PET纖維格柵/鋼纖維增強水泥基復(fù)合材料混雜效應(yīng)研究

袁旺 鄧安仲 解亞

摘 ? ? ?要：將連續(xù)PET纖維格柵與短切鋼纖維混摻制備混雜纖維增強水泥基復(fù)合材料，其抗壓強度高達 ?147.7 MPa、抗折強度高達52.6 MPa。研究各纖維摻量對混凝土抗壓性能及抗折性能影響，表征基體材料與纖維界面微觀結(jié)構(gòu)，并分析PET纖維格柵及鋼纖維混雜效應(yīng)。結(jié)果表明：鋼纖維與PET纖維格柵對水泥基復(fù)合材料抗折性能都有增強作用，但鋼纖維在抗折性能上發(fā)揮了主要作用，導(dǎo)致抗折性能混雜效應(yīng)并不明顯;對于抗壓性能，PET纖維格柵對其強度增長有弊，但鋼纖維的增強效應(yīng)彌補了PET纖維格柵的負作用。

關(guān) ?鍵 ?詞：PET纖維格柵;抗壓性能;抗折性能;混雜效應(yīng)

中圖分類號：TU 528 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）10-2097-05

Abstract： Hybrid fiber reinforced cement-based composite was prepared by mixing continuous PET fiber grille with short steel fiber. The compressive strength and flexural strength of the composite were 147.7 MPa and 52.6 MPa， respectively. The influence of fiber content on compressive and flexural properties of concrete was studied. The microstructure of interface between matrix material and fiber was characterized. The hybrid effect of PET fiber grille and steel fiber was analyzed. The results showed that both steel fiber and PET fiber grille could enhance the flexural properties of cement-based composites， but steel fiber played a major role in the flexural performance， resulting in the mixed effect of flexural properties was not obvious; for compressive properties， PET fiber grille had disadvantages in strength growth， but the reinforcement effect of steel fiber made up for the negative effect of PET fiber grille.

Key words： PET fiber grille; Compressive properties; Flexural properties; Hybrid effect

在水泥基復(fù)合材料中摻加纖維是用以增強和增韌的有效方法，混摻纖維是一個重要途徑[1-3]。PET纖維格柵（以下簡稱格柵）是由高強度滌綸纖維經(jīng)過經(jīng)編定向織造網(wǎng)格成型，作為一種連續(xù)纖維織物，由緯向纖維與徑向纖維正交編制而成，可代替部分鋼筋[4]改善短切纖維增強方向性差、難分散[5]的問題。國外研究纖維織物增強混凝土較早，先后成立多個研究機構(gòu)[6]，對纖維織物增強混凝土中的混凝土基

體[7-9]、纖維織物[10-11]以及兩者界面[12-13]的研究都有較為豐富的研究成果。國內(nèi)姚立寧[4]率先對纖維織物水泥基復(fù)合材料進行研究，并探討了織物對水泥基復(fù)合材料的增強可能;俞巧珍[14]研究了織物層鋪方式對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響;李赫等[15]探討了織物對水泥基復(fù)合材料薄板裂縫擴展行為的限制機理;荀勇[16]等提出采用織物混凝土薄板加固鋼筋混凝土梁;徐世烺[17]等研究纖維織物增強鋼筋混凝土梁的彎曲性能;荀勇[18]等還研究了纖維織物網(wǎng)以及鋼板網(wǎng)聯(lián)合增強混凝土板抗彎性能;黃政宇[19]等研究了對織物增強UHPFRC薄板受彎破壞、界限破壞和受壓破壞3種破壞形式下極限彎矩的預(yù)測公式，并討論了薄板受彎破壞中織物受拉折減系;潘永燦[20]介紹了一種預(yù)應(yīng)力纖維織物薄板制作方法;周芬[21]等發(fā)現(xiàn)對碳纖維織物施加預(yù)應(yīng)力，能使織物增強水泥基復(fù)合材料薄板的抗開裂性能提高。

國內(nèi)對纖維織物增強水泥基復(fù)合材料研究起步較晚，且多集中于織物增強混凝土薄板性能測試，對混雜纖維織物與短切纖維對水泥基復(fù)合材料性能影響研究少。本文研究了混摻格柵與鋼纖維（摻量均為體積摻量）對水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并對纖維混雜效應(yīng)以及微觀結(jié)構(gòu)進行分析，以求對PET纖維格柵/鋼纖維增強水泥基復(fù)合材料深入研究提供參考。

1 ?試驗

1.1 ?原材料及配合比

水泥基復(fù)合材料基體配合比見表1，采用拉法基52.5級普通硅酸鹽水泥;標準砂，粒徑為 ?0.1～0.6 mm;微硅灰，其SiO2>90%，燒失量≤6;一級粉煤灰，細度≤9，燒失量≤4%;聚羧酸減水劑，減水率為40%，堿質(zhì)量分數(shù)≤0.02;微絲鋼纖維，長度8 mm，直徑0.115 mm，長徑比70，抗拉強度≥3 000 MPa; PET纖維格柵，經(jīng)緯向抗拉強度均為100 MPa，孔徑為5 mm，格柵寬度1.5 mm，厚度0.5 mm。

1.2 ?試件制備

參照GBT 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》，水泥基復(fù)合材料與格柵均勻地鋪于模具，試件大小為40 mm×40 mm×60 mm。本試驗為消除實驗中不可控因素的干擾，保證實驗結(jié)果的相互獨立，采用隨機數(shù)表的方法決定試驗的先后順序。

1.3 ?試驗方法

參照GBT 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》，采用無錫新路達儀器設(shè)備有限公司制造TYEH-2 000型微機控制恒加載壓力試驗機，進行3點彎曲抗折強度試驗，接著對折斷后的試件進行抗壓強度試驗。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?試驗結(jié)果

如圖1、圖2所示，加入格柵后水泥基復(fù)合材料的抗折強度有較為明顯的提高，而抗壓強度卻逐漸下降。原因在于，格柵相對于水泥基復(fù)合材料基體，抗拉強度較高，與水泥基復(fù)合材料黏結(jié)性能良好，對水泥基復(fù)合材料抗折強度有增強作用，但在受壓時，水泥基復(fù)合材料基體成為主要的受力結(jié)構(gòu)，而格柵的加入影響基體密實性，并且對其受力行為產(chǎn)生副作用，所以表現(xiàn)出抗壓強度的減小。如圖3、圖4所示，鋼纖維的加入對其抗折強度、抗壓強度都有明顯的增強作用，除鋪設(shè)5層格柵時，鋼纖維摻量為1.5 %比鋼纖維摻量為1%的抗壓強度有所下降，原因可能在于試件在制備時，鋼纖維與格柵之間易相互交錯、纏繞起團導(dǎo)致水泥基復(fù)合材料不密實。

2.2 ?混雜效應(yīng)分析

2.2.1 ?混雜效應(yīng)評估

為了研究、量化鋼纖維與格柵的混雜效應(yīng)，本文定義β增強系數(shù)[22]：

β=F/F_j ? ?。 ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：F—PET纖維格柵/鋼纖維增強水泥基復(fù)合材料強度，MPa ;

Fj—基體強度，MPa 。

鋼纖維與格柵混合增強時，其增強效應(yīng)考慮2種纖維單獨作用于水泥基復(fù)合材料基體的增強系數(shù)的乘積，本試驗采用比值法來評價鋼纖維與格柵在水泥基復(fù)合材料基體中的混雜效應(yīng)，其混雜系數(shù)由 ?γ表示，γ≥1 時，為正混雜效應(yīng)，γ≤1 時，為負混雜效應(yīng)。

γ=β_a/（β_g·β_s ） ? 。 ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：βa—混雜纖維增強系數(shù)，即同時摻加鋼纖維與格柵時的增強系數(shù);

βg—PET纖維格柵增強系數(shù);

βs表—鋼纖維增強系數(shù)。

2.2.2 ?混摻PET纖維格柵與鋼纖維對抗折強度的影響

按照（1）、（2）式對抗折試驗結(jié)果進行計算，得到以下混雜系數(shù)，如表2所示。

2種纖維混摻發(fā)現(xiàn)：在鋼纖維摻量不低于1.5% 時，都為表現(xiàn)為正混雜效應(yīng);在鋼纖維摻量為1%、格柵層數(shù)大于3層時，表現(xiàn)出輕微的負混雜效應(yīng)，但是其混雜系數(shù)基本都在1.00±5% 以內(nèi)，說明2種纖維對于水泥基復(fù)合材料基體的增強效果基本是獨立存在的，并未表現(xiàn)出協(xié)同作用，原因在于相對于水泥基復(fù)合材料基體，抗拉強度高達100 MPa 的格柵雖然強度較高，但是遠遠低于鋼纖維的抗拉強度。所以在單獨鋪設(shè)格柵時，水泥基復(fù)合材料的抗折強度能有效提高，單獨增加鋼纖維摻量時，水泥基復(fù)合材料的抗折強度也能明顯提高。但是當(dāng)格柵與鋼纖維共同抵抗水泥基復(fù)合材料抗彎折時，發(fā)揮作用較大的則為高強度、高模量的鋼纖維，格柵的作用則相對較小。并且由于格柵與鋼纖維之間易互相交錯、起團，影響水泥基復(fù)合材料基體的密實性，從而在鋼纖維較低摻量時不表現(xiàn)為混雜效應(yīng)?？偟膩碚f，本試驗數(shù)據(jù)范圍內(nèi)表明，水泥基復(fù)合材料抗折強度隨著鋼纖維摻量或者格柵層數(shù)的增加而增加，鋼纖維摻量較大時，增強效應(yīng)較為明顯。

2.2.3 ?混摻PET纖維格柵與鋼纖維對抗壓強度的影響

按照（1）、（2）式對抗壓試驗結(jié)果進行計算，得到以下混雜系數(shù)，如表3。

由2.1可知，鋼纖維對于水泥基復(fù)合材料的抗壓強度有增強作用，格柵對于水泥基復(fù)合材料的抗壓強度有負面影響，但是混摻2種纖維發(fā)現(xiàn)，鋼纖維摻量在1 %以上、格柵層數(shù)在7層以下時，變現(xiàn)為正混雜效應(yīng);鋼纖維摻量為1 %或格柵層數(shù)為7時，表現(xiàn)為負混雜效應(yīng)，且抗壓強度混雜系數(shù)都在1.00±10 %以內(nèi)，說明鋼纖維與格柵對于水泥基復(fù)合材料的抗壓強度存在明顯的補償作用，在鋼纖維摻量較小、格柵層數(shù)較多時，鋼纖維的補償增強效果不明顯，鋼纖維的增強作用小于格柵對水泥基復(fù)合材料抗壓作用削弱的影響，但在鋼纖維摻量較多，格柵層數(shù)較小時，能明顯對水泥基復(fù)合材料的受壓抵抗能力進行改善，表現(xiàn)為正混雜效應(yīng)。綜上所述，鋼纖維的加入能夠改善格柵對于復(fù)合纖維水泥基復(fù)合材料抗壓性能，在本實驗范圍內(nèi)，鋼纖維摻量越多時，改善作用越明顯。

2.3 ?微觀結(jié)構(gòu)

微觀形貌是對宏觀響應(yīng)提供解釋的一種途 ? 徑[23-24]，通過對水泥基復(fù)合材料斷面利用HITACHI S-3 700N型掃描電鏡分別觀察鋼纖維、格柵與水泥基復(fù)合材料基體的黏結(jié)情況，具體微觀情況如圖5至圖8所示。

在500以及1 000倍的放大環(huán)境下觀察格柵與水泥基復(fù)合材料基體界面以及鋼纖維與水泥基復(fù)合材料基體界面的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)水泥基復(fù)合材料基體有大量的C-S-H產(chǎn)生，少量層狀結(jié)構(gòu)的CA（OH）2，基本沒有針狀A(yù)Ft，整體成型較為密實，孔隙結(jié)構(gòu)較少。格柵雖然與水泥基復(fù)合材料整體脫離，但是表面仍附著有大量的水泥基復(fù)合材料基體;反觀鋼纖維界面，鋼纖維表面光滑，并無任何基體材料附著，并明顯可見鋼纖維與水泥基復(fù)合材料界面有微小縫隙。以上表明PET纖維格柵相對于鋼纖維，與水泥基復(fù)合材料基體的黏結(jié)更為牢固。但相比于高強度以及高模量的鋼纖維，格柵抗拉強度較低，對于水泥基復(fù)合材料的抗折強度有增強作用，但是增長幅度不明顯。但對于水泥基復(fù)合材料抗壓強度的負作用，能夠通過鋼纖維的加入而改善。因此，混摻鋼纖維以及PET纖維格柵能夠互補缺點，以增強水泥基復(fù)合材料的力學(xué)能力。

3 ?結(jié)束語

在水泥基復(fù)合材料中混摻纖維可在其受力的各個階段和不同的結(jié)構(gòu)層次產(chǎn)生增強作用，通過試驗得出結(jié)論：

1） 摻入鋼纖維對水泥基復(fù)合材料的抗折強度與抗壓強度都有明顯的提高，摻入PET纖維格柵對于水泥基復(fù)合材料的抗折強度有利，但對其抗壓強度有弊。

2）鋼纖維與PET纖維格柵混摻時，抗折強度混雜增強效應(yīng)不明顯，但抗壓強度混雜效應(yīng)表現(xiàn)出明顯的補償作用，所以鋼纖維與格柵混摻是增強水泥基復(fù)合材料性能的良好途徑。PET纖維格柵與鋼纖維的混雜纖維的作用機理、協(xié)同效應(yīng)是一個復(fù)雜的理論，且格柵對于水泥基復(fù)合材料的抗壓受力影響作用機理復(fù)雜，還需要進行進一步的研究。

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