粗合成纤维活性粉末混凝土抗弯韧性试验
粗合成纤维活性粉末混凝土抗弯韧性试验
摘要：为研究不同粗合成纤维用量下活性粉末混凝土的抗弯韧性，采用四点弯曲试验对粗合成纤维用量分别为4.75，9.5，14.25，19 kg・m-3的纤维活性粉末混凝土试件进行了研究，同时与不掺入纤维的素活性粉末混凝土进行了对比分析。
结果表明：不掺入纤维的素活性粉末混凝土弯拉试件发生脆性破坏，试件一裂即断，未得到荷载挠度曲线的下降段;而粗合成纤维掺入后能够提高活性粉末混凝土的韧性，使弯拉试件转变为明显的延性破坏，荷载挠度曲线都可得到稳定的下降段，同时曲线还出现了二次强化现象
有2个峰值;随着粗合成纤维掺量的增加，弯拉试件荷载挠度曲线的下降段愈加平缓，韧性指数增大;粗合成纤维掺量(体积分数)为1.0%～2.0%时，剩余强度在抗折强度的85%以上，此时粗合成纤维对裂后基体具有较强的阻裂能力，能够大大提高弯拉试件开裂后的韧性。
关键词：粗合成纤维;活性粉末混凝土;抗弯韧性;韧性指数;剩余强度
0引言
活性粉末混凝土是一种具有超高强度和高耐久性的新型水泥基复合材料，制备过程中通过最紧密堆积理论优选骨料，同时掺入大量活性粉末提高基体致密性[1]。
活性粉末混凝土仍具有混凝土的脆性，且由于胶凝材料较多，容易开裂，因此需要掺入纤维来提高其韧性和抗裂性。
目前活性粉末混凝土在配制过程中多通过掺入钢纤维来达到增强增韧抗裂的目的[23]，但是钢纤维自重较大，且有锈蚀的隐患，若施工不当造成钢纤维外露则可能发生锈蚀进而导致基体腐蚀。
粗合成纤维(直径大于0.1 mm)是一种新型的增强增韧材料[4]，与钢纤维相比具有轻质、耐腐蚀、易分散的特点，同时能提高混凝土的抗裂性[5]、抗冲击性[67]、抗弯韧性和抗疲劳性能[89]，在活性粉末混凝土中掺入粗合成纤维可以提高试件的延性[10]。
抗弯韧性是反映纤维增韧效果及基体内部结构性能的一个重要指标。
为研究粗合成纤维对活性粉末混凝土的增韧效果，本文中笔者采用四点弯曲试验对粗合成纤维活性粉末混凝土进行了研究。
1试验方案
1.1原材料及配合比
本次试验中采用的活性粉末混凝土的原材料有：P.O42.5普通硅酸盐水泥;超细微硅粉;粒径为0.625～1 mm的石英砂;减水率为29%的高性能减水剂;粗合成纤维和水。
其中粗合成纤维为直径0.91 mm、长度38 mm的聚丙烯粗纤维，表面压痕处理，纤维密度为0.91 kg・m-3，抗拉强度大于450 MPa。
粗合成纤维掺量(体积分数，下同)为0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%五种，其用量分别为4.75，9.5，14.25，19 kg・m-3。
根据纤维掺量的不同，试验共分5组，每组3个试件。
活性粉末混凝土试验配合比及试件编组列于表1。
1.2试件制备及养护
采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试
1.3试验方法
参考《钢纤维混凝土试验方法》(CECS 14：89)，采用四点弯曲方式加载，跨度为300 mm，加载点间距为100 mm。
试验在300 kN的万能试验机上完成，加载速率为0.1 mm・s-1。
采用100 kN的荷载传感器量测试验荷载，跨中挠度采用2个量程为30 mm的位移传感器量测，所有数据由东华测试系统自动采集。
2试验过程及分析
2.1试件破坏过程及破坏形态
所有弯拉试件破坏时均在其跨中出现1条主裂纹。
不掺入粗合成纤维的C0组试件表现出明显的脆性，在裂缝出现后随即发生断裂，试件断成两截，与普通混凝土弯曲破坏形式相同。
掺入粗合成纤维试件(C0.5，C1.0，C1.5，C2.0组试件)的破坏形态如图1所示。
从图1可以看出，粗合成纤维掺入后弯拉试件的破坏形态相似，都是在三分点内开裂，有1条主裂缝，裂缝处有纤维相连，试件未发生断裂，表现出明显的延性破坏。
通过试验发现，在加载过程中，图1粗合成纤维试件破坏形态
Fig.1Failure Modes of Synthetic Macrofiber Specimens首先在试件底部出现1条细而短的裂缝;随着荷载持续增加，裂缝逐渐增大，达到峰值荷载后，荷载开始下降，裂缝继续变宽变长，开始向顶部发展，挠度也越来越大。
试验过程中持续发出咯噔的声音，裂缝长度逐渐增大，最后贯通整个试件，直到试验停止时掺入粗合成纤维的试件都未发生断裂，裂缝处有纤维相连。
由于裂缝宽度及跨中挠度较大，试验继续进行已无意义，因此在挠度达到10 mm时停止试验。
试验结束后，观察试件断面发现，大多数粗合成纤维被拔出而不是被拉断，基体断面处可见纤维被拔出的孔洞。
2.2荷载挠度曲线
图2为根据实际量测得到的荷载及跨中挠度绘制的粗合成纤维掺量为0%～2.0%时抗弯韧性试验的荷载挠度曲线，其曲线均为每组试件的平均值曲线。
从图2可以看出，除不掺入粗合成纤维的试件(C0组)外，掺入粗合成纤维的试件都得到了荷载挠度曲线的下降段，且曲线都出现了二次强化现象[图2(b)～(e)]，即荷载在达到极限值后忽然下降到一定值，随后又开始上升，达到二次峰值后缓慢下降，此现象与粗合成纤维普通混凝土相同[11]。
分图2荷载挠度曲线
Fig.2Loaddeflection Curves析其原因是，粗合成纤维长度及直径较大，掺入到活性粉末混凝土中单位面积上的纤维数量较少，但是纤维与基体间紧密结合。
试件出现裂缝后试验机卸载，荷载下降，当裂缝发展到有纤维处时，纤维与基体紧密结合且具有较强的.粘结力，因此将粗合成纤维由基体内拔出需要耗费很大的能量，荷载增大。
随着荷载继续增大，粗合成纤维慢慢被拔出，之后荷载再次缓慢下降，荷载挠度曲线下降段中荷载反复上升、下降呈现锯齿状即为纤维拔出过程。
随着纤维掺量的增加，荷载挠度曲线的二次强化效应愈加明显，同时曲线下降段更加饱满，与x轴所围面积增大，表明试件的抗弯韧性提高。
掺入粗合成纤维后能够提高活性粉末混凝土试件抗弯韧性的主要原因是，本次试验中采用的粗合成纤维表面进行了压痕处理，纤维与基体间具有很高的粘结强度。
当基体发生裂缝破坏时，裂缝处的纤维开始承受拉力，并通过与基体间的粘结力将荷载传至裂缝两侧混凝土基体，阻止裂缝的发展，同时提高基体的能量吸收能力。
纤维拔出过程中需要吸收很大的能量，能量吸收过程与纤维和基体间的粘结强度有关，随着纤维掺量的增加，裂缝处纤维数量增大，大量纤维的桥联作用可有效提高基体的韧性。
当外部荷载产生的弯拉应力大于纤维与基体间的粘结强度时，纤维即被拔出。
由于粗合成纤维在拔出前会发生极大变形，因此即使开裂基体变形值(挠度)很大也不破坏，从而大大提高活性粉末混凝土的断裂韧性，以此达到增韧的目的[12]。
纤维拔出过程主要体现在荷载挠度曲线的下降段，纤维掺量越大，纤维拔出所需要的能量就越大，相应的荷载挠度曲线也越加平缓。
3试验结果及分析
采用《钢纤维混凝土试验方法》(CECS 14：89)中的公式(1)，(2)计算初裂强度及抗折强度，即
式中：Pcr，Pmax分别为试件初裂荷载和极限荷载;ffc，cr，ffc，m分别为初裂强度和抗折强度;L，b，h分别为支座间距、试件截面宽度和试件截面高度。
对于低弹性模量纤维，剩余强度可真实地反映纤维混凝土裂后强度的特性[13]，因此，本文中采用美国ASTM建议的韧性指数I5，I10，I30及剩余强度分析抗弯韧性，其中剩余强度SAR及相对剩余强度SIR可按以下公式进行计算
由于粗合成纤维混凝土的韧性较好，挠度为2 mm时，纤维的增韧作用仍比较明显，为此邓宗才等[14]提出在计算剩余强度时，采用挠度为2 mm作为结束标准，剩余强度可采用下式计算
从图2还可以看出，粗合成纤维掺入后活性粉末混凝土弯拉试件的荷载挠度曲线有2个峰值，同时曲线的下降段斜率较小，即荷载达到最大值后，随着挠度的增加，荷载降低幅度较小。
剩余强度主要考察试件开裂后特征，若在挠度较大的情况下，荷载降低较小，说明纤维对裂缝出现后增韧效果越明显。
为此，本文中采用公式(3)，(5)两种方法计算剩余强度，从而更好地反映粗合成纤维的增韧效果。
根据公式(1)～(5)及荷载挠度曲线积分，计算得到粗合成纤维掺量为0%～2.0%时活性粉末混凝土抗弯韧性结果见表2。
从表2可以看出：
(1)粗合成纤维的掺入对活性粉末混凝土初裂强度无明显影响，粗合成纤维掺量在0%～2.0%之间变化时，初裂强度都集中在8.6 MPa左右。
粗合成纤维掺量小于1.5%时，抗折强度都在10 MPa左右，当粗合成纤维掺量增加到2.0%时，抗折强度有表2抗弯韧性试验结果
(2)粗合成纤维掺量为0.5%～2.0%时活性粉末混凝土的弯曲韧性指数I5，I10，I30均随粗合成纤维掺量的增加而增大。
粗合成纤维掺量为0.5%时，韧性指数I5，I10，I30分别为4.18，5.88，11.97，粗合成纤维掺量增加到2.0%时，I5，I10，I30增加到5.64，11.77，17.89，分别提高了34.93%，100.17%，49.46%，说明掺入粗合成纤维能够大大提高活性粉末混凝土的抗弯韧性。
(3)利用公式(3)，(5)计算得到的剩余强度差别不大。
粗合成纤维掺量为1.0%～2.0%时，剩余强度都在抗折强度的85%以上，说明掺入粗合成纤维具有较高的阻裂能力，使得试件在达到峰值荷载后还可保持较高的荷载，有效提高了活性粉末混凝土的韧性。
粗合成纤维掺量为0.5%时，荷载达到极限值后急剧下降，所以剩余强度相对较小，但是裂缝处的纤维仍然能够起到一定的增韧作用，改变了试件的破坏形式。
4结语
(1)不掺入纤维的素活性粉末混凝土弯拉试件发生脆性破坏，粗合成纤维掺入后能够提高活性粉末混凝土试件的韧性，使破坏形态转变成为明显的延性破坏。
(2)粗合成纤维掺入后活性粉末混凝土弯拉试件的荷载挠度曲线具有稳定的下降段，同时出现了二次强化现象，曲线有2个峰值，且随纤维掺量的增加，曲线的下降段更加饱满，与x轴所围面积增大。
(3)粗合成纤维不能提高弯拉试件的抗折强度，但是能够阻止试件开裂后裂缝的发展，从而有效提高了活性粉末混凝土弯拉试件的韧性，随着纤维掺量的增加，试件的韧性指数增大，纤维掺量为2.0%时，韧性指数I5，I10，I30相比纤维掺量为0.5%时的韧性指数分别提高34.93%，100.17%，49.46%。
(4)粗合成纤维对弯拉试件基体开裂后的增韧效果明显，纤维掺量为1.0%～2.0%时，抗弯试件的剩余强度均在抗折强度的85%以上。
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