不同纖維及摻量對硅酸鹽水泥膠砂強度的影響規(guī)律

陳曉峰， 顏 宏， 何曉宇， 謝 飛， 沈才華， 錢 晉

（1.浙江省交通規(guī)劃設計研究院，杭州 310012； 2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210024）

纖維混凝土作為一種有效增加混凝土強度、韌性的新型材料，逐漸被廣泛運用［1-6］. 目前纖維水泥基復合材料的的最新研究包括：聚合物水泥砂漿加固隧道襯砌［7］，硅灰增強混雜纖維水泥基灌漿料［8］，纖維編織網(wǎng)增強水泥基材料加固砌體［9］，聚酯纖維改性復合水泥基——水玻璃注漿材料［10］，硅粉和乳膠對纖維素纖維水泥基復合材料老化性能的影響［11］，混合秸稈纖維-水泥復合材料等等. 劉輝等（2014年）［12］研究了四類聚合物纖維（超高分子量聚乙烯（UPE）纖維、聚丙烯（PP）纖維、聚乙烯醇（PVA）纖維、聚丙烯腈（PAN）纖維），對水泥砂漿流動性及抗彎力學性能的影響規(guī)律. 鄭逢時等（2014年）［13］研究了硅烷偶聯(lián)劑KH570、聚乙烯醇和羥丙基纖維素三種表面活性劑對超高分子量聚乙烯UPE 纖維分散性及其砂漿力學性能的影響規(guī)律. 王慶（2019年）［14］梳理了近年來國內(nèi)不同材質纖維混雜改性UHPC 的研究成果，分析并總結其他材質的纖維（鋼纖維除外），如聚乙烯纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維或玄武巖纖維，對混凝土力學性能的影響規(guī)律. 趙晗等（2020年）［15］采用低溫水熱法在超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維表面成功制備了致密均勻的ZnO納米棒陣列，利用納米棒陣列與樹脂形成嚙合結構，有效增強了纖維和樹脂之間的界面結合強度. 王太位等（2020 年）［16］通過試驗分析了再生聚酯纖維、再生聚乙烯纖維及再生輪胎纖維對瀝青混凝土抗疲勞變形、水穩(wěn)定性等性能的影響規(guī)律. Yan Zhang 等（2019年）［17］利用不可逆塑性疲勞能的概念，對纖維砂漿的重復干濕循環(huán)性能進行了量化，重點研究了干濕循環(huán)條件下聚合物纖維砂漿試件的強度和應變. 在多尺度摻和料方面，魏華等（2020年）［18］研究了納米SiO2、納米CaCO3摻量與石英砂粒徑對于PVA水泥基復合材料性能的影響，張勤等（2020年）試驗分析了微米級碳酸鈣晶須對于短切耐堿玻璃纖維水泥基材料抗折和劈拉強度的影響，劉小艷等（2020年）［19］研究表明碳纖維水泥基復合材料的熱電性能受到碲化鉍摻入方式的影響.

可見，纖維在復合材料中起著延緩微裂縫擴展和跨越裂縫承受拉應力的作用，并阻止水分和有害介質的進入，因而使復合材料的抗拉強度、變形能力、斷裂能力和耐久性能得以顯著提高. 目前增強水泥基復合材料主要的纖維有金屬纖維（如鋼纖維）、無機纖維（如水鎂石等天然礦物纖維和抗堿玻璃纖維、碳纖維、氧化鋁纖維、碳化硅系列纖維等人造礦物纖維）、有機纖維（聚乙烯纖維，聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、尼龍纖維、聚酯纖維等合成纖維和天然植物纖維等）這三大類，有機纖維輕質、耐腐蝕、便宜，逐漸成為工程應用研究熱點.

由于纖維的增強機理影響因素眾多，纖維混凝土的設計理論還不是很成熟，不同纖維與混凝土協(xié)同作用效果很難通過理論進行預測，但這又是實際工程應用的依據(jù)，因此進行試驗研究，分析其規(guī)律，既可探究纖維加筋機理，也可給實際工程應用作指導. 為了避免骨料的不均勻性對試驗結果的影響，文章采用膠砂混凝土進行不同纖維摻入量的力學性質試驗研究，探究不同纖維類型，不同纖維長度，纖維體積摻量對硅酸鹽水泥膠砂的力學性能的影響規(guī)律，為纖維加筋混凝土的優(yōu)化設計做參考.

1 試樣制作及力學試驗方案

1.1 試驗的制作

水泥為中國水泥廠有限公司生產(chǎn)的“海螺牌”P.O42.5普通硅酸鹽水泥，具體參數(shù)如表1所示.

表1 “海螺牌”P.O42.5水泥成分信息表Tab.1 The information of P.O42.5 cement composition

膠砂試樣所用的骨料為標準砂，標準砂為中國艾思歐標準砂有限公司生產(chǎn)，其顆粒分布在表2 規(guī)定范圍內(nèi).

表2 艾思歐標準砂顆粒分布信息表Tab.2 The imformation of ISO standard sand particle distribution

不同纖維的外觀見圖1. 其中聚乙烯醇PVA纖維為常州天怡工程纖維公司生產(chǎn). 具體參數(shù)如表3所示.

聚丙烯PP纖維為常州天怡工程纖維公司生產(chǎn)，具體參數(shù)如表4所示.

超高分子量聚乙烯UPE為湖南中泰特種裝備有限責任公司生產(chǎn)，具體參數(shù)如表5所示.

表3 PVA纖維力學參數(shù)性能信息表Tab.3 PVA fiber performance parameters

表4 PP纖維力學性能信息表Tab.4 PP fiber performance parameters

表5 UPE纖維力學性能信息表Tab.5 UPE fiber performance parameters

圖1 不同纖維的外觀圖片F(xiàn)ig.1 The appearance of different fibers

水為南京地區(qū)自來水.

減水劑為HPWR高性能減水劑，減水率26%，泌水率45%，含氣量2.5%.

1.2 試驗方案

根據(jù)《GB/T 17671—1999水泥膠砂強度檢驗方法》規(guī)定，稱取質量450 g硅酸鹽水泥，1350 g標準砂，225 g水，以及相應體積分數(shù)的纖維的質量，用量剛好為一鍋膠砂三塊棱柱體試塊. 聚乙烯醇纖維PVA、超高分子量聚乙烯纖維UPE、聚丙烯纖維PP，三種纖維的體積摻入量分別為0.05%、0.1%、0.2%、0.4%，長度分別為6、12、18 mm，分別進行抗壓強度、抗折強度變化規(guī)律的試驗研究，并分析抗折比的變化規(guī)律. 抗壓抗折試驗一體機采用江蘇卓恒測控技術有限公司生產(chǎn)的HG-YH300BD 微機電液伺服壓力試驗機（圖2），提供最大試壓壓力300 kN，最大抗折試驗力20 kN.

圖2 HG-YH300BD微機電液伺服壓力試驗機Fig.2 Compression-testing machine HG-YH300BD

圖3 水泥行星式攪拌機Fig.3 Cement mixer

采用水泥行星式攪拌機（見圖3）進行攪拌制樣，制樣步驟如下：①將稱量好的纖維均勻分散在水中；②鍋中加水、水泥低速攪拌30 s 后，均勻地將砂子一次性加入，調(diào)至高速檔位再拌30 s；③靜置90 s，用膠皮刮具將葉片和鍋壁上的膠砂，刮入鍋中，再繼續(xù)高速攪拌60 s；④將攪拌好的全部膠砂用刮具均勻地填裝在模具中，開動振動臺，振動2 min，表明處理后將制樣放入23 ℃恒溫95%恒濕的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d.

2 不同纖維不同摻入量時膠砂混凝土抗壓抗折試驗破壞模式分析

從圖4，圖6，圖8中看出：折斷后的膠砂試塊主裂紋從底部斷面延伸的長度和寬度均隨著纖維摻量增加而減小. 將折斷后的膠砂試塊掰成兩塊依據(jù)《GB/T 17671—1999水泥膠砂強度檢驗方法》相關規(guī)定進行抗壓試驗.

從圖5，圖7，圖9中看出：膠砂試塊抗壓失效后裂紋數(shù)量隨著纖維增加而減少，高纖維摻量的試塊破壞后完整性好，幾乎不出現(xiàn)碎塊和剝落. 從摻加纖維的類型分析，添加UPE 纖維膠砂試塊的完整度明顯大于PP纖維和PVA纖維，因此添加UPE纖維較其他兩種纖維更能有利于抑制硅酸鹽水泥產(chǎn)生裂紋.

圖4 PP纖維膠砂折后裂紋圖（左至右纖維長度分別為6，12，18 mm）Fig.4 The fracture failure of PP fiber cement mortars（the fiber length from left to right is 6，12，18 mm respectively）

圖5 PP纖維膠砂壓后裂紋圖（左至右纖維長度分別為6，12，18 mm）Fig.5 The compression failure of PP fiber cement mortars（the fiber length from left to right is 6，12，18 mm respectively）

圖6 PVA纖維膠砂折后裂紋圖（左至右纖維長度分別為6，12，18 mm）Fig.6 The fracture failure of PVA fiber cement mortars（the fiber length from left to right is 6，12，18 mm respectively）

圖7 PVA纖維膠砂壓后裂紋圖（左至右纖維長度分別為6，12，18 mm）Fig.7 The compression failure of PVA fiber cement mortars（the fiber length from left to right is 6，12，18 mm respectively）

圖8 UPE纖維膠砂折后裂紋圖（左至右纖維長度分別為6，12，18 mm）Fig.8 The fracture failure of UPE fiber cement mortars（the fiber length from left to right is 6，12，18 mm respectively）

圖9 UPE纖維膠砂壓后裂紋圖（左至右纖維長度分別為6，12，18 mm）Fig.9 The compression failure of UPE fiber cement mortars（the fiber length from left to right is 6，12，18 mm respectively）

3 不同纖維不同摻入量時膠砂混凝土強度變化規(guī)律分析

3.1 PP纖維對膠砂混凝土的加筋效果分析

圖10、圖11顯示：摻加PP纖維的含量和長度對水泥膠砂試件的抗折以及抗壓強度有很大的影響.

圖10 PP纖維膠砂抗折強度Fig.10 Flexural strengths of added with PP fibres

圖11 PP纖維膠砂抗壓強度Fig.11 Compression strengths of added with PP fibres

纖維摻量對抗折強度的影響：針對6 mmPP纖維，水泥膠砂的抗折強度隨著PP纖維摻量增加先減小后增大，0.2%摻入量時減小至最低為6.5 MPa，0.4%摻入量的抗折強度最高為7.5 MPa. 針對12 mmPP纖維，隨著纖維摻量增加其抗折強度線性降低，0.05%摻量的抗折強度最高為7.8 MPa. 針對18 mmPP 纖維，隨著纖維摻量增加抗折強度先增長后降低，0.1%纖維摻量抗折強度最高為7.7 MPa.

總體看，PP纖維摻入量增加會降低抗折強度，結合抗折破壞模式看，底部裂紋為單裂紋破壞，由于纖維總摻入量有限，局部的阻裂效果不明顯，但在斷裂斷面上由于纖維的摻入會產(chǎn)生交界面的缺陷等，導致整體的抗折強度降低. 纖維增長后，斷裂面的纖維錨固長度相對增加，因此普遍的抗折強度有所提升，但隨著摻入量增加，相對長的纖維產(chǎn)生的界面缺陷會增加，因此衰減快. 從試驗結果看，6 mm的纖維大于0.4%摻入量時，雖然斷裂面上纖維的錨固長度短，但由于數(shù)量增加，反而出現(xiàn)抗折強度增加的現(xiàn)象. 說明纖維摻入量和長度對斷裂面上的抗拉強度影響是綜合的，體積含量相同時，應通過具體試驗確定抗折強度的最佳纖維長度.

纖維摻量對抗壓強度的影響：由于試驗養(yǎng)護等原因，0.2%含量的6 mm和12 mm纖維試樣抗壓強度有些異常. 去掉這個異常情況，當含量為0.05%時，抗壓強度隨纖維長度增加而增加，結合破壞模式看，纖維長時抗壓破壞的裂紋分布較多，主要是纖維錨固長度長對應力起到了分散的效果，纖維含量增加后，12 mm纖維的試樣強度始終最低，分析認為，抗壓強度還是以抗裂能力體現(xiàn)為主，短纖維錨固長度短錨固力小，但數(shù)量多，總體加強效果較好；長纖維數(shù)量少，但錨固力大，整體加強效果最好. 從試驗結果看PP 纖維12 mm長度的抗壓強度增強效果最差.

纖維摻量對折壓比的影響：去掉6 mm 纖維和12 mm纖維0.2%摻入量的試樣結果，摻入6 mm纖維的試樣折壓比隨摻量的增加而增加；摻入12 mm纖維的試樣折壓比隨含量增加逐漸減小，但減小量不大；摻入18 mm纖維的試樣折壓比隨纖維含量的增加先增大后減?。ㄈ鐖D12所示）.

總體分析：纖維長度和摻入量對膠砂混凝土加強作用比較復雜，但在纖維總摻量不是很大時，纖維的橋接作用起主導，裂紋開裂面上的纖維錨固強度和纖維數(shù)量在纖維體積含量一定時，存在某種相關性，可以采用試驗確定某種強度目標下的最佳配比. 本試驗結果顯示，從折壓比效果看，摻入12 mm纖維的試樣最佳，但分別結合抗折強度和抗壓強度的分布看，是由于摻入12 mm纖維的抗壓強度普遍較低造成的，因此選擇纖維的配比應根據(jù)實際構件的受力狀態(tài)確定比較合理.

圖12 PP纖維水泥膠砂折壓比Fig.12 The folding ratios of added with PP fibres

3.2 PVA纖維對膠砂混凝土的加筋效果分析

圖13、圖14顯示了摻加PVA纖維的含量和長度對水泥膠砂試件的抗折、抗壓強度的影響規(guī)律.

圖13 PVA纖維膠砂抗折強度Fig.13 Flexural strengths of added with PVA fibres

圖14 PVA纖維膠砂抗壓強度Fig.14 Compression strengths of added with PVA fibres

纖維摻量對抗折強度的影響：針對摻入6 mmPVA 纖維的水泥膠砂試樣，其抗折強度隨著PVA 纖維摻量增加先增加后減小，0.1%和0.2%抗折強度較高，為8.5 MPa 左右，而在0.4%時降低至6.1 MPa. 針對摻入12 mmPVA纖維的水泥膠砂試樣，摻量小于0.1%含量時的抗折強度較高為8.1 MPa，0.2%和0.4%摻入量時試樣的抗折強度在7.3 MPa左右. 針對摻入18 mmPVA纖維的水泥膠砂試樣，抗折強度隨著纖維摻量增加出現(xiàn)先降低后略微增長的現(xiàn)象，最高抗折強度為摻量0.05%的8.9 MPa.

總體看，與PP 纖維對抗折強度的影響規(guī)律不同，纖維摻入量一定時，短纖維數(shù)量多對抗折強度增加明顯，說明PVA纖維與膠砂基質的相容性好，錨固力大，抗折強度明顯大于PP纖維，說明纖維與膠砂基質的結合力也決定了最佳纖維的長度，長度太長并不能充分發(fā)揮作用，但纖維繼續(xù)加長，抗折強度又會增加，分析認為主要是纖維之間的搭接綜合效應開始起作用的緣故.

纖維摻量對抗壓強度的影響：抗壓強度的規(guī)律非常明顯，摻加6 mmPVA纖維與12 mmPVA纖維的膠砂試塊抗壓強度隨著纖維摻量增加先增加后減小，摻加0.2%的6 mmPVA纖維與摻加0.1%的12 mmPVA纖維抗壓強度均在40.6 MPa左右，說明此時纖維長度和數(shù)量的綜合加固效應比較接近. 針對摻加18 mmPVA纖維的膠砂試樣，其抗壓強度隨著纖維摻量明顯降低，但在各個摻量中抗壓強度相對最高，在0.05%摻量時抗壓強度最高為47.3 MPa. 分析認為，由于PVA纖維與膠砂基質的結合效果好，長纖維的相互搭接效果起重要作用，使得斷面上的阻裂效果最好，抗壓強度相對最好.

纖維摻量對折壓比的影響：針對12 mmPVA 和18 mmPVA纖維膠砂試樣，隨著纖維體積摻量增加，折壓比先減小后增大；針對6 mmPVA纖維膠砂試樣，折壓比先增大后減小，摻量0.1%時，折壓比最高為0.241，摻量0.4%時折壓比最低至0.166（如圖15所示）.

總體顯示，12 mmPVA纖維的膠砂試樣折壓比隨摻量的變化不大，18 mmPVA 纖維的折壓比最小，主要是抗壓強度大導致的.

圖15 PVA纖維膠砂折壓比Fig.15 The folding ratios of added with PVA fibres

3.3 UPE纖維對膠砂混凝土的加筋效果分析

圖16、圖17 顯示了摻加UPE 纖維的含量和長度對水泥膠砂試件的抗折、抗壓強度的影響規(guī)律.

圖16 UPE纖維膠砂抗折強度Fig.16 Flexural strengths of added with UPE fibres

圖17 UPE纖維膠砂抗壓強度Fig.17 Compression strengths of added with UPE fibres

纖維摻量對抗折強度的影響：UPE纖維的膠砂試樣抗折強度也相對較高，但規(guī)律與PP、PVA纖維不同；針對摻入6 mmUPE纖維的膠砂試樣，抗折強度隨著纖維摻量增加先增加后減小，0.1%和0.2%抗折強度穩(wěn)定在8.7 MPa，在0.4%時強度減小到6.8 MPa. 針對摻入12 mmUPE纖維的膠砂試樣，抗折強度隨著纖維摻量增加先增加后減小，在0.1%摻量時強度最高為8.4 MPa，0.4%摻量時強度最低為6.8 MPa. 針對摻入18 mmUPE纖維的膠砂試樣，抗折強度隨著纖維摻量增加先減小后增大，在0.4%時抗折強度最大為8.4 MPa.

纖維摻量對抗壓強度的影響：各個長度UPE纖維的膠砂試件抗壓強度隨UPE 纖維含量的變化規(guī)律大致相同，均在0.2%時抗壓強度最大，而0.4%時抗壓強度最小，說明從控制抗壓強度角度考慮，UPE纖維摻量不能太大.

纖維摻量對折壓比的影響：針對摻入6 mm和12 mm的UPE纖維膠砂試樣，折壓比先增大后減小，折壓比最高均在0.1%；摻入18 mmUPE纖維的膠砂試樣，折壓比先減小后增大，在0.4%摻量時最高，為0.23（如圖18所示）.

圖18 UPE纖維膠砂折壓比Fig.18 The folding ratios of added with UPE fibres

總體上顯示，摻入6 mmUPE纖維的折壓比相對較高，主要原因是此時的抗折強度相對較高，但抗壓強度卻較低，說明UPE纖維與膠砂材料的黏結強度較高.

4 結論

纖維摻入量、纖維長度、纖維與膠砂基質的結合力等都會影響纖維的加強效果，實際應用應根據(jù)實際情況進行試驗確定最佳纖維摻量等參數(shù). 通過研究不同纖維不同體積摻入量的膠砂強度變化規(guī)律，得出以下結論：

1）低纖維摻量時，總體上隨著纖維摻量增加，水泥膠砂試塊折斷后的主裂紋擴展長度和裂紋寬度逐漸減小，其中單摻UPE纖維的水泥膠砂試塊彎折失效后主裂紋長度與寬度最短.

2）分析0.1%體積含量的6 mm短纖維膠砂混凝土抗折強度試驗結果，UPE纖維略高于PVA纖維，比PP纖維提高約14%，說明UPE纖維和PVA纖維與膠砂基質的黏結力基本相似，比PP纖維高很多.

3）當摻入纖維體積含量小于0.2%時，UPE纖維在不同長度下抗壓強度的增加比較均勻，而PVA纖維和PP纖維受長度的影響比較明顯，其中PP纖維抗壓強度改善效果較差.

4）分析纖維對膠砂的抗壓強度、抗折強度增強效果，摻入0.1%體積含量的12 mmUPE 纖維綜合效果最好，此時抗折強度達8.5 MPa，折壓比接近0.19.