王 力, 徐禮華, 鄧方茜, 劉素梅, 池 寅

(武漢大學 土木建筑工程學院, 湖北 武漢 430072)

普通混凝土材料因抗拉強度低、延性和耐久性差等弱點,已經(jīng)難以滿足日漸多樣化的結構形式需求.對此,國內(nèi)外專家學者提出采用在混凝土中摻入纖維的方式對混凝土進行改性.纖維對混凝土的增強效果,與纖維-混凝土基體界面間的黏結性能密切相關.纖維混凝土材料在復雜應力作用下,纖維與混凝土基體間的黏結往往較易發(fā)生破壞,使得纖維的作用并未充分發(fā)揮.因此,對纖維-混凝土基體界面的黏結性能展開研究十分重要.

近年來,針對纖維-混凝土基體界面黏結性能,各國專家學者展開了多方位的試驗研究.影響界面黏結性能的因素眾多,主要包括纖維形狀、摻量、埋置角度、表面處理方式,基體強度,外加劑和溫度等.李麗等[1-3]研究發(fā)現(xiàn),相對于圓直型鋼纖維,機械咬合作用使得異形鋼纖維與混凝土形成的黏結性能更強.混凝土中單摻鋼纖維體積分數(shù)在0%～2%時,鋼纖維-基體界面黏結性能隨著鋼纖維體積分數(shù)的增大而提升[4-5].宗曉東[6]和王曉偉等[7]對比了不同傾角(纖維埋置方向與埋置平面的夾角)下纖維的拉拔峰值荷載,結果表明,傾角越小,峰值拉拔力越小.Soulioti等[8]利用磷酸鋅對鋼纖維表面進行處理,發(fā)現(xiàn)ZnPh晶體的析出導致鋼纖維表面粗糙,界面黏結作用顯著增加.高德川等[9]研究了DBD等離子處理對聚丙烯纖維與水泥基體間黏結性能的影響,結果表明,處理后的聚丙烯纖維表面粗糙程度更大,纖維-混凝土基體間的界面黏結強度更高.有關研究[10-13]表明,纖維-混凝土基體界面黏結強度隨混凝土基體強度的提高而增大.代超[14]的研究結果表明,硅灰能夠明顯提高纖維-混凝土基體界面黏結強度,而聚合物卻降低了界面黏結強度.除此之外,Abdallah等[15]發(fā)現(xiàn),纖維-混凝土基體界面的黏結性能在200℃下最佳.

上述研究主要集中在鋼纖維與水泥砂漿或單摻鋼纖維混凝土間的黏結性能,鮮有考慮聚丙烯纖維對鋼纖維-混凝土基體界面黏結性能產(chǎn)生的影響,而實際上聚丙烯纖維對抑制基體中微裂縫擴展并延緩新裂縫的出現(xiàn)具有不可忽視的作用[16-18];另外,與普通圓直型鋼纖維相比,波紋型鋼纖維在拉拔過程中會產(chǎn)生較強的機械咬合力,使得混凝土基體與鋼纖維的界面黏結性能更好.鑒于此,本文選用同時摻有波紋型鋼纖維和聚丙烯纖維的混凝土作為研究對象,通過纖維拉拔試驗研究鋼纖維與鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土之間的界面黏結性能,可為纖維混凝土優(yōu)化設計提供依據(jù),對促進混雜纖維混凝土的應用和發(fā)展具有十分重要的工程意義.

1 試驗

1.1 試驗材料

選用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥、優(yōu)質(zhì)河砂、黑色瓜米石(粒徑5～20mm)、自來水和聚羧酸減水劑(減水率(質(zhì)量分數(shù))為26%)來制備基體混凝土.參考JGJ55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》,設計了C40和C50這2種配合比,見表1.

表1 設計配合比

波紋型鋼纖維(SF)由宜興市華源金屬纖維有限公司生產(chǎn),改性單絲聚丙烯纖維(PFF)由武漢新途工程纖維制造有限公司提供,2種纖維的幾何特征和力學性能見表2.本試驗中,制備混雜纖維混凝土基體所用鋼纖維與待拔鋼纖維材料一致.值得注意的是,待拔鋼纖維的一端加工為波紋形,另一端保留圓直形,見圖1.圓直部分用于與纖維夾具固定,波紋部分的長度根據(jù)鋼纖維埋置深度確定.

表2 纖維的幾何特征和力學性能

圖1 待拔波紋型鋼纖維Fig.1 Corrugated steel fiber to pull-out

1.2 試件設計

為研究波紋型鋼纖維與鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土的黏結性能,考慮鋼纖維體積分數(shù)φSF、聚丙烯纖維體積分數(shù)φPPF、混凝土基體強度和鋼纖維埋置深度等影響因素,設計制作了21組纖維拉拔試件,試件尺寸為100mm×100mm×100mm,試件設計表見表3.其中,fcu和fst分別為基體實測28d立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度.試件編號中C、S、P、B分別表示基體強度、鋼纖維和聚丙烯纖維體積分數(shù)、鋼纖維埋置深度(h),如C40S15P10B8表示基體設計強度為C40,φSF為1.50%,φPPF為0.10%,鋼纖維埋置深度為8mm.

首先,根據(jù)表1中的設計配合比稱取材料,而后攪拌、澆筑,使纖維充分散開防止結團,澆筑完成后立即進行混雜纖維混凝土基體的振搗.基體澆筑完成后,將待拔鋼纖維從上方垂直插入基體的中心,并保證一定的埋置深度(h).為此,設計了一套如圖2所示的拉拔試件及鋼纖維放置裝置,不僅可保證鋼纖維長度方向與試件表面垂直,還能避免拌和物表面泌水對鋼纖維-混凝土基體界面的形成造成影響.另外,為避免待拔鋼纖維在混凝土拌和物振搗時下沉,造成實際埋置深度與設計埋置深度不符,根據(jù)鋼纖維的設計埋置深度在鋼纖維的上部做標記,并在振搗過程中實時調(diào)整鋼纖維的豎向位置,保證實際埋置深度與設計埋置深度一致.最后,將試件靜置于自然環(huán)境中24h后拆除模具、聚氯乙烯(PVC)薄板和塑料套管,并小心清理待拔鋼纖維周圍的藍丁膠,然后放置于養(yǎng)護室中標準養(yǎng)護28d.

表3 試件設計表

圖2 拉拔試件及鋼纖維放置裝置Fig.2 Pull-out specimen and a simple device for placing SF(size:mm)

1.3 試驗裝置及加載步驟

試驗裝置如圖3所示,主要包括MTS試驗機、纖維夾具和試件固定裝置.加載步驟如下：將試件固定裝置和纖維夾具分別固定于MTS試驗機的上端和下端,保持纖維夾具的中心與試件固定裝置的中心處于中軸線上;放置試件,并調(diào)節(jié)螺栓,使試件保持水平,同時鋼纖維處于豎直方向;將纖維夾具提升至距試件底部20mm,并夾緊待拔鋼纖維;采用位移控制的準靜態(tài)方式進行加載,加載速率為0.007mm/s.

為方便觀察,保持纖維夾具和所有試件表面之間鋼纖維露出部分的長度均為20mm,這部分彈性變形將從總滑移值中扣除.經(jīng)計算,當鋼纖維的位移達到峰值位移時,試驗裝置的變形量僅占峰值位移的0.3%左右,可忽略此部分變形量對結果的影響.鋼纖維實際滑移通過下式計算：

(1)

式中：s為鋼纖維加載端產(chǎn)生的實際滑移,mm;s′為鋼纖維和夾具產(chǎn)生的總滑移,mm;P為試驗機所測黏結力，N;L0為鋼纖維露出部分的長度,L0=20mm;E為鋼纖維的彈性模量,MPa;A為鋼纖維圓直段的橫截面積,mm2.

圖3 試驗裝置Fig.3 Test setup

2 結果與分析

2.1 鋼纖維拔出全過程分析

埋置深度為8mm的波紋型鋼纖維從C40混凝土基體拔出時的拉拔力-滑移(P-s)曲線繪于圖4.根據(jù)圖4,可提取出埋置深度8mm的波紋型鋼纖維對應的典型P-s曲線,見圖5.基于單根波紋型鋼纖維拉拔試驗現(xiàn)象和圖5中的P-s曲線,對鋼纖維拔出過程的各個階段進行受力分析,如圖6所示.

圖4 拉拔力-滑移(P-s)曲線Fig.4 Pull-out load vs. slip curves

圖5 典型的P-s曲線Fig.5 Typical P-s curves

鋼纖維拔出過程的第1階段為完全黏結的彈性變形階段,對應圖5中OA段,鋼纖維拔出狀態(tài)如圖6(a)所示.在該階段,鋼纖維與基體間緊密黏結,無相對滑移,拉拔過程中鋼纖維所受拉拔力與位移呈線性關系,界面黏結力由機械咬合力和化學黏結力提供.一旦鋼纖維與混凝土基體發(fā)生相對滑移,化學黏結力將立即消失.結合圖4(a)～(b)可見,當聚丙烯纖維體積分數(shù)一定時,拉拔力在第1階段的增長速率隨鋼纖維體積分數(shù)增大而增大.

第2階段為部分脫黏階段,對應圖5中AB段,鋼纖維拔出狀態(tài)如圖6(b)所示.此時,鋼纖維的局部區(qū)域與混凝土基體發(fā)生了相對滑移,波紋型鋼纖維對附近混凝土產(chǎn)生擠壓(M區(qū)),同時也受到混凝土施加的反作用力.此過程中,脫黏部分的鋼纖維還會受到與基體間的動摩擦力作用,鋼纖維所受拉拔力與滑移的關系呈非線性變化.鋼纖維的滑移達到1.5mm后,局部脫黏將逐漸發(fā)展為完全脫黏.

第3階段為塑性變形Ⅰ階段,對應圖5中BCD段,鋼纖維拔出狀態(tài)如圖6(c)所示.此時,鋼纖維與基體完全脫黏,鋼纖維所有區(qū)段均與混凝土基體發(fā)生滑移,峰值拉拔力往往在鋼纖維滑移達到1.5～2.0mm時出現(xiàn),并且其值與纖維體積分數(shù)有關.拉拔過程中,鋼纖維的m段不斷擠壓①區(qū)混凝土,n段擠壓③區(qū)混凝土,同時,鋼纖維的運動受到周圍混凝土基體的阻礙從而產(chǎn)生塑性變形,鋼纖維曲率逐漸變小,此時的界面黏結力主要由鋼纖維與混凝土基體間的機械咬合力提供.達到峰值時,①區(qū)被壓碎的混凝土碎屑顆粒仍殘留在孔道中,堵塞拉拔通道,使得峰值拉拔力過后的摩擦力略微增大,總體拉拔力下降較緩.

圖6 鋼纖維拔出狀態(tài)示意圖Fig.6 Diagram of fiber pull-out state

第4階段為塑性變形Ⅱ階段,對應圖5中DE段,鋼纖維拔出狀態(tài)如圖6(d)所示.此時鋼纖維的拉拔孔道已明顯拓寬,機械咬合效果大大減弱,導致拉拔力迅速減小;另外,隨著混凝土碎屑從孔道中逐漸掉出,摩擦力減小,界面黏結力隨之迅速減小.結合圖4(a)可見,在單摻聚丙烯纖維時,該階段鋼纖維所受拉拔力的下降速率隨著聚丙烯纖維體積分數(shù)的增加而減小,說明聚丙烯纖維在鋼纖維與基體脫黏后仍對抵抗鋼纖維的拔出發(fā)揮作用.

第5階段為摩擦滑移階段,對應圖5中EF段,纖維拔出狀態(tài)如圖6(e)所示.此時僅鋼纖維m段的末端處于拉拔孔道中,機械咬合作用完全退出,黏結力僅由鋼纖維與③區(qū)混凝土間的摩擦力提供.結合圖4可見,在混凝土基體中單摻鋼纖維或單摻聚丙烯纖維時,若纖維體積分數(shù)較小(φSF≤1.00%或φPPF≤0.10%),經(jīng)歷前4個階段后,鋼纖維所受拉拔力在EF段為零,③區(qū)混凝土在該階段被壓碎脫落以致該區(qū)域厚度較小(見圖6(f)),鋼纖維將不再與混凝土發(fā)生接觸,拉拔力在鋼纖維拔出前減小為零.

2.2 破壞模式

在單根波紋型鋼纖維拉拔試驗過程中,會出現(xiàn)拔出破壞和拉斷破壞2種破壞模式.

當鋼纖維的極限抗拉承載力大于鋼纖維與混凝土基體的界面黏結力時,相互作用的機械咬合力使界面的混凝土不斷被擠碎,導致鋼纖維預埋孔道變寬,橫截面逐漸呈現(xiàn)橢圓形,見圖7(a);同時,波紋段在拉拔過程中也發(fā)生了改變,完全拔出后鋼纖維的曲率變小,且表面附著有殘留的基體碎屑,見圖7(b);當鋼纖維的極限抗拉承載力小于鋼纖維與混凝土基體的界面黏結力時,鋼纖維不斷被拉長,鋼纖維的橫截面不斷縮小,最終,受拔波紋型鋼纖維被拉斷,見圖7(c).

圖7 試件破壞形態(tài)Fig.7 Failure modes of specimens

鋼纖維拉拔過程中,試件 C50S10P10B12 的破壞模式為鋼纖維拉斷破壞,其他試件均為鋼纖維拔出破壞.試驗中,當波紋型鋼纖維埋置長度較長(12mm)、基體強度足夠高(C50)時,鋼纖維- 混凝土基體界面黏結力較大,且波紋型鋼纖維下部的混凝土足以抵抗鋼纖維傳遞過來的局部壓力,因此試件 C50S10P10B12 的混凝土基體在鋼纖維拉拔過程中并未被擠碎,鋼纖維的兩端在拔出過程中均被鎖緊,隨著拉拔力的增大,鋼纖維被拉斷.

2.3 鋼纖維-基體界面黏結性能影響因素分析

2.3.1鋼纖維體積分數(shù)的影響

將C40混凝土中埋置深度為8mm的鋼纖維的峰值拉拔力Pmax與纖維體積分數(shù)的關系繪于圖8.

圖8 峰值拉拔力與纖維體積分數(shù)的關系Fig.8 Relationship between Pmax and hybrid fiber volume content

由圖8可見：單摻鋼纖維時,鋼纖維的峰值拉拔力隨著鋼纖維體積分數(shù)的增加而不斷提高;當混凝土基體中同時摻入聚丙烯纖維和鋼纖維后,峰值拉拔力隨著鋼纖維體積分數(shù)的增加而先減小后增大,總體趨勢上有一定幅度的提高;與同等鋼纖維體積分數(shù)下的單摻鋼纖維混凝土相比,鋼纖維與混雜纖維混凝土的界面黏結性能更好但當聚丙烯纖維體積分數(shù)大于0.10%且鋼纖維體積分數(shù)大于1.00%時,鋼纖維與混雜纖維混凝土的界面黏結性能比單摻鋼纖維混凝土要差;聚丙烯纖維體積分數(shù)越高,鋼纖維體積分數(shù)的增加對提高鋼纖維與混凝土基體界面黏結力的影響越??；另外,單摻聚丙烯纖維或鋼纖維體積分數(shù)較低時(φSF=0.50%),峰值拉拔力隨著聚丙烯纖維體積分數(shù)的增加而增大,但增幅逐漸減小;鋼纖維體積分數(shù)較高時(φSF=1.00%或φSF=1.50%),峰值拉拔力隨著聚丙烯纖維體積分數(shù)的增加會呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.

將試驗獲取的拉拔力-滑移關系曲線進行平滑處理后積分即可得到曲線與橫坐標軸包圍的面積,即拉拔功(Wp),拉拔功反映鋼纖維拔出全過程的耗能情況.將C40混凝土中纖維體積分數(shù)對拉拔功的影響繪于圖9.

圖9 纖維體積分數(shù)對拉拔功的影響Fig.9 Influence of hybrid fiber volume content on Wp

由9可見：單摻鋼纖維時,鋼纖維拉拔過程中產(chǎn)生的拉拔功隨著鋼纖維體積分數(shù)的增加而不斷提高,說明增加鋼纖維體積分數(shù)對增強鋼纖維-混凝土基體的黏結性能有較大影響;在混凝土基體中同時摻入聚丙烯纖維和波紋型鋼纖維后,拉拔功隨著鋼纖維體積分數(shù)的增加而先降低后升高,總體上有一定幅度的提高.由圖9還可見：單摻聚丙烯纖維時,拉拔功隨著聚丙烯纖維體積分數(shù)的增加而增長,且增長幅度較大;摻入混雜纖維后,拉拔功在鋼纖維體積分數(shù)為定值時,隨著聚丙烯纖維體積分數(shù)的增加而先升高后降低,但整體變化幅度較小.

綜合來看,當鋼纖維體積分數(shù)為1.50%、聚丙烯纖維體積分數(shù)為0.05%時,波紋型鋼纖維的峰值拉拔力和拉拔功最大,纖維對混凝土的增強、增韌效果最佳.

2.3.2基體強度的影響

將纖維體積分數(shù)一致(φSF=1.00%、φPPF=0.10%),基體強度及埋置深度不同的鋼纖維峰值拉拔力Pmax、鋼纖維-混凝土基體界面黏結強度σ以及拉拔韌性指標列于表4.表4中,δ為峰值拉拔力對應的滑移,I1δ,I2δ及I3δ分別為1、2、3倍峰值拉拔力對應滑移處拉拔力-滑移曲線與橫軸包圍的面積,即拉拔韌性指標.

表4 鋼纖維-混凝土基體界面黏結性能測試與計算結果

對比基體強度分別為C40和C50時波紋型鋼纖維的黏結強度σ可見,在相同埋置深度下,波紋型鋼纖維從強度等級更高的混凝土基體中拔出時的黏結強度更大,如鋼纖維埋置深度為4mm時,黏結強度提高了2.5%;鋼纖維埋置深度為8mm時,黏結強度提高了12.4%;鋼纖維埋置深度為12mm時,在基體強度為C50的混凝土中完全拔出之前被拉斷,試驗所用鋼纖維能承受的極限拉拔力為776.0N,說明該組鋼纖維與基體的黏結力超過了776.0N,相比C40S10P10B12組(纖維體積分數(shù)相同,基體強度等級為C40),黏結性能有了很大的提高.對比不同試件的拉拔韌性指標,混凝土基體的強度從C40提高為C50時,鋼纖維的拉拔韌性指標提高了20%～40%.

2.3.3鋼纖維埋置深度的影響

分析表4中鋼纖維埋置深度對鋼纖維-混凝土基體界面黏結性能產(chǎn)生的影響可見,鋼纖維峰值拉拔力隨著埋置深度的增加而不斷增加.當波紋型纖維埋置深度由4mm增大到12mm時,鋼纖維所受峰值拉拔力可提高154.5%(C40)和231.8%(C50).然而,鋼纖維與混凝土基體界面黏結強度隨著纖維埋置深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,說明適當增加波紋型鋼纖維的埋置深度可以提高鋼纖維與混雜纖維混凝土的黏結性能,但當鋼纖維埋置深度超過8mm時,鋼纖維增強效益的發(fā)揮是以更大的接觸面積為代價的.

比較1、2和3倍峰值拉拔力下的拉拔韌性指標(見表4),可以發(fā)現(xiàn),增加波紋型鋼纖維的埋置深度能有效提高鋼纖維的拉拔韌性,鋼纖維埋置深度由4mm增大為8mm時,拉拔韌性指標提高了3.5～4.0倍;鋼纖維埋置深度由8mm增大為 12mm 時,拉拔韌性指標提高了2.0倍左右.

2.4 鋼纖維-混雜纖維混凝土基體界面黏結機理

波紋型鋼纖維與混雜纖維混凝土基體界面黏結力由3部分組成：(1)混凝土中水泥凝膠與鋼纖維表面的化學黏結力;(2)鋼纖維與混凝土接觸面間的摩擦力;(3)鋼纖維和混凝土之間的機械咬合力.

2.4.1化學黏結力

纖維混凝土拌和物在凝結過程中,水泥凝膠在纖維表面產(chǎn)生化學黏結力,其大小主要取決于界面微觀結構的改善程度[19].纖維與混凝土基體界面的孔隙率越小,界面結構越致密,化學黏結力越大.

聚丙烯纖維具有憎水性,而鋼纖維具有親水性,當基體中混雜這2種纖維時,基體中的水分子會向鋼纖維附近運動,鋼纖維附近的混凝土基體水化程度更充分,鋼纖維與混凝土基體間的化學黏結力增強.因此,在鋼纖維和聚丙烯纖維體積分數(shù)較小(φSF<1.00%、φPPF<0.10%)時,2種不同纖維的摻入對鋼纖維與基體間界面黏結性能的影響呈正混雜效應.

另外,孫偉[20]的研究表明,鋼纖維-混凝土基體界面是混凝土結構的薄弱區(qū),界面的水灰比比混凝土基體的水灰比大,水灰比越大,界面黏結性能越差.因此,當鋼纖維和聚丙烯纖維體積分數(shù)較大(φSF>1.00%、φPPF>0.10%)時,水分子的遷移運動受鋼纖維體積分數(shù)的影響程度較大,聚丙烯纖維體積分數(shù)的增加,造成單根鋼纖維表面水分子過多,鋼纖維表面形成的Ca(OH)2晶體取向指數(shù)和取向范圍增加,鋼纖維表面結構趨于疏松.因此,鋼纖維與鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土基體界面間化學黏結力隨著聚丙烯纖維體積分數(shù)的增加而先增大后減小.

不同混雜纖維體積分數(shù)下鋼纖維-混凝土基體界面的微觀形貌如圖10所示.由圖10可見,單摻鋼纖維時界面結構不密實,存在較大的孔隙;當混凝土中混合摻入鋼纖維和聚丙烯纖維時,鋼纖維-混凝土基體界面結構得到改善,孔隙率降低;但當聚丙烯纖維的體積分數(shù)達到0.15%時,鋼纖維-混凝土基體界面形成不同方向的針狀物質(zhì),使界面結構變疏松.因此,鋼纖維與單摻鋼纖維混凝土基體界面化學黏結力較小,摻入聚丙烯纖維后,化學黏結力將提高,但在聚丙烯纖維體積分數(shù)過高時(φPPF>0.15%),化學黏結力反而會降低.

通過對比不同鋼纖維埋置深度下鋼纖維-混凝土基體界面的微觀形貌(見圖11)可以發(fā)現(xiàn)：鋼纖維埋置深度為4mm時,界面結構呈針狀和片狀;鋼纖維埋置深度為8mm時,界面結構最致密,孔隙率越小;鋼纖維埋置深度為12mm時,界面空隙率較大,結構疏松.因此,當鋼纖維埋置深度由4mm增大到8mm時,界面黏結強度增加;鋼纖維埋置深度由8mm 增大為12mm時,界面黏結強度減小.

2.4.2摩擦力

當鋼纖維與混凝土基體間的化學黏結力破壞后,界面摩擦力開始發(fā)揮作用.由圖10可見,相比單摻鋼纖維混凝土,鋼纖維與混雜纖維混凝土基體界面的粗糙度更大,說明聚丙烯纖維的存在使鋼纖維與混凝土基體之間接觸面的粗糙度增大,從而增大了界面摩擦系數(shù).

聚丙烯纖維的憎水性,使鋼纖維附近混凝土的水灰比增大,干縮值也隨之增大,對比未摻入聚丙烯纖維的混凝土,鋼纖維受到了更大的徑向壓力,鋼纖維被包裹得更緊,鋼纖維從摻有聚丙烯纖維的混凝土基體中拔出時的摩擦力增大.

圖10 不同混雜纖維體積分數(shù)下鋼纖維-混凝土基體界面的微觀形貌Fig.10 Micro-morphology of steel fiber-cement matrix interface with different hybrid fiber contents

圖11 不同鋼纖維埋置深度下鋼纖維-混凝土基體界面的微觀形貌Fig.11 Micro-morphology of steel fiber-cement matrix interface with different steel fiber embedded depths

2.4.3機械咬合力

波紋型鋼纖維和混凝土基體之間的機械咬合力為混凝土對波紋型鋼纖維表面斜向壓力的縱向分力.混凝土基體強度越高,機械咬合力的極限值越大.

Khabaz[21]指出,波紋型鋼纖維從混凝土基體中拔出時,鋼纖維的拔出端、波峰和波谷附近容易出現(xiàn)應力集中,進而產(chǎn)生裂縫.聚丙烯纖維的存在,將微裂縫兩側的水化產(chǎn)物“橋連”在一起,限制了微裂縫的萌發(fā)和擴展,如圖12(a)所示.同時,混雜纖維混凝土基體沿鋼纖維橫截面徑向和長度方向形成了聚丙烯纖維網(wǎng),在鋼纖維拔出過程中,一部分被擠碎的基體碎屑通過聚丙烯纖維與混凝土基體連接,滯留于鋼纖維拉拔通道中,阻礙了鋼纖維的拔出.若混凝土基體中無聚丙烯纖維,一旦基體被鋼纖維擠碎,將立即隨鋼纖維沿受力方向排出拉拔孔道,導致孔道被拓寬,鋼纖維的機械咬合力明顯減弱,如圖12(b)所示.

圖12 纖維分布對機械咬合力的影響Fig.12 Effect of fiber distribution on mechanical interaction force

不同埋置深度的鋼纖維在拔出過程中與混凝土基體之間產(chǎn)生的機械咬合作用不同,鋼纖維拔出后的形態(tài)和拉拔通道不同,分別如圖13和圖14所示.由圖13、14可見：埋置深度為4mm的鋼纖維在拔出后仍保持較大曲率;埋置深度為8mm的鋼纖維變形較大;埋置深度為12mm的鋼纖維在拔出后,靠近拔出端的波峰基本消失,靠近埋入端的波峰變形較小,這是因為拔出端的波峰在拉拔過程中擴寬了拉拔通道,并擠碎了拔出端的混凝土,埋入端的波峰在后續(xù)拉拔過程中受到的阻力減小.總體上,埋置深度超過8mm時,鋼纖維拉拔過程中的機械咬合力隨著埋置深度的增大而增大,但增長幅度比埋置深度的增長幅度要小.

圖13 不同埋置深度鋼纖維拔出后的形態(tài)Fig.13 Shapes of SF pulled out with different embedded depth

圖14 鋼纖維拉拔通道Fig.14 Damaged channel of steel fiber

3 結論

(1)當波紋型鋼纖維體積分數(shù)為1.50%、聚丙烯纖維體積分數(shù)為0.05%時,對混凝土的增強、增韌效果最佳.

(2)波紋型鋼纖維與混雜纖維混凝土基體間的界面黏結性能隨著基體強度的提高而提高.

(3)波紋型鋼纖維在混雜纖維混凝土中的峰值拉拔力隨著鋼纖維埋置深度的增加而增大,但當埋置深度大于8mm時,界面黏結強度隨著埋置深度的增加而逐漸減小.

(4)在界面黏結機理方面,化學黏結力隨著纖維體積分數(shù)的增大而先增大后減小;摩擦力隨著纖維體積分數(shù)的增大而增大;機械咬合力因纖維的摻入和基體強度的提高而增大.