纤维对高强混凝土弯曲性能及韧性的影响

李迎春，黄刚，黄安永，张丽辉（.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏南京　03；.三江学院，江苏南京　00）



纤维对高强混凝土弯曲性能及韧性的影响

李迎春1，黄刚1，黄安永2，张丽辉1
（1.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏南京211103；2.三江学院，江苏南京210012）

摘要：选择具有代表性的聚乙烯醇（PVA）纤维、聚丙烯（PP）纤维、端钩型钢纤维（SF1）和高强微细钢纤维（SF2），系统研究纤维掺量和种类对高强混凝土（HSC）弯曲性能及韧性的影响。结果表明：SF1-HSC和SF2-HSC的弯曲韧性指数是PVA-HSC和PP-HSC弯曲韧性指数的2～3倍；相较基准高强混凝土，掺入SF1和SF2的高强混凝土极限弯曲荷载最高分别提高了72.2%和29.6%，而掺PVA和PP的高强混凝土极限弯曲荷载则分别降低了19.1%和11.5%；在工程应用中配制高强混凝土时，为了提高其弯曲性能及韧性，应选择极限抗拉强度高、掺量更大及与基体间锚固作用力强的端钩型钢纤维。

关键词：纤维；高强混凝土；弯曲性能；弯曲韧性

0 前言

高强混凝土（HSC）具有强度高、脆性大、抗拉强度低等特点［1］，为了提高HSC的韧性，可借鉴吴中伟院士［2］提出的基于“复合化”的纤维增强技术，在高强混凝土中掺入适量且适当的纤维，如钢纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、碳纤维、玻璃纤维和纤维素纤维等，通常采用掺钢纤维或聚丙烯纤维的方式达到增韧的效果［3-4］。聚乙烯醇纤维是一种具有抗拉强度和弹性模量高、与波特兰水泥具有良好的化学相容性、与水泥基材间具有良好的界面粘结力等优异性能的新型合成纤维［5］。为了系统评价常见纤维种类和掺量对高强混凝土韧性的提升效果，本文选择具有代表性的聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、端钩型钢纤维和高强微细钢纤维，以C80高强混凝土为研究主体，对比4种纤维种类和掺量对C80高强混凝土弯曲性能和弯曲韧性的影响，以期为纤维在高强混凝土中应用、提高高强混凝土韧性提供一定的数据支撑。

1 实验

1.1 原材料

水泥：江南小野田水泥有限公司生产的P·Ⅱ52.5水泥；粉煤灰：南京电厂提供的Ⅰ级粉煤灰；水：自来水；减水剂：聚羧酸型高性能减水剂，减水率40%，江苏苏博特新材料股份有限公司产；细集料：普通河砂，细度模数2.5，表观密度2640kg/m3；粗集料：5～20 mm玄武岩碎石，表观密度2810 kg/m3；聚乙烯醇纤维（PVA）、聚丙烯纤维（PP）、端钩型钢纤维（SF1）和高强微细钢纤维（SF2）：均由江苏苏博特新材料股份有限公司提供，4种纤维的物理力学性能指标见表1。

表1 4种纤维的技术性能指标

1.2 试验过程及方法

根据CECS 13：2009《钢纤维混凝土试验方法》和CECS 38：2004《纤维混凝土结构技术规程》中混凝土配合比设计方法，设计13组试验，研究PVA、PP、SF1和SF2纤维对C80高强混凝土4点弯曲性能的影响，混凝土配合比见表2。

表2 试验用C80混凝土基准配合比　kg/m3

按照表2配合比称取原材料，采用SJD60型单卧轴强制式混凝土搅拌机进行新拌混凝土拌合，具体步骤为：先将水泥、粉煤灰、砂和石干拌30 s，再将减水剂与水加入干混料中，搅拌1～2 min，最后将纤维缓慢多次投入搅拌2～3 min至均匀浆体。待搅拌结束后，分2层浇注100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件，1 d后拆模，标准养护［温度（20±2）℃，相对湿度≥95%］至28 d，采用美国INSTRON 8803电液伺服疲劳试验机进行4点弯曲测试，跨距为300 mm，跨中挠度利用LVDT采集，平行试验3次。根据4点弯曲试验所得最大荷载计算得到抗折强度。

试验时，PVA和PP纤维的棱柱体试件预加载速率为0.02 mm/min，预加载荷载至2 kN，其后加载速率为0.01 mm/ min；SF1、SF2纤维的棱柱体试件预加载速率为0.03 mm/min，预加载荷载至2 kN，其后加载速率为0.15 mm/min。当弯曲荷载下降到最大荷载的20%时停止试验，试验可得弯曲荷载-挠度曲线。

根据所得荷载-挠度曲线，参照ASTM C1018—89［6］（如图1所示），选用初裂点挠度δ的3倍、5.5倍、10.5倍时所对应的荷载-挠度曲线下的面积与初裂挠度处荷载-挠度曲线下的面积的比值，记为I5、I10和I20，并将这3个比值作为韧性指数评价纤维种类和掺量对C80高强混凝土弯曲韧性的影响。

图1 ASTM C1018—89荷载-挠度曲线

2 结果与分析

2.1 纤维掺量对C80高强混凝土弯曲性能的影响

PVA、PP、SF1和SF2纤维掺量对C80高强混凝土荷载-挠度曲线的影响见图2。

图2 纤维掺量对C80高强混凝土荷载-挠度曲线的影响

从图2可以看出，掺入纤维后，试件的弯曲荷载-挠度曲线可以分为3个阶段，第一阶段为弹性上升阶段；第二阶段为非弹性上升阶段，第三阶段为下降阶段。第一阶段，当荷载较小时，基体通过界面粘结力将荷载转移到纤维，使基体和纤维共同承受载荷，二者通过相互协调，表现出弹性变形，因此曲线呈直线上升直到到达高强混凝土初裂荷载时结束；第二阶段，当载荷达到初裂荷载时，试件内部的微裂缝将开始生长为宏观裂缝，将会在试件表面清晰看到裂纹，由于纤维的搭接分担应力的作用，使试件不会立即破坏，而是仍能继续承担更大的应力，呈现非线性变化；第三阶段，当荷载达到纤维混凝土的最大弯曲荷载时，裂缝处的纤维不能承受此载荷，裂缝将会失稳扩张，纤维会在跨越界面处被拔断或者被拔出，因此曲线会缓慢下降。在高强混凝土基体中分别掺入PVA、PP、SF1和SF2纤维后，随着纤维掺量的增加，纤维增强高强混凝土的韧性愈高，下降段愈加缓慢平缓，其原因在于随着纤维掺量的增大，在基体开裂处其桥接作用的纤维根数越多，桥接作用越大，通过纤维的桥接作用，可以把荷载传递到未开裂的基体处，使试件仍能继续承受荷载，破坏模式由基准高强混凝土的脆性破坏转为掺入纤维后高强混凝土的延性破坏。此外，掺入SF1和SF2纤维的高强混凝土极限弯曲荷载均比掺入PVA 和PP纤维的高，这与前两者的弹性模量和极限抗拉强度均比后两者的大，在裂缝处的桥接作用更大，能传递的应力越大有关。

从图2（a）、（b）可以看出，掺PVA纤维和PP纤维后高强混凝土的最大弯曲荷载较基体均有所下降，其中3#及4#试样的最大弯曲荷载较基准下降了约20%，6#和7#试样的最大弯曲荷载较基准下降了约10%，原因在于掺入PVA纤维和PP纤维后，在高强混凝土基体中引入了一定气泡［7］，导致纤维增强高强混凝土所能承受的极限荷载降低。

从图2（c）、（d）可以看出，曲线的丰满度随着纤维的掺量增加而不断增大，混凝土表现出更大的韧性；不仅如此，高强混凝土的极限弯曲荷载也随着纤维掺量的增大而不断增大，对于SF1纤维而言，8#、9#和10#试样相较1#基准试样，最大弯曲荷载分别提高了8.3%、46.3%和72.2%；对于SF2纤维，11#、12#和13#试样相较1#基准试样，最大弯曲荷载则分别提高了11.3%、16.8%和29.6%。2种钢纤维均提高了高强混凝土的极限弯曲荷载，但掺SF1较SF2对弯曲荷载提高的幅度更大。掺入SF1纤维的高强混凝土均出现了多个起伏段，试件最终破坏时均出现了多条裂缝，原因是在荷载不断加大的过程中，端钩型钢纤维SF1在裂缝处一方面起到传递应力的作用，可把开裂处基体上承受的应力传递到未开裂的基体上，且对裂缝尖端应力集中的缓减作用越大，从而滞后裂缝的发展速度，另一方面，钢纤维端部的弯钩在纤维拔出过程中会由于塑性变形作用而被拉直，致使整个桥接过程产生更多的能耗［8］，使多缝开裂现象更加明显。而对于微细镀铜钢纤维SF2而言，端部不存在弯钩，在开裂处仅存在桥接作用，因此使多缝开裂不明显，极限弯曲荷载也没有掺入SF1纤维的高。

2.2 纤维种类对C80高强混凝土弯曲性能的影响

为了比较PVA、PP、SF1和SF2纤维在本研究最大掺量时对C80高强混凝土弯曲性能的影响，将4#、7#、10#和13#这4组配比的弯曲性能结果进行对比分析，结果见图3。

图3 纤维种类对高强混凝土弯曲性能的影响

从图3可以看出，掺SF1和SF2纤维的高强混凝土韧性较掺PVA和PP纤维的更优，因为从纤维本身角度来看，钢纤维的抗拉强度要大于合成纤维，虽然PVA纤维的抗拉强度也很高，但是PVA纤维是亲水性纤维，与基体间的化学粘结力很大，容易被拉断，而纤维要提高弯曲韧性，一定要保证最大量的纤维从基体中拔出而不是拉断，如果被拉断就不能在开裂处起桥接作用，更无法提高超高强纤维混凝土的韧性；掺钢纤维的极限弯曲荷载也较合成纤维的大很多，最大相差达到50%，因为掺钢纤维的抗压强度要大于掺合成纤维的抗压强度。从下降段看，掺钢纤维的曲线较合成纤维的更加平缓，说明钢纤维增强混凝土弯曲韧性的效果较合成纤维的更好，原因在于钢纤维在裂缝扩展时是大量纤维被拔出，能很好地起到桥接作用，而合成纤维则是大量被拔断，大大削弱了纤维的桥接作用。

2.3 纤维种类与掺量对C80高强混凝土抗折强度的影响（见表3）

表3 纤维种类与掺量对C80高强混凝土抗折强度和弯曲韧性的影响

从表3可以看出，掺合成纤维的高强混凝土初裂强度及抗折强度均较基准高强混凝土有所降低，随着纤维掺量的增加，纤维混凝土的初裂强度以及抗折强度不断下降。其中PVA纤维高强混凝土的初裂强度、抗折强度较基准高强混凝土分别下降13.2%～32.3%和2.7%～19.0%；PP纤维高强混凝土的初裂强度、抗折强度则较基准高强混凝土分别下降7.1%～14.1%和10.3%～12.6%。然而，掺钢纤维的高强混凝土初裂强度以及抗折强度较基准高强混凝土均有大幅度提高，且随着钢纤维掺量的增加，高强混凝土的初裂强度及抗折强度不断提高。其中SF1纤维高强混凝土的初裂强度、抗折强度较基准高强混凝土分别提高1.5%～13.5%和8.4%～72.3%，SF2纤维高强混凝土的初裂强度、抗折强度则较基准高强混凝土分别提高3.2% ～19.3%和11.3%～29.7%。出现这些现象的原因在于：合成纤维由于粘结强度小于基体抗拉强度，而且直径很小，容易拔出和拉断，其中拔断的占多数，因此使初裂强度和抗折强度均降低。PVA纤维是亲水性纤维，和基体间的化学粘结力很大，因此分散性没有PP纤维好，所以导致强度下降的幅度较大；合成纤维掺量增大，引入和增多了混凝土的原始缺陷和应力集中因子，使微裂纹更容易发展和贯穿，所以降低了初裂韧度及抗折强度；钢纤维的抗拉强度高于合成纤维，在裂缝成长的过程中，钢纤维失去增强增韧作用的表现方式大多数为拔出，极少数呈现拔断状态，而合成纤维大多数是拔断，极少数为拔出状态。而拔出是一个缓慢的过程，拔断是一个瞬间的过程，因此钢纤维增强高强混凝土的初裂强度及抗折强度较合成纤维增强高强混凝土的均大。

2.4 纤维种类与掺量对C80高强混凝土弯曲韧性的影响

按照ASTM C1018—89的方法分析纤维种类与掺量对C80高强混凝土弯曲韧性的影响，以韧性指数I5、I10和I20作为评价指标。由表3测试结果可见，纤维体积掺量在1/3最大体积掺量到最大体积掺量之间时（2#～4#、5#～7#、8#～10#和10#～13#），纤维明显地提高了梁的弯曲韧性指数，比基准高强混凝土I5提高3.39～5.33倍，I10提高5.61～13.86倍，I20提高8.04～30.78倍。其中SF1增强高强混凝土的韧性指数最大，表明4种纤维对高强混凝土弯曲韧性的提高幅度最明显的是端钩型钢纤维。出现上述现象的原因在于，纤维在混凝土基体中起到了桥接的作用，转移了部分裂缝尖端应力，因此纤维起到了增强高强混凝土基体弯曲韧性的作用；其中端钩型最为明显，主要是因为端钩型钢纤维与基体之间由于端钩的存在使锚固作用最大，拔出过程耗能最大，对裂缝扩展的阻滞效果最佳。

3 结论

（1）对于钢纤维，端钩型钢纤维SF1对高强混凝土极限弯曲荷载提高的幅度较微细镀铜钢纤维SF2的大，随着掺量由最大体积掺量的1/3、2/3到1变化，SF1和SF2增强高强混凝土的极限荷载较基准高强混凝土分别提高8.3%、46.3%和72.2%，11.3%、16.8%和29.6%。

（2）随着纤维掺量的增大，高强混凝土的弯曲性能越好，弯曲韧性逐渐增大，钢纤维增强高强混凝土的弯曲韧性指数是合成纤维增强高强混凝土弯曲韧性指数的2～3倍。

（3）为了提高高强混凝土的弯曲性能，可以选用抗拉强度高、可掺入量大以及与基体锚固作用强的端钩型钢纤维。

参考文献：

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［4］何锐，李永鹏，陈拴发，等.纤维组合对混杂纤维混凝土弯曲性能的影响［J］.广西大学学报：自然科学版，2013，38（6）：1306-1312.

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［6］ASTM C1018—89，Standard method for flexural toughness and first crack strength of fiber reinforced concrete［S］.

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［8］刘建忠.超高性能水泥基复合材料制备技术及静动态拉伸行为研究［D］.南京：东南大学，2013.

Effect of fiber on the flexural property and toughness of high strength concrete

LI Yingchun1，HUANG Gang1，HUANG Anyong2，ZHANG Lihui1
（1.Jiangsu Sobute New Materials Co. Ltd.，Nanjing 211103，China；2.Sanjiang University，Nanjing 210012，China）

Abstract：The representative polyvinyl alcohol（PVA）fiber，polypropylene（PP）fiber，hooked steel fiber（SF1）and fine steel fiber （SF2）with high strength were chosen，and the effect of fiber type and dosage on the flexural property and toughness of high strength concrete（HSC）were systematically studied. The experimental results showed that the toughness indexes of SF1-HSC and SF2-HSC were twice or three times than that of PVA-HSC and PP-HSC. Compared to the control HSC without any fiber，the maximum values of flexural load of SF1-HSC and SF2-HSC were increased by 72.2%and 29.6%，respectively. However，the maximum values of flexural load of PVA-HSC and PP-HSC were decreased by 19.1%and 11.5%，respectively. In engineering application，the fiber with high tensile strength，large dosage and strong anchorage bond between fiber and matrix interface should be used to prepare high strength concrete required high flexural property and toughness.

Key words：fiber，high strength concrete，flexural property，flexural toughness

中图分类号：TU528.572

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）03-0001-04

基金项目：江苏省科技计划青年基金项目（BK20141012）；六大人才高峰项目（2013-JZ-003）

收稿日期：2015-09-08；

修订日期：2015-10-16

作者简介：李迎春，男，1978年生，江苏南京人，工程师，主要从事纤维混凝土韧性提升技术方面研究。