共聚甲醛纖維超高性能水泥基復合材料抗彎性能試驗

王春生 , 張洋, 段蘭

( 長安大學 公路學院，西安 710064 )

水泥基材料是土木工程結構廣泛采用的主體建筑材料，隨著工程需求的變化，材料性能不斷提升，經歷了普通混凝土、高性能混凝土(HPC)、纖維增強混凝土(FRC)、超高性能混凝土(UHPC)、超高性能水泥基復合材料(UHPFRC)等材料的發展。其中，UHPFRC 通過在基體中加入纖維來獲得更高的彎拉、韌性、抗滲、耐久等性能，可解決混凝土應用于大跨徑橋梁時由于彎拉強度較差而導致的開裂、疲勞等問題，已成為工程材料發展的重要方向。應用于UHPFRC 中的纖維從材質方面可分為金屬纖維(主要指鋼纖維)、有機合成纖維(主要有聚乙烯醇纖維、聚乙烯纖維、聚丙烯纖維、聚甲醛纖維等)、無機合成纖維(主要有玻璃纖維、玄武巖纖維、碳纖維等)[1-2]。其中鋼纖維由于優異的抗拉性能和較佳的綜合性能，在UHPFRC 中的應用早期便得到了重點研究[3]。

與鋼纖維相比，有機纖維彈性模量較低、經濟效益顯著[2]、耐腐蝕，用于水泥基復合材料可抑制裂縫的產生和發展，并具有較強的持荷能力，適用于較惡劣的服役條件。王義超等[4]對聚乙烯纖維制備的超高延性水泥基復合材料進行了研究，結果表明聚乙烯纖維有較好的裂縫橋接能力，可大大增強水泥基復合材料的延性。黃政宇等[5]研究了聚乙烯纖維對超高性能混凝土性能的影響，試驗結果表明：聚乙烯纖維能夠顯著提高混凝土的抗折強度、抗壓強度、韌性，聚乙烯纖維摻量為2vol%時效果最好。賴建中等[6]通過試驗研究發現，聚乙烯醇纖維可改善高溫下超高性能混凝土的抗爆裂性能。陳倩等[7]對聚丙烯纖維和鋼纖維混雜時超高性能混凝土的強度進行了研究，結果表明：混雜纖維可增強超高性能混凝土的立方體和軸心抗壓強度，混雜纖維最佳配比為1.5vol%鋼纖維和0.1vol%共聚甲醛纖維。滕曉丹等[8]通過試驗研究發現，鋼纖維和聚乙烯纖維結合的混雜纖維可顯著提高混凝土的抗壓強度，同時，溫度對混凝土的抗壓強度影響較大，溫度越高，抗壓強度越低。晏麓暉等[9]研究了超高分子量聚乙烯纖維混凝土的基本力學性能，試驗表明：超高分子量聚乙烯纖維可明顯提升混凝土的抗拉強度、抗折強度，但對混凝土的抗壓強度增強效果不明顯。從以上研究可以看出，新型高性能有機纖維大大促進了水泥基復合材料的發展，不斷探索高性能有機纖維UHPFRC 有著重要意義。

共聚甲醛纖維是聚甲醛纖維的一種，具備耐酸堿腐蝕、低引氣等優點，應用于水泥基材料時，纖維分散均勻、不易結團、與基體結合緊密[10-12]。安宇坤等[10]發現長度為15 mm、摻量低于0.25vol%的聚甲醛纖維對混凝土的抗滲性能和抗收縮性有顯著增強效果。呂錦飛[11]對聚甲醛纖維混凝土的力學性能進行了研究，發現聚甲醛纖維可顯著增強混凝土的抗劈拉及抗折性能，對抗壓性能的影響較小。何越驍等[12]通過高溫循環試驗研究發現：高溫下共聚甲醛纖維UHPC 抗爆裂性能好，但也會失去增韌作用，單摻時使用溫度應不大于165℃；共聚甲醛纖維與鋼纖維混合使用時，共聚甲醛纖維長度為8 mm 時效果最好，在防止高溫爆裂的同時還可保證高溫后殘余力學性能較好。

基于此，本文選取了共聚甲醛纖維和鋼纖維作為UHPFRC 的摻入纖維，參照瑞士SIA2052 規范[13]和法國設計規程[14]等對UHPFRC 試件進行三點彎曲試驗。使用數字圖像測量技術(DIC)捕捉試件的位移和應變的變化過程[15-16]，分析共聚甲醛纖維對UHPFRC 的抗彎強度和彎曲韌性的影響。

1 試驗概況

1.1 原材料

UHPFRC 的原材料包括：P·O42.5 普通硅酸鹽水泥；河砂，粒徑d＜0.5 mm；硅灰，粒徑范圍0.1～0.15 μm；減水劑，包括A、B 兩種組分，減水劑A 組分是型號為Sika viscocrete 的液態減水劑，減水劑B 組分是固態Sika 微珠粉；鋼纖維(SF)，圓直型鍍銅鋼纖維，江西贛州大業；共聚甲醛纖維(POM)，重慶云天化天聚新材料有限公司。鋼纖維和共聚甲醛纖維的幾何與物理參數如表1所示。

表1 纖維的幾何與物理參數Table 1 Geometrical and physical properties of fibers

1.2 配合比及試件制備

設計了5 組UHPFRC 抗彎試件，尺寸均為50 mm×100 mm×500 mm，其中兩組試件的纖維類型為共聚甲醛纖維；一組試件的纖維類型是鋼纖維；其他兩組纖維類型是包括共聚甲醛纖維和鋼纖維的混雜纖維；試驗分組如表2所示，1%POM-1%SF/C 組UHPFRC 抗彎試件制作1 個，其他每組UHPFRC 抗彎試件制作3 個，通過計算平均值來分析共聚甲醛纖維UHPFRC 的彎曲性能。

表2 試件分組Table 2 Specimen grouping

試件制備時，原材料的投放順序對UHPFRC的性能有一定影響[17]，根據前期試拌經驗確定了UHPFRC 的制備過程。其制備過程為：先將水泥、河砂、硅灰、微珠粉等干料進行混合攪拌，此過程持續3 min 左右；加入共聚甲醛纖維繼續攪拌，此過程持續5～8 min；攪拌均勻后依次加入1/2 水、1/2 減水劑、1/2 水、1/2 減水劑，水與減水劑加入時間間隔1 min，此過程持續5 min；最后加入鋼纖維繼續攪拌，此過程持續4～6 min。攪拌均勻后進行試件澆筑，澆筑時從模具一側向另一側勻速倒入。隨后，在試件表面覆蓋塑料薄膜，防止水分損失或蒸發，試件于48 h 后脫模，采用覆蓋濕棉被養護，根據試驗設計要求，養護28 天。

1.3 試驗方法

1.3.1 流動性能測試

制備好的UHPFRC 在澆筑之前，參照規范GB/T 50080—2016[18]進行擴展度試驗，從而得到不同纖維類型及摻量下UHPFRC 的工作性能，其測試過程如圖1所示。

圖1 超高性能水泥基復合材料(UHPFRC)的擴展度測試Fig.1 Expansion test of ultra-high performance fiber reinforced cementitious (UHPFRC)

1.3.2 UHPFRC 的彎曲性能測試

UHPFRC 抗彎試件加載裝置采用SANS 公司MTS 試驗機，試驗機最大加載能力為300 kN，通過分階段位移控制進行加載，其位移控制精度為0.001 mm，加載點的靜撓度作為試件的撓度值。試件開裂前保持加載速率v=0.1 mm/min；試件開裂后以v=0.2 mm/min 的加載速率加載，試件達到極限荷載后以v=0.5 mm/min 的加載速率加載至峰值荷載的20%～30%時停止加載。

1.3.3 數字圖像測量技術(DIC)

應變和位移變化監測采用西安新拓三維光測科技有限公司的三維全場應變測量系統XTDIC 和粘貼應變片的方法。DIC 是一種全程無接觸的數字圖像測試方法，通過對高清相機在不同加載時刻記錄的圖像進行處理分析，來獲得試件的變形情況[16]。DIC 使用前，需對試件監測面進行散斑制作，并放置于試件正前方計算距離處，DIC 測試系統見圖2所示。應變片粘貼于試件底部跨中位置，粘貼前需對粘貼位置打磨光滑，并覆蓋704 硅膠進行防潮保護，應變片數據使用東華設備602 靜態采集儀采集。

圖2 數字圖像測量技術 (DIC)測試配置Fig.2 Test configuration of the digital image correlation (DIC) technique

2 試驗結果

2.1 試驗結果數據

表3 顯示了各組UHPFRC 試件的擴展度及實測抗彎強度平均值。

表3 UHPFRC 試件的試驗結果Table 3 Test results of the UHPFRC specimens

2.2 試件破壞過程

試件在既定加載速率下穩定加載，加載初期，由于試件與MTS 加載機器“貼合”問題，個別試件的荷載與撓度均增長較快，荷載-撓度曲線表現為下凸形態[17]，加載前期各組試件荷載與撓度成線性增長。共聚甲醛纖維UHPFRC 抗彎試件加載到峰值時，發出輕微“砰砰”響聲，試件跨中附近出現1～2 條豎向裂縫，荷載驟降至峰值荷載的39%～63%，隨后繼續加載，裂縫不斷向上發展，加載至峰值荷載的20%左右停止加載。

混雜纖維UHPFRC 抗彎試件加載至峰值前未有明顯響動，加載至峰值時，出現輕微“砰砰”響聲，試件跨中附近出現1 條豎向裂縫，荷載降至峰值荷載的55%～84%，隨后繼續加載，伴隨著纖維拔出的“呲呲”聲，眾多微裂縫形成一條鋸齒狀宏觀裂縫，裂縫不斷向上發展，寬度不斷增大，試件側面出現基材“剝出”現象，但由于纖維的橋接作用，側面基材“剝出”但未“剝落”，只有少量UHPFRC 粉末掉落，加載至峰值荷載的30%～40%時停止加載。

鋼纖維UHPFRC 抗彎試件加載至峰值荷載的70%～80%時，試件跨中附近出現1 條由眾多微裂縫組成的鋸齒狀斜裂縫，隨著加載的繼續，裂縫斜向上延伸，伴隨著纖維被拉出來的“呲呲”聲，試件裂縫處有粉末掉落，加載到峰值后，試件承載力不斷下降，加載至峰值荷載的30%左右時，停止加載。

各組UHPFRC 試件持荷能力較強，停止加載時，試件仍能保持較好的完整性，各組試件的裂縫發展和破壞形態如圖3所示?？梢园l現，共聚甲醛纖維UHPFRC 試件裂縫都比較平整，混雜纖維UHPFRC 試件、鋼纖維UHPFRC 試件的裂縫大多成鋸齒狀。這是由于共聚甲醛纖維彈性模量較小，鋼纖維彈性模量較大，基體初裂后，共聚甲醛纖維UHPFRC 試件中的共聚甲醛纖維隨著加載的進行不斷被拉長，裂縫隨之不斷平穩擴展；共聚甲醛纖維和鋼纖維協同作用[19]的混雜纖維UHPFRC 試件和鋼纖維UHPFRC 試件中鋼纖維彈性模量大、抗拉強度高，受力時，首先從相對薄弱的纖維與基體粘結界面開始破壞，鋼纖維在加載過程中不斷被“拉出”，再加上纖維的各向分布，從而呈現出由眾多微裂縫組成的鋸齒狀裂縫。

圖3 各組UHPFRC 試件裂縫發展和破壞形態Fig.3 Crack developments and failure modes of each group of UHPFRC specimens

3 結果與討論

3.1 UHPFRC 試件DIC 測量結果驗證

UHPFRC 試件的三點彎曲試驗過程中，采取DIC 對試件的變形情況進行監測，DIC 采集頻率為5 張/s，此外布設應變片與之進行對比。相關研究表明，DIC 對于試件表面局部區域的應變測量，可基于虛擬引伸計[20-21]測量得到，但虛擬引伸計的長度和位置對DIC 測量結果影響較大[22]，為方便對比，本文選取與應變片等長的虛擬引伸計對試件跨中應變進行測量。以共聚甲醛纖維UHPFRC 試件、混雜纖維UHPFRC 試件為例進行分析，DIC 與應變片測量的荷載-應變曲線如圖4所示?？芍篋IC 與應變片測得的應變數據在彈性階段具有很好的一致性，這與文獻[20]的結論相同。當試件開裂進入塑性階段后，應變片失效，DIC 可繼續工作，監測試件受力全過程的變形情況。同時，如圖3所示，采用DIC 捕捉、分析試件表面的變形情況，同時可監測裂縫的產生和發展過程，解決試件在加載過程中肉眼對初裂難以監測的問題。

圖4 UHPFRC 試件荷載-應變曲線Fig.4 Load-strain curves of UHPFRC specimens

3.2 纖維對UHPFRC 試件流動性能的影響

圖5 給出了5 組試件的擴展度圖，可直觀地看出各組試件的工作性能?？芍?，有4 組試件的擴展度可達400 mm 以上，0%POM-3%SF/C 組試件的擴展度最好，可達到560 mm；共聚甲醛纖維對UHPFRC 的擴展度影響較大，與0%POM-3%SF/C 組試件相比：3%POM-0%SF/C 組試件的纖維體積摻量相同，且同為單摻型試件，其擴展度降低了32.1%；2%POM-0%SF/C 組試件的擴展度降低了23.9%，1%POM-1%SF/C 組試件的擴展度降低了11.6%；1.5%POM-1.5%SF/C 組試件的纖維體積摻量同為3vol%，其擴展度降低了17.9%。因此，無論是單摻型試件還是混雜型試件，各組試件的工作性能均隨著共聚甲醛纖維體積摻量的增加而降低。

圖5 UHPFRC 試件擴展度Fig.5 Expansion of UHPFRC specimens

3.3 UHPFRC 試件荷載-撓度曲線

圖6 為各組試件的荷載-撓度曲線，可用于準確表征各組UHPFRC 試件的抗彎力學性能，對各組試件的特征值取算數平均值進行分析?？芍?，所有試件受力過程均可劃分為3 個階段：(1) 正常工作階段，此階段無裂縫產生，各組試件產生彈性變形，直到萌生微裂縫，纖維開始發揮作用，此階段結束；(2) 裂縫發展階段，此階段各組試件表現出應變軟化和應變硬化的特征[23]；(3) 破壞階段，裂縫迅速擴展，試件損傷急劇增加，部分纖維被完全拔出、拉斷退出工作。對相同纖維體積摻量下不同纖維類型、相同纖維類型下不同纖維體積摻量的情況分別進行分析。

圖6 UHPFRC 試件荷載-撓度曲線Fig.6 Load-deflection curves of UHPFRC specimens

圖6(a)、圖6(b)所示試件的纖維體積摻量為2vol%?？芍?，2%POM-0%SF/C 和1%POM-1%SF/C的峰值荷載均在彈性極限處，且兩者相差不大，2%POM-0%SF/C 的峰值荷載為5.33 kN，僅比1%POM-1%SF/C 高4.2%。但2%POM-0%SF/C 的開裂撓度為0.65 mm，比1%POM-1%SF/C 高32%。當試件開裂時，2%POM-0%SF/C 的承載力驟降53.8%，幅度較大，而1%POM-1%SF/C 與之相比，幅度較小，僅降低了26.4%。UHPFRC 中的纖維發揮荷載承受和能量吸收的作用，當基體開裂時，彈性模量更高的鋼纖維可以更好地橋接開裂基體[24]，從而在開裂的瞬間，1%POM-1%SF/C 的荷載驟降幅度與2%POM-0%SF/C 相比較小。同時，圖6(a)還可以看出2%POM-0%SF/C 的持荷能力較強，荷載下降段承載力下降緩慢，下降速率小于1%POM-1%SF/C，這說明共聚甲醛纖維可提高UHPFRC 的延性，延性可定義為破壞撓度與開裂撓度的比值。

圖6(c)～6(e)所示試件的纖維體積摻量為3vol%。3%POM-0%SF/C 的峰值荷載最低，僅為4.62 kN， 分別比 0%POM-3%SF/C 和 1.5%POM-1.5%SF/C 低16.5%、16%。此外，1.5%POM-1.5%SF/C的開裂撓度最大，裂前變形能力更好，其開裂撓度可達0.56 mm，分別比3%POM-0%SF/C 和0%POM-3%SF/C 高36.6%和16.7%。同時發現，3%POM-0%SF/C 的承載力在下降段下降速度最慢，1.5%POM-1.5%SF/C 次之，這說明共聚甲醛纖維的摻量越多，UHPFRC 試件在極限荷載后的持荷性能越好。

圖6(a)、圖6(c)為共聚甲醛纖維單摻型試件的荷載-撓度曲線，可知：當共聚甲醛纖維體積摻量為2vol%時，具有更高的峰值荷載和更大的初裂撓度，2%POM-0%SF/C 組試件比3%POM-0%SF/C 組試件的峰值荷載高15.5%，初裂撓度大58.5%。對破壞后的試件斷面進行對比(圖7)，發現與2%POM-0%SF/C 組試件相比，3%POM-0%SF/C 組試件斷面的纖維雖然整體數量更多，但是分布不均勻，表現為纖維方向雜亂，抗彎拉水平方向的分布纖維較少，且試件底部纖維分布較少，從而導致了UHPFRC 基體更早開裂，同時這也反映了3%POM-0%SF/C 組試件的流動性較差，與流動性測試結果吻合。同時，兩組共聚甲醛纖維UHPFRC試件在極限荷載后均表現出了較強的持荷性能。

圖7 2%POM-0%SF/C、3%POM-0%SF/C 試件的斷面圖對比Fig.7 Comparison of section diagrams of 2%POM-0%SF/C and 3%POM-0%SF/C specimens

圖6(b)、圖6(d)為混雜纖維UHPFRC 試件的荷載-撓度曲線，可知：隨著混雜纖維摻量的增加，試件的抗彎性能得到了一定的提升，但提升幅度并不顯著，1.5%POM-1.5%SF/C 的峰值荷載和開裂撓度分別比1%POM-1%SF/C 組試件高7.8%和14.3%。

根據上述分析可見：共聚甲醛纖維和鋼纖維對UHPFRC 基體受彎過程發揮著重要的作用，適量體積摻量的共聚甲醛纖維可延緩UHPFRC 基體的開裂。對于單摻型試件，摻入2vol%體積摻量的共聚甲醛纖維時效果最優，2%POM-0%SF/C 組試件的峰值荷載和開裂撓度均大于3%POM-0%SF/C 組試件；對于混摻型試件，摻入1.5vol%體積摻量的共聚甲醛纖維和1.5vol%體積摻量的鋼纖維時效果更好。

3.4 UHPFRC 試件彎曲韌性

纖維增強水泥基復合材料主要通過改變裂縫尖端應變場，影響裂縫尖端的應力強度因子，降低裂縫尖端的最大應力，可延緩裂縫開展，達到增韌效果[25]。纖維增強混凝土通常根據 ASTM C1018[26]或JSCE-SF4[27]建議的方法來評價彎曲韌性，ASTM C1018[26]法是利用3、5.5、10.5 倍初裂撓度對應荷載-撓度曲線下的面積與初裂撓度對應荷載-撓度曲線下面積的比值I5、I10、I20作為韌性指數來評價各試件的彎曲韌性；JSCE-SF4[27]法是以跨中撓度達到試件跨度的1/150 倍時計算出的平均強度值 σ (韌性因子)來評價各試件的彎曲韌性，平均強度值 σ的計算公式如下所示：

式中：L為試件跨度(mm)；b為試件寬度(mm)；h為試件厚度(mm)；Tb為跨中撓度達到L/150時對應荷載-撓度曲線下的面積(N·mm)； δtb為L/150對應的計算值(mm)。

本文采用這兩種方法計算的各組試件彎曲韌性指標平均值如表4所示。

表4 UHPFRC 試件韌性指標計算結果Table 4 Calculation results of toughness index of UHPFRC specimens

采用ASTM C1018 法[26]來評價各組試件的韌性能力，得出的韌性指數趨勢如圖8所示?？梢钥闯?，各組試件韌性指數I5、I10、I20不斷增大。體積摻量為3vol%的試件中，0%POM-3%SF/C、1.5%POM-1.5%SF/C 韌性最好，且兩組試件韌性指數相差不大，0%POM-3%SF/C 的韌性指數I5、I10分別比1.5%POM-1.5%SF/C 高14.0%、2.4%，1.5%POM-1.5%SF/C 的韌性指數I20比0%POM-3%SF/C 高2.4%。3%POM-0%SF/C 的韌性指數I5、I10最小，但I20最大，這說明3%POM-0%SF/C 試件在荷載下降段下降速度最為緩慢。

圖8 UHPFRC 試件韌性指數趨勢圖Fig.8 Trend diagram of toughness index of UHPFRC specimens

對比體積摻量為2vol%的兩組試件1%POM-1%SF/C 和2%POM-0%SF/C 可知，1%POM-1%SF/C 的韌性指數I5、I10、I20分別比2%POM-0%SF/C 高10.1%、8.7%、5.6%，這說明纖維體積摻量為2vol%時，混雜纖維UHPFRC 試件的韌性相對較好。

采用JSCE-SF4 法[27]來表征各組試件的韌性，所得的韌性因子可以反映各組試件吸收能量的大小，所得各組試件的韌度因子如圖9所示?？芍?，1.5%POM-1.5%SF/C＞0%POM-3%SF/C＞1%POM-1%SF/C＞3%POM-0%SF/C＞2%POM-0%SF/C，這表明5 組試件中，1.5%POM-1.5%SF/C 的韌性最好，2%POM-0%SF/C 的韌性最差。當纖維總體積摻量一定時，混雜纖維UHPFRC 試件的韌性好于單摻型共聚甲醛纖維UHPFRC 試件。這與采用 ASTM C1018[26]法得出的結論基本相同。

圖9 UHPFRC 試件韌性因子趨勢圖Fig.9 Trend diagram of toughness factor of UHPFRC specimens

4 結 論

對5 組超高性能水泥基復合材料(UHPFRC)進行三點彎曲加載試驗、擴展度測試。對比了單摻型UHPFRC 試件和混雜型UHPFRC 試件的抗彎性能，并評價了5 組UHPFRC 試件的彎曲韌性，得到以下結論：

(1) 共聚甲醛纖維對UHPFRC 的流動性影響較大，單摻型UHPFRC 和混雜型UHPFRC 的流動性均隨著共聚甲醛纖維體積摻量的增加而降低。纖維單摻時，0%POM-3%SF/C 流動性最好，可達560 mm，纖維混摻時，1%POM-1%SF/C 流動性最好，可達495 mm；

(2) 適量的共聚甲醛纖維可延緩UHPFRC 基體的開裂，增強其裂前變形能力。纖維單摻時，2%POM-0%SF/C 的裂前變形能力最優，開裂撓度可達0.65 mm，當繼續增加體積摻量時，開裂撓度反而降低；纖維混摻時，1.5%POM-1.5%SF/C 的裂前變形能力最優，開裂撓度可達0.56 mm；

(3) 對于共聚甲醛纖維UHPFRC，當共聚甲醛纖維體積摻量為2vol%時，抗彎強度為13.4 MPa，繼續增加體積摻量，其抗彎強度反而降低；對于混雜纖維UHPFRC，摻入1.5vol%體積摻量的共聚甲醛纖維和1.5vol%體積摻量的鋼纖維時效果更好，抗彎強度可達13.9 MPa。共聚甲醛纖維的摻入可提升UHPFRC 在荷載下降段的持荷能力，纖維體積摻量越大，下降段越平緩；

(4) 通過ASTM C1018 法和JSCE-SF4 法評價了各組試件的彎曲韌性能力，均表明混雜纖維對UHPFRC 彎曲韌性的提升更大。各組試件中，1.5%POM-1.5%SF/C 的韌性最好， 而3%POM-0%SF/C 和2%POM-0%SF/C 的韌性最低。

本工作推薦UHPFRC 混摻1.5vol%共聚甲醛纖維和1.5vol%鋼纖維，1.5%POM-1.5%SF/C 的開裂撓度大，工作性能好，具備較好經濟效益的同時，保證了較好的抗彎強度和彎曲韌性。