鋼絲網(wǎng)混雜纖維增強(qiáng)水泥砂漿拉伸試驗(yàn)研究

陳升平，田 剛

（湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430068）

纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料在國(guó)際上的發(fā)展已將近一個(gè)世紀(jì).纖維增強(qiáng)水泥砂漿是一種物理性能和力學(xué)性能優(yōu)良的新型復(fù)合材料，與普通水泥砂漿相比，具有較高的抗拉、抗折、韌性、抗?jié)B、抗裂、耐久性、抗疲勞等性能［1－2］.

混雜纖維［3］增強(qiáng)水泥砂漿綜合力學(xué)性能優(yōu)于只摻入單種纖維的增強(qiáng)水泥砂漿，鋼纖維與聚丙烯纖維在物理性能上是最合適用于進(jìn)行混雜試驗(yàn)的，兩種纖維混雜在彎曲性能［4］和斷裂性能［5］方面都有較大的提高.

為了進(jìn)一步提高混雜后增強(qiáng)水泥砂漿的強(qiáng)度與韌性，在水泥砂漿中加入鋼絲網(wǎng).研究表明，鋼絲網(wǎng)、鋼纖維與聚丙烯纖維能夠很好地復(fù)合，互補(bǔ)各自在性能上的缺陷，在綜合力學(xué)性能上有了更進(jìn)一步的提升［7－8］.本文介紹鋼絲網(wǎng)鋼－聚丙烯混雜纖維增強(qiáng)水泥砂漿拉伸試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容，并作出分析.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥，42.5＃普通硅酸鹽水泥；砂，采用最大粒徑不大于1.2mm的細(xì)沙；鋼纖維，長(zhǎng)度為12～15 mm鍍銅單絲短纖維，抗拉強(qiáng)度為2 000MPa；聚丙烯纖維，長(zhǎng)度為20±2mm單絲短纖維，抗拉強(qiáng)度為270MPa（鋼纖維與聚丙烯纖維由武漢漢森鋼纖維有限責(zé)任公司生產(chǎn)）；鋼絲網(wǎng)，采用方格編織網(wǎng)，網(wǎng)眼尺寸為10mm×10mm，鋼絲直徑為1.0mm；聚羧酸高效減水劑，由武漢華軒高新技術(shù)發(fā)展有限公司生產(chǎn)；微硅粉，由武漢新必達(dá)微硅粉有限公司生產(chǎn)；水為自來(lái)水.

1.2 材料配合比

材料配合比見(jiàn)表1.

表1 鋼絲網(wǎng)鋼－聚丙烯混雜纖維增強(qiáng)水泥砂漿配合比

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

試件尺寸為330mm×60mm×15mm，由表中給出的配合比每組做出3個(gè)試件.在制作過(guò)程中，首先稱量減水劑和水的質(zhì)量，同時(shí)把減水劑放入稱量好的水中溶解；然后，稱量水泥、砂、微硅粉的質(zhì)量，將其放入攪拌筒內(nèi)干拌3～4min，待水泥、砂、微硅粉攪拌均勻后，加入鋼纖維，繼續(xù)攪拌2～3min；然后，在攪拌的過(guò)程中緩慢均勻的加入稱量好的溶液，在攪拌過(guò)程中沿著攪拌筒旋轉(zhuǎn)的方向緩慢加入聚丙烯纖維，不可一次加入太多，以免纖維結(jié)團(tuán)，影響拌合物攪拌的不均勻，加入完后繼續(xù)攪拌2～3 min形成漿體（圖1）；最后，將漿體倒入已放好鋼絲網(wǎng)的鋼模之中.試件制作完成后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d.

圖1 試件攪拌制作

直接拉伸試件采用300kN微機(jī)控制液壓伺服試驗(yàn)機(jī)，加載采用位移控制模式.試件加載速率：當(dāng)位移小于1mm時(shí)，速率為0.1mm／min；當(dāng)位移大于1mm時(shí)，速率為0.5mm／min（圖2），單層鋼絲網(wǎng)加載速率為0.5mm／min.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單層鋼絲網(wǎng)實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度

按照放入試件中鋼絲網(wǎng)尺寸，對(duì)尺寸相同的單層鋼絲網(wǎng)進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示.

表2 單層鋼絲網(wǎng)拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.2 試件軸心抗拉強(qiáng)度

鋼絲網(wǎng)鋼－聚丙烯混雜纖維增強(qiáng)水泥砂漿直接拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表3.

表3 鋼絲網(wǎng)鋼－聚丙烯混雜纖維增強(qiáng)水泥砂漿直接拉伸試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)鋼絲網(wǎng)鋼－聚丙烯混雜纖維增強(qiáng)水泥砂漿直接拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合可得圖3～圖6.從表3及圖3、4、5中可以看出分別加入鋼纖維、聚丙烯纖維和0.5%鋼纖維同1.0%聚丙烯纖維混雜的三類試件與沒(méi)加入纖維的試件比較，平均開(kāi)裂強(qiáng)度分別提高了5%、7%和9%，其平均極限強(qiáng)度分別提高了9%、7%和15%.開(kāi)裂之前，主要由基體承受拉力作用，鋼纖維、聚丙烯纖維和兩種纖維混雜在基體之中起阻裂作用.兩種纖維混雜比單種纖維其阻裂作用更加明顯，鋼纖維與聚丙烯纖維混雜后能夠?qū){體與鋼絲網(wǎng)更好的粘結(jié)在一起，使整個(gè)基體強(qiáng)度有大幅度的提高.開(kāi)裂之后，拉力由基體轉(zhuǎn)移到鋼絲網(wǎng)之上，主要由鋼絲網(wǎng)承受拉力作用，一方面鋼絲網(wǎng)使整個(gè)復(fù)合體的強(qiáng)度有了提升，更重要的一方面是鋼絲網(wǎng)使復(fù)合體的韌性有很大幅度的提升.從圖3、4、5中反映出，MG2、MS2和MGS2曲線所包絡(luò)的面積要比 M2所包絡(luò)的面積大，說(shuō)明 MG2、MS2和MGS2與M2相比其韌性有所提高.

圖6中兩條曲線都是鋼纖維和聚丙烯纖維混雜試件試驗(yàn)的結(jié)果，不同的是一組加入體積分?jǐn)?shù)0.5%的鋼纖維與1.0%的聚丙烯纖維，另一組加入體積分?jǐn)?shù)1.0%的鋼纖維與1.0%的聚丙烯纖維.由兩條曲線得出，加入的體積分?jǐn)?shù)不同的鋼纖維，其開(kāi)裂強(qiáng)度與極限強(qiáng)度并沒(méi)有很明顯的提高，而MGS1.02的位移明顯要比MGS2的位移小.

對(duì)應(yīng)觀察試驗(yàn)后兩種體積分?jǐn)?shù)不同的試件，可以清楚的看到MGS1.02試驗(yàn)后試件基本只有三處較大的裂縫，夾頭附近兩處與試件中間一處；對(duì)于MGS2試驗(yàn)后試件除了這三處較大裂縫外，在試件其他部位可以看到一些其他分布不均勻細(xì)小的裂縫.很明顯這是 MGS1.02比 MGS2位移小的原因，說(shuō)明高體積分率鋼纖維對(duì)整個(gè)基體粘結(jié)性能更好一些，但是混雜后高體積分?jǐn)?shù)的鋼纖維對(duì)整個(gè)基體的強(qiáng)度提高作用并不大，強(qiáng)度與韌性并沒(méi)有同時(shí)提高，相對(duì)來(lái)說(shuō)，高體積分?jǐn)?shù)鋼纖維對(duì)整個(gè)基體的韌性有了明顯的降低.

2.3 試件軸心拉伸作用力分析

對(duì)拉伸試件進(jìn)行建模（圖7）同時(shí)作出以下假定.

圖7 試件拉伸受力模型

1）假定鋼絲網(wǎng)與基體是完全粘結(jié)在一起的；

2）基體開(kāi)裂前，εm＝εr＝εc.

由模型及假定可知：

其中：Am為基體截面積；Ar為鋼絲截面積；Er為鋼絲彈性模量；Em為基體彈性模量；σc為復(fù)合體拉應(yīng)力；σcr為復(fù)合體開(kāi)裂應(yīng)力；σmu為基體開(kāi)裂 應(yīng)力；σru為鋼絲抗拉強(qiáng)度；Vm、Vr為基體、鋼絲體積含量；εm、εr、εc為基體、鋼絲、復(fù)合體拉應(yīng)變.

分析可知開(kāi)裂時(shí)，

開(kāi)裂后，拉力由基體轉(zhuǎn)移到鋼絲上，開(kāi)裂處基體、鋼絲和復(fù)合體應(yīng)力分別為：

2.4 鋼絲網(wǎng)鋼纖維增強(qiáng)水泥砂漿開(kāi)裂強(qiáng)度計(jì)算

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果與力學(xué)分析，并用概率統(tǒng)計(jì)的方法，可獲得相應(yīng)的計(jì)算公式.鋼絲網(wǎng)鋼纖維增強(qiáng)水泥砂漿開(kāi)裂強(qiáng)度

其中：fmk為鋼絲網(wǎng)增強(qiáng)水泥砂漿開(kāi)裂強(qiáng)度；l為鋼纖維長(zhǎng)度；d為鋼纖維直徑；ρ為鋼纖維體積分?jǐn)?shù).圖8給出其計(jì)算值與實(shí)測(cè)值.

圖8 公式值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

3 結(jié)論

鋼絲網(wǎng)鋼－聚丙烯混雜纖維增強(qiáng)水泥砂漿拉伸試驗(yàn)研究可知以下結(jié)論：

1）鋼絲網(wǎng)鋼－聚丙烯混雜纖維增強(qiáng)水泥砂漿比普通水泥砂漿其抗拉強(qiáng)度與韌性都有大幅度的提高，開(kāi)裂前由主體砂漿起主導(dǎo)作用，開(kāi)裂后由鋼絲網(wǎng)起主導(dǎo)作用.

2）鋼纖維和聚丙烯纖維混雜的鋼絲網(wǎng)水泥砂漿比單獨(dú)摻入一種纖維的鋼絲網(wǎng)水泥砂漿其強(qiáng)度更高，表現(xiàn)出鋼纖維與聚丙烯纖維混雜水泥砂漿強(qiáng)度相疊加的效果.

3）其他參數(shù)相同，體積分?jǐn)?shù)為1.0%的鋼纖維增強(qiáng)水泥砂漿雖強(qiáng)度有很大幅度的提高，但與體積分?jǐn)?shù)為0.5%的鋼纖維增強(qiáng)水泥砂漿比較，其整個(gè)基體的韌性有一定程度的降低.配合比為MGS2的鋼絲網(wǎng)鋼－聚丙烯混雜纖維增強(qiáng)水泥砂漿拉伸性能效果最佳.

［1］沈榮熹，王璋水，崔玉忠.纖維增強(qiáng)水泥與纖維增強(qiáng)混凝土［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［2］黃承逵.纖維混凝土結(jié)構(gòu)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］孫海燕，何 真，龔愛(ài)民.混雜纖維對(duì)混凝土力學(xué)及抗裂性能的影響［J］.混凝土與水泥制品，2009（2）：39－41.

［4］焦楚杰，孫 偉，秦鴻根，等.聚丙烯—鋼纖維高強(qiáng)混凝土彎曲性能試驗(yàn)研究［J］.建筑技術(shù)，2004，35（1）：48－50.

［5］朱海堂，孫麗萍，王占橋.鋼—聚丙烯混雜纖維高強(qiáng)混凝土斷裂性能的混雜效應(yīng)［J］.新型建筑材料，2009（2）：24－27.

［6］Banthia N，Nandakumar N.Crack growth resistant of hybrid fiber reinforced cement composite［J］.Cement and Concrete Composite，2003，25（1）：78－82.

［7］M.Jamal Shannag，Tareq Bin Ziyyad.Flexural response of ferrocement with fibrous cementitious matrices［J］.Constrction and Building Materials，2007，21（1）：66－68.

［8］朱 江，趙國(guó)藩，李士恩.聚丙烯纖維增強(qiáng)鋼絲網(wǎng)混凝土板抗彎性能試驗(yàn)研究［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，48（4）：536－540.

［9］朱 纓，孫增壽，宋萬(wàn)增.鋼纖維和鋼絲網(wǎng)混凝土的研究及工程應(yīng)用［J］.河南科技，2002，20（6）：736－739.

［10］蔣隆敏，張毛心.國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋼絲網(wǎng)水泥砂漿用于RC結(jié)構(gòu)加固的研究［J］.世界地震工程，2004，20（2）：139－143.