山砂高韌性水泥基復(fù)合材料試驗(yàn)研究

涂開(kāi)勝， 楊興霞（1.貴州中建建筑科研設(shè)計(jì)院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550006；2.中國(guó)建筑第四工程局有限公司，廣東廣州 510000；.黔南民族師范學(xué)院，貴州 都勻 558000）

0 引 言

水泥基材料作為土木工程行業(yè)最常用的建筑材料之一，從誕生至今已有百年的歷史。該建筑材料具有流動(dòng)性好、保水性好和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有脆性等缺點(diǎn)，限制了材料的應(yīng)用范圍。隨著建筑技術(shù)的飛速發(fā)展，“建筑抗震”成為土木工程行業(yè)的熱門(mén)詞，延性材料的研發(fā)也成為熱門(mén)課題。

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，水泥基體內(nèi)纖維數(shù)量、分布方向和間距對(duì)水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能起到至關(guān)重要的作用[1-2]。根據(jù)筆者統(tǒng)計(jì)，眾多學(xué)者所研發(fā)的高韌性水泥基復(fù)合材料主要以河砂和石英砂為主，但2種材料量少且開(kāi)采難度大，導(dǎo)致成本居高不下，這成了該材料市場(chǎng)推廣的最大阻礙。我國(guó)西南地區(qū)山砂資源豐富，可以大量利用山砂資源配制水泥基復(fù)合材料，不僅緩解了因過(guò)度開(kāi)采河砂和石英砂而導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，同時(shí)山砂儲(chǔ)存量大，開(kāi)采成本低，還可大幅度降低原材料成本，對(duì)山砂高韌性水泥基復(fù)合材料的推廣起到積極作用。本文從改變纖維摻量探究其對(duì)山砂水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能、微觀狀態(tài)纖維分布等方面的影響。

王晶[3]對(duì)采用PVA纖維體積摻量為1.0%、1.5%、2.0%的情況進(jìn)行研究，研究表明，隨著纖維摻量增大，試件抗拉強(qiáng)度得到大幅度提高，大幅度增強(qiáng)試件內(nèi)部橋聯(lián)作用，同時(shí)極限拉應(yīng)變也明顯增大。李素華[4]通過(guò)一系列基本力學(xué)試驗(yàn)，通過(guò)反分析法探究并確定PVA纖維大幅度增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的極限抗拉強(qiáng)度和極限拉應(yīng)變。LI和LIM[5-6]對(duì)比素混凝土和纖維混凝土，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行修復(fù)，研究表明，同等條件下，纖維混凝土延性和韌性最好，能很好地控制裂縫發(fā)展。汪衛(wèi)[7]等研究發(fā)現(xiàn)，由于國(guó)產(chǎn)PVA纖維表面未進(jìn)行處理，在水泥基體中分散性差等原因，當(dāng)纖維體積摻量為1.4%時(shí)，纖維開(kāi)始產(chǎn)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。闕黎黎等[8]對(duì)纖維體積摻量為1.3%的2種國(guó)產(chǎn)纖維進(jìn)行研究，研究表明，國(guó)產(chǎn)PVA纖維表面經(jīng)涂油處理后，在水泥基體中的分散性可等同于甚至超過(guò)進(jìn)口PVA纖維，但對(duì)試件斷面分析，纖維破壞形態(tài)呈拉斷而不是拔出，說(shuō)明國(guó)產(chǎn)纖維的彈性模量和抗拉強(qiáng)度較低。

綜上所述，國(guó)產(chǎn)纖維具有彈性模量和抗拉強(qiáng)度低等顯著缺點(diǎn)，因此，現(xiàn)階段研究學(xué)者主要是從改善水泥基材料的角度進(jìn)行研究，經(jīng)常選用河砂或者石英砂配制高延性混凝土。本文從改良后的優(yōu)選國(guó)產(chǎn)纖維PE（價(jià)格約為進(jìn)口纖維的50%），結(jié)合西南地區(qū)機(jī)制山砂，配制機(jī)制砂高韌性水泥基復(fù)合材料，擬探究其力學(xué)性能。

1 試 驗(yàn)

1.1 主要原材料介紹

（1）機(jī)制砂采用機(jī)制山砂，其基本特性如表1所示。

表1 機(jī)制山砂基本特性

（2）纖維采用PE纖維，基本力學(xué)性能如表2所示。

表2 PE纖維基本力學(xué)性能

（3）P·O 42.5水泥，II級(jí)粉煤灰。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)擬探究纖維數(shù)量對(duì)機(jī)制砂水泥基復(fù)合材料的影響，故采用控制變量法，設(shè)計(jì)配合比如表3所示。

表3 纖維摻量設(shè)計(jì)配合比

1.3 等效彎曲試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)在中國(guó)建筑土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（工業(yè)固廢資源化利用）進(jìn)行，試驗(yàn)室裝置如圖1所示。試驗(yàn)采用40 mm×40 mm×160 mm標(biāo)準(zhǔn)試件，采用WDW-10型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)加載，采用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀（TST3822EW）進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集與記錄，采用D020（精度0.001 mm，量程20 mm）型拉線式位移傳感器記錄構(gòu)件橫向變形。

圖1 彎曲試驗(yàn)裝置

1.4 試驗(yàn)現(xiàn)象

1.4.1 抗折試驗(yàn)

試驗(yàn)加載速率為50 N/s，隨著荷載增加，當(dāng)抗折強(qiáng)度約為6.0 N/mm2時(shí)，試件開(kāi)裂，同時(shí)加載曲線呈“突減”現(xiàn)象，不同纖維摻量的試件突減程度約為開(kāi)裂荷載的7%～10%不等；隨后，荷載由水泥基體承載轉(zhuǎn)為試件中的纖維承載，繼續(xù)加載，相同現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)2～3次后，試件最終從加載點(diǎn)附近被破壞。

1.4.2 彎曲試驗(yàn)

采用四點(diǎn)彎曲加載，試驗(yàn)加載速率為0.3 mm/min。加載前期試驗(yàn)現(xiàn)象與水泥膠砂抗折強(qiáng)度類(lèi)似，當(dāng)荷載約為1 500 N時(shí)，試件加載范圍內(nèi)出現(xiàn)細(xì)小微裂縫；隨著纖維摻量增加，微裂縫數(shù)量呈遞增趨勢(shì)，隨著荷載持續(xù)增加，微裂縫數(shù)量增多，最終達(dá)到峰值荷載，繼續(xù)加載，微裂縫數(shù)量增加，最終試件抗彎承載力開(kāi)始下降，直到降至峰值荷載為85%以下。

1.4.3 正拉黏結(jié)試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地采用混凝土普通磚、空心砌塊和水泥砂漿砌筑2片2.0 m×1.5 m磚墻，在2片墻上分別采用3種試配的混合料按標(biāo)準(zhǔn)壓抹施工，自然狀態(tài)養(yǎng)護(hù)28 d，每區(qū)域切割3塊進(jìn)行正拉黏結(jié)試驗(yàn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，混凝土普通磚墻體破壞界面有效，均為基材破壞；空心砌塊均為膠粘劑與基材界面破壞，屬無(wú)效破壞；而且，HDC面層在空心砌塊正拉黏結(jié)試驗(yàn)荷載遠(yuǎn)低于其在混凝土普通磚表面的正拉黏結(jié)試驗(yàn)荷載。

1.5 試驗(yàn)結(jié)果

1.5.1 水泥膠砂抗折/抗壓強(qiáng)度、等效彎曲強(qiáng)度/韌性試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)GB/T 17671—2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（IOS法）》和T/CECS 997—2022《高韌性混凝土加固砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，對(duì)3組試配進(jìn)行水泥膠砂抗折/抗壓強(qiáng)度、等效彎曲強(qiáng)度/韌性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

1.5.2 正拉黏結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)GB 50550—2010《建筑結(jié)構(gòu)加固工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》附錄U進(jìn)行正拉黏結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 正拉黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果單位：MPa

2 結(jié)論分析

2.1 水泥膠砂抗折/抗壓強(qiáng)度

由圖2（a）可知，隨著纖維摻量增加，抗折強(qiáng)度呈遞增趨勢(shì)，但纖維摻量為0.5%、0.7%、0.9%時(shí)，其抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì)；隨著齡期增長(zhǎng)，56 d齡期抗折強(qiáng)度遞減，最佳纖維摻量為0.7%；由圖2（b）可知，纖維摻量對(duì)水泥膠砂抗壓強(qiáng)度影響較小，隨著齡期增加，抗壓強(qiáng)度呈遞增趨勢(shì)。

圖2 水泥膠砂抗折/抗壓強(qiáng)度

2.2 等效彎曲強(qiáng)度/韌性

由圖3、圖4可知，隨著纖維摻量的遞增，等效彎曲試驗(yàn)峰值荷載呈遞增趨勢(shì)，隨著齡期增加，現(xiàn)象越明顯。當(dāng)摻量較高（0.9%）時(shí)，荷載-位移曲線波動(dòng)性較大，主要是因?yàn)樵嚰_(kāi)裂后，由纖維起主導(dǎo)作用。由于水泥基體較少，纖維摻量較多，試件受彎破壞時(shí)，試件相對(duì)受壓區(qū)高度因纖維柔性導(dǎo)致迅速變低，裂縫迅速延伸，但由于纖維摻量高且無(wú)序性分布的特點(diǎn)，試件承載力并不會(huì)迅速下降，到加載后期纖維數(shù)量不斷斷裂，荷載-位移曲線呈波動(dòng)狀態(tài)，最終導(dǎo)致試件失效。反之，當(dāng)纖維摻量較低（0.5%）時(shí)，試件開(kāi)裂后，由于纖維摻量少而使試件呈脆性，因此導(dǎo)致試件荷載-位移曲線呈峰值荷載低且極限位移小的特點(diǎn)。因此，當(dāng)纖維摻量適中（0.7%）時(shí)，纖維和水泥基體之間具有良好的協(xié)同作用，使得荷載-位移曲線呈平緩變化且極限變形也較大。

圖3 同齡期不同纖維摻量等效彎曲位移-荷載曲線

圖4 同纖維摻量不同齡期等效彎曲位移-荷載曲線

等效彎曲強(qiáng)度和等效彎曲韌性均與材料延性、耗能能力有直接關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，隨著纖維摻量的增加，等效彎曲強(qiáng)度、等效彎曲韌性均呈遞增趨勢(shì)。由于等效彎曲強(qiáng)度與荷載下降至0.85倍峰值荷載對(duì)應(yīng)的位移有關(guān)系，因此造成等效彎曲強(qiáng)度高的試件等效彎曲韌性反而偏低的現(xiàn)象。

2.3 微觀狀態(tài)

利用Image View觀察不同纖維摻量和不同齡期的試件破壞斷面纖維狀態(tài)。根據(jù)微觀狀態(tài)分布照片，纖維在水泥基體中呈亂序網(wǎng)狀分布，縱橫向纖維對(duì)其范圍內(nèi)的水泥基體起到約束作用，形成一個(gè)單獨(dú)的受力單元體，相互單元體之間通過(guò)摩阻力關(guān)系傳力，提高其變形能力和承載能力，觀察發(fā)現(xiàn)縱向纖維呈“拉脫翹曲”狀態(tài)，說(shuō)明縱向纖維主要抵抗外力。因此，縱向纖維的數(shù)量和纖維斷裂強(qiáng)度對(duì)水泥基體的彎曲強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度起到關(guān)鍵作用。

當(dāng)纖維摻量為5%時(shí)，試件斷面纖維分布較稀疏，呈單根獨(dú)立狀態(tài)，無(wú)充足的纖維數(shù)量約束水泥基體，使形成的獨(dú)立受力單元體較大，這種狀態(tài)下對(duì)于單元體受力產(chǎn)生不利影響；當(dāng)纖維摻量為7%時(shí)，纖維呈網(wǎng)狀分布，有效地約束了水泥基體，大幅度增強(qiáng)了水泥基體的受力性能；當(dāng)纖維摻量為9%時(shí)，纖維呈網(wǎng)狀分布，但此時(shí)纖維數(shù)量較多，形成的約束體也更小，過(guò)小的約束體對(duì)受力不利，水泥基體受力性能提升遠(yuǎn)不如纖維摻量為7%時(shí)，同時(shí)，對(duì)纖維利用率降低。因此，結(jié)合纖維分布狀態(tài)和力學(xué)性能綜合分析，纖維摻量為7%為最佳摻量。

水泥基試塊養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，斷面纖維拉脫表面存在部分粒徑較大的水泥基材料。由于內(nèi)部纖維與水泥基材料之間的摩阻力，導(dǎo)致強(qiáng)度較低的水泥基體在纖維拉力作用下發(fā)生滑移而最終破壞；但隨著齡期增長(zhǎng)，水泥基體強(qiáng)度快速發(fā)展，同時(shí)增強(qiáng)了水泥基材料與纖維之間的握裹力，最終導(dǎo)致試件破壞后纖維表面水泥基材料顆粒小且少的現(xiàn)象。

2.4 正拉黏結(jié)強(qiáng)度

綜上可知，纖維摻量對(duì)山砂高韌性水泥基復(fù)合材料正拉黏結(jié)強(qiáng)度影響較小，根據(jù)破壞面觀察可知，空心砌塊面積大，灰縫小，表面光滑，表面未進(jìn)行嵌縫處理，未形成抗剪鍵，導(dǎo)致其正拉黏結(jié)強(qiáng)度低，僅為混凝土普通磚墻正拉黏結(jié)強(qiáng)度的50%。該試驗(yàn)結(jié)果與T/CECS 997—2022《高韌性混凝土加固砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的正拉黏結(jié)強(qiáng)度不低于0.6 MPa相矛盾。因此，在該材料后續(xù)實(shí)際工程中，應(yīng)針對(duì)不同的墻體分別提出合格的判定標(biāo)準(zhǔn)，施工中提出表面鑿毛或嵌縫形成抗剪鍵尤為重要。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）隨著纖維摻量增加，其抗折強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì)；隨著齡期增長(zhǎng)，56 d齡期抗折強(qiáng)度遞減，最佳纖維摻量為0.7%，纖維摻量對(duì)水泥膠砂抗壓強(qiáng)度影響較小，隨著齡期增加，抗壓強(qiáng)度呈遞增趨勢(shì)。

（2）隨著纖維摻量的遞增，等效彎曲試驗(yàn)峰值荷載呈遞增趨勢(shì)，隨著齡期增加，現(xiàn)象越明顯。當(dāng)纖維摻量較高（0.9%）時(shí)，荷載-位移曲線波動(dòng)性增強(qiáng)；反之，當(dāng)纖維摻量較低 （0.5%） 時(shí)，試件呈脆性，荷載-位移曲線呈峰值荷載低且極限位移小的特點(diǎn)；當(dāng)纖維摻量適中（0.7%）時(shí)，纖維和水泥基體之間具有良好的協(xié)同作用，使荷載-位移曲線呈平緩變化且極限變形也較大。

（3）隨著纖維摻量增加，試件破壞斷面纖維密度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，根據(jù)纖維破壞形態(tài)，部分纖維呈斷裂而非拉脫狀態(tài)。纖維摻量對(duì)正拉黏結(jié)強(qiáng)度影響較小，影響正拉黏結(jié)強(qiáng)度的最大因素為基層粗糙程度。

根據(jù)以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)已排除了較多因素，比如水膠比、膠砂比和粉煤灰與水泥比例等關(guān)系對(duì)本試驗(yàn)的影響。使得本研究試驗(yàn)不系統(tǒng)，后續(xù)將會(huì)加大試驗(yàn)參數(shù)，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)的角度對(duì)本試驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。