纖維增強(qiáng)聚氨酯水泥復(fù)合材料抗彎性能試驗(yàn)研究

李晉，熊大路，董旭，田慶斌，劉廣波

(1.山東交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357； 2.濟(jì)南金曰公路工程有限公司； 3.山東省交通科學(xué)研究院)

聚氨酯水泥復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、密度小、成型快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于橋梁加固或抗震加固工程中。劉貴位等研究了聚氨酯水泥復(fù)合材料的配比、流動性、密度與強(qiáng)度之間的關(guān)系、并建立了最佳配比下材料的本構(gòu)模型；孫全勝、劉貴位等探究了聚氨酯水泥復(fù)合材料的力學(xué)性能并運(yùn)用該材料對橋梁進(jìn)行加固，結(jié)果顯示，該材料可顯著提升橋梁抗彎承載能力，改善橋梁橫向分布系數(shù)，荷載作用下應(yīng)變、撓度等參數(shù)變化明顯；楊楠等探究了碳纖維聚氨酯水泥復(fù)合材料的壓敏特性以及碳纖維摻量、聚灰比、硅灰含量對聚氨酯水泥復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

聚氨酯水泥復(fù)合材料作為橋梁加固層位于梁底板受拉區(qū)，會受到“重載車”、“過載車”產(chǎn)生的大幅振動以及重復(fù)荷載作用下產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力。因此進(jìn)一步優(yōu)化聚氨酯水泥復(fù)合材料的抗彎性能是提升橋梁加固效果的有效措施。以上學(xué)者只是探究了材料本身的力學(xué)性能以及碳纖維對材料抗壓、抗折、劈拉等基本力學(xué)參數(shù)的影響，并未深入研究聚氨酯水泥復(fù)合材料抗彎性能的改善措施。

碳纖維強(qiáng)度高，抗老化能力強(qiáng)；PVA纖維密度??；鋼纖維抗拉、抗壓強(qiáng)度大。3種纖維常用來提升聚合物改性砂漿和混凝土的力學(xué)性能，通過小梁試驗(yàn)，3種纖維均能減小梁體撓度，改善抗彎性能。該文探究碳纖維、PVA纖維、鋼纖維對聚氨酯水泥復(fù)合材料抗彎性能的改善效果，以及不同纖維摻比對材料抗彎性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料及配合比

聚氨酯水泥復(fù)合材料由液體A、液體B、普通硅酸鹽水泥、添加劑組成，其配比如表1所示。纖維包括碳纖維、PVA纖維、鋼纖維，其外觀見圖1，材料參數(shù)見表2。3種纖維分別按照聚氨酯水泥復(fù)合材料試塊的體積比進(jìn)行摻加，具體摻加比例見表2。

表1 聚氨酯水泥復(fù)合材料各成分質(zhì)量比例

圖1 纖維示意圖

1.2 試塊制備及試驗(yàn)方法

聚氨酯水泥試塊首先由液體材料A與水泥混合

表2 聚氨酯水泥試塊纖維摻比

攪拌5 min，然后加入液體材料B與添加劑快速攪拌2 min，再進(jìn)行澆筑，等材料凝結(jié)硬化后進(jìn)行脫模，養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行試驗(yàn)，試塊編號見表3。試模采用40 cm×40 cm×160 cm的三聯(lián)試模，澆筑前在試模壁上粘貼膠帶或油紙方便脫模。試驗(yàn)前在養(yǎng)護(hù)好的試塊中間貼應(yīng)變片，并涂抹704膠做防潮處理。

表3 各試塊編號

通過三點(diǎn)試驗(yàn)測試試塊的抗彎強(qiáng)度、梁底極限拉應(yīng)變與荷載-梁底應(yīng)變關(guān)系，探究纖維對聚氨酯水泥復(fù)合材料的改善效果。試件抗彎強(qiáng)度按式(1)計(jì)算，加載圖示見圖2。

(1)

式中：σ為抗彎強(qiáng)度(MPa)；P為施加荷載(N)；L為兩支點(diǎn)間距(mm)；b為棱柱體正方形截面邊長(mm)。

圖2 三點(diǎn)加載圖示

2 結(jié)果與分析

通過三點(diǎn)試驗(yàn)測得試塊破壞荷載，并采集了相關(guān)應(yīng)變數(shù)據(jù)，具體試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 抗彎強(qiáng)度及極限應(yīng)變分析

由表4可以看出：

(1) 聚氨酯水泥復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度隨纖維摻比的增加先增大后減小。試塊制備時(shí)，纖維隨機(jī)分布在材料內(nèi)部，相互之間搭接，與聚氨酯水泥復(fù)合材料組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，隨著纖維摻量的增大該網(wǎng)絡(luò)連接更緊密、整體性更強(qiáng)，需要更大的梁底拉力將纖維在復(fù)合材料中拉出或?qū)⒗w維拉斷，但是當(dāng)纖維摻量過多時(shí)，纖維不易分散造成抗彎強(qiáng)度的減弱，因此當(dāng)碳纖維摻量為0.04%、PVA纖維摻量為0.2%、鋼纖維摻量為1%時(shí)，試件強(qiáng)度最好。

(2) 碳纖維摻比為0.06%、0.07%時(shí)，試塊抗彎強(qiáng)度下降了15.7%、38.5%；PVA纖維摻比為0.4%、0.5%時(shí)，試塊抗彎強(qiáng)度下降了25.3%、37.1%；鋼纖維摻比為2%、2.5%時(shí)，纖維太多無法進(jìn)行攪拌，因混合不均試塊不硬化。攪拌過程中，當(dāng)碳纖維與PVA纖維摻入太多時(shí)，纖維容易混雜在一起無法分散，澆筑時(shí)可能會存在薄弱區(qū)域，首先開裂。因此，當(dāng)纖維摻量超過極限比例時(shí)，會對聚氨酯水泥復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度有較大損失。

(3) 聚氨酯水泥復(fù)合材料試塊產(chǎn)生的微應(yīng)變隨纖維摻量的增加先增大后減小。隨著纖維摻量的增加試塊延性明顯提升，在試塊破壞時(shí)，梁底產(chǎn)生了較大應(yīng)變，纖維越多韌性越大試塊的變形能力就越強(qiáng)。當(dāng)碳纖維摻比為0.06%、0.07%時(shí)，試塊極限微應(yīng)變分別降低了0.7%、24.3%；PVA纖維摻比為0.4%時(shí)，試塊抗彎強(qiáng)度下降24.0%。當(dāng)纖維摻加過量后，纖維在試塊內(nèi)部不能均勻分散，破壞時(shí)纖維的增韌效果還未完全發(fā)揮，導(dǎo)致試塊產(chǎn)生的極限應(yīng)變減小。因此當(dāng)碳纖維摻量為0.04%、PVA纖維摻量為0.3%、鋼纖維摻量為1%時(shí)，試塊的延性最好。

2.2 荷載-梁底應(yīng)變曲線分析

3種纖維增強(qiáng)聚氨酯水泥復(fù)合材料荷載-梁底應(yīng)變關(guān)系見圖3。

圖3 試塊荷載-梁底應(yīng)變曲線

由圖3可以看出：

(1) 摻加纖維試件與未摻加纖維試件梁底應(yīng)變隨荷載增加大體上呈線性變化。

(2) 碳纖維摻量為0.05%時(shí)，試件在加載過程中梁底形變較未摻纖維試件明顯減小，承受變形能力始終高于未摻纖維試件；碳纖維摻量為0.03%、0.04%、0.06%、0.07%時(shí)，試塊在加載中抗變形能力較未摻纖維試件減弱，同時(shí)摻量為0.06%、0.07%時(shí)試件的破壞強(qiáng)度與極限應(yīng)變均小于未摻纖維試件，表明纖維摻加過量后材料抗彎性能明顯減弱；纖維摻量為0.03%、0.04%、0.05%時(shí)，試件抗變形能力先減小再提高。

(3) PVA纖維試件加載中抗變形能力均小于未摻纖維試件，在荷載施加到6 kN之前，各試件梁底應(yīng)變隨荷載增加變化規(guī)律相同；摻量為0.3%、0.5%的試件在荷載達(dá)到6 kN后，曲線斜率減小，抗變形能力較其他摻比試件明顯減弱；摻量為0.1%、0.2%、0.4%的試件在加載過程中曲線的變化規(guī)律與未摻纖維試件基本相同，不同荷載下抗變形能力略有減弱；摻量為0.4%、0.5%時(shí)試塊抗彎性能較差，摻量為0.1%時(shí)試件隨荷載增加變形規(guī)律與未摻纖維試件基本相同，摻量為0.3%時(shí)試塊應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律發(fā)生了較大改變，相同荷載下試件發(fā)生了更大的變形，摻量為0.2%時(shí)，曲線在21、24 kN處斜率變大，說明試件有增強(qiáng)趨勢。

(4) 對于鋼纖維試件，荷載在4 kN前纖維對試塊并沒有增強(qiáng)作用，圖中4條曲線基本重合；荷載施加大于4 kN時(shí)，纖維摻量為0.5%、1.5%的曲線斜率變小，隨荷載增大呈線性變化，相同荷載下該摻比的試件較未摻纖維試件產(chǎn)生了更大變形，但試件破壞荷載仍大于未摻纖維試件；纖維摻量為1%的曲線在荷載達(dá)到4 kN時(shí)斜率增大試件增強(qiáng)，荷載增大到6 kN時(shí)斜率減小，隨荷載增大到20 kN呈線性變化，隨后梁底產(chǎn)生較大拉伸，試件破壞。

2.3 試件破壞模式及纖維增強(qiáng)機(jī)理

3種纖維中碳纖維與鋼纖維模量較大，而PVA纖維則模量較?。惶祭w維與PVA纖維直徑較小屬于細(xì)纖維，鋼纖維屬于粗纖維。高模量細(xì)纖維在基體受力產(chǎn)生微小變形時(shí)會抑制變形的發(fā)展，改變材料內(nèi)部的應(yīng)力分布，使試件應(yīng)力分布更均勻；低彈模粗纖維會在基體產(chǎn)生較大變形時(shí)充分發(fā)揮作用，延緩變形的發(fā)展。

圖4為各類纖維試件的典型破壞形態(tài)。

由圖4可以看出：未摻加纖維試件斷面平整且裂縫從梁底中間豎直延伸至試件頂面。摻加碳纖維試件首先在梁底中間開裂，隨后裂縫沿斜面延伸，該纖維試件破壞斷面沒有規(guī)則且不平整，斷裂面沒有纖維拔出，纖維隨裂縫開展斷裂破壞；PVA纖維試件與鋼纖維試件梁底中間開裂，裂縫豎直向上發(fā)展，斷裂面不平整，但纖維并未斷裂，斷裂面存在拔出纖維。由于碳纖維直徑小，所以與基體材料的黏結(jié)較好，且彈模高，當(dāng)試件受力變形時(shí)碳纖維受拉，隨著荷載的提高碳纖維斷裂。PVA纖維彈模小，鋼纖維直徑大，試件在變形較小時(shí)纖維并未充分發(fā)揮作用，當(dāng)變形不斷增大，PVA纖維與鋼纖維才發(fā)揮作用，這也解釋了PVA纖維與鋼纖維試件梁底應(yīng)變發(fā)展規(guī)律無顯著變化的原因。當(dāng)PVA纖維與鋼纖維拔出時(shí)能夠消散掉破壞能量，消除尖端應(yīng)力，并通過纖維與基體的摩擦力獲得一個(gè)新的應(yīng)力分布，解釋了PVA纖維摻量為0.2%的試件在加載后期曲線斜率不斷變化與鋼纖維摻量為1%的試件加載后期突變的原因。

圖4 試塊破壞形態(tài)

當(dāng)纖維摻加過多時(shí)，不但影響攪拌質(zhì)量，且纖維的分散性不好，纖維之間容易絮凝為一體，隨機(jī)分布在試件內(nèi)部，具有不確定性，成為試件薄弱點(diǎn)。通過以上分析碳纖維摻比最佳范圍為0.04%～0.05%，在此范圍內(nèi)纖維摻量越大試件變形能力越強(qiáng)，摻比越小試件強(qiáng)度越大，此范圍內(nèi)試件強(qiáng)度變化不大；PVA纖維最佳摻比范圍為0.2%～0.3%，在此范圍內(nèi)纖維摻量越大，變形能力越強(qiáng)，摻量越小強(qiáng)度越大；鋼纖維摻比為1%時(shí)，強(qiáng)度、變形能力都達(dá)到最佳。

3 結(jié)論

(1) 纖維增強(qiáng)聚氨酯水泥復(fù)合材料能夠顯著提高材料的抗彎強(qiáng)度與變形能力，通過試驗(yàn)確定了碳纖維、PVA纖維最佳摻比范圍為0.04%～0.05%、0.2%～0.3%，鋼纖維最佳摻比為1%。

(2) 碳纖維試件為纖維拉斷破壞，試件在產(chǎn)生小變形時(shí)，碳纖維受拉發(fā)揮作用，試件剛度較大；PVA纖維與鋼纖維為纖維拔出破壞，纖維在試件產(chǎn)生較大變形時(shí)才充分發(fā)揮作用，試件變形能力較強(qiáng)。工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)建筑物受力特點(diǎn)選取相應(yīng)纖維類型及體積摻比。