混凝土已成为当今建筑行业内应用最广泛的建筑材料．但混凝土抗拉强度较低，存在着准脆性断裂的特征，严重威胁结构的安全．在混凝土中加入纤维可以有效提高抗拉强度和抗裂性能，起到增韧的作用，因此该方法被广泛应用．聚丙烯纤维具有强度高、耐腐蚀性好和价格低等优点，掺入混凝土后可有效改善混凝土原始缺陷，在裂缝扩展时起到桥接作用，增强混凝土韧性．断裂性能是评价纤维针对混凝土性能影响的重要指标之一，然而目前有关聚丙烯纤维增强混凝土(PPFRC)的研究多集中在基本物理力学性质领域，针对断裂性能方面研究较少，尤其在断裂性能研究热点领域——断裂过程区方面的研究尚且不足．当混凝土发生断裂时，裂缝前端存在主导扩展的FPZ，该区域尺寸较大，区域内混凝土虽受拉损伤，但仍存在阻碍裂缝扩展的黏聚力．黏聚力在FPZ上的分布形式为裂缝张开位移的递减函数，反映了黏聚力与裂缝张开位移的软化关系．研究表明混凝土FPZ特性对断裂性能等有重要影响[1]．对于PPFRC来说，当混凝土开裂时聚丙烯纤维桥接在裂缝两侧，阻碍裂缝发展，使得混凝土FPZ特性发生改变，从而影响断裂性能，因此深入研究PPFRC的断裂过程区扩展特性有助于了解PPFRC的断裂理论．近年来数字图像相关法[2]因具有实时测量、非接触、全场性、精度高等优点，被广泛应用于混凝土FPZ等领域的研究．部分研究者[2-3]基于DIC结果中的应变场定位裂缝尖端，另一部分[4-6]则根据DIC实测位移场判断裂缝尖端位置．Dong等[7]应用DIC技术对混合型断裂混凝土FPZ的演化规律进行研究，结果表明混凝土预制裂缝梁的初始缝高比和尺寸都会对FPZ长度产生影响．Bu等[8]将DIC法测得的P-CMOD曲线与夹持引伸计测得结果对比，验证了DIC观测混凝土裂缝扩展的可行性，并发现随着有效裂纹长度的增加，FPZ尺寸先增大后减小．Bhosale等[9]通过DIC技术测得聚丙烯纤维可以提高混凝土FPZ长度，并使韧性提高3倍．Masoud等[10]利用DIC技术研究合成纤维混凝土梁裂缝位置、数量、宽度和间距等参数，结果表明1%掺量的合成纤维可以减小裂缝数量和宽度，提高混凝土梁的破坏荷载．本研究以聚丙烯纤维掺量和长径比为控制变量，设计9组混凝土配合比，通过预制裂缝梁三点弯曲试验分析聚丙烯纤维对P-CMOD曲线的影响；利用DIC法观测PPFRC的裂缝扩展过程，计算PPFRC的起裂荷载、FPZ区尺寸等参数，探讨聚丙烯纤维掺量、长径比对混凝土FPZ和裂缝扩展面积的影响．1 试验方案1.1　试验准备本试验中混凝土主要材料为水泥、砂、石子、减水剂、粉煤灰、聚丙烯纤维．水泥采用海螺牌42.5R普通硅酸盐水泥，细骨料类型为河砂，石子采用碎石(5~15 mm)，减水剂采用聚羧酸高效减水剂，粉煤灰为一级粉煤灰．原材料均为同一批次购买，避免因原材料不同引起的试验误差．本试验聚丙烯纤维分为粗纤维和细纤维两种[11]，将P系列聚丙烯纤维命名为聚丙烯粗纤维，T系列聚丙烯纤维命名为聚丙烯细纤维．由于聚丙烯纤维化学性质稳定，掺入混凝土后对原始配合比几乎不产生影响，因此试验中仅改变聚丙烯纤维的掺量和长径比．试验配合比如表1所示，水泥、水、粉煤灰、砂、石及减水剂统一为445，153，67，642，1 071及6.2 kg/m3．SU代表素混凝土，P-6，P-9，P-12代表掺入P40聚丙烯粗纤维的混凝土，掺量分别为6，9，12 kg/m3．T10，T16，T20代表掺入混凝土的聚丙烯细纤维，长度分别为10，16，20 mm．如T20-9代表掺入T20聚丙烯细纤维的混凝土，纤维长度为20 mm，掺量为9 kg/m3．10.13245/j.hust.240610.T001表1混凝土配合比试件编号纤维掺量/(kg∙m-3)纤维长径比SU0—P-6666.7P-9966.7P-121266.7T10-9966.7T16-99106.7T20-66133.3T20-99133.3T20-1212133.31.2　试件制作参考RILEM[12-14]对PPFRC进行预制裂缝混凝土梁三点弯曲试验(以下简称三点弯试验)，混凝土梁如图1所示，梁总长L=500 mm，底部支座跨度为S，梁截面高度为H，宽度为t，S×H×t=440 mm×110 mm×60 mm；在梁底部通过浇筑时插入铝片预制单边裂缝，预制裂缝高度a0=35 mm，跨高比S/H=4，相对切口深度a0/H=0.3．PPFRC梁选取湿拌法采用单卧轴强制式搅拌机进行制备．10.13245/j.hust.240610.F001图1预制裂缝三点弯曲混凝土梁1.3　试验装置三点弯试验装置如图2所示，采用Wance 10 T电子万能试验机进行加载，位移加载速率为0.2 mm/min；梁底部裂缝口张开位移(CMOD，wCMOD)通过夹式引伸计测量，引伸计标距10 mm，最大量程为4 mm，测量精度为1 μm；裂尖应变数据通过东华DH3821采样，频率为5 Hz；通过图像采集系统获取梁表面散斑信息，图像采样频率为1 Hz，像素与实际物理尺寸的转化关系约为35 μm/pixel．10.13245/j.hust.240610.F002图2三点弯曲试验装置试验前用砂纸打磨梁预制裂缝底侧表面，打磨平整后在两侧各5 mm处粘贴铝片，方便夹持引伸计的安装，如图2(b)所示．应变片布置在梁背面预制裂缝尖端左右各10 mm处，如图2(c)所示，应变片标距20 mm，电阻120 Ω，灵敏度系数为2．1.4　基于DIC法的FPZ计算相比素混凝土，PPFRC的裂缝扩展过程不仅受到硬化水泥浆、骨料等影响，同时受到聚丙烯纤维的桥接作用．已有研究[15]表明：PPFRC存在软化现象，且在外荷载作用下裂缝扩展具有方向性，说明PPFRC裂缝尖端存在FPZ．黏聚力-裂缝张开位移双线性软化曲线描述了裂缝扩展路径上混凝土黏聚力的分布，认为黏聚力与裂缝张开位移的变化关系为两段斜率不同的直线．因形式简单，且在数值模拟中能够有效体现混凝土等准脆性材料断裂性质等优点，双线性软化曲线被广泛应用在实际工程中[16]．而由DIC法计算得到的位移场，可与双线性软化曲线中的控制参数良好结合，因此本研究采用双线性软化曲线描述混凝土FPZ内的黏聚力-裂缝张开位移软化行为．1.4.1　起裂荷载通过DIC法观测裂缝尖端的位移跳跃现象，以此确定起裂时刻和裂缝尖端位置．临界开裂时刻的张开位移计算公式为wcr=3dmaxft/E．(1)将混凝土粗骨料最大粒径dmax=15 mm，极限抗拉强度ft=4.05 MPa，弹性模量E=30 GPa代入式(1)后求得wcr≈6.1 μm，考虑到误差影响，取wcr=7 μm为判断裂缝尖端临界值．在DIC法求得梁表面水平位移场后，利用同一水平线上所有像素点位移进行分析，若该水平线上位移在某点处发生7 μm的数值突变，则认为该点为起裂临界点．由于三点弯试验中混凝土起裂迅速、起裂时尖端张开位移较小等原因，利用如图2(c)所示的应变片验证由上述DIC法确定的起裂荷载准确性[17]．在未起裂的线弹性段，尖端两侧应变ε基本呈线性增长趋势；当混凝土起裂时，裂缝尖端附近的应变能瞬间释放，ε迅速回降．ε回降点对应时间即为起裂时刻，此时刻下荷载即为起裂荷载．载荷-应变(P-ε)曲线如图3所示．由于混凝土具有非匀质性，沿厚度方向并非同时开裂，因此取较小值作为真实起裂荷载．10.13245/j.hust.240610.F003图3荷载-应变曲线1.4.2　裂缝扩展过程当混凝土裂缝张开位移达到wcr时，裂缝处黏聚应力消失，因此FPZ底部裂缝处黏聚应力是否消失的判断条件为裂缝张开位移是否达到wcr18]．素混凝土双线性软化曲线中wcr可由等效弹性裂缝模型求解[17]．计算结果表明当wcr=0.329 mm时，素混凝土失去阻止裂缝扩展的黏聚力．而纤维混凝土黏聚力-张开位移关系则取决于纤维类型和掺量，本研究认为当C=3.5 mm时，纤维桥接作用可以忽略不计[19]．2 结果和讨论2.1　荷载-CMOD曲线相比荷载-位移(P-δ)曲线，荷载-CMOD(P-wCMOD)曲线不受试件本身缺陷及支座等加载装置影响，离散性较小[8]，同时其描述了三点弯曲试验中荷载随裂缝扩展张开的变化规律，因此选用P-wCMOD曲线进行后续分析．以SU和T20-9组为例，DIC与夹持引伸计测试结果对比如图4所示，可以看出：DIC与夹持引伸计测试结果接近，验证了利用DIC观测混凝土梁裂缝扩展的可行性．10.13245/j.hust.240610.F004图4DIC与夹持引伸计测试结果对比2.1.1　峰值荷载与残余荷载不同纤维用量和长径比下峰值荷载Pmax如图5所示，图中F为纤维用量．P-6与P-12组Pmax与素混凝土相比变化不大，而P-9组Pmax提高了8%，说明9 kg/m3的聚丙烯粗纤维可以小幅度提高混凝土在Pmax前的抗拉能力．T20-6，T20-9和T20-12组Pmax分别为素混凝土的96%，107%和114%，其中T20-6组因试验操作等原因导致离散型过大，不具备参考性．T20-9与T20-12组Pmax提高幅度随纤维掺量增大而增大，可见细纤维对Pmax有积极作用．随着细纤维掺量增大到12 kg/m3，Pmax的离散型明显变大，说明此掺量下细纤维已较难在混凝土中均匀分布．10.13245/j.hust.240610.F005图5不同纤维用量和长径比下PmaxT20-9，T16-9和T10-9组Pmax提高幅度分别为7%，5%和19%，其中T10-9组提升效果远高于前两组．分析认为，由于T10聚丙烯细纤维单根体积小，裂缝扩展路径上分布数量更多，可以更好地填补混凝土微裂缝，提高混凝土整体性，因此Pmax提高幅度大．P-9组比T10-9组Pmax提高幅度低11%，可见虽然长径比和掺量相同，但聚丙烯细纤维可以更好地提高混凝土峰值承载能力．将wCMOD=3.5 mm时的荷载P定义为PPFRC的峰后残余荷载Prem，不同纤维用量和不同长径比(L/D)下Prem如图6所示．P-6，P-9和P-12组Prem随掺量上升而增大，分别为409.9，764.0和1 123.7 N；T20组表现与粗纤维混凝土相似，Prem也与掺量呈正比．图6(a)中T20组Prem随掺量上升斜率更大，说明T20组细纤维对Prem的贡献略优于粗纤维，但T20组数据点离散型较大，说明聚丙烯细纤维分散效果不如粗纤维．9 kg/m3掺量下，T10，T16和T20组Prem与长径比正相关．加载后期裂缝完全发展，裂缝产生较大张开位移，长径比小的聚丙烯细纤维更容易从基体中拔出，使得Prem降低较快，最终低于仍可以桥接在裂缝两侧的T16与T20组．同理T10-9组Prem远低于P-9组．10.13245/j.hust.240610.F006图6不同纤维用量和不同长径比下Prem通过上述分析可知：Prem主要取决于加载后期断裂截面上的纤维根数和黏结强度．聚丙烯粗纤维混凝土断裂截面上单根纤维与基体黏结面大，单根纤维承载力强；细纤维混凝土断裂截面上纤维根数多，分布密集，总体来看，粗纤维与细纤维在Prem方面表现相似．2.1.2　P/Pmax-wCMOD曲线峰值荷载点后的P/Pmax-wCMOD曲线如图7所示．峰值荷载点后素混凝土荷载随wCMOD增加，下降速率较快，P/Pmax很快小于0.2，失去结构承载力；PPFRC荷载随wCMOD增大，下降的速率明显小于素混凝土，尤其是T20-12组曲线下降斜率远小于其他组，说明聚丙烯纤维在混凝土峰值荷载后的裂缝发展中提供了阻止裂缝张开的桥接力．10.13245/j.hust.240610.F007图7P/Pmax-wCMOD曲线从图7(a)可以看到：P/Pmax0.5后PPFRC荷载下降速率产生明显区别，PPFRC的韧性随掺量增加而提高，且聚丙烯细纤维比粗纤维展现了更好的阻裂性能．从图7(b)可以看到：相同长径比的聚丙烯细纤维阻裂效果优于粗纤维；不同长径比的聚丙烯细纤维混凝土P/Pmax-wCMOD变化趋势相近，没有明显区别．2.1.3　断裂能采用P-wCMOD曲线计算断裂能Gf．PPFRC断裂能如图8所示，素混凝土断裂能为253.1 N/m，PPFRC的断裂能均有显著提高，T20-12组的断裂能最大，为618.7 N/m．10.13245/j.hust.240610.F008图8不同纤维用量和长径比下断裂能对聚丙烯粗纤维混凝土来说，6，9和12 kg/m3下Gf分别提高24%，51%和99%；T20组表现类似，6，9和12 kg/m3下Gf分别提高87%，100%和144%，综上认为纤维掺量越大，断裂能越高．9 kg/m3下的T20，T16和T10组断裂能分别提高100%，91%和96%，即长径比对断裂能影响不显著．而图6中残余荷载却与长径比呈明显的正相关，说明聚丙烯细纤维对断裂能的影响通过增加P-wCMOD曲线总的包络面积实现，而不仅仅依靠残余荷载段面积的增加，图7(b)中T10，T16和T20组P/Pmax-wCMOD曲线接近，验证了上述分析．由图6和8可知：P-9组残余荷载高于T10-9，T16-9组，但断裂能却小于T10-9与T16-9组，分析认为一方面是由于细纤维能够填补混凝土内部孔隙，降低孔隙率，抑制收缩，提升整体性能；另一方面细纤维延缓荷载下降速率作用更明显，使得P-wCMOD曲线更加饱满，大幅增加断裂耗能．2.2　混凝土FPZ演化2.2.1　起裂荷载以P-6组为例，图9(a)为P=74%Pini(起裂荷载)时梁表面的水平位移场，将去噪后y=0 mm和y=5 mm处的水平位移绘制如图9(b)所示，y=0 mm，x=0 mm处的水平位移发生突变，突变值约为7 μm，因此该处为FPZ尖端，此时梁发生起裂．而y=5 mm处水平位移光滑无突变，说明该高度处混凝土仍处于弹性阶段．10.13245/j.hust.240610.F009图9P=74%Pmax时梁表面位移不同纤维用量和长径比下起裂荷载和峰值荷载比值Pini/Pmax如图10所示．当素混凝土P=0.664Pmax时，裂缝开始从预制裂缝尖端向上扩展．除T10-9组以外PPFRC的Pini/Pmax均高于素混凝土，说明聚丙烯纤维可以提高混凝土弹性阶段承载能力，延缓混凝土基体开裂．聚丙烯粗纤维混凝土的Pini/Pmax随掺量增加先上升后下降，掺量为9 kg/m3时Pini/Pmax最大(0.77)，相比素混凝土提高16%；T20聚丙烯细纤维混凝土的Pini/Pmax随着掺量增加明显下降，掺量为6 kg/m3时Pini/Pmax最大(0.807)，相比素混凝土提升22%．整体上看Pini/Pmax随细纤维长径比上升而上升，即选择长径比大的细纤维有利于提高混凝土弹性阶段承受能力．10.13245/j.hust.240610.F010图10不同纤维用量和长径比下Pini/Pmax2.2.2　裂缝扩展过程图11为不同时刻下混凝土的张开位移．P=Pmax时裂缝向上扩展明显，此时预制裂缝顶端张开位移(CTOD，wCTOD)达到40 μm，而预制裂缝顶端向上40 mm处裂缝张开位移约为7 μm，即FPZ长度为37 mm．10.13245/j.hust.240610.F011图11不同时刻下混凝土的张开位移P=70%Pmax(峰值荷载后)时wCTOD约为108 μm，预制裂缝顶端向上60 mm处的裂缝张口位移(COD，wCOD)约为10 μm，说明FPZ长度略大于60 mm．裂缝扩展约23 mm，荷载下降1 137 N，峰值荷载后裂缝扩展迅速，荷载下降速率较快．P=40%Pmax(峰值荷载后)时wCTOD约为220 μm，裂缝向上扩展70 mm左右，接近梁上顶端，FPZ发育完全．此时混凝土的承载能力几乎全部由聚丙烯纤维提供，聚丙烯纤维自身物理力学性能及与混凝土基体间的黏结是影响该阶段裂缝张开及扩展的主要因素．按照上述方法可求得梁在任一加载时刻的裂缝扩展情况．图12为素混凝土和PPFRC梁在不同加载水平下的裂缝扩展h-wCOD示意图，图中h为裂缝扩展高度，即裂尖位置对应的梁高．素混凝土和PPFRC裂缝的扩展规律总体上类似，当PPini时，预制裂缝不断横向张开，但并不竖向发展；当PiniPPmax时，裂缝横向张开的同时竖向延展，FPZ逐渐发育；峰值荷载后裂缝迅速扩展到整个梁高区域，wCOD急剧变大；当荷载下降到较低水平时，wCOD与h近似呈线性关系．对比发现聚丙烯纤维的存在使得裂缝扩展的更深更宽而不发生结构破坏，增强了混凝土韧性．10.13245/j.hust.240610.F012图12不同加载水平下h-wCOD2.3　聚丙烯纤维对裂缝扩展的影响2.3.1　CMODc和CTODc不同纤维用量和长径比下混凝土裂缝开口位移峰值(CMODc，wCMODC)和尖端张口位移峰值(CTODc，wCTODC)如图13所示，素混凝土wCMODC=0.063 mm，而PPFRC相对素混凝土wCMODC有所降低，说明聚丙烯纤维有效阻止混凝土开裂．粗纤维掺量增加使得对wCMODC的降低效果逐渐变弱，而细纤维掺量增加使得对wCMODC的抑制作用逐渐增强．对于细纤维来说，掺量增加会使wCMODC与wCTODC的差距逐渐变小，一方面是由于细纤维过多导致基体提前开裂，wCTODC变大；另一方面细纤维降低wCMODC的同时，一定程度改变了裂缝张开位移沿y轴的分布形式．10.13245/j.hust.240610.F013图13CMODc和CTODc2.3.2　lFPZ/(h-a0)-P/Pmax曲线不同聚丙烯粗、细纤维掺量和不同长径比下的lFPZ/(h-a0)-P/Pmax曲线如图14所示，图中lFPZ/(h-a0)为FPZ长度与抵抗裂缝扩展的混凝土韧带长度比值．图16中素混凝土FPZ随加载过程不断发育，当P=0.5Pmax时FPZ发育成熟，当P0.5Pmax时，荷载每降低0.1Pmax，素混凝土FPZ长度下降约10 mm．10.13245/j.hust.240610.F014图14lFPZ/(h-a0)-P/Pmax曲线当P/Pmax从1逐渐变化到0.8时，PPFRC的FPZ长度增幅均小于素混凝土，增幅最小的T20-6组FPZ长度增幅相对素混凝土降低了40%，这一现象说明裂缝扩展路径上的聚丙烯纤维在混凝土起裂后逐渐发挥阻裂作用，降低了混凝土开裂软化区域尺寸．聚丙烯纤维降低混凝土开裂区尺寸的效果与掺量有关，以P=0.6Pmax时刻为例，素混凝土FPZ长度为67.521 mm，除T20-12组以外，PPFRC的FPZ长度相对素混凝土均有所降低，其中效果最明显的T20-6组FPZ长度降低幅度达到5.609 mm．以此类推可知：当0.5P/Pmax0.9时，聚丙烯纤维降低混凝土开裂区尺寸的效果与粗纤维掺量呈正比，与细纤维掺量呈反比；当P/Pmax≤0.5时，素混凝土逐渐失去黏聚力，FPZ长度产生下降，而PPFRC中聚丙烯纤维桥接力替代混凝土黏聚力发挥阻裂作用，使得FPZ长度持续上升，大幅提高FPZ极值长度，最终FPZ长度与粗纤维掺量无明显关系，与细纤维掺量呈正比．图16(c)中，当P=0.6Pmax时，素混凝土lFPZ/(h-a0)为0.831，P-9，T10-9，T16-9和T20-9组lFPZ/(h-a0)分别为0.788，0.789，0.808和0.797．不同长径比的PPFRC均减小了混凝土开裂软化区的尺寸，降低了混凝土损伤程度．当0.5P/Pmax0.9时，T20细纤维降低开裂尺寸的效果最佳；当P/Pmax≤0.5时，降低开裂尺寸的效果则由掺量和长径比共同决定：此阶段裂缝张开较大，较短的T10细纤维发生拔出失效，而相对T20细纤维，裂缝扩展路径上T16细纤维数量更多，因此T16细纤维对FPZ长度提升效果更优．2.3.3　裂缝长度-CMOD曲线裂缝长度-CMOD (l-wCMOD)曲线见图15，l-wCMOD曲线的下包面积可近似看为裂缝面积的2倍．随着10.13245/j.hust.240610.F015图15l-wCMOD曲线wCMOD增大，混凝土裂缝长度先增大，后基本保持不变．从图15中可知：当wCMOD≤0.2 mm时，粗纤维混凝土裂缝扩展面积略大于素混凝土，当wCMOD0.2 mm时，粗纤维逐渐发挥阻裂作用．当wCMOD0.1 mm时，T20细纤维能够有效抑制裂缝扩展，T20-6与T20-9组裂缝面积明显降低，而T20-12组面积远高于素混凝土，说明12 kg/m3的细纤维掺量相对过高，削弱混凝土整体抗裂性能．从图17(c)可知，10 mm长的聚丙烯细纤维掺量为9 kg/m3时抑制裂缝扩展能力最强．综上可知：聚丙烯纤维能够降低混凝土裂缝扩展面积，增强混凝土韧性．聚丙烯粗纤维抑制裂缝扩展能力与掺量呈正比；相对聚丙烯粗纤维来说，细纤维可以更早发挥阻裂作用，其中10 mm长的聚丙烯细纤维抑制裂缝扩展能力最强；抑制裂缝扩展能力与细纤维掺量呈反比．3 结论研究了聚丙烯纤维掺量和长径比对预制裂缝梁三点弯曲试验P-CMOD曲线的影响，利用DIC法观测了聚丙烯纤维增强混凝土的裂缝扩展规律，分析了聚丙烯纤维掺量和长径比对于混凝土FPZ尺寸和裂缝扩展面积的影响，主要得到以下结论．a．聚丙烯纤维能够延长混凝土的弹性阶段，提高起裂荷载和峰值荷载；降低荷载下降速率，使得混凝土具有较强裂后承载能力，效果与掺量和长径比呈正相关；大幅增加断裂耗能，有效提高韧性，避免脆性破坏，效果与掺量呈正相关，与长径比无显著关联．b．聚丙烯纤维改变了混凝土FPZ发育过程．从混凝土起裂到荷载下降到0.5Pmax，聚丙烯纤维降低了FPZ长度，减小了混凝土损伤程度，且效果与粗纤维掺量呈正相关，与细纤维掺量呈负相关，与长径比呈正相关；P0.5Pmax后，聚丙烯纤维通过桥接作用替代混凝土黏聚力抵抗裂缝扩展，使得混凝土在COD较大时仍有承载能力，避免了结构完全断裂．c．聚丙烯纤维能够降低混凝土裂缝扩展面积，增强混凝土韧性．粗纤维抑制裂缝扩展能力与掺量成正比；相对粗纤维来说，细纤维更早发挥阻裂作用，10 mm长细纤维抑制裂缝扩展能力最强．