混雜纖維增強(qiáng)混凝土材料的力學(xué)性能和耐久性能研究*

周美容，張雪梅

(南通理工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226002)

0 引 言

水泥是一種重要的建筑材料，但它很容易在拉力的作用下開裂失效[1-3]。其抗拉強(qiáng)度僅為抗壓強(qiáng)度的1/10～1/7，受拉極限延伸率只有0.01%～0.06%，在較低的拉伸變形時就會出現(xiàn)開裂[4]。短纖維的應(yīng)用可以增強(qiáng)混凝土抗拉裂縫的能力，提高混凝土的吸能能力[5]。高韌性纖維增強(qiáng)混凝土具有提高混凝土延性的能力，自20世紀(jì)80年代以來得到了較快發(fā)展[6-7]。纖維混凝土的研究主要集中在纖維的幾何類型、體積分?jǐn)?shù)和強(qiáng)度對混凝土材料抗彎性能的影響[8-10]，尤其以鋼纖維和合成有機(jī)纖維研究最多，從纖維的形狀、長度、用量等方面研究了鋼纖維和合成有機(jī)纖維的組合對混凝土抗彎承載力和韌性的影響[11-12]。然而大多數(shù)研究只是初步評估纖維增強(qiáng)混凝土構(gòu)件中纖維的含量以及混雜纖維種類對抗彎能力的影響[13-14]。

等效抗彎強(qiáng)度比通常用來評估纖維增強(qiáng)混凝土抗彎拉伸性能的提高程度[15]。等效抗彎強(qiáng)度比由能量吸收能力和梁試驗(yàn)測得的第一個峰值強(qiáng)度確定，與混凝土中纖維的含量比密切相關(guān)[16]。以往大多數(shù)研究都是評估單一纖維幾何類型和含量對纖維增強(qiáng)混凝土抗彎強(qiáng)度和韌性的影響，即給定單一纖維，根據(jù)纖維含量確定其等效抗彎強(qiáng)度比。根據(jù)傳統(tǒng)纖維類型對水泥基材料增強(qiáng)作用的研究，可知混凝土的抗彎、抗剪性能隨著聚合物纖維以及碳纖維含量的增加而提高[17-18]。但是這種強(qiáng)化行為并不是線性上升的，混凝土的抗壓強(qiáng)度會隨著碳纖維含量的增大而大幅度降低[19]。使用兩種或兩種以上纖維混雜制成的混凝土復(fù)合材料，能夠較好地解決這一問題[20]。然而，少有研究重點(diǎn)評估混雜纖維材料的強(qiáng)度與纖維含量配比對纖維混凝土材料的力學(xué)性能和耐久性能的影響[21]。

本文采用聚丙烯纖維和碳纖維對混凝土基體進(jìn)行單獨(dú)摻雜和混合摻雜，評估了兩種纖維添加量和搭配比例對混凝土復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和耐久性能的影響，研究了混合纖維摻雜對混凝土材料力學(xué)性能和耐久性能的影響規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

水泥：P.O 42.5型普通硅酸鹽水泥，金隅水泥有限公司；粗骨料：石子，尺寸為5～28 mm；細(xì)骨料：河砂；聚丙烯纖維：電阻率約為7×1019Ω·cm，熔點(diǎn)在165～173 ℃之間，上海啟辰化工科技有限公司；碳纖維：純度>98%，比表面積為220～280 m2/g，灰分<2.2%，江蘇南京韋達(dá)復(fù)合材料有限公司。根據(jù)纖維混凝土技術(shù)規(guī)程，選用聚丙烯纖維和碳纖維進(jìn)行混雜，測試?yán)w維增強(qiáng)混凝土的性能，選用纖維材料的性能如表1所示。

表1 纖維材料的主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of fiber materials

1.2 實(shí)驗(yàn)配比

根據(jù)聚丙烯纖維和碳纖維的不同摻量設(shè)計(jì)了9組實(shí)驗(yàn)，樣品截面尺寸為150 mm×200 mm，梁長為2 000 mm。在梁跨中混凝土表面沿截面高度粘貼6個應(yīng)變片以測試材料的應(yīng)變。在普通混凝土基體中進(jìn)行了纖維單摻雜和纖維混摻雜，纖維增強(qiáng)混凝土材料的配比如表2所示。

表2 纖維增強(qiáng)混凝土材料的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 Experimental design of fiber reinforced concrete materials

1.3 力學(xué)及耐久性能測試

采用KY-D4503微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)按照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》CECS13：2009進(jìn)行；采用NEL擴(kuò)散試驗(yàn)方法對樣品進(jìn)行耐久性能測試，通過抗氯離子滲透系數(shù)來衡量纖維增強(qiáng)混凝土的耐久性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維增強(qiáng)混凝土材料的抗彎性能

圖1為纖維增強(qiáng)混凝土材料的抗彎載荷-撓度曲線，其中，PFRC-A表示聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土(聚丙烯纖維摻量為0.3 kg/m3)，CFRC-B表示碳纖維增強(qiáng)混凝土(碳纖維摻量為0.3 kg/m3)，HFRC-B表示混雜纖維增強(qiáng)混凝土(聚丙烯纖維和碳纖維摻量均為0.3 kg/m3)。從圖1可以看出，纖維增強(qiáng)混凝土材料在加載過程中的應(yīng)變硬化及強(qiáng)度隨著纖維摻雜種類的不同而不同；單摻聚丙烯纖維的增強(qiáng)效果優(yōu)于單摻碳纖維的混凝土材料，PFRC-A的抗彎強(qiáng)度最高可達(dá)7.8 MPa，且延伸率優(yōu)于CFRC-B；混雜纖維增強(qiáng)混凝土材料HFRC-B的抗彎強(qiáng)度最高可達(dá)8.4 MPa，優(yōu)于PFRC-A和CFRC-B。

圖1 纖維增強(qiáng)混凝土材料的抗彎載荷-撓度曲線Fig 1 Bending load deflection curves of fiber reinforced concrete

從圖1(a)和(b)可以看出，PFRC-A和HFRC-B材料抗彎載荷-撓度曲線中，出現(xiàn)了鋸齒狀應(yīng)變硬化階段，表明此時受拉區(qū)有多點(diǎn)開裂現(xiàn)象出現(xiàn)，在基體內(nèi)部產(chǎn)生大量微細(xì)裂紋。從圖1(c)可以看出,單摻纖維增強(qiáng)混凝土與混雜纖維增強(qiáng)混凝土相比，延伸率較差，較早發(fā)生開裂。HFRC-B在較大撓度范圍內(nèi)保持較高的載荷，同時曲線呈現(xiàn)水平發(fā)展趨勢。說明兩種纖維在混凝土中混雜摻雜，比單一種類纖維摻雜，具有更加優(yōu)異的抗彎性能，聚丙烯纖維和碳纖維同時發(fā)揮了高韌性和高強(qiáng)度的優(yōu)勢。

2.2 纖維增強(qiáng)混凝土材料的劈裂抗拉強(qiáng)度

表3為纖維增強(qiáng)混凝土材料的劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從表3可以看出，當(dāng)單摻聚丙烯纖維，且其摻量為0.3 kg/m3時，PFRC-A樣品劈裂抗拉強(qiáng)度平均值為2.74 MPa；當(dāng)單摻碳纖維，且其摻量為0.3 kg/m3時，CFRC-B樣品的劈裂抗拉強(qiáng)度平均值為3.18 MPa；當(dāng)混合摻雜聚丙烯纖維和碳纖維，且聚丙烯纖維摻量為0.3 kg/m3，碳纖維摻量為0.1，0.3 和0.6 kg/m3時，HFRC-A、HFRC-B、HFRC-C樣品的劈裂抗拉強(qiáng)度平均值分別為3.70，3.78 和3.72 MPa，相比PFRC-A樣品的劈裂抗拉強(qiáng)度，分別提高了35.04%，37.96%和35.77%。由此可知，當(dāng)聚丙烯纖維和碳纖維的摻量均為0.3 kg/m3時，混雜纖維增強(qiáng)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度提高幅度最大。

分析表3數(shù)據(jù)可知，混雜纖維增強(qiáng)混凝土材料的劈裂抗拉強(qiáng)度明顯高于單一聚丙烯纖維和單一碳纖維增強(qiáng)混凝土材料。在聚丙烯纖維含量一定的情況下，混雜纖維增強(qiáng)混凝土材料的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著碳纖維摻雜量的增加先增加后減小，說明碳纖維含量較少時，會均勻地分散在混凝土內(nèi)部，其增強(qiáng)、阻裂作用明顯；摻量過大后，碳纖維分散不均勻，使混凝土內(nèi)部缺陷增多，強(qiáng)度降低。此外，由表3可知，隨著碳纖維摻量的增加，纖維增強(qiáng)混凝土材料的拉壓比逐漸增大，最終逐漸穩(wěn)定于0.1值附近。這可能是由于碳纖維的摻入改善了混凝土的界面特性，抑制了混凝土內(nèi)部受力后裂紋的初步萌生及進(jìn)一步發(fā)展，使得混凝土的脆性進(jìn)一步降低，改善了混凝土的阻裂效應(yīng)。

表3 纖維增強(qiáng)混凝土材料的劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of splitting tensile strength of fiber reinforced concrete

2.3 纖維增強(qiáng)混凝土材料的SEM分析

由2.2的分析可知，混雜纖維增強(qiáng)混凝土材料HFRC-B試件(0.3 kg/m3聚丙烯纖維和0.3 kg/m3碳纖維)的抗彎曲性能最佳，因此選取HFRC-B混凝土試件為對象進(jìn)行SEM分析。圖2為HFRC-B混凝土試件斷裂區(qū)域的SEM圖。從圖2(a)可以看出，HFRC-B混凝土試件的斷裂區(qū)域未發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維和碳纖維出現(xiàn)明顯團(tuán)聚現(xiàn)象，兩種纖維均與混凝土基體結(jié)合良好。從圖2(b)可以明顯觀察到，碳纖維受力剝離留下的痕跡以及斷裂的碳纖維，可知碳纖維的斷裂形式為拔出斷裂和直接斷裂，碳纖維在拔出過程中，可以有效耗散能量，提高纖維增強(qiáng)混凝土材料的強(qiáng)度。從圖2(c)可以看出，聚丙烯纖維表面附著有混凝土材料，其在拉伸斷裂過程中形成了頸縮現(xiàn)象(方框內(nèi))，說明聚丙烯纖維發(fā)揮出了其韌性和延展性較好的優(yōu)勢。由此可知，碳纖維、聚丙烯纖維與混凝土基體結(jié)合良好，碳纖維的拔出效應(yīng)以及聚丙烯纖維自身的韌性保證了混雜纖維增強(qiáng)混凝土材料的高強(qiáng)度和高韌性，提升了混雜纖維增強(qiáng)混凝土材料的抗拉強(qiáng)度和抗彎性能。

圖2 HFRC-B混凝土試件斷裂區(qū)域的SEM圖Fig 2 SEM images of HFRC-B concrete specimen fracture area

2.4 纖維增強(qiáng)混凝土材料的界面結(jié)構(gòu)分析

圖3和4分別為聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土和碳纖維增強(qiáng)混凝土界面處的EDS圖譜。從圖3和4可以看出，聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土和碳纖維增強(qiáng)混凝土界面處的元素種類一致，均為O、Al、Si和Ca元素，只是EDS峰強(qiáng)比不同，說明不同纖維與混凝土界面處的元素比例不同。

圖3 聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土界面處的EDS圖譜Fig 3 EDS spectrum of interface of polypropylene fiber reinforced concrete

圖4 碳纖維增強(qiáng)混凝土界面處EDS圖譜Fig 4 EDS spectrum of carbon fiber reinforced concrete interface

表4為聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土和碳纖維增強(qiáng)混凝土界面處的EDS元素分析。

由表4可知，界面處O、Al和Si元素的比例相差并不明顯，Si和Ca元素比例區(qū)別較大，聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土界面處的Ca/Si比為3.11，而碳纖維增強(qiáng)混凝土界面處的Ca/Si比為1.49。水泥硬化后，纖維增強(qiáng)混凝土材料中水化硅酸鈣是水泥砂漿中最重要的強(qiáng)度來源，水化硅酸鈣的Ca/Si比在1.5左右。這說明聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土界面處的水化反應(yīng)不好，而碳纖維增強(qiáng)混凝土界面處的水化反應(yīng)進(jìn)行良好，界面強(qiáng)度較高。因此碳纖維增強(qiáng)混凝土材料具有更優(yōu)的劈裂抗拉強(qiáng)度。

表4 聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土和碳纖維增強(qiáng)混凝土界面處的EDS元素分析Table 4 EDS element analysis of interface between polypropylene fiber reinforced concrete and carbon fiber reinforced concrete

2.5 纖維增強(qiáng)混凝土材料的耐久性能

對不同纖維增強(qiáng)混凝土材料取樣，采用NEL法測定抗氯離子滲透系數(shù)。表5為不同纖維增強(qiáng)混凝土材料的抗氯離子滲透系數(shù)測定結(jié)果。從表5可以看出，隨著纖維摻量的增大，纖維增強(qiáng)混凝土材料的氯離子擴(kuò)散系數(shù)逐漸減小，且聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土材料的氯離子擴(kuò)散系數(shù)小于碳纖維增強(qiáng)混凝土材料的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。對于混雜纖維增強(qiáng)混凝土材料而言，HFRC-C混凝土材料(0.3 kg/m3聚丙烯纖維和0.6 kg/m3碳纖維)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)最小，為1.91×10-12m2/s?；祀s纖維增強(qiáng)混凝土材料的耐久性優(yōu)于單纖維增強(qiáng)混凝土材料，顯示了混雜纖維的正混雜效應(yīng)。正混雜效應(yīng)的出現(xiàn)，主要因?yàn)榫郾├w維和碳纖維的物理特性不同，尤其是延伸率存在較大差異，碳纖維的高強(qiáng)度和聚丙烯纖維的高韌性，能夠有效限制纖維增強(qiáng)混凝土材料內(nèi)微裂紋的產(chǎn)生，防止毫米級裂紋向厘米級裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展；微裂紋的減小可有效減少氯離子在混凝土材料內(nèi)部的擴(kuò)散通道，混雜纖維增強(qiáng)混凝土材料的耐久性能得以提高。

表5 不同纖維增強(qiáng)混凝土材料的抗氯離子滲透系數(shù)測定結(jié)果Table 5 Test results of chloride resistance permeability coefficient of different fiber reinforced concrete materials

3 結(jié) 論

(1)力學(xué)性能分析表明，混雜纖維增強(qiáng)混凝土材料的抗彎性能明顯優(yōu)于單纖維增強(qiáng)混凝土材料， HFRC-B樣品的抗彎強(qiáng)度最高可達(dá)8.4 MPa，優(yōu)于PFRC-A和CFRC-B樣品；混雜纖維增強(qiáng)混凝土材料的劈裂抗拉強(qiáng)度明顯高于單一聚丙烯纖維和單一碳纖維增強(qiáng)混凝土材料，HFRC-B樣品的劈裂抗拉強(qiáng)度平均值達(dá)到3.78 MPa，相比PFRC-A樣品提高了37.96%。

(2)SEM分析表明，碳纖維、聚丙烯纖維與混凝土基體結(jié)合良好，碳纖維的拔出效應(yīng)以及聚丙烯纖維自身的韌性保證了混雜纖維增強(qiáng)混凝土材料的高強(qiáng)度和高韌性，提升了混雜纖維增強(qiáng)混凝土材料的抗拉強(qiáng)度和抗彎性能。

(3)界面結(jié)構(gòu)分析可知，聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土界面處的Ca/Si比為3.11，而碳纖維增強(qiáng)混凝土界面處的Ca/Si比為1.49。說明聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土界面處的水化反應(yīng)不好，而碳纖維增強(qiáng)混凝土界面處的水化反應(yīng)進(jìn)行良好，界面強(qiáng)度較高。

(4)耐久性分析可知，混雜纖維增強(qiáng)混凝土材料的耐久性能優(yōu)于單纖維增強(qiáng)混凝土材料，顯示了混雜纖維的正混雜效應(yīng)。這是因?yàn)榛祀s纖維的摻入改善了混凝土的界面特性，碳纖維的高強(qiáng)度和聚丙烯纖維的高韌性，抑制了混凝土內(nèi)部受力后裂紋的初步萌生及進(jìn)一步發(fā)展，使得混凝土的脆性進(jìn)一步降低，改善了混凝土的阻裂效應(yīng)，提高了混凝土材料的耐久性能。