多種纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料單軸抗拉性能對比研究

周小勇， 胡奇?zhèn)ィ?李　娜

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)， 湖北 武漢　430074；　2.文華學(xué)院, 湖北 武漢　430074)

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多種纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料單軸抗拉性能對比研究

周小勇1， 胡奇?zhèn)?， 李娜2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)， 湖北 武漢430074；2.文華學(xué)院, 湖北 武漢430074)

[摘要]采用相同水泥基配合比與不同纖維進(jìn)行纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料單軸抗拉實(shí)驗(yàn)。試件采用200 mm×50 mm×20 mm的長方體狀，用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比不同纖維條件下試件的開裂強(qiáng)度、延性、彈性模量、極限強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果表明：玄武巖纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的開裂強(qiáng)度較高，聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的延性、強(qiáng)度極限較高，聚丙烯增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的彈性模量較高。

[關(guān)鍵詞]多種纖維； 水泥基復(fù)合材料； 拉伸特性對比

0前言

采用纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的想法已經(jīng)經(jīng)歷了很長時(shí)間的發(fā)展，一方面，由于纖維的橋接作用，在水泥基體硬化收縮和自由水揮發(fā)時(shí)，能阻止微裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，從而提高了材料的抗?jié)B能力。另一方面，材料中纖維與水泥基能一起承受外荷載，當(dāng)基體產(chǎn)生初始裂縫后，橫跨裂縫的纖維就會起到橋聯(lián)的作用。常用工程纖維，有金屬纖維、有機(jī)纖維、無機(jī)纖維3大類。

近年來，各國學(xué)者在纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料上，有了較深入的研究。澳大利亞Shaikh Faiz Uddin Ahmed[1]等于2009年對鋼纖維和聚乙烯纖維(Polyvinyl Alcohol, PVA)增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了抗拉試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，水膠比為0.27、PE纖維體積摻量為2.0%的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，極限拉應(yīng)變最大為5.8%，其對應(yīng)抗拉強(qiáng)度為2.7 MPa；鋼纖維體積摻量為2.0%的鋼纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，極限抗拉強(qiáng)度最大可達(dá)到4.8 MPa，其對應(yīng)極限拉應(yīng)變?yōu)?%。

大連理工大學(xué)高淑玲[2]等于2007年采用4種不同纖維體積摻量(0、1%、1.5%與2%)的PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了拉伸性能研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維體積摻量為2%的PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的極限拉應(yīng)變達(dá)到0.7%。

清華大學(xué)公成旭[3]等于2008年對不同水灰比和粉煤灰摻量的6個(gè)配合比的PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了單軸拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)研究表明，砂膠比為0.66、PVA纖維體積摻量為1.7%、粉煤灰摻量比為0.4，當(dāng)水灰比為0.5時(shí)，極限拉應(yīng)變達(dá)到最大，為1.7%，此時(shí)極限抗拉強(qiáng)度為2.5 MPa。復(fù)合材料在單軸拉伸荷載下均能實(shí)現(xiàn)應(yīng)變硬化與多重開裂，最小和最大臨界裂紋寬度分別為26 μm和90 μm。

大連理工大學(xué)徐世烺[4]等于2009年通過國產(chǎn)原材料，采用改進(jìn)的直接拉伸試驗(yàn)方法進(jìn)行材料拉伸性能研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用國內(nèi)原材料研制的復(fù)合材料的極限拉應(yīng)變可穩(wěn)定達(dá)到3%以上，在拉伸過程中具有明顯的應(yīng)變-硬化特性，并具有良好的裂縫寬度控制能力。

綜上所述，前人在研究纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的特性上已做出的相關(guān)研究，但少有橫向比較各類纖維對水泥基的增強(qiáng)效應(yīng)。本文擬通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，比較同等摻量、相近長度條件下聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維(Basalt Fiber, BF)、玄武巖纖維(Polypropylene Fiber,PP)增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料在開裂強(qiáng)度、彈性模量、延性、極限強(qiáng)度這四個(gè)性能指標(biāo)的異同，并給出其相應(yīng)解釋。

1實(shí)驗(yàn)概況

1.1原材料

1.1.1纖維

① 聚乙烯醇纖維。試驗(yàn)采用日本可樂麗公司生產(chǎn)單根長度12 mm的REC15KURALON K-П新型聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol, PVA)纖維，聚乙烯醇纖維也稱維綸纖維，是以優(yōu)質(zhì)聚乙烯醇為原料，采用特定技術(shù)合成的纖維，具有強(qiáng)度高、耐磨、抗酸堿等特性，與水泥等基材具有良好的化學(xué)相容性。

② 玄武巖纖維。試驗(yàn)采用浙江石金玄武巖有限公司生產(chǎn)的單根長度12 mm的玄武巖(Basalt Fiber, BF)纖維(有關(guān)性能見表1)，由天然玄武巖礦石經(jīng)1450～1500 ℃高溫熔融后，通過鉑鍺合金拉絲漏板制成。外觀為金褐色。由于原料的天然性，因此，玄武巖纖維具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，且十分環(huán)保。

③ 聚丙烯纖維。試驗(yàn)采用南京派尼爾科技實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的單根8 mm的聚丙烯纖維(Polypropylene Fiber,PP)。PP具有較強(qiáng)的耐堿性，不受各種堿性基料水化產(chǎn)物的侵蝕；具良好的分散性，不團(tuán)結(jié)，不成束，保證了纖維在基料中的均勻分布；具有較高的韌性和強(qiáng)度。

各纖維有關(guān)性能參數(shù)見表1和圖1(圖中單位刻度為1 mm)。

表1 纖維性能指標(biāo)Table1 Propertiesoffiber纖維種類長度/mm直徑/μm長徑比抗拉強(qiáng)度/MPaPVA12180.671620BF12280.433000PP8350.23400伸長率/%抗拉彈性模量/GPa密度/(g·cm-3)7.0431.303.2902.464040.91

(a) PVA

(b) BF

(c) PP

圖1纖維圖片

Figure 1The image of fiber

1.1.2基材

基材的主要成分為水泥、砂、粉煤灰、水、減水劑。

水泥采用普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號42.5；二級粉煤灰，45 μm方孔篩余量在12%～25%；減水劑選用聚羧酸高性能減水劑(中交二航武漢港灣新材料有限公司生產(chǎn))；砂為標(biāo)準(zhǔn)砂，經(jīng)過篩分析實(shí)驗(yàn)得到，粒徑控制在200 μm左右；試驗(yàn)用水采用城市桶裝飲用水，符合《混凝土拌合水用水標(biāo)準(zhǔn)》。

1.1.3配比

試驗(yàn)用配合比為： 采用3種不同的配合比進(jìn)行初始試驗(yàn)，通過控制水泥與粉煤灰的比例來調(diào)整，基體材料配合比如下所示，采用PVA纖維進(jìn)行試驗(yàn)。

① 水膠比為： 0.39

② 水泥與粉煤灰的質(zhì)量比例分別為： 4.5∶5.5、4∶6、3∶7

③ 纖維的體摻量為：2%

在試驗(yàn)中每個(gè)配比對應(yīng)3塊試件。試件養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，記錄每組數(shù)據(jù)。在同一個(gè)配比的3個(gè)數(shù)據(jù)取性能居中的數(shù)據(jù)與其他組進(jìn)行對比，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Table2 Thetestresults編號基體開裂強(qiáng)度/MPa延性/%彈性模量/MPa強(qiáng)度極限/MPa55%FA2.473.3622033.3560%FA2.614.0420143.6470%FA2.046.5517003.20

由表2可知: 當(dāng)水泥和粉煤灰的質(zhì)量比例為3∶7(即70%FA，粉煤灰含量為70%)時(shí)，由于粉煤灰的含量相對較高，水泥基體強(qiáng)度較弱，采用PVA纖維的試件表面的多裂縫特征更加明顯，平均延性達(dá)到6.55%。因此采用水泥與粉煤灰的質(zhì)量比例3∶7，水膠比為0.39和纖維體摻量2%這一較優(yōu)配比進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)，比較3種纖維水泥基復(fù)合材料性能的異同。

1.2試件成型和養(yǎng)護(hù)

試件的攪拌均采用Model JJ-5型攪拌機(jī)。具體過程如下：

① 制備水泥基體。按照已經(jīng)確定的配比，稱量好各部分材料，做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。將水泥、粉煤灰和細(xì)砂緩慢加入攪拌鍋中，采用慢速干拌2 min，加入稱量好的水，勻速加入攪拌鍋。再緩緩加入減水劑，并持續(xù)攪拌3～5 min，得到均質(zhì)的流動基體。

② 添加纖維。加入過程要緩慢，防止纖維出現(xiàn)成團(tuán)聚集的現(xiàn)象，影響試件性能。待纖維完全加入基體后，加快攪拌速度，攪拌4～6 min。

③ 澆筑振搗和養(yǎng)護(hù)。試件模具采用專門定制的有機(jī)玻璃器具，澆筑前先在模具中噴灑脫模劑，再將已制備好的纖維混凝土放到模具中，然后再進(jìn)行振搗，密實(shí)。盡量保證混凝土表面平整，防止夾持過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。再放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)(溫度(20±1)℃，濕度大于等于95%)，養(yǎng)護(hù)24 h后拆模。放入水中(溫度(20±1)℃)養(yǎng)護(hù)至7 d齡期，取出試件編號后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)(見圖2)。

1.3拉伸試驗(yàn)過程

拉伸試驗(yàn)所用儀器采用美國MTS萬能試驗(yàn)機(jī)，采用0.1 mm/min的加載速度進(jìn)行加載。在試件放入萬能試驗(yàn)機(jī)時(shí)，在試件不光滑端放入塑料板，并調(diào)節(jié)試驗(yàn)機(jī)夾具的初始加持力，防止試驗(yàn)機(jī)夾持力過大,引起試件的局部斷裂，影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)。圖3為試件單軸拉伸試驗(yàn)過程。

圖2　試件Figure 2　Specimen

圖3　單軸抗拉實(shí)驗(yàn)過程Figure 3　Uniaxial tensile experiment process

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試件經(jīng)過7 d的養(yǎng)護(hù)，進(jìn)行單軸抗拉試驗(yàn)。對數(shù)據(jù)整理后得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖4與圖5所示。

2.1.1PVA纖維水泥基復(fù)合材料試驗(yàn)結(jié)果

PVA對應(yīng)的試件7 d單軸抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，如圖4(a)所示。

根據(jù)纖維增韌效應(yīng)和裂縫開展模式，試件自開始受力至最終破壞，過程大致可以分為三個(gè)階段：

第一階段： 線彈性階段。該區(qū)段內(nèi)水泥基體與PVA纖維一起承受外部荷載(荷載主要由基體承擔(dān))，材料變形服從胡克定律，屬于線彈性變形。當(dāng)位移達(dá)到該區(qū)段的最大的時(shí)候，基體開裂，出現(xiàn)初裂縫。

第二階段： 應(yīng)變硬化階段。當(dāng)基體開裂，出現(xiàn)第一條裂縫后，荷載由基體傳遞到纖維，由于纖維的橋聯(lián)作用，再由纖維把力再傳遞到為未開裂的基體上，引起新裂縫的產(chǎn)生。由此反復(fù)，使得試件加載區(qū)間出現(xiàn)大量細(xì)密裂縫，基體裂縫寬度在90 μm左右(如圖5(a)所示，圖中單位刻度為90 μm)，荷載和位移都在增加，呈現(xiàn)應(yīng)變硬化的現(xiàn)象。

圖4　水泥基復(fù)合材料單軸抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線Figure 4　The stress-strain curve of fiber reinforced cementitious composite under uniaxial tensile

(a) PVA

(b) PP

(c) BF

圖5試件破壞主裂縫

Figure 5The main cracks of specimen

第三階段： 軟化階段。隨著位移的增加，試件內(nèi)的應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)位移達(dá)到一定程度后，基體不再產(chǎn)生新的裂縫，沿試件內(nèi)最薄弱的一條裂縫擴(kuò)展，試件承載力急劇下降，直至試件完全破壞。

2.1.2聚丙烯纖維水泥基復(fù)合材料試驗(yàn)結(jié)果

PP纖維試件7 d單軸抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，如圖4(b)所示。

第一階段： 線彈性階段。該區(qū)段內(nèi)水泥基體與PP一起承受外部荷載(荷載主要基體承擔(dān))，材料變形服從胡克定律，屬于線彈性變形。當(dāng)試件位移達(dá)到荷載最大時(shí)，基體開裂，出現(xiàn)初始裂縫。

第二階段： 軟化階段。隨著試件表面單裂縫的擴(kuò)展，水泥基體承擔(dān)荷載的比例不斷降低，纖維承擔(dān)的荷載比例不斷增長。當(dāng)試件兩端位移的繼續(xù)增大，單裂縫不斷擴(kuò)展，纖維承擔(dān)的荷載越來越大直到完全由纖維承擔(dān)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線也逐漸趨于平緩。

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維的延性達(dá)到1%以上的時(shí)候，基體的裂縫寬度達(dá)到1 mm(如圖5(b)所示，圖中單位刻度為90 μm)，如果繼續(xù)加載，由于纖維自身彈性模量較大，基體裂縫將進(jìn)一步的擴(kuò)大。當(dāng)基體完全斷裂后纖維仍未斷開，PP纖維承擔(dān)全部荷載，說明纖維自身延性較好。因此，在本次試驗(yàn)中，當(dāng)基體的裂縫超過1 mm的時(shí)候，即認(rèn)為纖維混凝土完全破壞。

2.1.3玄武巖纖維水泥基復(fù)合材料試驗(yàn)結(jié)果

BF纖維水泥基復(fù)合材料7 d單軸抗拉應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，如圖4(c)所示。

第一階段： BF纖維水泥基復(fù)合材料試件的荷載隨著位移的增加逐漸增大，直到試件開裂前，呈現(xiàn)出線彈性變形的特征。

第二階段： 開裂后，試件的強(qiáng)度很快降低，達(dá)到完全破壞。

玄武巖纖維起到的作用相對于其他2種纖維并不明顯，并未出現(xiàn)應(yīng)變硬化的現(xiàn)象。圖5(c)為玄武巖纖維水泥基復(fù)合材料最終破壞時(shí)出現(xiàn)主裂縫(圖中單位刻度為90 μm)。由于玄武巖纖維在攪拌過程中，易成團(tuán)，不易分散，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果離散性很大。圖6 (c)中可以看到試件表面只能看到較少的纖維出露。因此4塊玄武巖纖維水泥基復(fù)合材料試件的抗拉實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異性較大。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)對比分析中，將剔除不理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，再取其平均值與其他兩種纖維水泥基復(fù)合材料對比。

(a) PVA

(b) PP(c) BF

圖6試件主斷裂截面圖

Figure 6The main fault section specimen

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PVA、BF、PP共3種纖維對于水泥基體的抗拉性能具有明顯的改善效果。本文通過對比彈性模量、開裂強(qiáng)度、強(qiáng)度極限、延性來評價(jià)3種纖維對水泥基的抗拉性能的改善效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析整理，剔除每組實(shí)驗(yàn)中非正常值，再取其平均值，得到圖7中應(yīng)力-應(yīng)變曲線和表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖7　單軸抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比Figure 7　Uniaxial tensile stress-strain curve comparison

表3 3種纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的參數(shù)對比Table3 Comparisonofthreekindsoffiberreinforcedcon-creteparameters編號基體開裂強(qiáng)度/MPa延性/%彈性模量/MPa強(qiáng)度極限/MPaPVA1.956.5517003.07PP0.491.0091510.49BF2.580.4423942.95

從開裂強(qiáng)度的角度來看，F(xiàn)BF=2.58 MPa>FPVA=1.95 MPa>FPP=0.49 MPa。其中，PVA纖維試件的開裂強(qiáng)度為由彈性階段轉(zhuǎn)入塑形階段的分界點(diǎn)；BF纖維試件和PP纖維試件的開裂強(qiáng)度為試件彈性階段與軟化階段的分界點(diǎn)。

從極限強(qiáng)度的角度來看，fPVA=3.07 MPa>fBF=2.95 MPa>fPP=0.49 MPa。PVA纖維試件與BF纖維試件的極限強(qiáng)度較大，2種材料的極限承載力較強(qiáng)。從圖7的對比中可以看出: PVA纖維試件的強(qiáng)度極限較高在于PVA纖維水泥基復(fù)合材料的塑形性能較好和PVA纖維較高的抗拉強(qiáng)度。基體開裂后，由于纖維的橋聯(lián)作用以及PVA較高的抗拉強(qiáng)度f=1620 MPa，基體表面不斷出現(xiàn)新的裂縫，通過開裂不段消耗能量，充分發(fā)揮了PVA的高抗拉特性。盡管BF也具有較高的抗拉強(qiáng)度f=3000 MPa，BF纖維混凝土自身初始開裂強(qiáng)度較高，單裂縫擴(kuò)展的過程中當(dāng)橋聯(lián)纖維斷裂后試件進(jìn)入軟化階段，導(dǎo)致BF纖維試件極限強(qiáng)度較PVA纖維試件低。PP纖維試件開裂強(qiáng)度較低，纖維自身抗拉強(qiáng)度f=400 MPa，因此PP纖維試件的極限強(qiáng)度最低。

從延性的角度看，εPVA=6.55%>εPP=1%>εBF=0.44%。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，由于PVA纖維試件具有應(yīng)變硬化和多裂縫開展的特征，試件極限拉伸應(yīng)變較大，具有良好的延性。而BF纖維試件與PP纖維試件的延性增加是由基體開裂的單裂縫不斷擴(kuò)展形成的，隨著單裂縫的寬度與深度不斷擴(kuò)展，試件很快出現(xiàn)破壞。

3結(jié)論

① 通過3種初始配比進(jìn)行試驗(yàn)表明：當(dāng)基體中水泥與粉煤灰的質(zhì)量比為3∶7時(shí)，PVA纖維試件表面的多裂縫特征更加明顯，延性較大，平均延性達(dá)到6.55%；

② 通過單軸拉伸試驗(yàn)比較了PVA纖維、BF纖維、PP纖維對水泥基體的增強(qiáng)作用，發(fā)現(xiàn)PVA增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的整體性能較好，具有明顯的應(yīng)變硬化和多裂縫開展的特征，其延性與強(qiáng)度極限優(yōu)于其他兩種纖維。玄武巖纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的開裂強(qiáng)度較高，聚丙烯增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的彈性模量較高。

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The Comparative Study of Various Fiber Reinforced Cementitious Composite Based on Uniaxial Tensile Properties

ZHOU Xiaoyong1, HU Qiwei1, LI Na2

(1.China University of Geoscience, Wuhan, Hubei 430074, China;2.Wenhua College ,Wuhan,Hubei 430074, China)

[Abstract]Under the condition of the same cement mixing ratio and different fiber content, the fiber reinforced cementitious composite worked through uniaxial tensile text. The test specimen size was a cuboid, 200 mm×50 mm×20 mm. The tensile test was performed by a universal test machine. With the help of the experimental data, researchers compared the cracking strength, ductility, elastic modulus, ultimate strength of the specimen under different fiber content. Then got the conclusion that the cracking strength of basalt fiber reinforced cementitious composite is higher, the ductility and ultimate strength of polyvinyl alcohol fiber reinforced cementitious composite is better, the polypropylene fiber reinforced cementitious composite perform better in modulus of elasticity.

[Key words]various fiber; fiber reinforced cementitious composite; tensile properties comparison

[收稿日期]2015-02-02

[基金項(xiàng)目]湖北省面上基金(2013CFB187)

[作者簡介]周小勇(1978-)，男，湖南衡陽人，博士，講師，主要研究方向：高性能復(fù)合材料及其工程應(yīng)用，工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析。

[中圖分類號]TU 528; U 414.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)03-0089-06