增強(qiáng)砂漿混凝土的彎曲性能

王莉英 王顯耀

0 引言

大量研究表明，均勻地將纖維摻入到水泥砂漿中可使其彎曲強(qiáng)度和阻裂作用明顯得到改善，其韌性可大大地提高。目前在大多數(shù)橋梁、隧道、公路等建筑中都廣泛采用。但對(duì)于不同的纖維改善砂漿混凝土的性能有所不同。鋼纖維為高彈纖維，一般高彈纖維增強(qiáng)增韌效果均較好，但價(jià)格昂貴;聚丙烯纖維為低彈纖維，增強(qiáng)增韌效果較差，但增動(dòng)效果較好，而且價(jià)格便宜。因此，把這兩種纖維混雜起來加入混凝土中，從改善性能和從經(jīng)濟(jì)上考慮都是較合適的。

如果纖維含量相同，橫斷面尺寸也相同時(shí)，高彈纖維和低彈纖維對(duì)增強(qiáng)混凝土的彎曲特性是不相同的。作為高彈纖維(鋼纖維)增強(qiáng)砂漿混凝土的彎曲載荷—變形曲線如圖1a)所示;作為低彈纖維(聚丙烯纖維)增強(qiáng)砂漿混凝土的彎曲載荷—變形曲線如圖1b)所示。P0表示素砂漿的破壞載荷，Pcr和Pmax分別表示纖維增強(qiáng)砂漿混凝土的初裂載荷和最大載荷。圖1a)說明鋼纖維的摻入大大增強(qiáng)砂漿混凝土的初裂載荷，但是在最大載荷之后，鋼纖維從基體中拔出，在較小的變形下，載荷迅速減小。從圖1b)中可以看出聚丙烯纖維對(duì)砂漿混凝土的初裂載荷Pcr略高于素砂漿的破壞載荷P0，提高的數(shù)值遠(yuǎn)不如鋼纖維那樣高，但是初裂之后，載荷緩慢地逐漸減少，表現(xiàn)出很好的延性。

基于上述這兩種纖維增強(qiáng)水泥砂漿的特點(diǎn)，本文試圖尋找一種復(fù)合材料，具有這兩種纖維增強(qiáng)砂漿混凝土所共有的優(yōu)點(diǎn)，通過大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，將這兩種纖維按一定比例混合，就發(fā)揮了兩種纖維單獨(dú)增強(qiáng)砂漿混凝土的優(yōu)點(diǎn)，消除了它們各自的缺點(diǎn)，使初裂強(qiáng)度有所提高，而且初裂后的特性明顯的得到改善。在纖維束之間可以摻進(jìn)水泥漿，增強(qiáng)了基體和纖維之間的粘結(jié)強(qiáng)度，防止纖維的拔出。

1 試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

按一定的比例將鋼纖維和聚丙烯纖維均勻分散到砂漿中，鋼纖維尺寸為0.3 mm×0.6 mm×25 mm。聚丙烯纖維一束為24根，單絲直徑20 μm，比重0.9，彈性模量5.6 GPa，抗拉強(qiáng)度438 MPa，把長(zhǎng)絲剪斷為平均長(zhǎng)度25 mm的短絲束。水∶水泥∶砂=0.5∶1∶2。試件尺寸:25 mm×50 mm×280 mm，成型的試件24 h脫模，然后在水中養(yǎng)護(hù)28 d。通過WDW-100微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行試驗(yàn)，用純彎曲加載方式加載。載荷—撓度曲線通過數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、記錄儀自動(dòng)記錄。

圖1 典型的彎曲載荷—變形曲線

1.1 一種纖維對(duì)砂漿混凝土的影響

1.1.1 纖維含量對(duì)彎曲特性的影響

圖2a)是聚丙烯纖維增強(qiáng)砂漿混凝土的載荷—撓度曲線。圖2a)表明:初裂載荷隨纖維含量的增加而增加，幅度較小，但初裂后隨纖維含量的增加有很大的改善。當(dāng)含量為1.0%～2.5%范圍內(nèi)其最大載荷逐漸增加并超過初裂載荷。摻入聚丙烯纖維直到初裂幾乎完全是彈性，但初裂后承受載荷的能力不增加，載荷稍下降，然后隨著變形的增加，承受載荷的能力又繼續(xù)上升到最大載荷。圖2b)為鋼纖維增強(qiáng)砂漿混凝土的載荷—撓度曲線。圖2b)表明:初裂載荷和最大載荷均隨纖維含量的增加而明顯地增加。但最大載荷后，在較小的變形下載荷迅速下降，直到破壞。

圖2 纖維含量對(duì)彎曲特性的影響

1.1.2 加載速率的影響

不同加載速率下聚丙烯纖維增強(qiáng)砂漿混凝土和鋼纖維增強(qiáng)砂漿混凝土彎曲載荷—撓度曲線如圖3a)，圖3b)所示。兩種纖維隨加載速率的增加，初裂強(qiáng)度均有所提高，但初裂后的特性差別較大。聚丙烯纖維初裂后彎曲強(qiáng)度主要依賴于聚丙烯纖維的抗拉強(qiáng)度，所以，這種復(fù)合材料初裂后的彎曲特性將受聚丙烯纖維粘彈性的影響，彎曲強(qiáng)度隨加載速率的增加而增加。對(duì)于鋼纖維初裂載荷隨加載速率也有所提高，但初裂后載荷下降的更加迅速，最大載荷所對(duì)應(yīng)的變形也隨加載速率的增加而增加。

圖3 加載速率對(duì)彎曲特性的影響

1.2 混雜纖維對(duì)砂漿混凝土的影響

1.2.1 聚丙烯纖維含量對(duì)彎曲特性的影響

圖4是鋼纖維體積含量保持為1%，聚丙烯纖維體積含量從0.1%～2.5%變化曲線。

從圖4中可以發(fā)現(xiàn):

1)鋼纖維含量為1%時(shí)，初裂載荷隨聚丙烯纖維含量的增加而增加，且初裂載荷比單一纖維增強(qiáng)水泥砂漿的初裂載荷有所提高。其原因是在鋼纖維阻裂的基礎(chǔ)上由于聚丙烯纖維的加入更加增強(qiáng)了基體的阻裂能力從而增加了初裂載荷。

圖4 混雜纖維增強(qiáng)砂漿混凝土中聚丙烯纖維含量對(duì)彎曲特性的影響

圖5 加載速率對(duì)混雜纖維增強(qiáng)砂漿混凝土彎曲特性的影響

2)最大載荷隨纖維含量的增加而增加。最大載荷相應(yīng)的變形也隨纖維含量的增加而增加。由于聚丙烯纖維不易拔出，同鋼纖維共同作用使最大載荷有所增加。

3)最大載荷之后，載荷下降得比較緩慢，表現(xiàn)出很好的延性。這主要是聚丙烯束的延性好阻止了基體的開裂所至。

4)當(dāng)纖維含量達(dá)到2.5%時(shí)，初裂載荷和最大載荷均有所下降，載荷能保持在相對(duì)高點(diǎn)。由此可見，采用兩種纖維混雜增強(qiáng)砂漿的混凝土，明顯地克服了兩種纖維單獨(dú)增強(qiáng)混凝土砂漿時(shí)的缺點(diǎn)，大大地改善了脆性基體的性質(zhì)。

1.2.2 加載速率對(duì)彎曲特性的影響

圖5表示當(dāng)鋼纖維體積含量保持為1%，聚丙烯纖維體積含量保持為2%時(shí)，加載速率對(duì)彎曲特性的影響。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，初裂載荷和最大載荷隨加載速率的增加而增加，最大載荷相對(duì)應(yīng)的變形也隨加載速率的增加而增加。但在最大載荷后，隨加載速率的增加，在較小的變形下，載荷迅速減小。

因此，混雜增強(qiáng)水泥砂漿的強(qiáng)度和韌性在不同的部分充分顯示了各自的優(yōu)點(diǎn)，克服了它們的缺點(diǎn)，因此鋼纖維和聚丙烯纖維混雜增強(qiáng)水泥砂漿的強(qiáng)度和韌性是十分有前途的。

2 結(jié)語(yǔ)

將鋼纖維和聚丙烯纖維均勻地?fù)饺朐谏皾{中，能較好地改善其彎曲特性。通過試驗(yàn)可得如下結(jié)論:

1)混雜纖維增強(qiáng)砂漿混凝土的初裂載荷比單一纖維增強(qiáng)砂漿混凝土初裂載荷有所提高。對(duì)于不同的纖維含量，初裂載荷將隨著纖維含量的增加而增加。

2)混雜纖維增強(qiáng)砂漿混凝土的最大載荷比單一纖維增強(qiáng)砂漿混凝土的最大載荷也有所提高，最大載荷相對(duì)應(yīng)的變形也有增加。

3)隨著聚丙烯纖維含量的增加，上述特點(diǎn)較為明顯。

4)最大載荷之后，彎曲載荷變形表現(xiàn)出了很好的延性，在很大的變形范圍內(nèi)，載荷降低得很少。

5)彎曲載荷—變形曲線受加載速率的影響很大，隨加載速率的增加，初裂后載荷—變形曲線會(huì)更加陡。

這兩種纖維增強(qiáng)砂漿混凝土表現(xiàn)出了很好的彎曲特性，消除了鋼纖維和聚丙烯纖維單獨(dú)增強(qiáng)砂漿混凝土的缺點(diǎn)，在房屋、橋梁、隧道、公路等建筑中有著十分廣闊的發(fā)展前景。

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