纖維長度對高性能砂漿力學(xué)性能的影響研究

劉一翔

（中鐵十六局集團(tuán)置業(yè)投資有限公司 北京 101400）

1 引言

傳統(tǒng)的水泥基材料具有抗壓性能好的優(yōu)點，同時具有明顯的脆性特征，抗拉性能、韌性及抗裂性能較差，在實際應(yīng)用中時常會因上述缺陷導(dǎo)致構(gòu)件甚至結(jié)構(gòu)性能降低。為了改善普通水泥基材料上述性能缺陷，國內(nèi)外學(xué)者嘗試在水泥基材中摻入纖維（如耐堿玻璃纖維、聚丙烯纖維等）以達(dá)到增強、增韌及阻裂的目的。

早在20世紀(jì)70年代國外就有學(xué)者開始將纖維材料用于水泥基材料增強，并發(fā)現(xiàn)在水泥基材中摻入纖維能有效控制早期收縮裂縫，顯著改善混凝土的耐久性，有些高彈模纖維的加入對混凝土還有增強增韌效果［1-3］。此外，水泥基中摻入適量纖維，還可以提高增強筋與基體的粘結(jié)力。Kim［4］通過FRP筋增強纖維混凝土的拉拔試驗得到了FRP筋與纖維混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力-滑移關(guān)系曲線。結(jié)果表明，摻加耐堿玻璃纖維可以增強FRP筋與基體的粘結(jié)力，而且這一增強效果受纖維體積摻量的影響較小。Jess［5］對耐堿玻璃纖維與增強混凝土之間粘結(jié)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)纖維單絲之間的粘結(jié)被改善后，纖維束所需要的應(yīng)力傳遞長度也隨之減小，因而能有效提高混凝土基體與增強筋的粘結(jié)性能。為改善纖維增強水泥基材料的抗凍性和工作性能，Takeuchi［6］等通過在纖維混凝土中摻加引氣劑、防水劑等改善纖維混凝土的抗凍融性及流動性。這表明，采用纖維來增強水泥基材料并改善其性能，已成為未來高性能水泥基材料發(fā)展的重要方向之一。

在國內(nèi)，用纖維來改善混凝土性能也一直備受關(guān)注，有很多學(xué)者針對纖維增強混凝土材料的強度、抗裂性、耐久性及抗火性能等進(jìn)行了一系列的研究。在纖維增強水泥基材料強度方面，傅翔［7］等在永久模板中加入了耐堿玻璃纖維增強了永久模板的抗折性能，并給出耐堿玻璃纖維的最優(yōu)摻量參考比例。高妮［8］等、李國忠［9］等分別對改性纖維增強混凝土的宏觀力學(xué)性能和微觀增強機理進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示改性纖維的加入改善了纖維與混凝土基體的界面性能，增強了混凝土的力學(xué)性能。

綜上所述，采用纖維增強水泥基材料的力學(xué)性能已有不少學(xué)者開展了相關(guān)研究，但這些研究關(guān)注點大都在纖維摻量和基體不同力學(xué)性能的影響，對于纖維長度對水泥基力學(xué)性能影響的研究還不夠全面，特別是纖維長度對高性能砂漿（砂漿抗壓強度可達(dá)30～50 MPa）力學(xué)性能的影響。為此，與某大學(xué)實驗室聯(lián)合實驗，取得相關(guān)數(shù)據(jù)，針對耐堿玻璃纖維長度對高性能砂漿力學(xué)性能的影響開展相關(guān)研究。

2 試驗設(shè)計及試件制作

2．1 原材料

（1）高性能砂漿基體

試驗配制的高性能砂漿基體（也可稱為細(xì)骨料混凝土）原材料主要包括普通硅酸鹽水泥、普通河砂、高性能萘系減水劑及自來水。高性能砂漿配合比為水泥∶砂∶水∶減水劑 ＝1∶1.6∶0.42∶0.018，以水泥質(zhì)量比計。

（2）耐堿玻璃纖維

耐堿玻璃纖維是常用的水泥基增強材料，它的優(yōu)點在于耐堿、抗腐蝕、抗沖擊等，性能良好且具有較好的可設(shè)計性，是替代石棉和鋼質(zhì)纖維的絕佳材料［10-12］。為探討纖維長度對高性能砂漿力學(xué)性能的影響，本試驗選用長度分別為6 mm和12 mm的耐堿玻璃纖維作為砂漿增強材料。耐堿玻璃纖維外觀為白色束狀，其中12 mm長的玻璃纖維在自然狀態(tài)下的團(tuán)聚現(xiàn)象較6 mm長纖維更明顯，如圖1所示。此外，耐堿玻璃纖維在自然狀態(tài)下呈束狀，每一纖維束均由大量纖維單絲復(fù)合而成，表面經(jīng)過浸潤劑微處理，摻入時分散性更好。玻璃纖維的物理學(xué)性能見表1，單絲的抗拉強度大于2 500 MPa。

圖1 耐堿玻璃纖維外觀

表1 耐堿玻璃纖維物理力學(xué)性能

2．2 試件設(shè)計及制作

為研究不同長度的耐堿玻璃纖維對高性能砂漿基體力學(xué)性能的影響，試驗設(shè)計4組纖維總摻量為5%（參考文獻(xiàn)［13］建議的最優(yōu)質(zhì)量摻量）的不同長度耐堿玻璃纖維混摻高性能砂漿，分別進(jìn)行砂漿基體的抗壓、抗折及劈拉強度試驗。其中，抗壓和劈拉強度試驗的試件尺寸為70.7 mm立方體試塊，抗折強度試驗的試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體，每種工況各制作6個試件，按《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》［14］中規(guī)定的試驗方案進(jìn)行試驗。試件具體參數(shù)見表2，表中：“PC”代表不摻任何纖維的高性能砂漿材料；“GFiber”代表耐堿玻璃纖維增強；“-5”代表耐堿玻璃纖維的摻量為5%；“6+12”代表在總摻量為5%的情況下，6 mm和12 mm長度耐堿玻璃纖維各摻入2.5%。

表2 耐堿玻璃纖維增強高性能砂漿試件參數(shù)設(shè)計

2．3 試驗加載及量測

纖維增強高性能砂漿的抗壓、抗折、劈拉強度試驗結(jié)果按每組三個試件算術(shù)平均值確定。

抗壓試驗在萬能試驗機上進(jìn)行，試件上下對中后，連續(xù)均勻地加荷至試件破壞，記錄破壞時最大荷載，如圖2a所示。砂漿抗壓強度按式（1）計算，精確至0.1 MPa。

式中，fc為砂漿抗壓強度，單位為MPa；Fc為破壞時的最大荷載，單位為N；A為受壓部分面積，單位為mm2。

抗折強度試驗前，檢查試件外觀，確保試件沒有明顯缺陷。將試件的一個側(cè)面放在抗折試驗機支撐圓柱上，然后連續(xù)而均勻地加荷，直至試件破壞，記錄破壞荷載及破壞位置，如圖2b所示。砂漿抗折試驗強度按式（2）計算。

式中，f為砂漿抗折強度，單位為MPa；Ff為折斷時施加于棱柱體中部的荷載，單位為N；L為支撐圓柱之間的距離，為100 mm；b為棱柱體正方形截面的邊長，公稱尺寸為40 mm。

劈裂試驗試件尺寸與抗壓試件相同，采用帶有凸圓的特制加載裝置進(jìn)行，連續(xù)加荷至試件破壞，記錄破壞荷載，如圖2c所示。砂漿劈裂抗拉強度的計算見式（3）。

式中，ft為砂漿劈裂抗拉強度，單位為MPa；F為破壞荷載，單位為N；A為試件劈裂面積，單位為mm2。

圖2 基體強度試驗

3 試驗結(jié)果與分析

3．1 試驗現(xiàn)象及破壞形態(tài)

未摻纖維的高性能砂漿基體破壞表現(xiàn)出明顯的脆性特征，當(dāng)荷載達(dá)到試件極限承載力時，受壓破壞伴隨著“砰”地一聲悶響，側(cè)面大部分混凝土破壞剝落，試件失去繼續(xù)承載的能力，破壞沒有預(yù)兆，脆性明顯，試件破壞后裂開；摻入纖維的高性能砂漿基體破壞時脆性性能明顯改善，基體的開裂荷載顯著提高，達(dá)到極限承載力時基體有幾條裂縫，但不會裂開，而且摻入纖維長度越長，裂縫寬度越小且密集。圖3a給出了為摻入耐堿玻璃纖維的普通砂漿（PC）基體、摻入6 mm耐堿玻璃纖維增強砂漿基體以及摻入12 mm玻璃纖維增強砂漿基體的抗壓破壞對比圖。圖3b給出了采用不同長度耐堿玻璃纖維（分別為12 mm和6 mm）和未摻入纖維的砂漿基體抗折試驗破壞形態(tài)對比圖。由圖可看出未摻砂漿基體和摻入纖維的砂漿基體的抗折破壞形態(tài)有明顯的不同，未摻纖維的砂漿基體破壞時均裂為兩半，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞，而摻纖維的砂漿基體破壞時出現(xiàn)裂縫，但不會裂成兩半，脆性破壞有明顯地改善，而且隨著摻入纖維長度的增加，裂縫的寬度也會變得更密更細(xì)，裂縫發(fā)展得到有效控制。圖3c給出了各試件劈拉破壞時的破壞形態(tài)對比結(jié)果，由圖中可以看出，未摻纖維的砂漿基體明顯劈為兩半，且常伴有碎塊崩出；短切耐堿玻璃纖維摻入后，明顯改善了普通水泥基材的脆性破壞特征。需要說明的是，圖3的基體破壞圖中未給出混摻6 mm和12 mm耐堿玻璃纖維的砂漿基體破壞圖，主要因為混摻纖維增強砂漿基體的破壞形態(tài)與單摻12 mm耐堿玻纖增強時基本相同。

圖3 基體破壞形態(tài)

3．2 結(jié)果分析

表3給出了在不同長度耐堿玻璃纖維高性能砂漿基體與普通砂漿基體的抗壓、抗折和劈拉強度的試驗值（表中各數(shù)值為試件28 d強度的平均值）。由表中可看出，采用纖維增強后，砂漿基體的抗壓、抗折及劈拉強度均明顯提高。在保持纖維總摻量相同的情況下，纖維增強砂漿基體的抗壓、抗折和劈拉強度比未摻纖維時總體上分別提高35.4%、39.2%和43.2%。

表3 不同長度耐堿玻璃纖維增強高性能砂漿基體抗壓、抗折、劈拉強度

為進(jìn)一步明確不同耐堿玻纖長度對砂漿基體力學(xué)性能的影響，圖4給出了砂漿基體抗壓、抗折和劈拉強度隨摻入不同長度纖維的變化關(guān)系。從圖中可以看出，在保持纖維摻量為5%不變時，砂漿的抗壓、抗折和劈拉強度隨纖維長度的增長呈遞增趨勢。摻入6 mm纖維砂漿基體的抗壓、抗折、劈拉強度比未摻入纖維砂漿基體的抗壓強度分別增加約26.5%、36.7%、32.4%；摻入12 mm纖維砂漿基體的抗壓、抗折、劈拉強度提高最多，分別達(dá)到45.8 MPa、11.20 MPa和5.6 MPa，比未摻入纖維砂漿基體抗折、劈拉強度分別增加約44.5%、41.8%、51.4%。采用6 mm和12 mm混摻耐堿玻纖增強砂漿基體可提高增強效果，比6 mm耐堿玻纖單摻時的抗壓、抗折和劈拉強度提高約10%，而與12 mm耐堿玻纖單摻時的對應(yīng)強度值基本相當(dāng)。假定混雜效應(yīng)系數(shù)k＝f混／f單（f混為混摻時的基體強度；f單為單摻時的基體強度），則該系數(shù)基本大于1.0?？梢哉J(rèn)為，不同長度的纖維混雜后對砂漿力學(xué)性能的改善呈一定的正相關(guān)性。

圖4 不同長度纖維增強砂漿抗壓、抗折、劈拉強度變化規(guī)律

4 增強機理分析

在水泥基材料中摻入纖維，可明顯改善砂漿的力學(xué)性能。纖維在砂漿中主要有填充密實、橋聯(lián)搭接和握裹約束三種作用，使得砂漿的抗壓、抗折和劈拉強度均有不同程度地提高。在砂漿基體中摻入纖維后，由于纖維的填充作用，使得砂漿基體在受壓時更密實，而且由于纖維對其周圍的砂漿顆粒也有一定的握裹約束作用，使得砂漿基體在壓力作用下不易散開，抗壓強度明顯提高（本研究中提高幅度達(dá)30%）。砂漿基體中摻入纖維后使得其受拉邊緣的極限抗拉強度有所提高，基體的抗裂能力明顯增強；微裂縫產(chǎn)生后，由于基體中的纖維存在橋聯(lián)作用，因而抗拉能力有效提高，抗折和劈拉試驗時均呈現(xiàn)裂而不碎的延性特征，對應(yīng)的抗折和劈拉強度明顯提高（本試驗中纖維增強砂漿基體的抗折和劈拉強度比未摻時分別提高約40%和50%）。此外，纖維長度增加，砂漿基體的力學(xué)性能改善效果趨于明顯，這主要是長纖維的橋聯(lián)作用和整體約束握裹能力都比短纖維好，本文中12 mm耐堿玻纖增強砂漿基體的強度比6 mm玻纖增強時提高約10%?；鞊嚼w維的混雜效應(yīng)大約呈正相關(guān)性，這主要是因為不同尺寸的纖維可針對基體不同的損傷情況和裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行增強。

5 結(jié)論

在水泥基材料中摻入纖維，可明顯改善基材的砂漿力學(xué)性能，通過對比不同長度纖維增強高性能砂漿的試驗結(jié)果，有以下結(jié)論：

（1）基體中摻入纖維可以改善其脆性破壞的特征，其抗壓、抗折和劈拉強度也會有相應(yīng)地提高。采用5%的耐堿玻纖增強高性能砂漿后，其抗壓、抗折和劈拉強度比未摻纖維時總體上可提高40%左右。

（2）基體中摻入纖維時，砂漿的抗壓、抗折和劈拉強度隨纖維長度的增長呈遞增趨勢。摻入6 mm耐堿玻纖的砂漿基體抗壓、抗折、劈拉強度比未摻入纖維時分別增加約26.5%、36.7%和32.4%；摻入12 mm耐堿玻纖時，分別增加約44.5%、41.8%和51.4%。

（3）不同長度的纖維混雜后對砂漿力學(xué)性能的改善呈一定的正相關(guān)性。混摻6 mm與12 mm耐堿玻纖后，砂漿基體的力學(xué)性能比單摻6 mm玻纖時有明顯提高，與單摻12 mm玻纖時大致相當(dāng)，混雜效應(yīng)呈正相關(guān)。