超韌水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)研究

趙剛 李暾

（1中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100088；2中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075）

0 引言

普通混凝土由于其原材料分布廣、成本低、抗壓強(qiáng)度高、拌合物具有一定的可塑性等優(yōu)點(diǎn)，使其成為一種用途最廣、而且非常重要的工程材料。但是，混凝土固有的脆性、受荷后容易開(kāi)裂等缺點(diǎn)限制了它的進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用。在水泥基材中添加長(zhǎng)徑比適宜、均勻分布的纖維是增強(qiáng)韌性，控制裂縫發(fā)展的有效方法。

目前的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料主要有兩類，但是都有其自身的缺陷。11 Fiber Reinforced Cementitious Composites，簡(jiǎn)記為FRC。雖然能夠改變混凝土的脆性，但是其纖維摻量過(guò)高，需要高頻振動(dòng)才能密實(shí)，施工工藝復(fù)雜，限制其推廣應(yīng)用；22 Engineered Cementitious Composites，簡(jiǎn)記為ECC，雖然具有優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的耐久性，但是其力學(xué)性能不穩(wěn)定，而且ECC所用的纖維為國(guó)外生產(chǎn)，使得ECC造價(jià)偏高，不適合工程的大量應(yīng)用。因此，研發(fā)一種低摻量、價(jià)格低廉的國(guó)產(chǎn)纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料很有必要。

1 原材料選擇

1.1 基體材料的選擇

水泥：冀東牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。

粉煤灰：采用Ⅱ級(jí)粉煤灰，比表面積為655m2/kg，密度為2.43g/m3。

石英砂：采用70～140目石英砂。

水：西安市生活飲用水。

外加劑：增稠劑、減水劑。

1.2 纖維的選擇

一般情況下，超韌水泥基復(fù)合材料在纖維的選取上要符合下列要求：

1）高抗拉強(qiáng)度。纖維的抗拉強(qiáng)度至少要為基材的100倍以上；

2）高楊氏模量。纖維的楊氏模量比基材大的越多，則在荷載的作用下纖維發(fā)揮的作用越大；

3）高變形能力。纖維的極限延伸率需比基材高10倍以上，但是也不能高太多，否則會(huì)造成纖維過(guò)早從基材中脫離，纖維的作用未能完全發(fā)揮；

4）低泊松比。纖維的泊松比應(yīng)小于0.40；

5）高粘結(jié)強(qiáng)度?；呐c纖維的界面粘結(jié)強(qiáng)度需超過(guò)1MPa；

6）適宜的長(zhǎng)徑比。纖維摻入基體中要起到明顯的增韌效果需其長(zhǎng)度與直徑的比大于臨界值；

7）纖維體積摻量確定。纖維在基材中的摻量需滿足下例兩個(gè)條件

其中：Efc—復(fù)合材料的楊氏模量；

εu m—水泥基材的極限應(yīng)變值；

σu f—纖維的抗拉強(qiáng)度；

Vf—纖維的體積率；

Vm—水泥基材的體積率；

σu m—水泥基材的抗拉強(qiáng)度；

因此，試驗(yàn)選取的纖維參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 纖維材料性能

2 攪拌工藝

攪拌工藝直接影響纖維在基體中的分散性，進(jìn)而影響到纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能，本文通過(guò)對(duì)比幾種不同的攪拌工藝，最后確定如下工藝為最優(yōu)攪拌方法。設(shè)置到手動(dòng)攪拌，開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)干拌5分鐘，等其混合均勻后加水濕拌5分鐘，接著將纖維和外加劑均勻的添加到攪拌鍋中，攪拌5分鐘后將葉片和鍋壁上的漿體刮入料斗內(nèi)繼續(xù)攪拌10分鐘，使其攪拌均勻。

3 流動(dòng)度測(cè)試

流動(dòng)度是衡量水泥基材料和易性、流動(dòng)性的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)水灰比不變時(shí)，其值的大小取決于水泥的質(zhì)量、細(xì)度等特性，也就是說(shuō)水泥的水化需水量越大，則剩余用于保證流動(dòng)性的水量就越少，流動(dòng)度就越低。流動(dòng)度用水泥基材料在流動(dòng)桌上鋪開(kāi)的正交兩個(gè)方向的平均直徑（mm）表示，是控制水泥基復(fù)合材料性能的一種簡(jiǎn)單而實(shí)用的指數(shù)。本實(shí)驗(yàn)測(cè)試的纖維摻量分別為1.6%、2%、2.3%的聚丙烯纖維增水泥基復(fù)合材料流動(dòng)度分別190mm、180mm、165mm，而且粘聚性和保水性均順次降低。這可以用沈榮熹及Krenchel等人總結(jié)的纖維在單位體積中的根數(shù)N、表面積FSS及纖維的平均間距之間的相互作用解釋，公式如下：

式中：

N—單位體積中纖維的根數(shù)；

lf—每根纖維長(zhǎng)度（mm）；

Vf—纖維體積率；

Af—每根纖維的橫截面；

FSS—單位體積復(fù)合材料中纖維的表面積；

df—纖維的直徑；

S—纖維平均中心間距。

這是由于纖維的無(wú)序分布，形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將水泥漿體包裹在其中，限制了漿體流動(dòng)進(jìn)而影響其整體的流動(dòng)性。同時(shí)，纖維加入的越多，單位體積中纖維的根數(shù)就越多、比表面積也就越大，需包裹纖維表面所用的水泥漿就要越多，因此，隨著纖維摻入基體中數(shù)量的增加，其流動(dòng)度逐漸降低的。因此，纖維的摻量必須控制在界限摻量范圍之內(nèi)。

4 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

采用立方體試件，每組3個(gè)試件，試件各邊長(zhǎng)均為70.7mm。立方體抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

式中：fm cu,—立方體試件抗壓強(qiáng)度（MPa）；

Nu—破壞荷載（KN）；

A—承壓面積（mm2）。

表2 抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

圖1 抗壓破壞形態(tài)對(duì)比

圖1左側(cè)為普通混凝土抗壓破壞形態(tài)，右側(cè)為聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料抗壓破壞形態(tài)。由圖可以看出，普通混凝土試件在達(dá)到峰值荷載后，先出現(xiàn)細(xì)小裂縫，逐步擴(kuò)大，最后破裂，響聲很大，呈脆性破壞。聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料在荷載達(dá)到峰值荷載時(shí)，沒(méi)有明顯的裂縫，然而在繼續(xù)加載后，由于纖維的作用，變形繼續(xù)增加，施加的外部荷載能夠保持在某一數(shù)值而不是突然下降，同時(shí)在荷載施加的過(guò)程中會(huì)發(fā)出吱吱的被壓碎的聲音，最后多條裂縫逐漸變寬，承載能力下降。同時(shí)，聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓曲線有完整的上升段和下降段，而普通混凝土卻沒(méi)有測(cè)試出下降段，主要是因?yàn)樵囼?yàn)機(jī)的剛度不足，在普通混凝土達(dá)到最大荷載破壞后，試驗(yàn)機(jī)的支撐鋼柱突然回縮將試塊壓壞，因此測(cè)試不出混凝土的下降段，但是聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料達(dá)到最大荷載后，出現(xiàn)細(xì)小裂縫并逐步擴(kuò)大，但跨越裂縫的纖維能夠阻止其一直開(kāi)裂，而且在其相鄰的薄弱地方出現(xiàn)新的裂縫，繼續(xù)承受荷載，包括支撐鋼柱突然回縮的荷載，因此，聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料能夠在普通的試驗(yàn)機(jī)上測(cè)出完整的荷載-歷程曲線。

5 抗彎性能測(cè)試

試驗(yàn)選用薄板進(jìn)行抗彎試驗(yàn)，薄板尺寸為400mm×100mm×15mm，試驗(yàn)一共制作兩組試件，第一組為聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，纖維體積率分別為1.6%、2%、2.3%，第二組為玄武巖纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，纖維體積率分別為1.6%、2%、2.3%。

1）抗彎性能測(cè)試試件加載（示意見(jiàn)圖2）。

2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由上圖可以看出，纖維體積率為1.6%、2.0%、2.3%的玄武巖纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的的撓度分別為8.1mm、8.6mm、9.2mm。纖維體積率為1.6%、2.0%、2.3%的聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的的撓度分別為29.2mm、35.6mm、31.2mm。這是由于當(dāng)纖維的體積率在界限體積率范圍內(nèi)時(shí)，隨著纖維摻量的提高，纖維橋聯(lián)作用就越充分，基體材料出現(xiàn)裂縫后，荷載由基材轉(zhuǎn)為橫跨裂縫的纖維承受，與裂縫相交的纖維越多，纖維所發(fā)揮的拉拔力越大，基體的裂縫開(kāi)展就會(huì)被抑制，而在其相鄰處開(kāi)裂，即“多縫開(kāi)裂”。由于“多縫開(kāi)裂”的形成，復(fù)合材料的抗彎韌性就會(huì)大大的提高。但是聚丙烯纖維的增韌效果要比玄武巖纖維好，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所用玄武巖纖維為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的某廠纖維，雖然經(jīng)過(guò)特殊處理，但是纖維仍是束狀，當(dāng)纖維加入到水泥基體材料中后，攪拌過(guò)程中并不能把呈束的纖維分散為單絲狀，這對(duì)試件硬化后的各項(xiàng)力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。而本實(shí)驗(yàn)中所用的國(guó)內(nèi)某型號(hào)的聚丙烯纖維表面經(jīng)過(guò)了特殊處理，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)特殊處理的聚丙烯纖維其分散性及與水泥基之間的粘結(jié)性能夠完全滿足配制超高韌性水泥基復(fù)合材料的要求，并且其合理的纖維體積配筋率為2%。

圖2 四點(diǎn)抗彎加載實(shí)驗(yàn)

圖3 四點(diǎn)抗彎實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3）超韌水泥基復(fù)合材料多縫開(kāi)裂模型

與普通混凝土一裂即斷的破壞形態(tài)相比，超韌水泥基復(fù)合材料表現(xiàn)出超高的韌性。大概可以分為四個(gè)階段：1）彈性階段：此范圍內(nèi)纖維與基體共同承受荷載，但前者承力的比例顯著低于后者，當(dāng)基體材料出現(xiàn)第一條裂縫時(shí)此階段結(jié)束，這時(shí)應(yīng)力達(dá)到開(kāi)裂強(qiáng)度點(diǎn)；2）多縫開(kāi)裂及開(kāi)展階段：第一條裂縫出現(xiàn)后，由于纖維的橋梁作用，基體材料將應(yīng)力傳遞給纖維，纖維承力后再由纖維將應(yīng)力傳遞給相鄰未開(kāi)裂的基體，纖維與基體間應(yīng)力的往復(fù)傳遞使得試件產(chǎn)生大量的細(xì)密裂縫，位移和荷載都能持續(xù)增加，當(dāng)基體中不再有新的裂縫出現(xiàn)時(shí)，該范圍結(jié)束；3）裂縫開(kāi)展階段：新的裂縫不會(huì)在此階段出現(xiàn)，在荷載基本不變的情況下細(xì)密裂縫逐步開(kāi)展，因而試件的跨中撓度繼續(xù)增大，表現(xiàn)出很高的韌性，試件從某一最薄弱裂縫處迅速開(kāi)始破壞時(shí)此階段結(jié)束。4）局部破壞階段：這時(shí)最薄弱處的裂縫迅速開(kāi)展，承載力急劇下降，試件破裂面上纖維大多拔出，此階段結(jié)束，試件破壞。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)國(guó)產(chǎn)原材料成功研制出了四點(diǎn)抗彎撓度達(dá)35.6mm的超高韌性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，大大降低了超韌水泥基復(fù)合材料的造價(jià)，其大量推廣應(yīng)用后具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義。