 ， 使劈拉 强度提 高 3 0 5 5 ， 拉 压比增 大到 1 1 7 - 1 1 5 ； 钢 纤维 塑钢 纤维 杜拉 纤 维体 积掺 量 分 别为0 7 、 0 1 9 、 0 1 1 时混杂纤维的复合增强效果最好， 南性能混凝土拉压比达到 1 1 5 1 。 关键词 ： 纤维增强 高性能混凝土 ； 抗压强度 ； 劈拉 强度 ； 拉压 比 Ab s t r a c t ： T h e s t e e l fi b e r ， mo d i fi e d p o l y p r o p y l e n e fi b e r a n d p o l y p r o p y l e n e fi b e r a r e u s e d t o b e r e i n f o r c e me n t i n c o n c r e t e a n d t h e t o t a l v o l u me f r a c t i o n o f h y b r i d fi b e r s i s n o t mo r e t h a n 1 B a s e d o n t h e r e s u l t s o f t h e c o mp r e s s i v e t e s t a n d s p l i t t i n g t e n s i l e t e s t ， t h e e ff e c t s o f fi b e r v o l u me f r a c t i o n a n d h y b r i d mo d e o n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e c o n c r e t e a r e i n - v e s t i g a t e d T h e r e s u l t s s h o w a s f o l l o ws ：t h e u s e of t h e h y b r i d fi b e r s h a v e n o s i g n i f i c a n t l y e ffe c t o n t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h e n o f p l a i n e o n e r e t e ， w h i l e i t c a n i mp r o v e t h e c o mp r e s s i v e t o u g h n e s s o f p l a i n c o n c r e t e e f f e c t i v e l y ； t h e mi x t u r e o f t h e t h r e e d i ff e r e n t fi b e r s i n a s u i t a b l e c o mb i n a t i o n c a n mo r e s i g n i fi c a n t l y i mp r o v e t h e s p l i t t i n g t o u g h n e s s a n d t h e r a t i o n o f t e n s i l e t o c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e c o n c r e t e wi t h r e s p e c t i v e l y i n c r e a s i n g b y 3 0 5 5 a n d 1 1 7 1 1 5 ；wh e n a d d i n g O 7 s t e e l fi b e r ， 0 1 9 mo d i fi e d p o l y p r o p y l e n e fi b e r a n d 0 1 1 p o l y p r o p y l e n e fi b e r ， t h e o p t i ma l r e s u l t o f h y b r i d fi b e r r e i n f o r c e d h i g h - p e r f o r ma n c e c o n c r e t e o c c u r s ， wi t h t h e r a t i o b e t we e n s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h a n d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h i n c r e a s i n g t o mo r e t h a n 1 1 5 1 Ke y wo r ：F i b e r r e i nfo r c e d h i g h p e rf o rm a n c e c o n c r e t e ；C o mp r e s s i v e s t r e n gth e n ； S p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h ；Ra t i o o f s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h t o c o mp r e s s i v e s t r e n gth 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 5 ) 0 5 5 O 一 0 4 0前 言 混 凝 土 是 一 种 多 相 、 多组 分 、 多 层 次 的非 匀 质 材料 ， 具有很强的脆性 ， 且随着混凝土强度 的提高 ， 脆性增大 ， 拉压 比呈现 明显的降低趋势 ， 破坏形式 往往 表现 为无 明显征 兆 的脆性 破坏 。掺入 纤维 是改 善高性能混凝土强度和韧性的有效途径，将不同纤 维混掺使用 ， 可取长补短 、 协 同工作 ， 在不 同结构层 次上发挥增强或阻裂作用 ，达 到超叠加 的增 强效 果 ， 充分发挥纤维 的尺度和性能效用f 1 - 2 。国内外关 于 钢 纤 维 和 聚 丙 烯纤 维 二 元 混 杂 效 应 的研 究 成 果 较多 3 一 羽 ， 研究表明 ， 虽然钢纤维 杜拉纤维二元 混杂 较单掺钢纤维对高性能混凝土性能有很大改善 ， 但 在一定程度上仍存 在 自重大 、 造价偏高 、 纤维 容易 结团 、 现场施工不便等缺点 ， 而纤维结团将极 大的 限制纤维增强增韧性能的发挥凹 。塑钢纤维作为一 种新型纤维增强材料 ， 兼具可与钢纤维相媲美的增 强增韧效果 ， 且质轻 。 因此 ， 基于钢纤维 杜拉纤维二 基金项 目： 国家 自然科学基金委青年项 目( 5 1 1 0 8 1 6 4 ) 。 一 50一 元混杂 ， 用塑钢纤维替代部分的钢纤维制备三元混 杂纤维增强高性能混凝土 ， 既能充分发挥纤维 的增 强阻裂作用 又能显著降低大体积纤维混凝土结构 的 自重与成本 ， 具有较大的理论意义和工程价值 1 o l 。 本文通过将钢纤维 、 塑钢纤维与杜拉纤维按二元或 三元混杂设计了多组配合 比， 对 比分析研究纤维混 杂方式 以及掺量组合对基体混凝土基本力学性能 的影 响规律 和增 强机 理 。 1 试验 方案 1 1 纤 维材性 试验 所 用钢 纤 维 ( S F ) 为 多锚 点 弓形钢 纤 维 ， 中 部呈 扁平 型 。 且带有横 向刻痕 ， 可 显著 提高纤维 与 基体之间的粘结和锚 固能力 ； 塑钢纤维( HF ) 纤维表 面呈 波纹形 具有较好 的亲水性 ， 易于在基体 中均 匀分散； 聚丙烯单丝纤维( P P F ) 选用杜拉纤维。纤维 的材 料特性 见 表 1 。 1 2 混凝土配合 比 基体混凝土强度 C 5 0 ， 水灰 比 0 - 3 1 ， 砂率3 4 ； 2 0 1 5年第 5期 混凝土与水泥制品 总第 2 2 9期 1 6 O l 2 0 z 裹 8 0 框 4 0 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 位移 mm 图 4各 系列 试 件 劈 拉 试 验 衙 载 一 位 移 曲 线 由图 3试验数据分析可 以看出 ， 纤维三元混杂 系 列表 现 出很 好 的增 强增 韧作用 ， 发 挥 出理 想 的 混 杂效应 。图 4为 S F S F P P F S F H F P P F各系列 的劈拉 试验的荷载一 位移曲线 。 由图 4可见 ， S F H F P P F系列峰值荷载后的承载 能力明显优于 S F系列及 S F P P F系列 ，其曲线更加 饱满 ，表明试块破坏过程中吸收了更多的能量 ， 并 且 S F H F P P F系列均表现出良好 的应变硬化现象 可 见三元混杂可有效改善基体混凝土的脆性 。 2 _ 3 劈拉韧度指数 基于图 4荷载一 位移曲线 。计算得 出各系列混 凝土的劈拉韧度指数 I 、 I 。 。 、 I ，依次对混凝土 的劈 拉韧性进行评价 ， 表 3为各配比的韧度指数 。由表 3 可见 ： 峰值荷载前 ， S F HF P P F系列各配合 比的 I 、 I l b 相 比于 S F系列 以及 S F P P F系列基本相同或稍有 下降 ， 表明纤维三元混杂对改善基体峰值荷载前 的 承载能力并不明显 ；基体混凝土开裂后期 S F HF P P F系列各配合比的韧度指数 I 均明显高于 S F系 列 及 S F P P F系列 ， 其 中 S F HF P P F 1 组 I 2 0 高 达 2 2 5 6 ， 剩余强度 Rl0 2 0 也达到 1 0 3 8 ，可见 S F HF P P F在裂 缝扩 展的后期通过性能优势互补能够发挥 出很好 的混杂效应 ， 对于提高峰值荷载后的承载能力 以及 变形能力是极其有效的。 表 3 S F S F P P F S F H F P P F系列韧度指数 2 4 拉压 比 拉压 比即立 方体劈裂抗拉 强度与抗压强度之 比。拉压 比是混凝土脆性的主要标 志 ， 混凝土强度 越高 ， 拉压比越小 ， 脆性越大， 韧性越d , f 。 。在立方 一 5 2一 体抗压试验 以及劈拉试验结果 的基础上 ， 对 比分析 纤维混杂方式 以及掺量对混杂纤维增强混凝土拉 压 比的影响。表 4为各组试件的拉压 比。由表 4数 据可知 ：与 S F P P F系列相 比， S F H F P P F系列拉压 比均有不同程度提高 增幅为 8 9 2 2 5 可见 S F HF P P F三元混杂较 S F P P F二元混杂具有更好 的增韧效果 ； 对 比分析 S F H F P P F系列各组拉压比 发现 ， 随着钢纤维掺量 的增大 ， 拉压 比呈上升趋势 ， 且 S F H F P P F系列相对于 S F系列拉压 比同时表现 出正负混杂效应 ， 可见适宜的混掺 比例可最大限度 激发三种纤维的尺度效应及性能效应 ， 其 中 S F HF P P F 一 1 组混杂效应最优 ， 拉压 比提高到 1 1 5 1 。 表 4纤维增强高性能混凝土的拉压 比 通过 以上分析可知 ， S F H F P P F三元 混杂较单 掺钢纤维或 S F P P F二元混杂表现 出更优越 的力学 性能 ， 能更有效地提高基体混凝土 的拉压 比。 改善 其脆性 主要原 因如下： ( 1 ) S F H F P P F在混凝土基体内部呈三维乱向 均匀分布 ，能有效限制早期混凝土中由于离析 、 泌 水 、收缩等因素形成的原生裂缝的发生与发展 ， 从 根源上减少原生裂缝 的数量和尺寸 ， 极大提高混凝 土的密实性 1 q 。塑钢纤维经特殊的纺丝工艺加工制 成 ， 具有较好的亲水 性 ， 在基体 中的分散能力 明显 优于钢纤维 ， 故 S F H F P P F相比于 S F P P F二元混杂 能够更有效地对混凝土基体 中的各级裂缝进行填 充 ， 进一步改善和提高界面过渡层 的性能。 ( 2 ) 纤 维在 混 凝 土 中 主要 起 桥 接 裂 缝 ， 缓 解 裂 缝尖端应力集 中的作用 。根据复合材料理论 。 将不 同尺度 、 不 同性质纤 维混杂 纤维 即可通过性能优 势互补 ， 发挥出优异的混杂效应和尺度效应。当 S F H F P P F三元混杂时 ， 钢纤维、 塑钢纤维 、 杜拉纤维依 次发挥增强增韧作用 ， 高弹模 的钢纤维主要在裂缝 开裂前期发挥增强增韧作用 ， 有效抑制宏观裂缝 的 扩展 ； 弹模居 中的塑钢纤维 。 由于具有较大 的延伸 率 ，兼具增强增韧以及抑制早期原生裂缝 的作用 ； 数量众多 的杜拉纤维主要在低拉应力状态下发挥 作用 ， 有效约束早期原生裂缝及微观裂缝的产生与 发展 ， 故当纤维与混凝土中各级粒子 以及三元纤维 魏贵添 ， 夏冬桃 ， 刘 向坤 ， 等三元混杂纤维增强高性能混凝土基本力学性能 之间级配适宜时 ， 就可以协同发挥 出优于 S F P P F二 元混 杂 的增 强增 韧 的效 果 。 试验 中 S F HF P P F系列 拉 压 比均不同程度高于 S F P P F组合 的拉压 比 可见纤 维三元混杂能够更大程度地吸收试块破坏过程 中 的能量 ， 降低基体混凝土的脆性。 ( 3 ) 根 据纤 维 间距理 论 ， 相对 于 S F HF系列 ， S F H F P P F系列 中掺加的 0 1 1 杜拉纤维 ，因弹模很小 ， 对基体混凝土 的增强作用不明显 ，但其数量众多 ， 极大减小了基体混凝土中纤维的间距 能更有效地 对混凝土内部不同尺度的微裂缝 、 孑 L 隙和缺陷进行 填充 ， 纤维阻止裂缝引发 以及扩展的能力将成倍 的 增强 ， 同 时 ， 杜 拉 纤维 具有 极 大 的延 伸 率 ， 在 受 力变 形伸长过程中消耗 了大量能量 。 这对混凝土韧性的 提高 具有 重要作 用 。 ( 4 ) 不 同于 S F P P F二元 混 杂 的是 ， 当 钢 纤维 从 基体 中拔出后 塑钢纤维先于杜拉纤维发挥增强增 韧作用 。 试验过程中发现， S F H F P P F三元混杂纤维 混凝 土优 良性 能的发挥很大程度上取决于塑钢纤 维的体积掺量 ，这是 因为该种纤维弹模相对较大 ， 且具有较大的断裂延伸率 在 自身拉伸变形过程 中 能发 挥 出优 异 的增 强 增韧 效 应 ，但 随着 裂 缝 扩 展 ， 塑钢纤维由于拉伸变形截面变小 ， 当与基体粘结力 不足 时将 发生脱粘 当其掺量过大时 会对混凝土 的力学性 能产生不利影 响， 因此 ， 三种纤维 的掺量 存在较优配合 比例问题。 试验 中 S F H F P P F系列的拉 压 比与塑钢纤维体积掺率基本呈现负相关 ， 试验得 出的混杂 效应最佳 的纤维组合为体积掺量分别为 0 7 钢纤维 、 0 1 9 塑钢纤维 、 0 1 l 杜拉纤维。 3结论 ( 1 ) S F H F P P F三 元混 杂 相 对 于 S F P P F二元 混 杂对基体混凝土抗压强度影响不 明显 ， 较素混凝 土 增 幅均在 l 0 左右 ， 但可显著减少试块表 面裂缝数 量 以及 宽 度 。 ( 2 )S F H F P P F三元混杂可显著提高混凝土的 劈拉强度 ， 相对于素混凝土 。 劈拉强度增幅在 3 0 5 5 且较 S F P P F最大也提高了 1 7 。 ( 3 ) S F HF P P F三 元 混杂 较 S F P P F以及 P F H F 二元混杂能更显著地提高混凝土的拉压比 。 显著改 善基体混凝土的脆性 ， 增大韧性。 ( 4 ) 钢纤维体积掺量为 0 7 、 塑钢纤维体积掺 量为 0 1 9 、杜拉纤维体积掺量为 0 1 1 时混杂纤 维 增 强 高 性 能 混凝 土 的拉 压 比提 高 到 了 1 1 5 1 ， 是 本 次试 验纤 维混 杂效 应最 好 的 。 参考 文献 ： GGi a c c i o ， J M T o b e s ， R Z e r b i n o U s e o f s m a l l b e a ms t o o b t a i n d e s i g n p ara m e t e rs o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e J C e me n t &Co n c r e t e&C o mp o s i t e s ， 2 0 0 8 ， 3 0 ： 2 9 7 3 0 6 【 2 D u y L i e m N g u y e n ，D o n g J o o K i m ， G u m S u n g R y u ， K y u n g T a c k K o h S i z e e f f e c t o n fl e x u r a l b e h a v i o r o f u l t r a - h i g h - p e r f o r - ma n c e h y b ri d fi b e r - r e i n f o r c e d c o n c r e t e J C o n t e n t s L i s t s A v a i l a b l e a t S c i Ve r s e S c i e n c e D i r e c t ， 2 0 1 3 ， 4 5 ： 1 1 0 4 -1 1 1 6 3 】S e u n g H u n P a r k， D o n g J o o K i m， G u m S u n g R y u， K y u n g T a e k Ko h T e n s i l e b e h a v i o r o f Ul t r a Hi g h P e r f o r ma n c e Hy b ri d F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e J C e me n t C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 1 2 ， 3 4 ： 1 7 2 1 8 4 4 G i o v a n n i M a r t i n o l a，A l b e r t o Me d a， G i o v a n n i A P l i z z a r i ， Z i l a Ri n a l d i S t r e n g t h e n i n g a n d r e p a i r o f RC b e a ms wi t h fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e 【 J C e m e n t& C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 1 0 ， 3 2 ： 7 3 1 - 7 3 9 5 M o h a m e d S I s s a ， I b r a h i m M Me t w all y ， S h e ri f M E l z e i n y I n flue n c e of fibe r s o n fle x u r a l b e h av i o r a n d d uc t i l i t y o f c o n c r e t e b e a m s r e i n f o r c e d w i t h G F R P r e b a r s J E n g i n e e ri n g S t r u c t u r e s ， 2 01 1 33 ： 1 7 5 41 76 3 6 K y o u n g s o o P a r k， G l a u c i o H P a u l i n o ， J e ff e r y R o e s l e r C o h e s i v e f r a c t u r e mo d e l f o r f u n c ti o n a l l y g r a d e d fi b e r r e i nfo r c e d c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 1 0 ， 4 0 ： 9 5 4 9 6 4 7 】 梅国栋， 李继祥， 刘 肖凡， 等 混杂纤维混凝土抗弯性 能及 混 杂效应试验研究 J 】 混凝土， 2 0 1 3 ( 2 ) ： 2 1 2 4 8 徐礼华， 夏冬桃， 夏广 政， 等 钢纤维和聚丙烯纤维对高强 混 凝土强度 的影响 J 武汉 理工 大学学报， 2 0 0 7 ， 2 9 ) ： 5 8 - 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