鋼纖維水泥砂漿力學(xué)行為研究

李 政 宋曉明

(1.南京金海設(shè)計(jì)工程有限公司，江蘇 南京 210000；2.同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó) 上海 201804)

0 引言

鋼纖維水泥基材料 (Steel Fiber Reinforced Cement-based Composites)由水泥、粗細(xì)集料和鋼纖維組成。亂向分布的鋼纖維能有效的阻滯裂縫擴(kuò)展，顯著提高基體的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗沖擊耐磨性，并能改善韌性[1-2]。鋼纖維的主要作用是阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展和阻滯宏觀裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，對(duì)抗拉強(qiáng)度和由主拉應(yīng)力控制的抗剪、抗彎強(qiáng)度有明顯的改善作用[3-4]。傳統(tǒng)的纖維增韌水泥基材料不加考慮構(gòu)件受力情況，直接將纖維亂向均勻分布在構(gòu)件內(nèi)部中，結(jié)果在高拉應(yīng)力區(qū)域內(nèi)的纖維被拔出或拉斷時(shí)低拉應(yīng)力區(qū)域內(nèi)的纖維還未發(fā)揮出全部能量而造成材料的浪費(fèi)[5-6]。因此，根據(jù)水泥基材料構(gòu)件的受力情況，采取適宜的工藝使纖維主要分布在水泥基材料主要受拉區(qū)域，可以達(dá)到既保證其經(jīng)濟(jì)性又能充分發(fā)揮纖維增強(qiáng)增韌優(yōu)勢(shì)的目的。本文將鋼纖維分布在砂漿梁中和軸以下受拉區(qū)域內(nèi)，研究局部鋪設(shè)增韌鋼纖維砂漿的力學(xué)性能。

1 層布鋼纖維增強(qiáng)增韌方法

上下層布式鋼纖維混凝土是在澆注混凝土?xí)r，在距混凝土的上下表層約20mm的面內(nèi)人工均勻撒布一定體積率的鋼纖維。而中間仍為素混凝土的一種新型復(fù)合路面材料。這種結(jié)構(gòu)形式的混凝土避免了鋼纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，可以提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，彎拉強(qiáng)度，初裂強(qiáng)度，彎曲韌性，增強(qiáng)混凝土斷裂的薄弱環(huán)節(jié)。為了充分發(fā)揮鋼纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)增韌作用，纖維的抗拉強(qiáng)度必須要與混凝土基體強(qiáng)度相適應(yīng)，越高的基體強(qiáng)度則要求摻入越高抗拉強(qiáng)度的鋼纖維。這種結(jié)構(gòu)形式的混凝土性能與整體式鋼纖維混凝土力學(xué)性能相近，工程造價(jià)大幅降低，施工簡(jiǎn)便，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用前景[7]。

2 原材料與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)原材料

本實(shí)驗(yàn)所用水泥為海螺P·O 42.5水泥，各項(xiàng)指標(biāo)皆符合實(shí)驗(yàn)要求；水為清潔自來(lái)水；砂為河砂，細(xì)度模數(shù)為2.5，級(jí)配連續(xù)、良好；硅灰由Elken公司提供；外加劑是上?；ㄍ踺料抵懈咝p水劑；鋼纖維采用上海貝爾卡特生產(chǎn)的OL13/.20型鋼纖維，長(zhǎng)度：13mm；直徑：0.20mm；長(zhǎng)徑比：65；彈性模量：210GPa；抗拉強(qiáng)度：2600MPa；密度：7.8g/cm3。

2.2 試驗(yàn)方法

三組鋼纖維水泥砂漿水灰比分別為0.25、0.35和0.45， 膠砂比為0.667，硅灰摻量為膠凝材料總量的10%。鋼纖維局部摻入即把砂漿試塊在高度方向等分，將纖維摻加在下層砂漿中，其體積摻量從0.5%～2.0%，以0.5%為單位增加；同時(shí)，每組水膠比都會(huì)有一組素水泥砂漿作為對(duì)比控制組。鋼纖維砂漿試件采用機(jī)械拌和以及人工用鏟刀輔助拌和，以避免出現(xiàn)鋼纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。在成型局部摻入鋼纖維的砂漿試件時(shí)，試料分2次入模，同時(shí)攪拌2組砂漿，1組為不加纖維的素水泥砂漿，1組為同樣配合比但摻加鋼纖維的砂漿，攪拌均勻后，在試模底部約20mm厚的一層加入拌有鋼纖維的砂漿，上層摻入素水泥砂漿。鋼纖維砂漿試件的尺寸為40mm×40mm×160mm。成型完成后1天后脫模，放入養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行水養(yǎng)護(hù)28天，保證溫度控制在20℃左右，相對(duì)濕度控制在95%左右?？箯濏g性采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試設(shè)備為MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，控制模式為等位移加載，試驗(yàn)荷載由壓力傳感器測(cè)試，撓度由位于試件跨中的引伸計(jì)測(cè)定，試件齡期為28天，每組測(cè)定3個(gè)試件。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，測(cè)出用OL13/.20鋼纖維對(duì)砂漿進(jìn)行局部鋪設(shè)增韌的荷載-撓度曲線。由實(shí)驗(yàn)測(cè)出的荷載-撓度曲線，可以得出其極限抗彎荷載和鋼纖維砂漿荷載-撓度曲線在特定撓度下的面積，并進(jìn)一步計(jì)算出OL13/.20鋼纖維水泥砂漿在相應(yīng)的水膠比下不同體積摻量時(shí)的抗彎強(qiáng)度和韌性指數(shù)，見表1。

表1 鋼纖維水泥砂漿的力學(xué)性能

通過(guò)表 1 中的抗彎強(qiáng)度數(shù)據(jù)，可以很明顯的看出，0.25，0.35，0.45任意一組恒定水膠比下，抗彎強(qiáng)度隨著鋼纖維體積摻量的增加而增大。表1數(shù)據(jù)明確的說(shuō)明：雖然鋼纖維的分布方式改變了，鋼纖維數(shù)量在試件承載的過(guò)程中對(duì)于抗彎強(qiáng)度的提高仍然發(fā)揮重要作用。計(jì)算荷載-撓度曲線與坐標(biāo)軸之間在特定撓度0mm～2.89mm下包圍的面積，根據(jù)韌性指數(shù)與前者的比例關(guān)系換算出韌性指數(shù)用來(lái)評(píng)價(jià)鋼纖維砂漿的平均抗彎強(qiáng)度。在同一水膠比下，鋼纖維砂漿韌性指數(shù)隨體積摻量的增加而增大。對(duì)于水膠比0.25時(shí)，體積摻量從1.5%增大到2.0%時(shí)，韌性指數(shù)僅僅增加3.9%；水膠比0.45時(shí)，體積摻量從1.0%增大到1.5%時(shí)，韌性指數(shù)僅僅增加6.7%，這可能是纖維分布的不均勻性導(dǎo)致的。采用局部鋪設(shè)增韌時(shí)，由于纖維主要分布在砂漿梁中和軸以下（砂漿試件約一半厚度20mm下的底部），當(dāng)體積摻量每提升0.5%，纖維分布區(qū)域內(nèi)的相對(duì)體積摻量提高了1.0%，鋼纖維的數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)進(jìn)一步得到發(fā)揮。

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，可以說(shuō)明水膠比OL13/.20局部鋪設(shè)增韌鋼纖維砂漿力學(xué)性能的影響。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以很明顯的看出，整體上隨水膠比增大，其抗彎強(qiáng)度降低。但在體積摻量為0.5%時(shí)，0.35水膠比的OL13/.20局部鋪設(shè)增韌鋼纖維砂漿其抗彎強(qiáng)度是0.45水膠比的局部鋪設(shè)增韌鋼纖維砂漿抗彎強(qiáng)度的1.03倍；體積摻量為1.0%時(shí)，OL13/.20局部鋪設(shè)增韌鋼纖維砂漿在水膠比0.25和0.35下的抗彎強(qiáng)度持平，對(duì)此解釋為在低摻量下，單位橫截面的鋼纖維根數(shù)較少，其分布相對(duì)于高摻量的鋼纖維砂漿更不均勻，因而可能在荷載達(dá)到極限荷載之前裂縫的擴(kuò)展階段，斷裂面上的鋼纖維數(shù)量不足[8]。對(duì)于OL13/.20局部鋪設(shè)增韌鋼纖維砂漿韌性指數(shù)隨水膠比減小而增大，這與整體摻入鋼纖維時(shí)，水膠比對(duì)韌性指數(shù)的影響趨勢(shì)是相同的，所以在某些工程應(yīng)用中，如果要摻入鋼纖維來(lái)提高工程構(gòu)件的韌性，在控制鋼纖維體積摻量的前提下應(yīng)該優(yōu)先選擇水膠比較小的水泥基材料，所以可以在保證工程構(gòu)件達(dá)到質(zhì)量要求，同時(shí)又節(jié)約了成本。

4 結(jié)論

恒定水膠比下，局部鋪設(shè)鋼纖維砂漿抗彎強(qiáng)度隨著鋼纖維體積摻量的增加而增大；鋼纖維砂漿韌性指數(shù)隨體積摻量的增加而增大。采用局部鋪設(shè)增韌時(shí)，由于纖維主要分布在砂漿梁中和軸以下，當(dāng)體積摻量每提升0.5%，纖維分布區(qū)域內(nèi)的相對(duì)體積摻量提高了1.0%，鋼纖維的數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)進(jìn)一步得到發(fā)揮。局部鋪設(shè)增韌鋼纖維砂漿抗彎強(qiáng)度隨水膠比增大而降低；韌性指數(shù)隨水膠比增大而減小。

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［4］J.P.Romualdi，G.B.Batson.Mechanics of Crack Arrest in Concrete[J].Proceedings of the ASCEJ of Engineering Mechanics Division，1963，Vo1.89（3）：147-168.

［5］王佶，李成江，徐志紅，等.層布式鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度的影響因素分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，Vol.30（4）：283-287.

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［7］程澤和.層布式鋼纖維混凝土力學(xué)性能分析[J].國(guó)外建材科技，2005，Vol.26（6）：30-32.

［8］J.P.Romualdi.The Structure of Concrete，AE Brooks and K.Newman(eds)，Proc.Int.Conf[J].London：Cement and Concrete Association，1965：190-201.