粉煤灰摻量對聚丙烯纖維混凝土材料界面粘結性能的影響研究

嚴國輝

（中水興鋒盈控股有限公司，福建省福州市 350001）

1 研究背景

由于混凝土材料具有良好的可塑性、耐久性和取材容易等優(yōu)勢，是當前水工建設領域的主要建筑材料之一，具有不可替代的重要意義和作用[1]。但是，混凝土的缺點也是十分明顯的，主要是本身的自重較大，抗拉強度較低，因此抗裂性能較差。正是上述諸多缺陷的限制，影響到其在水工建筑物領域的作用和優(yōu)勢發(fā)揮。因此，研究具有優(yōu)良性能的新型混凝土就成為水工材料界的重要課題。其中，各種有機和無機纖維在改善混凝土抗裂性能方面具有顯著的作用，是新型水工混凝土研究的重要方向[2]。

聚丙烯纖維是目前纖維混凝土領域使用最廣泛的合成纖維，其抗拉強度可以達到260—420MPa，在混凝土中具有良好的分散能力和水泥基體的握裹力[3]。同時，這種纖維不溶于水，不會和常見的酸堿材料及有機溶劑發(fā)生反應，具有良好的穩(wěn)定性和耐久性，將其添加進水工混凝土，可以有效改善其抗拉強度和抗沖擊能力，防止凝固過程中塑性收縮裂縫的產生，在改善混凝土性能方面具有重要作用[4]。在纖維混凝土承載荷載時，混凝土材料基體可以通過材料的界面過渡區(qū)將荷載傳遞給纖維，如果界面的粘結力較弱，較小的荷載就會導致纖維拔出；而粘結性能較強時纖維會被直接拉斷，均無法發(fā)揮纖維的韌性增強作用[5]。目前，學者們對纖維水泥基復合材料的研究多聚集在宏觀力學性能上，對纖維與基體的界面粘結性能研究較少由此可見，界面的粘結性能是影響聚丙烯纖維混凝土材料性能的主要因素之一。粉煤灰是火電廠的副產品，在混凝土中摻入一定量的粉煤灰，不僅可以取代一部分水泥，降低混凝土的工程成本，顯著改善混凝土的物理和力學性能，還可以發(fā)揮出一定的環(huán)境和生態(tài)效益。目前對于水泥基復合材料界面粘結性能的研究主要聚焦于鋼纖維，對聚丙烯粗纖維與基體間的界面粘結性能研究較少。本文以聚丙烯粗纖維的拔出試驗為基礎，以探究粉粉煤灰摻量對纖維水泥基復合材料界面粘結性能的影，以便為工程應用提供必要的支持。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

此次試驗使用的是遼寧省本溪市宏達水泥有限公司出品的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其表觀密度為3.16g/cm3，初凝和終凝時間為196min和255min，細度模數為1.9%，3d抗壓和抗折強度為別為20.3MPa和5.1MPa，28d抗壓和抗折強度分別為48.2和8.2MPa。試驗中使用的粉煤灰為唐山市熱電廠生產的符合國家I級標準的粉煤灰，其表觀密度為2.3g/cm3，堆積密度為0.77g/cm3，細度模數為8.5%，需水量為88%，燒失量為3.5%。

試驗中使用的聚丙烯纖維為天津東方建材有限公司出品，其密度為0.91g/cm3，長度為19mm，直徑為0.018mm，彈性模量為3.3GPa，抗拉強度為365MPa，斷裂延伸率為27.2%。試驗用粗骨料為人工石灰?guī)r碎石，其粒徑為5—25mm級配良好。試驗用細骨料為河沙，細度模數為3.0—2.3。試驗用水為普通自來水。試驗用外加劑為衡陽九州建材有限公司出品的FDN-D型高效減水劑，屬于低引氣型減水劑。

2.2 試件制作

試驗中的聚丙烯纖維混凝土按照水工建筑中常用的C30混凝土為基準進行材料的配合比設置[6]。為了研究粉煤灰摻量的影響，設計了0%、10%、20%、30%等4種不同的粉煤灰對水泥材料的取代率進行試驗[7]。聚丙烯纖維混凝土的配置按照普通混凝土性能試驗方法標準GB/T50080-2002進行。首先將人工分散聚丙烯纖維和粗骨料加入攪拌機攪拌60s，然后加入細骨料和1/3的水攪拌30s，再加入水泥和1/3的水攪拌30s，加入粉煤灰和1/3的水攪拌30s，最后加入減水劑攪拌60s拌制完成。將拌制好的混凝土裝入100mm×100mm×100mm的立方體試模，然后在振動臺上振搗密實。將澆筑好的混凝土試塊在原地靜置24h后拆模，在同一編號之后放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至規(guī)定齡期。

2.3 試驗方法

鑒于單纖維單面拔出試驗的操作比較簡單，因此在試驗中參照《鋼纖維混凝土試驗方法》（CECS13：2009）中的相關要求，利用單纖維單面拔出試驗進行。試驗中采用的5kN的拉力試驗儀器。在試驗過程中，首先將達到設計養(yǎng)護齡期的試件取出，在自然通風條件下晾7d，然后將試件放下試驗儀器的底座上，并使用2個C形夾具將試件固定好。然后開始試驗，并記錄好相應的數據，在試驗結束之后即可根據試驗數據獲得荷載-位移曲線。由于聚丙烯纖維在試驗過程中會因為受力產生變形，造成材料界面的粘結強度分布不均[8]。為了簡化計算，研究中利用峰值荷載和纖維的初始埋深計算界面粘結強度的均值。其計算公式如下：

其中，τ為界面粘結強度均值，MPa；fck為峰值荷載，kN；d為聚丙烯纖維直徑，mm；l為纖維埋入深度，mm。

3 試驗結果與分析

3.1 荷載-位移曲線

對4種不同粉煤灰摻量的試件進行單纖維單面拔出試驗，對試驗結果數據進行整，獲得如表1所示的荷載-位移關系。由表中的數據可以看出，當粉煤灰摻量為10%和20%的情況下，聚丙烯纖維在峰值荷載后的拔出階段出現了滑移硬化行為，而粉煤灰摻量為30%的情況下，聚丙烯纖維在峰值荷載后的拔出階段出現的則是滑移軟化行為。

3.2 峰值荷載與峰值應變

根據試驗結果繪制出聚丙烯纖維在基體中拔出時的峰值荷載與峰值應變隨粉煤灰摻量的變化曲線，結果分別如圖1和圖2所示。由圖中的結果可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，聚丙烯纖維在基體中拔出時的峰值荷載與峰值應變均呈現出先增加后減小的變化趨勢。由此可見，在聚丙烯纖維混凝土中摻入一定量的粉煤灰可以有效提升聚丙烯纖維和水泥基體之間的界面粘結性能。具體來看，當粉煤灰摻量為10%和20%時，其峰值荷載分別為124.3MPa和129.7MPa，與不摻加粉煤灰的方案相比，分別提升了約4.45%和8.99%。如果進一步增加粉煤灰的摻量，界面的粘結性能反而呈下降趨勢。例如，當粉煤灰摻量為30%時，其峰值荷載為108.3MPa，與不摻加粉煤灰的方案相比，下降了約9.58%。從峰值應變的變化曲線來看，其與峰值荷載基本相同，當粉煤灰摻量為20%時峰值應變值最大。由此可見，當粉煤灰摻量為20%時可以獲得最佳界面粘結性能。

圖1 峰值荷載隨粉煤灰摻量變化曲線

圖2 峰值應變隨粉煤灰摻量變化曲線

表1不同粉煤灰產量荷載-位移試驗數據

3.3 拔出吸能

對不同粉煤灰摻量下的聚丙烯纖維拔出過程中的能量吸收指數進行計算，根據計算結果繪制出如圖3所示的能量吸收指數變化曲線。由圖可以看出，DEA、FEA和PEA三個能量指數隨著粉煤灰摻量的增加呈現出先增加后減小的變化趨勢，當粉煤灰摻量為10%時，DEA、FEA和PEA三個指數與未摻加粉煤灰的工況相比，分別增加了約7.4%、14.1%和12.1%；當粉煤灰摻量為20%時能量吸收指數達到最大，DEA、FEA和PEA三個指數與未摻加粉煤灰的工況相比，分別增加了約20.2%、20.4%和20.3%。當粉煤灰摻量為30%時，DEA、FEA和PEA三個指數與未摻加粉煤灰的工況相比，分別減小了約15.6%、30.3%和21.4%。由此可見，當粉煤灰摻量為20%時可以獲得最佳界面粘結性能。

圖3 能量吸收指數隨粉煤灰摻量變化曲線

4 結論

此次研究通過室內試驗的方式，探討和分析了粉煤灰摻量對聚丙烯纖維混凝土材料界面粘結性能的影響，獲得的主要結論如下：

1）當粉煤灰摻量小于20%時，拔出階段出現了滑移硬化行為，否則出現的是滑移軟化行為。

2）隨著粉煤灰摻量的增加，聚丙烯纖維在基體中拔出時的峰值荷載與峰值應變均呈現出先增加后減小的變化趨勢，當粉煤灰摻量為20%時峰值荷載與峰值應變值最大。

3）DEA、FEA和PEA三個能量吸收指數隨著粉煤灰摻量的增加呈現出先增加后減小的變化趨勢，粉煤灰摻量為20%時的能量吸收指數值最大。

3）綜合研究成果，粉煤灰摻量為20%時可以獲得最佳界面粘結性能，可以為工程應用提供借鑒。