鋼筋與結構型合成纖維對混凝土抗沖擊性能混雜效應的分析

李 冬，丁一寧

(大連理工大學 海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

鋼筋與結構型合成纖維對混凝土抗沖擊性能混雜效應的分析

李 冬，丁一寧

(大連理工大學 海岸與近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

為了研究鋼筋與結構型合成纖維混雜后對混凝土抗沖擊性能的影響，采用改進的自由落球沖擊試驗裝置，對素混凝土、鋼筋混凝土、結構型合成纖維增強混凝土以及鋼筋-結構型合成纖維混雜增強的混凝土試件的抗沖擊性能進行了試驗研究，分析了鋼筋、結構型合成纖維以及鋼筋與結構型合成纖維混雜后對混凝土抗沖擊性能的影響及其增強機理。同時，利用Weibull分布理論分析了試件初裂沖擊次數和破壞沖擊次數的分布規律。研究表明：結構型合成纖維可以提高混凝土抗沖擊性能；對于提高混凝土的抗沖擊性能，鋼筋與結構型合成纖維表現出顯著的正混雜效應； 兩參數Weibull分布能較好的描述鋼筋-結構型合成纖維混凝土抗沖擊次數的分布特征。

自由落錘沖擊試驗；抗沖擊性能；混雜效應；Weibull分布

由于我國沿海省份多為軟土地基，地質情況較差，這就要求超過一定高度的建筑必須采用樁基礎，而鋼筋混凝土預制樁成本較低、施工較快，被廣泛應用。但是，采用打入式施工的鋼筋混凝土預制樁，尤其是中長樁和長樁，常在打樁階段發生樁頂沖擊破壞的情況(如圖1)。目前，國內外通常采用鋼纖維作為鋼筋混凝土預制樁的增強材料，以提高樁頂的抗沖擊性能[1]。雖然鋼纖維與鋼筋共同作用可以顯著提高混凝土的抗沖擊性能[2]，但是樁基通常處于軟土地基中，樁周環境惡劣，混凝土內的鋼纖維容易銹蝕，嚴重時會造成混凝土剝落，影響樁基的耐久性。而結構型合成纖維也是一種優異的增強增韌材料，具有耐腐蝕性好，價格低的優點[3-4]，在惡劣環境下可以替代鋼纖維使用，因此研究結構型合成纖維改善鋼筋混凝土的抗沖擊性能具有重要的工程應用價值。

圖1 沖擊破壞的樁頭Fig.1 Impact failure of pile head

國內外學者針對結構型合成纖維混凝土抗沖擊性能進行了大量的研究。ERDEM等[5-6]利用落球沖擊試驗,DAWOOD等[7-9]利用彎曲沖擊試驗研究了結構型合成纖維對混凝土抗沖擊性能的影響，結果表明結構型合成纖維可以提高基體的抗沖擊性能。但是，實際工程中應用的大多是鋼筋混凝土結構，而針對鋼筋與結構型合成纖維混雜以改善混凝土抗沖擊性能的研究尚鮮有報道。

本文參照美國混凝土協會(ACI544)推薦的混凝土落錘沖擊試驗方法，利用本課題組的發明專利——自由落球沖擊試驗裝置，進行了鋼筋-結構型合成纖維混凝土抗沖擊性能的試驗研究，比較了纖維摻量對鋼筋-結構型合成纖維混凝土抗沖擊性能的影響，量化了鋼筋與結構型合成纖維的正混雜效應并利用Weibull分布理論對沖擊試驗結果進行了統計分析。

1 試驗概況

1.1 原材料與混凝土配合比

表1 混凝土配合比

表2 macro PP纖維和鋼筋用量

NC:素混凝土,設計強度 C60; PPm: macro PP 纖維混凝土，纖維摻量為mkg/m3(m=4,6) ; RC: 鋼筋混凝土; RC+PPm: 鋼筋與 macro PP 纖維混雜混凝土, 纖維摻量為mkg/m3(m=4, 6)。

圖2 macro PP纖維和12鋼筋Fig.2 macro PP fibers and 12 steel rebar

1.2 試驗方法

目前，對于測試混凝土的抗沖擊性能，常用的試驗方法有落球沖擊試驗、爆炸試驗、霍普金森壓桿試驗、擺錘沖擊試驗等。其中由美國混凝土協會(ACI 544)提出的落球沖擊試驗法較為經濟、適用，得到廣泛地推廣，根據試件支撐條件分為沖壓沖擊試驗和彎曲沖擊試驗兩種。該法由一定重量的鋼球從指定高度自由下落沖擊試件，試驗過程中記錄試件初裂與破壞的沖擊次數[10-11]。

1-磁性開關；2-沖擊錘；3-支架；4-護筒；5-傳力球；6-試件擋板；7-剛性底板圖3 改進的自由落錘沖擊試驗裝置(mm)Fig.3 Improved drop-weight test device(mm)

本文參照美國混凝土協會(ACI 544)的沖壓沖擊試驗方法，試驗裝置的形狀、尺寸如圖3所示。我們借助豎向支架在指定高度設置磁性開關，以保證每次沖擊錘下落高度和沖擊點位置的準確性，從而減少人為因素給試驗帶來的誤差。此外，由于本試驗部分試件中配有鋼筋，破壞沖擊次數將大大提高，為了減少工作量，將沖擊錘的高度提升至600 mm。試驗前，預先將試件底部涂一層黃油以減少裝置對試件的橫向約束，按照圖3將試件和輔助裝置安裝好。試驗時，將質量為4.54 kg的鋼質沖擊球從落距為600 mm的高度自由下落。在每次沖擊完后，仔細觀察試件表面是否出現裂縫，當試件表面出現第一條可見裂縫后，記下沖擊次數，即為初裂沖擊次數N1。然后在不斷沖擊的過程中，試件裂縫逐漸變大，當試件接觸到裝置4個擋板中的3個時，定義為試件破壞，記錄破壞時的沖擊次數N2。

2 試驗結果與統計分析

2.1 沖擊試驗

對36個試件采用改進的試驗裝置進行自由落錘沖擊試驗。表3列出了各組試件的初裂沖擊次數N1、破壞沖擊次數N2的比例關系N1/N2; 從表3中可以看出N1、N2都具有較大的離散性。

表3 沖擊試驗結果

摻不同增強項的混凝土試件抗沖擊性能指標的分析結果如表4所示。表中沖擊耗能的計算公式為：

W=N2mgh

(1)

式中：W為沖擊耗能，J；N2為破壞沖擊次數；m為落球質量，4.54 kg;g為重力加速度，9.8 N/kg；h為落球下落高度，0.6 m。

表4 沖擊試驗分析結果

通過對表4中各組試件初裂沖擊次數N1和破壞沖擊次數N2的對比分析，可以看出：

對素混凝土試件NC：初裂沖擊次數N1與破壞沖擊次數N2相等。表明素混凝土具有明顯的脆性，試件開裂即破壞。

對于macro PP纖維增強的混凝土試件PP4和PP6：當纖維摻量為4 kg/m3時，N1和N2的平均值分別為素混凝土的1.1倍和2.2倍；當纖維摻量為6 kg/m3時，N1和N2的平均值分別為素混凝土的1.5倍和2.7倍。表明macro PP纖維的摻入可以提高試件的破壞沖擊次數，即可以提高試件的沖擊耗能能力，而且纖維摻量越高，效果越明顯。原因是macro PP纖維的阻裂耗能機制。以PP4試件為例，其破壞時沿高度方向的裂縫如圖4所示，從圖中可以看出，橋接裂縫的macro PP纖維被拉斷或拔出。由于橋接裂縫的macro PP纖維傳遞拉力，可以限制裂縫的擴展，在拉斷和拔出兩種機制下消耗沖擊荷載產生的能量，從而提高試件的耗能能力[12]。另外，由于纖維在基體內是三維隨機分布的，因此，macro PP纖維的阻裂耗能作用還受纖維分布、纖維體積率和纖維取向的影響。

圖4 PP4試件沿高度方向的裂縫Fig.4 Crack of PP4 specimen along the height direction

對配筋混凝土試件RC：N1和N2的平均值分別為素混凝土的1.4倍和23倍。表明配置鋼筋可顯著提高試件的破壞沖擊次數，即可以顯著提高試件的沖擊耗能能力，并且提高效果要優于單摻macro PP纖維的試件。主要是由于鋼筋、macro PP纖維與混凝土界面間粘結強度的差異。macro PP纖維表面凹凸程度較小，摩擦因數較低；而鋼筋表面凸出的肋對混凝土產生的斜向擠壓力(圖5)，可顯著增加其與混凝土的機械咬合作用[13-14]，從而大大提高粘結強度，在與基體界面相對滑移的過程中消耗大量沖擊能，顯著提高試件的沖擊耗能能力。

圖5 鋼筋肋斜向擠壓力[14]Fig.5 Pressure of steel ribs[14]

對鋼筋與macro PP纖維混雜試件RC+PP4和RC+PP6：RC+PP4試件N1和N2的平均值分別為素混凝土的1.4倍和33倍；RC+PP6試件N1和N2的平均值分別為素混凝土的1.3倍和50倍。表明鋼筋與macro PP纖維混雜還可以使試件的破壞沖擊次數有大幅度的提高，即可以使試件的沖擊耗能能力大幅提高。原因是在沖擊初裂后，鋼筋與混凝土界面間的滑移、橋接裂縫的macro PP纖維在基體中滑移、拔出或被拉斷兩種耗能機制同時存在，沖擊耗能能力和限制裂縫擴展的能力大大提高。

2.2 鋼筋與macro PP纖維的混雜效應

正混雜效應是指基體中加入不同的增強項，它們之間性能互補，達到一加一大于二的效果[15-16]。本試驗中試件的破壞沖擊次數如圖6、圖7所示。從圖6可以看出PP4、RC和RC+PP4的破壞沖擊次數的值N2分別為33、350和489。RC+PP4的破壞沖擊次數與RC和PP4的破壞沖擊次數的和相比，提高了28%，即RC+PP4試件的沖擊耗能與RC和PP4試件沖擊耗能的和相比，提高了28%；從圖7可以看出PP6、RC和RC+PP6的破壞沖擊次數的值N2分別為40、350和743。RC+PP6的破壞沖擊次數與RC和PP6的破壞沖擊次數的和相比，提高了90%，即RC+PP6試件的沖擊耗能與RC和PP6試件沖擊耗能的和相比，提高了90%。因此，在提高混凝土抗沖擊性能方面，鋼筋與macro PP纖維表現出顯著的正混雜效應，即鋼筋與macro PP纖維混雜后試件的抗沖擊性能要好于單摻macro PP纖維和只配鋼筋試件抗沖擊性能的總和，而且隨著macro PP纖維摻量的增加，正混雜效應明顯增加。

圖6 RC+PP4的N2值和RC與PP4 N2值和的比較Fig.6 Comparison of N2 values between specimen RC+PP4 and sum of specimen RC and specimen PP4

圖7 RC+PP6的N2值和RC與PP6 N2值和的比較Fig.7 Comparison of N2 values between specimen RC+PP6 and sum of specimen RC and specimen PP6

鋼筋和macro PP纖維共同作用時，對抗沖擊性能的增強效應還可以從試件的破壞形態上加以說明，摻不同增強項混凝土試件的破壞形態如圖8所示。

從圖8中可以看出在沖擊荷載作用下，素混凝土試件NC在第一條裂縫出現時即發生破壞，分成2塊(圖8中NC)，表現出明顯的脆性破壞；摻入macro PP纖維或配筋后，即PP試件和RC試件，在第一條裂縫出現后仍能繼續承受沖擊荷載，并且隨著沖擊次數的增加，新的裂縫會產生，隨著裂縫的充分發展，變形逐漸增大至試件破壞，破壞時試件通常會出現2～3條裂縫，分成3～4塊，表現出顯著的韌性破壞特征(圖8中PP、RC)；而對于RC+PP試件，試件在承受沖擊荷載的過程中，裂縫發展更加充分，其破壞時試件通常出現多條裂縫(圖8中RC+PP)。這說明加入增強相(macro PP纖維或鋼筋)可以使基體由脆性破壞轉變為韌性破壞，試件開裂后，橋接裂縫的macro PP纖維與基體滑移、拔出和被拉斷的過程、鋼筋基體界面的滑移的過程都可以消耗沖擊荷載產生的能量，從而限制裂縫的擴張，使試件破壞時呈多處開裂，且裂而不散，從而提高試件的沖擊耗能能力[17-21]。

圖8 不同試件破壞形態的比較Fig.8 Comparison of failure patterns of specimens

2.3 沖擊次數的概率分布

試驗研究表明，混凝土的疲勞壽命服從Weibull分布[22-25]，而混凝土的抗沖擊性能與疲勞性能在破壞機理上較為相似[26-27]。本文采用Weibull分布理論對鋼筋-macro PP纖維混凝土的抗沖擊性能進行概率分布分析。試件抗沖擊性能指標的分布規律可以用兩參數Weibull分布來表示。Weibull變量N大于某值Nε的概率為：

(2)

式中：Na為特征壽命參數；b為Weibull分布形狀參數。

對式(2)進行等價變換可得

lnln(1/P)=blnN-blnNa

(3)

即

Y=α1X-β1

(4)

式中：Y=lnln(1/P)；X=lnN；α1、β1為回歸系數。式(4)可用來檢驗macro PP纖維鋼筋混凝土試件抗沖擊試驗數據是否服從兩參數Weibull分布。分析過程分兩步進行。第一步，分別將各組試件的初裂沖擊次數和破壞沖擊次數按遞增順序排列，第二步，存活概率可以表示為

(5)

式中：i為試驗數據按照遞增排列的序數；k為每類試件的樣本總數。圖9為各組混凝土試件破壞沖擊次數N2的兩參數Weibull分布擬合直線。表5列出了按照兩參數Weibull線性擬合時不同混凝土試件初裂沖擊次數N1和破壞沖擊次數N2的結果。

圖9 破壞沖擊次數N2的Weibull分布線性擬合Fig.9 Linear regression of N2 in Weibull distribution

從圖9中可以看出，對于各組混凝土試件的破壞沖擊次數N2，各數據點都落在一條直線附近，這說明兩參數Weibull分布可以較好的描述混凝土的破壞沖擊次數N2。

從表5中初裂沖擊次數N1和破壞沖擊次數N2的Weibull線性擬合結果可知：12組擬合中，有7組擬合的相關系數R2超過0.950，4組擬合的相關系數R2超過0.900，剩余1組擬合的相關系數R2為0.869，相關系數R2均較高，說明lnln(1/P) 與lnN之間有較好的線性關系，即表明混凝土的初裂沖擊次數N1和破壞沖擊次數N2均可以采用兩參數Weibull分布進行分析。

表5 沖擊次數的Weibull分布線性擬合參數

3 結 論

本文研究了鋼筋與macro PP纖維混雜后對混凝土抗沖擊性能的影響，量化了鋼筋與macro PP纖維的正混雜效應，并利用Weibull分布理論對沖擊試驗結果進行了統計分析。得到結論如下：

(1)macro PP纖維可以提高試件的沖擊耗能能力，并且纖維摻量越高，提高效果越明顯；當macro PP纖維摻量超過4 kg/m3時，試件由明顯的脆性破壞轉變為韌性破壞。

(2)在提高混凝土抗沖擊性能方面，鋼筋和macro PP纖維具有正混雜效應，并且配筋率一定時，macro PP纖維摻量越高，正混雜效應越明顯；鋼筋與6 kg/m3macro PP纖維混雜后，試件的沖擊耗能較RC試件和PP 6試件沖擊耗能總和可提高90%。

(3)利用兩參數Weibull分布對各組試件的初裂沖擊次數N1和破壞沖擊次數N2進行線性擬合后，得到的相關系數均大于0.850，說明采用兩參數Weibull分布可以較好的描述混凝土抗沖擊次數的分布特征。

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Hybrid effect of steel rebar and polypropylene fiber on the impact resistance of concrete

LI Dong, DING Yining

(State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

In order to investigate the hybrid effect of steel rebar and macro polypropylene fiber on the impact resistance of concrete, a series of drop-weight tests were carried out on different kinds of reinforced concrete specimens. The effects of steel rebar and macro polypropylene fiber on the concrete impact performance was analyzed, and the theory of Weibull distribution was adopted to analyse the number of blows till the first visible crack as well as till the failure of the specimen. The results indicate that macro polypropylene fiber can improve the impact resistance capacity and the combination of steel rebar and macro polypropylene fiber has a positive hybrid effect on impact behaviors. The goodness-of-fit tests indicate that the theory of Weibull distribution has a good fitness to describe the impact resistance of concrete.

drop-weight test；impact resistance；hybrid effect；Weibull distribution

國家自然科學基金(51578109)

2015-08-03 修改稿收到日期：2015-12-29

李冬 男，博士生，1989年1月生

丁一寧 男，博士，教授，1962年9月生

TU528.572

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.02.020