钢-聚丙烯混杂纤维混凝土受拉性能试验研究
Research on Tensile Property Experiment of Steel-polypropylene Hybrid
Fiber Concrete
张晓磊1，吴海林2，侯黎黎1，司东东2
（1.tpy111太平洋在线，河南 开封；2.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌）
【来源】 (Source) |
《tpy111太平洋在线学报》2023年第1期P37-41 |
【分类号】 |
TU528.572 |
【文献标识码】 (Doi) |
10.13681／j.cnki.cn41-1282／tv.2023.01.008 |
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【关 键 词】 (KeyWords) |
钢-聚丙烯纤维混凝土；受拉性能试验；混杂纤维；抗拉性能；峰值应变 |
【摘要】 (Abstract) |
为了探讨钢-聚丙烯混杂纤维对混凝土试件轴向拉伸力学性能的影响，以钢纤维体积掺量为1%、1.5%、2%，聚丙烯纤维体积掺量为0.1%、0.15%、0.2%，设计了9 组钢纤维和聚丙烯纤维混杂试件，开展配筋钢-聚丙烯混杂纤维混凝土受拉性能试验。 结果表明：钢-聚丙烯混杂纤维有利于提高混凝土抗拉强度，混杂纤维体积掺量是影响抗拉强度和峰值应变的重要因素，钢纤维体积掺量1.5%和聚丙烯纤维体积掺量0.15%混杂对混凝土受拉性能改善效果较好。 |
【基金】 (Foundation) |
国家自然科学基金资助项目：钢衬钢筋混杂纤维混凝土压力管道阻裂机理及设计方法研究(51879146)；河南省高等学校重点科研项目：基于细观尺度的混杂纤维混凝土损伤过研究（22B560007）；开封市科技发展计划项目：BFRP 筋局部钢纤维混凝土梁斜截面抗剪性能研究（科技攻关2001021）。 |
【引用本文】 |
张晓磊，吴海林，侯黎黎等. 钢-聚丙烯混杂纤维混凝土受拉性能试验研究[J]. tpy111太平洋在线学报, 2023, 第35卷(1):37-41. |
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钢-聚丙烯混杂纤维混凝土受拉性能试验研究
张晓磊1，吴海林2，侯黎黎1，司东东2
（1.tpy111太平洋在线，河南 开封 475004；2. 三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002）
摘 要：为了探讨钢-聚丙烯混杂纤维对混凝土试件轴向拉伸力学性能的影响，以钢纤维体积掺量为1%、1.5%、2%，聚丙烯纤维体积掺量为0.1%、0.15%、0.2%，设计了9 组钢纤维和聚丙烯纤维混杂试件，开展配筋钢-聚丙烯混杂纤维混凝土受拉性能试验。 结果表明：钢-聚丙烯混杂纤维有利于提高混凝土抗拉强度，混杂纤维体积掺量是影响抗拉强度和峰值应变的重要因素，钢纤维体积掺量1.5%和聚丙烯纤维体积掺量0.15%混杂对混凝土受拉性能改善效果较好。
关键词：钢-聚丙烯纤维混凝土；受拉性能试验；混杂纤维；抗拉性能；峰值应变
0 引言
纤维混凝土由于具有增韧、阻裂性能良好等优点，被广泛应用于建筑、交通、水利、军事等工程领域［1-4］，国内外学者也对其进行了大量的研究［5-7］。目前，学者的研究已从单一纤维混凝土转向混杂纤维混凝土。混杂纤维混凝土因不同种类的纤维在混凝土中产生功能上的互补，使正混杂效应达到“1+1＞2”的效果。
钢-聚丙烯混杂纤维混凝土是国内外众多学者研究较多的一种混杂纤维混凝土，相关研究表明［8-12］：钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的力学性能显著提升，是由于高弹模钢纤维提高了混凝土极限强度，低弹模高延性的聚丙烯纤维提高了混凝土的韧性和裂后应变能力。但是，混杂纤维对混凝土抗拉性能的影响还不明确。在对混凝土开裂要求比较严格的情况下，混凝土的抗拉性能非常重要。基于此，笔者进行了钢-聚丙烯混杂纤维混凝土轴拉试验，分析了不同钢纤维和聚丙烯纤维掺量对混凝土拉伸力学性能的影响，从而定量分析了混杂纤维对混凝土抗拉强度和峰值应变的影响，以期为相关工程应用提供参考。
1 试验方案
1.1 试件设计
由于混凝土属于脆性材料，而轴拉试验机在受力后会因变形存储弹性势能，因此当混凝土试件受拉且应力达到混凝土抗拉峰值后，试验机会因释放弹性能量而迅速回弹，导致混凝土试件不是连续稳定的破坏，而是随着试验机的快速回弹而迅速破坏，从而造成试件的突然断裂。何化南等在进行抗拉试验时，在试件中配置了整体贯通的钢筋，通过钢筋来减缓试验机弹性能量的突然释放，这样不需提高试验机的刚度便能测出混凝土受拉应力-应变全曲线的下降段［13］。本试验采用哑铃型钢筋混凝土试件，并且为了改善过渡段的应力集中情况，将过渡段改为弧线过渡，改进后的试件如图1所示。为保证模具刚度，试件模具以碳素钢为原材料定制加工。为解决开裂位置不确定的问题，试验采用诱导缝控制试件开裂位置的方法，即在试验模具中间位置设置宽度为1.5mm、深度为5mm的诱导缝，用于固定钢片。
图1 试件尺寸图（单位：mm）
Fig.1 Dimension of test piece （unit： mm）
根据不同钢衬钢筋混凝土压力管道中钢筋混凝土的配筋情况，本试验选取受拉钢筋（HRB400，Ⅲ级钢筋）的直径为14 mm，长为700 mm，相应的配筋率为1.58%。试验时，对钢筋进行剖分，并在其凹槽内置入钢筋应变片，用于测量试件中钢筋的应变。
参考相关文献［14］，本试验选取钢纤维体积掺量为1.0%、1.5%、2.0%3 个等级，聚丙烯纤维体积掺量为0.1%、0.15%、0.2%3 个等级，试件设计如表1 所示。
表1 试件设计
Tab.1 Design of test piece
注：A 表示试件中掺了钢纤维，B 表示试件中掺了聚丙烯纤维，PC 表示没有掺纤维的普通混凝土试件编号；纤维掺量均为体积掺量。
1.2 试验材料
1.2.1 试验用纤维
试验所用纤维采用重庆某公司生产的钢板剪切波纹型钢纤维和束状单丝聚丙烯纤维，纤维的物理力学性能如表2所示。
表2 纤维物理力学性能
Tab.2 Physical and mechanical property of fiber
1.2.2 试验用混凝土材料
试验所用混凝土强度等级为C25，水泥强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，沙为级配良好的河沙，石子采用连续级配碎石，参考《纤维混凝土结构技术规程》［15］，纤维混凝土碎石粒径应在5～20 mm之间；减水剂采用聚羧酸母液，固含量为40%。试验配合比如表3所示。
表3 混凝土配合比
Tab.3 Mix proportion of concrete
1.3 试验过程
试验加载仪器采用100kN加载能力的电子万能试验机。根据《水工混凝土试验规程》（SL352-2020）的规定，在正式拉伸前应进行一次预拉，通过应变仪的读数判断试件是否严重偏心，当试件偏心率不超过15%时，方可继续进行试验。在试验过程中，采集钢筋应变、混凝土应变和试验机荷载等数据。
2 试验结果及分析
2.1 试验结果
配筋轴拉试件所受荷载由钢筋和混凝土共同承担。钢筋与混凝土所受荷载在理论上始终存在如式（1）所示关系。
式中：N为作用在试件上的总荷载；Nc 为混凝土所受荷载；Ns 为钢筋所受荷载；Es 为钢筋弹性模量；As为钢筋截面面积；εs 为试件开裂处的钢筋应变。
采用公式（1）分离钢筋与混凝土所受荷载后，再利用公式（2）计算混凝土所受应力，然再结合混凝土的实测应变值，可以获取混凝土单轴拉伸应力-应变曲线。从该曲线上可以读出混凝土抗拉强度和峰值应变。
式中：σ为混凝土所受应力；Nc 为混凝土所受荷载；A为截面面积。
对轴拉试验得到的混凝土抗拉强度进行分析，结果如表4 所示。试验实测抗拉峰值应变平均值如表5 所示。
由表4 可以看出，钢-聚丙烯混杂纤维有利于提高混凝土抗拉强度，且纤维的掺量是影响混凝土抗拉强度的主要因素。
表4 混凝土抗拉强度平均值
Tab.4 Average tensile strength of concrete
由表5 可以看出，钢-聚丙烯混杂纤维能显著提高混凝土的抗拉峰值应变，且纤维的掺量是影响混凝土抗拉应变的主要因素。
表5 抗拉峰值应变平均值
Tab.5 Average tensile peak strain
2.2 混杂纤维掺量对混凝土抗拉强度的影响
由表4 可以看出，钢-聚丙烯混杂纤维有利于提高混凝土抗拉强度，且纤维的掺量是影响混凝土抗拉强度的主要因素。根据表4绘出钢-聚丙烯混杂纤维混凝土抗拉强度随着纤维掺量变化的关系图，如图2和图3所示。
图2 抗拉强度随钢纤维掺量的变化
Fig.2 Change of tensile strength with steel fiber content
图3 抗拉强度随聚丙烯纤维掺量的变化
Fig.3 Change of tensile strength with polypropylene fiber content
由图2 可知，当聚丙烯纤维体积掺量为0.1%时，混凝土抗拉强度随着钢纤维掺量的增加而增加；当聚丙烯纤维体积掺量分别为0.15%和0.2%时，随着钢纤维体积掺量的增加，混凝土抗拉强度先增大后减小，这与文献［16］的研究结果一致，即当聚丙烯纤维体积掺量达到0.15%后，进一步增加聚丙烯纤维体积掺量，抗拉强度骤减。分析其原因：当聚丙烯纤维体积掺量较小时，纤维均匀分散于混凝土中，纤维的增韧阻裂作用提高了混凝土的抗拉强度；当聚丙烯纤维体积掺量过大时，在混凝土拌和过程中可能造成了聚丙烯纤维的结团，从而增加了混凝土的初始缺陷，对混凝土抗拉强度的提高不利。
由图3 可知，当钢纤维体积掺量为1.0%和1.5%，聚丙烯纤维体积掺量从0.1%增加到0.2%时，混凝土抗拉强度先增大后减小；当钢纤维体积掺量为2.0%，聚丙烯纤维体积掺量从0.1%增加到0.2%时，混凝土抗拉强度呈减小趋势。 这说明混杂纤维在混凝土中存在混杂效应，选择适当的混杂纤维体积掺量才可以发挥其最佳的混杂效果。
钢纤维体积掺量为1.5%、聚丙烯纤维体积掺量为0.15 时，混凝土抗拉强度最大，为3.06 MPa，比素混凝土提高了71.90%。
2.3 混杂纤维掺量对混凝土抗拉应变的影响
从表5 可知，钢-聚丙烯混杂纤维能显著提高混凝土的抗拉峰值应变。根据表5绘出钢-聚丙烯混杂纤维混凝土抗拉峰值应变随着纤维掺量变化的关系图，如图4和图5所示。
图4 混凝土应变随钢纤维体积掺量的变化
Fig.4 Change of concrete strain with of steel fiber volume content
图5 混凝土应变随聚丙烯纤维体积掺量的变化
Fig.5 Change of concrete strain with of polypropylene fiber volume content
由图4可知，当聚丙烯纤维掺量固定时，随着钢纤维掺量的增加，混凝土抗拉峰值应变总体呈增大趋势。当聚丙烯纤维体积掺量为0.1%，钢纤维体积掺量从1.0%增加到2.0%时，混凝土抗拉峰值应变提高了48.3%～70.7%；当聚丙烯纤维体积掺量为0.15%，钢纤维体积掺量从1.0%增加到2.0%时，混凝土峰值应变提高了45.1%～73.1%；当聚丙烯纤维体积掺量为0.2%，钢纤维体积掺量从1.0%增加到2.0%时，混凝土峰值应变先增大后减小。
从图5 可知，当钢纤维体积掺量为1%，聚丙烯纤维体积掺量从0.1%增加到0.2%时，混凝土抗拉峰值应变增加了45.1%～63.7%；当钢纤维体积掺量为1.5%，聚丙烯纤维体积掺量从0.1%增加到0.2%时，混凝土抗拉峰值应变增加了61.2%～71.8%；当钢纤维体积掺量为2%时，随着聚丙烯体积掺量的增大，混凝土峰值应变提高幅度变小，对混凝土峰值应变产生不利影响。
3 结语
试验表明：（1）当混凝土中钢纤维体积掺量从1%增大到2%，聚丙烯纤维体积掺量从0.1%增大到0.2%时，混凝土抗拉峰值强度较普通混凝土平均提高39.01%，混杂纤维混凝土抗拉峰值应变较普通混凝土有较大幅度提高，平均提高63.45%。因此，纤维的掺量是影响混凝土抗拉强度和峰值应变的主要因素。
（2）当聚丙烯纤维体积掺量0.1%时，混凝土抗拉强度提高幅度随钢纤维掺量增加而增大。当聚丙烯纤维体积掺量为0.15%和0.2%时，混凝土抗拉强度随钢纤维掺量的增加，呈先增大后减小趋势。当钢纤维体积掺量为1.0%和1.5%时，随着聚丙烯纤维掺量的增加，混凝土抗拉强度先增大后减小。当钢纤维体积掺量为2.0%，聚丙烯纤维体积掺量从0.1%增加到0.2%时，混凝土抗拉强度随着钢纤维掺量的增大呈减小趋势。因此，混杂纤维在混凝土中存在混杂效应，选择适当的混杂纤维掺量才可以发挥最佳的效果。
（3）当聚丙烯纤维体积掺量为0.1%和0.15%时，混凝土抗拉峰值应变随着钢纤维体积掺量的增大而增大；当聚丙烯纤维体积掺量为0.2%时，混凝土抗拉峰值应变随着钢纤维掺量的增大而减小。当固定钢纤维掺量时，随着聚丙烯纤维体积掺量的增大峰值应变无明显规律性，混凝土峰值应变增加幅度很小。聚丙烯纤维对混凝土峰值应变的影响还需进一步研究。
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Research on Tensile Property Experiment of Steel-polypropylene Hybrid Fiber Concrete
ZHANG Xiaolei1， WU Hailin2， HOU Lili1， SI dongdong2
（1. Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng 475004， Henan， China；2. China Three Gorges University，Yichang 443002， Hubei，China）
Abstract： In order to investigate the influence of steel-polypropylene hybrid fiber on the axial tensile mechanical property of concrete specimens，9 groups of steel fiber and polypropylene fiber hybrid specimens were designed with the steel fiber volume of 1%， 1.5%， 2%， and polypropylene fiber volume of 0.1%， 0.15%，0.2%. The tensile property of reinforced steel-polypropylene hybrid fiber concrete were tested. The results show that steel-polypropylene hybrid fiber is beneficial to improve the tensile strength of concrete， and the volume content of hybrid fiber is an important factor affecting the tensile strength and peak strain. The mixture of steel fiber with volume content of 1.5% and polypropylene fiber with volume content of 0.15%can improve the tensile property of concrete better.
Key Words： Steel-polypropylene fiber concrete； tensile property experiment； hybrid fiber； tensile property； peak strain
中图分类号：TU528.572
文献标识码：A
doi：10.13681／j.cnki.cn41-1282／tv.2023.01.008
收稿日期：2022-10-20
基金项目：国家自然科学基金资助项目：钢衬钢筋混杂纤维混凝土压力管道阻裂机理及设计方法研究(51879146)；河南省高等学校重点科研项目：基于细观尺度的混杂纤维混凝土损伤过研究（22B560007）；开封市科技发展计划项目：BFRP 筋局部钢纤维混凝土梁斜截面抗剪性能研究（科技攻关2001021）。
作者简介：张晓磊(1980—)，男，河南安阳人，副教授，硕士，主要从事土木工程专业的教学与研究工作，研究方向为水工结构试验及数值模拟。
