纖維混凝土抗沖擊性能試驗研究

魏 驍

（山西瑞通路橋新技術有限公司，山西 太原 030031）

0 引言

隨著對纖維混凝土的研究日益深入，其在交通工程中的應用也愈加廣泛，路面鋪裝、加固補強、抗震節點等領域的應用愈加普及化。大連理工大學徐世教授的研究團隊研制出峰值荷載對應的拉應變相較于普通混凝土高出3～6倍的PVA-FRCCs[1]；重慶交通大學的尹玉龍對不同摻量的玄武巖纖維混凝土的力學性能和耐久性進行研究，得出在混凝土中適量摻入玄武巖纖維，會降低其工作性能，但是抗壓強度，劈裂強度和彎曲強度均有不同程度的提升，韌性提升明顯[2]；陳江平等人對聚丙烯纖維混凝土建立了PPRC數值分析模型，并通過研究得出，隨著聚丙烯纖維摻量的提升，PPRC的彎折強度和韌性也相應地得到提升[3]。相較于纖維混凝土靜態力學的研究，動態力學性能研究相對較少，本文主要通過落錘沖擊試驗，對3種不同纖維種類和摻量的纖維混凝土抗沖擊性能進行分析討論。

1 試驗原材料與方法

1.1 試驗原材料

水泥采用石井水泥公司所生產的P.0 42.5R普通硅酸鹽水泥；細骨料采用70～140目精選優質石英砂，骨料粒徑為0.1～0.2 mm；拌和水采用普通自來水；粉煤灰采用廣東中山地區某火力發電廠所生產的Ⅰ級粉煤灰；減水劑采用上海臣啟化工科技有限公司生產的聚羧酸減水劑。試驗中用到3種纖維，其中聚乙烯醇纖維（PVA）是日本Kuraray公司生產的K-Ⅱ可樂綸，玄武巖纖維（BF）是海寧安捷復合材料有限責任公司生產的短切玄武巖纖維，聚丙烯纖維（PP）是匯祥纖維工廠生產的聚丙烯纖維。纖維的性能參數如表1所示，外觀如圖1所示。

圖1 纖維

表1 纖維性能參數

1.2 試驗儀器及試驗方法

沖擊設備采用意大利生產的CEAST 9350落錘沖擊試驗機（如圖2），該儀器可通過自帶的高精度傳感器記錄沖擊能量、沖擊力、沖擊速度等數據。該次研究的沖擊性能試驗為一次沖擊破壞試驗，采用質量為50.239 kg的錘頭，從600 mm的高度自由落下，作用在直徑152 mm，厚63.5±3 mm的圓餅試件上，單次沖擊勢能為295.53 J。通過采集破壞時的作用時間、沖擊力、落錘侵入試件深度和能量吸收速度來綜合判斷不同纖維混凝土的抗沖擊性能的優劣。

圖2 CEAST 9350落錘沖擊試驗機

1.3 試驗配合比

纖維增強水泥基復合材料的配合比設計要考慮到纖維、基體、界面之間的力學關系，使試件在受到沖擊荷載作用下充分發揮纖維穿過裂縫的纖維橋特性，并要保證試件在受到荷載作用后到達穩態開裂和多縫開裂的效果[4-6]。該研究配合比在ECC-M45的基礎上[7]，為了分析不同纖維種類和摻量對混凝土抗沖擊性能的影響，設計了無纖維摻入的水泥砂漿基體試件和3種纖維不同摻量的纖維混凝土試件進行對比。具體配合比見表2。

表2 配合比

2 試驗結構與分析

2.1 時間-荷載曲線

纖維混凝土在受到沖擊荷載破壞時所能承受的沖擊力可以直觀地反應出其抗沖擊性能的優劣，故用落錘沖擊試件過程中的峰值承載力來作為判斷不同纖維混凝土抗沖擊性能的指標之一。圖3列出相同纖維摻量，不同纖維種類的荷載-時間曲線。

圖3 不同纖維種類荷載-時間曲線

從圖3中可以看出，摻入相同體積的PVA、BF、PP纖維，其中PVA纖維對試件的峰值承載力提升最大，BF纖維在低摻量時表現優于PP纖維，3種試件的峰值承載力均高于基體材料。這是因為PVA纖維與水泥材料有著更好的兼容性，不僅可以在前期彌補水泥基體內的缺陷，而且PVA纖維分子鏈上的醇羥基與水泥水化物中的羥基形成氫鍵，從而產生更好的化學黏結，使PVA纖維在沖擊荷載作用下需要更大的能量才能拔出；而BF纖維在摻量較大時，雖然有更多的纖維參與吸能，但由于BF纖維的密度遠大于其他兩種纖維，在等體積的情況下，摻入BF纖維的質量要大于另外兩種纖維，造成材料在拌和時產生纖維結團現象的頻率增加，提升纖維摻量的增強作用被削弱作用抵消一部分；而PP纖維由于其破壞時發生纖維拔斷破壞，導致纖維作用時間較短，低摻量時同時提供橋聯作用的纖維數量較少，當提高PP纖維的摻量，這樣的情況有所改善[8]。因此摻入體積0.5%的纖維時，BF纖維對試件的峰值承載力提升優于PP纖維，當纖維摻量提高到1.0%和1.5%時，BF纖維和PP纖維的增強效果接近。

2.2 位移-荷載曲線

對抗沖擊試驗中纖維混凝土試件的沖擊壓縮深度進行分析，若沖擊壓縮深度越小，說明混凝土試件抵御沖擊變形的能力越強，抗沖擊性能也越好。下面列出了相同纖維摻量，不同纖維種類的位移-時間曲線，如圖4所示。

圖4 不同纖維種類位移-時間曲線

從圖4中可以看出，在摻入體積0.5%的PVA、BF、PP纖維的試件中，摻入PVA纖維的試件沖擊壓縮深度最小，PP纖維的次之，BF纖維的壓縮深度最高；摻入體積1.0%的PVA、BF、PP纖維，其中摻入PVA纖維的試件沖擊壓縮深度最小，但是摻入PP和BF纖維的試件壓縮深度幾乎相同；摻入體積1.5%的PVA、BF、PP纖維，依然是摻入PVA纖維的試件沖擊壓縮深度最小，但這時摻入BF纖維的試件沖擊壓縮深度要小于摻入PP纖維的試件。在纖維混凝土受到沖擊荷載作用時，基體內亂向分部的纖維可以迅速地將能量傳遞給相鄰區域，使得能量在試件中分布更加均勻，而非集中在一個區域上，當能量全部消耗后或者試件達到極限狀態破壞后，落錘回彈，位移量下降。纖維傳遞能量性能的好壞受到纖維種類、纖維與基體的兼容性等多種因素影響，通過圖4可以得出，對于纖維混凝土抵抗變形的能力提升，PVA纖維效果最佳，在低摻量時PP纖維可以得到更好的效果，當摻量提高時，BF纖維可以得到更好的效果。

2.3 能量-荷載曲線

在沖擊荷載作用下，纖維混凝土吸能的速度也是衡量其性能的一個重要指標，是其應用于實際工程中不可缺少的一個重要參考因素。通過試驗研究發現，試件的吸能速度幾乎不受纖維摻量的影響，主要受到纖維種類的影響。試件的能量-時間曲線如圖5所示。

圖5 不同纖維摻量、種類能量-時間曲線

從圖5a、b、c中可以看出，在纖維種類相同的情況下，改變纖維的摻量，其能量-時間曲線幾乎沒有變化。這說明，材料吸能的速度受纖維摻量的影響不大。由于纖維摻量對其吸能速度的影響不大，故將1%纖維摻量的3種纖維混凝土放到一起比較，從圖5d中可以看出，摻入PVA纖維的試件吸能最快，而摻入BF纖維和PP纖維的試件吸能速度接近。這說明在沖擊荷載作用下，不同纖維對材料吸能速度的提升效果為PVA優于BF和PP纖維。

3 結語

a）纖維的摻入大幅提升了試件的抗沖擊能力，其中PVA纖維的提升效果最為明顯。

b）纖維的摻入使得試件所能承受的峰值荷載得到明顯的提升，就纖維種類而言，PVA纖維對試件峰值承載力的提升最為明顯，BF纖維和PP纖維提升效果接近。

c）纖維種類對試件抵抗變形能力效果的提升：PVA纖維的效果最佳，在低摻量時，PP纖維效果優于BF纖維；當摻量提高時，BF纖維優于PP纖維。

d）試件的吸能速度幾乎不受纖維摻量的影響，主要受到纖維種類的影響。其中纖維種類對材料吸能速度的提升效果為PVA優于BF和PP纖維。