切縫深度對聚丙烯纖維自密實輕骨料混凝土彎曲韌性的影響

張云國，李夢楠，薛向鋒

(1.大連交通大學土木與安全工程學院,大連 116028；2.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室,大連 116023)

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切縫深度對聚丙烯纖維自密實輕骨料混凝土彎曲韌性的影響

張云國1,2，李夢楠1，薛向鋒1

(1.大連交通大學土木與安全工程學院,大連 116028；2.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室,大連 116023)

為了研究預切縫深度對聚丙烯纖維自密實輕骨料混凝土彎曲韌性指標的影響，對25組5種聚丙烯纖維摻量和5種切縫深度的自密實輕骨料混凝土小梁進行彎曲試驗，縫深分別為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm。彎曲韌性試驗及評價方法參照我國《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13-2009)中建議的切口梁法。結果表明，隨著纖維摻量的增加，彎曲韌性有顯著的提高，切縫深度對聚丙烯纖維自密實輕骨料混凝土彎曲韌性指標的影響呈現一定的規律性，縫深每增加截面高度的10%，彎曲韌性指標feq1、feq2相應的增加10%左右。

聚丙烯纖維混凝土； 切口梁法； 彎曲韌性； 自密實輕骨料混凝土

1 引 言

自密實輕骨料混凝土因兼有自密實混凝土與輕骨料混凝土的優點而受到人們的青睞。與普通混凝土相比，自密實輕骨料混凝土的脆性更大，且隨著強度的提高而增大，導致結構可能出現無征兆的脆性破壞[1]。在輕骨料混凝土中加入纖維可以顯著改善其韌性性能，降低脆性，纖維混凝土的韌性性能已成為與強度同等重要的材料屬性[2]。國際上較為常用的彎曲韌性評價方法包括ASTM C1018標準、DBV 1998標準、RILEM TC 162-TDF彎曲韌性評價方法、JSCE-SF4標準等。國內外許多學者進行了大量的纖維增強混凝土彎曲韌性試驗研究，如丁一寧[3,4]按照不同國家的有關標準進行了大量鋼纖維混凝土梁的彎曲韌性試驗，對比了這些標準的優缺點，并采用三點彎曲試驗研究了不同纖維摻量下鋼纖維自密實混凝土的彎曲韌性，發現鋼纖維對提高混凝土韌性效果顯著；劉衛東[5]進行了異型聚丙烯纖維混凝土的韌性試驗，并與單絲聚丙烯纖維混凝土試驗結果進行了對比，發現異型聚丙烯纖維的增韌效果優于單絲聚丙烯纖維；王伯昕[6]對聚丙烯纖維混凝土進行了彎曲韌性試驗，發現聚丙烯粗纖維的加入增強了混凝土的彎曲韌性；Banthia[7,8]通過兩種以上不同纖維的混雜，研究了混雜纖維對梁的彎曲韌性的影響，結果表明混雜纖維在改善梁的彎曲韌性上表現出了很好的正混雜效應。

我國《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13-2009)[9](以下稱《標準》)中對于纖維混凝土彎曲韌性提出了兩種試驗方法：切口梁法和三分點法。其中切口梁法中對試件跨中底面進行切縫，切縫寬度為2 mm，深度為20 mm，有利于保證試件沿著預定截面破壞，可以得到較穩定的試驗曲線。國內外文獻中對纖維混凝土彎曲韌性的試驗研究較多，但關于切縫深度對韌性指標影響的討論卻不多。肖柏軍[10]對比了國內外主要彎曲韌性試驗的標準，采用切口梁法研究了低摻量鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土彎曲韌性，認為U型切口更有利于纖維混凝土彎曲韌性試驗。采用切口梁是為了減小破壞面、產生應力集中，保證彎曲破壞面位置的穩定性，由混凝土斷裂力學知識可知，縫深對混凝土斷裂性能有較大影響[11]，采用切縫法研究纖維混凝土韌性時，縫深對試驗結果一定會有影響，因此，本文對不同聚丙烯纖維摻量的自密實輕骨料混凝土進行不同深度的切縫，按照切口梁法進行三點彎曲韌性試驗，研究切縫深度對聚丙烯纖維自密實輕骨料混凝土彎曲韌性指標的影響。

圖1 試驗裝置Fig.1 Test device

2 試 驗

2.1 原材料及混凝土配合比

試驗采用的水泥為大連本地P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為大連本地生產的Ⅰ級粉煤灰；輕骨料為圓球型高強頁巖陶粒，粒徑5～20 mm，筒壓強度6.5 MPa，24 h吸水率6.2%；細骨料為大連河沙，中砂；自來水；減水劑為聚羧酸系高效減水劑；纖維選用聚丙烯粗纖維，長度為35 mm，直徑為850 μm，抗拉強度460 MPa。所配制混凝土強度等級為C40，配合比設計如表1所示。

表1 聚丙烯自密實輕骨料混凝土配合比Tab.1 Mixing proportions of the PFRSCLCs /kg·m-3

2.2 試件制作及試驗過程

參考《標準》[9]中切口梁法彎曲韌性試驗的建議，試驗采用100 mm×100 mm×400 mm尺寸的小梁，聚丙烯纖維體積摻量分別為0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%，分別編號HF1、HF2、HF3、HF4、HF5；由于上述標準中建議的切口梁的切縫深度為20 mm，所以，研究過程中每種纖維摻量小梁分別設定10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm五種預切縫深度，誤差為1 mm，在上述試件編號后加“-1”、“-2”、“-3”、“-4”、“-5”表示試件的不同切縫深度；共澆筑25組，每組3個取平均值。試件在標準養護室養護28 d后進行試驗。

試驗采用單點加載三點彎曲的方式，試驗跨度為300 mm，加載點與支座間的距離為150 mm，試驗裝置如圖1所示。用荷載傳感器測定作用于試件上的荷載，位移傳感器測定小梁撓度，加載設備采用100 t液壓試驗機。對試件連續、勻速加載，初裂前，加載速率取0.05～0.08 MPa/s(可采用位移控制，荷載監控的方式，避免控制方式切換引起荷載波動)；初裂后取位移控制，速率每分鐘l/3000，使撓度增長速率相等，加載至跨中撓度大于3 mm時停止試驗，數據采集頻率為20 Hz。

3 結果與討論

3.1 試驗結果

按照上述方法，對切口梁進行三點彎曲試驗，將測得的荷載-位移曲線按照聚丙烯纖維摻量相同、縫深按照10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm變化作為一組，測得的5組聚丙烯纖維摻量小梁各縫深情況下荷載-位移曲線分別如圖2～圖6所示。

圖2 HF1荷載-撓度曲線(PF0.3%)Fig.2 HF1 Load-deflection curves (PF0.3%)

圖3 HF2荷載-撓度曲線(PF0.6%)Fig.3 HF2 Load-deflection curves (PF0.6%)

圖4 HF3荷載-撓度曲線(PF0.9%)Fig.4 HF3 Load-deflection curves (PF0.9%)

圖5 HF4荷載-撓度曲線(PF1.2%)Fig.5 HF4 Load-deflection curves (PF1.2%)

圖6 HF5荷載-撓度曲線(PF1.5%)Fig.6 HF5 Load-deflection curves (PF1.5%)

圖7 彎曲韌性計算簡圖Fig.7 Calculation sketch of flexural toughness

從圖2～圖6可以看出，當荷載達到峰值后，荷載-撓度曲線出現了明顯的下降段，當荷載下降到峰值荷載的一半左右的時候，曲線趨于穩定，形成明顯的水平段，此后，隨著撓度的增加荷載沒有顯著變化，直到跨中撓度達到3 mm停止數據采集，荷載-撓度曲線維持水平趨勢。試驗停止時，裂縫處纖維緊密連接，保持整體狀態。這表明聚丙烯粗纖維自密實輕骨料混凝土初裂后仍有很大的剩余承載能力，聚丙烯纖維對自密實輕骨料混凝土開裂后增強效果顯著。隨著預切縫深度的增加，其持荷能力有一定程度的降低。

3.2 韌性指標計算

利用實測的荷載-撓度曲線，依據《標準》[9]切口梁法計算不同纖維摻量、不同預開口深度下聚丙烯纖維自密實輕骨料混凝土的抗折強度、能量吸收值和等效抗折強度，計算方法如下：

抗折強度fm按式(1)計算：

(1)

式中，Fmax為梁跨中0.05 mm撓度范圍內的荷載最大值；L為支座間距；B為梁的截面寬度；h為試件截面的有效高度，等于截面高度減去預切縫深度，荷載單位取N，長度單位取mm。

彎曲韌性以不同撓度下的能量吸收值表示，如圖7所示。混凝土開裂的能量吸收值Dcr，相當于δL+0.3 mm處的能量吸收值，數值上等于三角形OAB的面積，δL為荷載FL相應的變形；跨中撓度為δ1(δ1=δL+0.65 mm)時纖維對混凝土所貢獻的能量吸收值D1f，數值上等于四邊形BACD的面積；跨中撓度為δ2(δ2=δL+2.65 mm)時纖維對混凝土所貢獻的能量吸收值D2f，數值上等于四邊形BAEF的面積。

纖維混凝土的能量吸收值Dn可用式(2)表示：

Dn=Dcr+Dnf(n=1,2)

(2)

等效荷載和等效抗彎拉強度按式(3)～(6)計算：

Feq1=D1f/0.5

(3)

feq1=Feq1×L/Bh2

(4)

Feq2=D2f/2.5

(5)

feq2=Feq2×L/Bh2

(6)

式中，Feq1、Feq2分別表示跨中撓度為δ1、δ2時的等效荷載；feq1、feq2分別表示跨中撓度為δ1、δ2時的等效抗彎拉強度。

每種纖維摻量試件的抗折強度、能量吸收值和等效抗彎拉強度計算均以該組3個試件的試驗曲線平均值表示，各指標計算結果如表2所示。

表2 韌性指標計算結果Tab.2 Calculation results of toughness indexes

續表

3.3 結果分析

從表2中可以看出，隨著纖維摻量及縫深的增加，抗折強度逐漸增加。縫深20 mm(《標準》[9]中以切縫深20 mm計算)，纖維摻量為0.3%、0.6%、0.9%、1.2%和1.5%試件的抗折強度分別為3.60 MPa、3.67 MPa、3.74 MPa、3.82 MPa和3.95 MPa，增加幅度并不大，原因是抗折強度計算時采用的是峰值荷載，此時纖維對混凝土強度的貢獻并不顯著；抗折強度隨縫深的增加亦不顯著，縫深從20 mm增加到50 mm，抗折強度增加幅度最大的是纖維摻量為1.5%的那組，為13.9%，幅度最小的為纖維摻量為1.2%的那一組，為3.7%。開裂能量吸收值Dcr也隨著纖維摻量的增加而增加，幅度也不大(圖8)，其原因與抗折強度隨纖維摻量增加幅度不顯著類似；而能量吸收值Dn(圖9)和等效抗彎拉強度feq1、feq2(圖10、圖11)有了非常顯著的增加，聚丙烯纖維摻量從0.3%增加到1.5%，各組試件能量吸收值均增加了2倍以上，等效抗彎拉強度增加了4倍以上。由于能量吸收值和等效抗彎拉強度是表征開裂后的韌性指標，這說明開裂后纖維對混凝土的持荷能力貢獻明顯，對提高自密實輕骨料混凝土的韌性有著非常顯著的作用。

等效抗彎拉強度feq1、feq2是采用截面有效面積計算的彎曲韌性參數，是混凝土能量吸收值的體現。為了分析切縫深度對彎曲韌性指標的影響，分別畫出不同纖維摻量、不同切縫深度試件等效抗彎拉強度feq1、feq2的柱狀圖，如圖10、圖11所示。

從圖10、圖11可以看出，纖維摻量相同時，等效抗彎拉強度feq1、feq2均隨著切縫深度的增加而增加，說明切口梁彎曲韌性試驗方法中的切縫深度對彎曲韌性指標有著明顯的影響，尺寸效應問題顯著。由于《標準》[9]中建議切口深度為20 mm，即圖中每組柱狀圖中左起第二條，以該深度切縫深度彎曲韌性指標作為參考值，分別計算各組纖維摻量的彎曲韌性指標feq1、feq2隨縫深變化幅度并進行對比。結果發現，當纖維摻量增加時，等效彎曲抗拉強度feq1、feq2隨縫深變化幅度無顯著差異，因此，將HF1、HF2、HF3、HF4及HF5各組纖維摻量同一縫深時feq1、feq2變化幅度分別取平均值。當縫深為10 mm時，各組feq1平均降低10%，當縫深為30 mm、40 mm和50 mm時，各組feq1值平均增加分別為14%、25%和37%；同理計算feq2，當縫深為10 mm時，HF1、HF2、HF3、HF4及HF5各組feq2值平均降低11%，縫深為30 mm、40 mm和50 mm時，各組feq2值平均增加分別為7%、20%和31%。

圖8 初裂能量吸收值DcrFig.8 First crack energy absorption Dcr

圖9 能量吸收值DnFig.9 Energy absorption Dn

圖10 等效抗彎拉強度feq1Fig.10 Equivalent bending strength feq1

圖11 等效抗彎拉強度feq2Fig.11 Equivalent bending strength feq2

通過上述分析可以發現，由于試件截面尺寸為100 mm×100 mm，縫深每增加或減少10 mm，相當于縫深增加或減少了截面高度的10%。對于等效彎曲抗拉強度feq1，相對于參考值，當縫深減小10 mm時降低了10%，縫深增加10 mm、20 mm、30 mm時分別增加14%、25%和37%，如果扣除各組中偏離較大的數據，縫深每增加10%，feq1增加幅度接近10%左右；對于等效彎曲抗拉強度feq2，相對于參考值，縫深減小10 mm時，降低了11%，縫深增加10 mm、20 mm、30 mm時，分別增加了7%、20%和31%，同樣，縫深每增加10%，feq2增加幅度非常接近10%。因此，纖維混凝土彎曲韌性指標確定采用切口梁法試驗時，當縫深增加或者減小截面高度10%時，其彎曲韌性指標feq1、feq2試驗計算值會隨著增加或減小10%左右，纖維摻量對這種變化幅度影響不大，切縫深度對彎曲韌性指標的這種影響不應忽略。

4 結 論

(1)聚丙烯纖維對自密實輕骨料混凝土彎曲韌性的改善效果明顯，可以大大降低自密實輕骨料混凝土的脆性，隨著纖維摻量的增加韌性改善效果逐漸提高，纖維摻量從0.3%增加到1.5%，等效抗彎拉強度增加了4倍以上；

(2)抗折強度隨纖維摻量增加，其增加幅度不顯著；纖維體積摻量相同時，隨著預切縫深度的增加，抗折強度增加，但增加幅度不大；

(3)預切縫深度對彎曲韌性指標feq1、feq2有顯著影響，且存在明顯規律，相對于《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13-2009)[9]中的參考值，縫深每增加或減少截面高度的10%時，feq1、feq2計算結果會相應的增加或者減少10%左右，纖維摻量對這種變化幅度幾乎沒有影響。

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Influence of Cutting Depth on Flexural Toughness of Polypropylene Fiber Reinforced Self-compacting Lightweight Aggregate Concrete

ZHANGYun-guo1,2,LIMeng-nan1,XUEXiang-feng1

(1.School of Civil & Safety Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.State Key Laboratory of Coastal & Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China)

In order to study the impact of cutting depth on the flexural toughness indexes of polypropylene fiber reinforced self-compacting lightweight aggregate concrete (PFRSCLC),flexural tests were done on 25 groups beams with which 5 kinds of fiber content and 5 kinds of cutting depth were included.The pre-cutting depths are 10 mm,20 mm,30 mm,40 mm,50 mm respectively.The test procedure and assessment method of flexural toughness are according to "notched beam method" recommended by "Standard test methods for fiber reinforced concrete"(CECS 13-2009).Results indicate that the flexural toughness of concrete increases significantly with the increasing of fiber content.The effect of the cutting seam depth on flexural toughness indexes of the PFRSCLC presents a certain rule.The flexural toughness indexesfeq1、feq2increase about 10% with the seam depth increasing of 10% of the section height.

polypropylene fiber reinforced concrete;notched beam method;flexural toughness;self-compacting lightweight aggregate concrete

大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室開放基金(LP/503)

張云國(1978-)，男，博士，講師.主要從事高性能混凝土的研究.

TU528.2

A

1001-1625(2016)10-3235-07