纖維類型及取向?qū)w維-UHPC基體拔出性能影響研究

劉 軍，張寶東，趙冰潔，李根群，鄧永剛

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

纖維混凝土是將纖維作為增強(qiáng)相加入混凝土基體中的一種復(fù)合材料，纖維在基體中的分布狀態(tài)、取向?qū)炷列阅芴岣咂饹Q定性作用。因此，軸向拉拔模型并不能完全反應(yīng)復(fù)合材料開裂后纖維在開裂面上的橋接作用。在纖維的斜向拔出過(guò)程中，除了發(fā)生軸向模型中的脫黏以及滑移兩種破壞過(guò)程外，還會(huì)發(fā)生纖維的彎曲、屈服和拉斷[1]，以及拔出點(diǎn)局部的基體屈服、破壞及剝落等現(xiàn)象。

目前對(duì)于纖維斜向拉拔模型研究分析的主要方向在于纖維摻量、纖維埋置深度、纖維與混凝土基體的黏結(jié)性能和機(jī)械咬合作用對(duì)于混凝土的增強(qiáng)作用?；炷林袉螕戒摾w維體積分?jǐn)?shù)在0%～2%時(shí)，鋼纖維基體界面黏結(jié)性能隨著鋼纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而提升[2-3]。研究發(fā)現(xiàn)[4-6]，相對(duì)于圓直型鋼纖維，機(jī)械咬合作用使得異形鋼纖維與混凝土形成的黏結(jié)性能更強(qiáng)。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(dāng)埋置深度大于8 mm 時(shí)，界面黏結(jié)強(qiáng)度隨著埋置深度的增加而逐漸減小[7]。由于纖維在基體中的亂向分布，導(dǎo)致纖維斜向受拉，會(huì)使得纖維的橋接作用大幅度降低。由于混凝土基體自身的強(qiáng)度不同，纖維在混凝土基體中的橋接增強(qiáng)作用也不同。基于Tai等人[8]對(duì)鋼纖維的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)拔出的試驗(yàn)結(jié)果，在纖維取向從0°到45°，加載速率從0.018到1 800 mm/s，鉤狀和扭狀鋼纖維的最大拔出力均高于直狀鋼纖維。Yoo等人[9]研究結(jié)果表明，纖維傾角在45°時(shí)，半鉤狀鋼纖維相比其他高度變形的鋼纖維(如鉤狀和扭曲纖維)提供了更大的加載速率敏感性，平均黏結(jié)強(qiáng)度和拉拔能量。纖維傾斜角為30°和45°時(shí)，超高性能混凝土(UHPC)中所有直鋼纖維和變形鋼纖維均表現(xiàn)出最高的平均黏結(jié)強(qiáng)度，滑移能力隨著傾角的增大而不斷增加[10]。目前，對(duì)于纖維混凝土拉拔，大量學(xué)者認(rèn)為在高強(qiáng)混凝土中，纖維對(duì)于混凝土的拉拔提升能力較為明顯。Van等人[11]研究表明，要獲得高性能纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料的最大應(yīng)變能力，應(yīng)首選固定-固定邊界條件。慕儒等人[12]研究表明，單向分布鋼纖維增強(qiáng)水泥漿抗折強(qiáng)度顯著提高。

現(xiàn)有研究中對(duì)于纖維拔出行為的描述大多建立于宏觀力學(xué)層面，對(duì)于纖維拉伸試件破壞形態(tài)、纖維拔出過(guò)程中變形、脫黏機(jī)理及微觀黏結(jié)性能研究相對(duì)較少，本文采用基體強(qiáng)度為110 MPa的超高性能混凝土(UHPC)，選用3種類型(直線型、端勾型和波紋型)的鋼纖維研究纖維在不同取向(0°、30°、45°和60°)下纖維拔出對(duì)于基體破壞形態(tài)、纖維變形及脫黏機(jī)理的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 UHPC基體原材料及配合比

UHPC基體的原材料包括：P·O 52.5普通硅酸鹽水泥；I級(jí)粉煤灰；硅灰；采用普通河砂(比重2.6 g/cm3) ；聚羧酸減水劑，減水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于25%；符合GJG-2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》的混凝土拌和水。UHPC基體的配合比見表1。

表1 UHPC基體配合比 1 Mix design of UHPC matrix g

1.2 鋼纖維

試驗(yàn)采用平直型、端勾型和波紋型3種形狀的鋼纖維，纖維與拔出荷載軸線方向的夾角為0°、30°、45°、60°，鋼纖維參數(shù)如表2所示。

表2 纖維參數(shù)及抗拉強(qiáng)度Table 2 Fiber parameters and tensile strength

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

按表1稱取UHPC基體的原材料，將原材料(不包括水)置于攪拌鍋中，干混90 s后將水倒入攪拌鍋中，慢攪2 min，然后快攪3 min后停機(jī)出料，每組成型5個(gè)試件。所有纖維拔出試驗(yàn)樣品均按照?qǐng)D1所示制備：纖維用泡沫板固定在模具中心；將水泥砂漿注入埋入端試模，養(yǎng)護(hù)24 h；拆除泡沫板；水泥砂漿注入另一半試模，養(yǎng)護(hù)24 h后拆模；進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(溫度(20±1) ℃，濕度(90±1)%)。圖2為纖維排列方式示意圖。試驗(yàn)均采用了單纖維試樣。

圖1 纖維拔出試件制備工藝Fig.1 Fiber pull-out specimen preparation process

圖2 纖維排列方式示意圖Fig.2 Schematic diagram of fiber arrangement

界面拉伸載荷通過(guò)最大容量為300 kN，加載速率為0.5 mm/min的萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)施加，混凝土試件尺寸如圖3所示，混凝土試件加載裝置如圖4所示。

圖3 混凝土試件幾何形狀Fig.3 Concrete specimen geometry

圖4 加載裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of loading device

參照CECS13：2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中鋼纖維與水泥砂漿黏結(jié)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)行28 d界面拉伸實(shí)驗(yàn)。對(duì)試件進(jìn)行連續(xù)、均勻加載，加載速率為0.5 mm/min，同時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)記錄裝置，當(dāng)出現(xiàn)最大荷載或鋼纖維滑移量超過(guò)2.5 mm時(shí)，停止試驗(yàn)。

纖維-基體的平均粘結(jié)強(qiáng)度按式(1)計(jì)算

(1)

式中：fb為纖維基體粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；Fmax為最大拉拔載荷，N；n為試驗(yàn)纖維根數(shù)；μf為纖維橫截面周長(zhǎng)；Lem為纖維拔出長(zhǎng)度。

纖維-基體拔出能按式(2)計(jì)算

(2)

式中：We纖維拔出能，J；P(s)為纖維拉拔曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

2.1.1 纖維取向及類型對(duì)纖維-UHPC基體界面黏結(jié)性能的影響

不同類型纖維和取向下纖維拔出荷載-位移曲線如圖5所示。由圖5(a)可以看出，隨著取向角的增加，直線型鋼纖維拔出荷載分別為189.574、252.102、394.566、324.549 N。當(dāng)取向?yàn)?5°時(shí)達(dá)到最大值為394.566 N，原因是直線型纖維表面比較光滑，當(dāng)纖維取向夾角較小時(shí)纖維在拔出過(guò)程中主要表現(xiàn)出脫黏和滑移兩種破壞，隨著纖維取向角的增大，會(huì)發(fā)生纖維的彎曲、屈服、拉斷，以及拔出點(diǎn)局部的基體屈服、破壞及剝落等現(xiàn)象。由圖5(b)可以看出，隨著纖維取向的增加，端勾型鋼纖維拔出荷載分別為425.370、472.734、476.634和355.634 N，當(dāng)取向?yàn)?5°時(shí)拔出荷載達(dá)到最大值476.634 N，端勾型纖維拔出荷載大于直線型荷載的主要原因在于，端勾型鋼纖維由于尾部端勾部分增加了纖維與基體之間的機(jī)械咬合作用。由圖5(c)可以看出隨著纖維取向的增加，波紋型鋼纖維的拔出荷載分別為687.195、861.123、886.974和784.722 N，當(dāng)纖維取向?yàn)?5°時(shí)達(dá)到最大值886.974 N，波紋型鋼纖維拔出荷載大于直線型和端勾型鋼纖維的主要原因是，波紋型鋼纖維由于其表面波紋的存在增加了基體和纖維的接觸面積及基體與纖維的咬合部分，從而使得波紋型鋼纖維拔出荷載最大。

圖5 不同纖維類型及取向界面的拉伸荷載-位移曲線Fig.5 Tensile load-displacement curves for different fiber types and orientation interfaces:(a) linear type; (b) end-hook type; (c) corrugated type

2.1.2 纖維取向及類型對(duì)UHPC界面平均黏結(jié)強(qiáng)度及纖維拔出能的影響

不同類型的纖維隨著纖維角度的變化，其拔出荷載、平均黏結(jié)強(qiáng)度、界面能變化的具體結(jié)果如表3所示。由表3可知，直線型鋼纖維拔出荷載在45°時(shí)達(dá)到最大值394.566 N，在0°時(shí)為189.574 N，提高了108.133%；界面能在纖維取向?yàn)?0°時(shí)達(dá)到最大值為3 558.297 N·mm，在纖維取向?yàn)?°時(shí)其值為1 070.317 N·mm，提高了232.453%；平均黏結(jié)強(qiáng)度在取向?yàn)?5°時(shí)達(dá)到最大值為10.466 MPa，在纖維取向?yàn)?°時(shí)為5.029 MPa，提高了108.13%。

表3 不同類型及取向纖維拔出性能參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of pull-out performance parameters of fibers with different types and orientations

端勾型鋼纖維拔出荷載在纖維取向?yàn)?5°時(shí)達(dá)到最大值476.634 N，在0°時(shí)為425.370 N，提高了12.05%；界面能在纖維取向?yàn)?0°時(shí)達(dá)到最大值為3 429.828 N·mm，在纖維取向?yàn)?°時(shí)為2 408.290 N·mm，提高了42.418%；平均黏結(jié)強(qiáng)度在纖維取向?yàn)?5°時(shí)達(dá)到最大值為11.559 MPa,在纖維取向?yàn)?°時(shí)為10.316 MPa，提高了12.05%。

波紋型鋼纖維拔出荷載在纖維取向?yàn)?5°時(shí)達(dá)到最大值886.974 N，在0°時(shí)為687.195 N，提高了29.07%；界面能在纖維取向?yàn)?5°時(shí)達(dá)到最大值為1 007.108 N·mm，在0°時(shí)為798.359 N·mm，提高了26.222%；平均黏結(jié)強(qiáng)度在取向?yàn)?5°時(shí)達(dá)到最大值為84.473 MPa,在取向0°時(shí)為65.447 MPa，提高了29.07%。

可見，3種類型纖維拔出荷載和平均界面黏結(jié)強(qiáng)度都是先增大后減小，在纖維取向?yàn)?5°時(shí)達(dá)到最大值，直線型鋼纖維隨著纖維取向的增大拔出能逐漸增大，端勾型鋼纖維拔出能先增大后減小，波紋型鋼纖維由于拔出時(shí)纖維產(chǎn)生脆性斷裂，導(dǎo)致拔出能相對(duì)較小。這也論證了纖維增強(qiáng)高性能混凝土中異形纖維相對(duì)于直線型纖維對(duì)于強(qiáng)度性能提升更加明顯。

2.1.3 纖維取向和類型對(duì)UHPC破壞形態(tài)影響

如圖6所示，由于拔出荷載增加，傾斜鋼纖維在完全從基體中拔出之前與基體脫黏。從圖中可以看出，大角度傾斜鋼纖維造成的基體剝落面積明顯大于小角度傾斜時(shí)的基體剝落面積[13]。波紋型鋼纖維由于較大的黏結(jié)強(qiáng)度和持續(xù)激活的機(jī)械錨固效應(yīng)而發(fā)生嚴(yán)重的基體剝落，對(duì)周圍基體造成更大的損傷。相反，波紋型鋼纖維黏結(jié)滑移位移在1～2 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于纖維長(zhǎng)度的一半。雖然傾斜的波紋型鋼纖維在達(dá)到實(shí)際黏結(jié)強(qiáng)度之前過(guò)早斷裂，但其表現(xiàn)出最高的平均黏結(jié)強(qiáng)度，在所有取向下從43.596 MPa到84.473 MPa。與直線型和端勾型鋼纖維相比，波紋型的鋼纖維峰后黏結(jié)應(yīng)力隨著滑移降低更快。然而，隨著取向的增加，波紋型鋼纖維的平均黏結(jié)強(qiáng)度變化規(guī)律與直線型和端勾型鋼纖維相同，都是在45°時(shí)達(dá)到最大值[14]。由圖6可以看出3種類型鋼纖維試件在纖維取向?yàn)?0°時(shí)，基體破壞程度逐漸增大，這是由于纖維在基體內(nèi)過(guò)度錨固，導(dǎo)致基體過(guò)早 破壞，從而使得平均黏結(jié)強(qiáng)度有所降低。

圖6 纖維拔出后基體與破壞面形貌圖：(a)～(c)直線型0°、45°、60°；(d)～(f)端鉤型0°、45°、60°；(g)～(i)波紋線0°、45°、60°Fig.6 Shapes of matrix and damage surfaces after fiber pull-out：(a)～(c) linear type at 0°, 45°, 60°; (d)～(f) end-hook type at 0°, 45°, 60°; (g)～(i) corrugated type at 0°, 45°, 60°

2.2 纖維取向和類型對(duì)UHPC荷載-位移曲線第一峰值的影響

不同纖維取向、類型下的鋼纖維荷載-位移曲線第一峰值結(jié)果如表4所示。由表4可知，直線型鋼纖維隨著纖維取向的增加，荷載-位移曲線第一峰值分別為41.340、198.159、179.877和268.881 N；端勾型鋼纖維隨著纖維取向的增加，荷載-位移曲線第一峰值分別為44.040、82.905、168.111和209.097 N；波紋型鋼纖維隨著纖維取向的增加荷載-位移曲線第一峰值變化不大，分別為42.289、39.846、46.598和42.569 N?？梢姡瑢?duì)于直線型鋼纖維，隨著纖維取向逐漸增加，第一峰值荷載先增大后減小，當(dāng)纖維取向?yàn)?0°時(shí)，第一峰值荷載提高較大，這是由于對(duì)于斜向拔出荷載來(lái)說(shuō)水平位移的產(chǎn)生只是斜向拔出荷載的一個(gè)分力。對(duì)于端勾型鋼纖維，隨著纖維取向的增加，荷載-位移曲線第一峰值逐漸增加，這是由于隨著纖維取向增加，角度摩擦以及彎矩的附加摩擦作用增強(qiáng)，初始纖維和基體脫黏逐漸困難。在波紋型型鋼纖維中，隨著纖維取向的增加，荷載-位移曲線第一峰值基本保持不變，這是由于波紋型鋼纖維由于纖維本身形狀作用，導(dǎo)致纖維與基體的機(jī)械咬合容易松動(dòng)，更容易產(chǎn)生脫黏。

表4 不同類型及取向纖維拔出荷載-位移曲線第一峰值Table 4 First peak of load-displacement curves for fiber pull-out with different types and orientations

對(duì)于端勾型鋼纖維，最大拔出荷載對(duì)應(yīng)的位移約為2 mm，近似和端勾纖維彎鉤端長(zhǎng)度相似，隨后位移中最高峰逐漸降低，這充分說(shuō)明，端勾型鋼纖維的拉拔阻抗來(lái)自于尾部彎鉤的拉直作用，鋼纖維初始形態(tài)對(duì)拉拔結(jié)果有重要影響。

2.3 纖維拔出過(guò)程中脫黏機(jī)理分析

圖7給出了不同類型纖維的脫黏機(jī)理。由圖7(a)可知，直線型鋼纖維在拔出過(guò)程中，由于外部荷載作用，導(dǎo)致纖維會(huì)產(chǎn)生向外滑移的趨勢(shì)。在基體內(nèi)纖維與混凝土基體產(chǎn)生界面黏結(jié)作用，導(dǎo)致纖維在受拉時(shí)會(huì)產(chǎn)生微變形，由于直線型鋼纖維形狀，在受拉時(shí)單位滑移承受微應(yīng)變作用較小，當(dāng)外部荷載大于整段纖維黏結(jié)作用時(shí)，纖維脫黏，從基體中被拔出[15]。隨著纖維取向的增加，由于黏結(jié)作用對(duì)拔出能力逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致荷載-位移曲線第一峰值荷載逐漸增大。

由圖7(b)可知，端勾型鋼纖維拔出過(guò)程中，在初始拉伸時(shí)，直線段部分和直線型鋼纖維受力情況一致，由于端勾部位的存在，端勾部位會(huì)產(chǎn)生較小的機(jī)械錨固作用，導(dǎo)致初始脫黏時(shí)端勾型鋼纖維初始脫黏荷載大于直線型鋼纖維。

由圖7(c)可知，波紋型鋼纖維在拔出過(guò)程中，由于纖維自身比表面積較大，導(dǎo)致纖維與基體黏結(jié)作用較強(qiáng)，因此由于黏結(jié)作用造成的第一峰值荷載最大。當(dāng)纖維取向逐漸增加，由于黏結(jié)作用相對(duì)機(jī)械錨固作用較小，當(dāng)外部荷載逐漸增大，纖維會(huì)產(chǎn)生斜向的脫黏作用，導(dǎo)致波紋型鋼纖維在達(dá)到初始脫黏荷載之后，完全由機(jī)械錨固承受外部荷載，直到纖維被拔出或拉斷。

圖7 不同類型纖維脫黏機(jī)理Fig.7 Debonding mechanism of different types of fibers:(a) linear type;(b) end-hook type;(c) corrugated type

2.4 纖維-UHPC基體黏結(jié)作用微觀分析

圖8給出了不同類型纖維-UHPC基體的黏結(jié)微觀形貌。由圖8(a)可以看出，纖維表面由于滑移導(dǎo)致纖維表面產(chǎn)生較多劃痕，因此纖維在拔出過(guò)程中荷載-位移曲線會(huì)抖動(dòng)，由于纖維尺寸較為均一，在拔出時(shí)對(duì)混凝土基體破壞較小，因此纖維附近混凝土整體性較好。由圖8(b)可以看出，端勾型鋼纖維由于機(jī)械錨固作用，纖維與基體黏結(jié)性能較好。由圖8(c)可以看出，波紋型鋼纖維由于波紋存在拔出時(shí)對(duì)纖維附近基體造成破壞，纖維表面劃痕較少，這是由于纖維滑移距離較短。波紋型鋼纖維在拔出過(guò)程中，由于纖維自身比表面積較大，所以纖維與基體機(jī)械錨固作用較強(qiáng)，但也因?yàn)椴y的存在，導(dǎo)致拉伸時(shí)纖維兩側(cè)基體產(chǎn)生破壞。

圖8 不同類型纖維-UHPC基體黏結(jié)微觀圖Fig.8 Microscopic view of bonding of different types of fiber-UHPC matrix: (a) linear steel fiber; (b) end-hook type steel fiber; (c) corrugated steel fiber

3 結(jié) 論

1)直線型、端勾型和波紋型鋼纖維在拔出過(guò)程中由于纖維形狀原因?qū)е虏y型鋼纖維拔出荷載最大，端勾型鋼纖維次之，直線型鋼纖維最小，3種纖維都在纖維取向?yàn)?5°時(shí)拔出荷載達(dá)到最大值。由于纖維形狀的原因，波紋型鋼纖維在拔出時(shí)會(huì)有明顯的纖維拉斷現(xiàn)象。

2)從荷載-位移曲線第一峰值可知，波紋型鋼纖維相比于直線型和端勾型鋼纖維更容易脫黏。斜向拔出時(shí)基體更容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致基體表面產(chǎn)生破壞。

3)從受力行為分析，直線型鋼纖維在拔出過(guò)程中首先發(fā)生纖維與基體的脫黏，隨后纖維被拔出。而端勾型鋼纖維和波紋型鋼纖維在拔出過(guò)程中需最先克服界黏結(jié)及機(jī)械錨固作用，隨后纖維產(chǎn)生變形直至完全拔出。