基于透明介質法的纖維增強混凝土中纖維取向角分布研究*

孫啟龍 孫 雷 張麗哲 張家威 季 濤 高 強

南通大學紡織服裝學院，江蘇 南通 226019

基于透明介質法的纖維增強混凝土中纖維取向角分布研究*

孫啟龍 孫 雷 張麗哲 張家威 季 濤 高 強

南通大學紡織服裝學院，江蘇 南通 226019

通過測試水泥凈漿和不同質量分數卡波姆凝膠的表觀黏度，發現質量分數為0.11%的卡波姆凝膠與水泥凈漿具有相近的表觀黏度，并以此作為透明介質模擬水泥凈漿，研究澆筑方式對纖維增強混凝土中的纖維取向角分布的影響。結果表明：在相同澆筑條件下，纖維在質量分數為0.11%的卡波姆凝膠中的取向角分布與其在水泥凈漿中較為相似，故質量分數為0.11%的卡波姆凝膠可用于模擬水泥凈漿；澆筑后振動和分層澆筑都會使纖維取向角減小，并使纖維趨于水平分布，這有助于纖維發揮增強、增韌的作用。

纖維增強混凝土， 卡波姆凝膠， 透明介質， 表觀黏度， 纖維取向角

水泥混凝土是目前用量最大的一種建筑材料，在各行業有著廣泛的應用[1]。但它也存在諸多缺點，如在工程應用中脆性大、抗拉強度低、抗沖擊性能低等[2-3]，因此，使用纖維材料改善混凝土的性能已成為一種重要的方法。纖維的摻入可起到阻裂、增強、增韌及提高耐久性等作用，其中，以鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維，特別是合成纖維為增強纖維的混凝土得到了快速發展。但若要使纖維充分發揮上述作用，則纖維在混凝土基體中必須具有良好的分布狀態，否則不但不能充分發揮作用，還可能產生負面影響[4]。通常，纖維增強混凝土中纖維取向角分布模糊地以“三維亂向”加以描述[5]，這表明纖維增強混凝土中纖維的分布并沒有得到充分的研究。

當前，有學者提出采用如X射線投射法、CT斷層掃描三維重建法、水洗法等研究纖維增強混凝土中纖維取向角的分布。其中，X射線投射法主要依靠纖維在平面中的投影來分析纖維在試樣中的分布狀態[6]；CT斷層掃描三維重建法先依靠CT設備中的X射線進行斷層掃描，再利用截面圖像進行三維重建，直觀地觀察鋼纖維的分布，但分析合成纖維時誤差較大[7]；水洗法利用水沖洗纖維新拌混凝土(即新制備的未凝固的混凝土)并收集纖維，干燥稱重后通過比較單位體積試樣中纖維含量來評價纖維的分散性[8]，但此法只能分析試樣中纖維的含量，無法確定纖維取向度。綜上所述，目前仍缺少一種直觀的可以獲取纖維在纖維增強混凝土中取向角分布的研究方法，特別是針對使用廣泛的合成纖維。為此，本課題組研發了一種以透明介質模擬混凝土，將纖維可視化，研究混凝土中纖維取向角分布的方法。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與裝置

1.1.1 試驗材料

卡波姆940樹脂，白色粉末狀，購自美國諾譽化工(上海)有限公司；三乙醇胺，分析純，購自南通默克化學試劑有限公司；普通硅酸鹽水泥；黑色錦綸單絲纖維，直徑1 mm；蒸餾水。

1.1.2 主要試驗裝置

MCR102高級流變儀(安東帕公司)，用于測試卡波姆凝膠及水泥凈漿的流變性能。測試時使用如圖2所示的特殊轉子，其特殊的結構可有效防止測試過程中水泥凈漿中水泥顆粒的沉降，保證表觀黏度測試結果的準確性。

圖1 特殊轉子

ZDT -1000混凝土振動臺(浙江上虞風尚儀器公司)，振動頻率2 860次/min，振幅0.3～0.6 mm，用于試樣澆筑后振實成型。

1.2 卡波姆凝膠及水泥凈漿的制備

稱取適量卡波姆940樹脂粉末，將其置入燒杯中，加入一定量的蒸餾水，利用磁力攪拌器對其進行攪拌。待卡波姆940樹脂粉末完全溶解后，使用滴定管加入適量三乙醇胺直至溶液為中性即pH值為7，并繼續使用玻璃棒攪拌得到透明介質——卡波姆凝膠。

本文分別配置了質量分數為0.10%、0.12%、0.14%及0.16%的卡波姆凝膠。同時，制備了水灰比(即水與水泥的質量比)為0.5的水泥凈漿。

1.3 澆筑試驗

模擬試驗：將50根長度為20 mm的黑色錦綸單絲加入約1.67 L的卡波姆凝膠中，利用玻璃棒攪拌30 s后澆筑于外徑為200 mm的PVC管中(澆筑高度可達60 mm)，并振動。因PVC管底部與一塊透明有機玻璃板黏合，管內側標有刻度線，故可通過有機玻璃觀察卡波姆凝膠中黑色錦綸單絲的狀況，并使用相機記錄纖維在透明介質中的分布狀態。所得澆筑試樣如圖2所示，圖中橙色纖維是水平放置于有機玻璃底部的長度為20 mm的參照物。

圖2 透明介質澆筑試樣

水泥凈漿試驗：將50根長度為20 mm的黑色錦綸單絲加入0.80 L的水泥凈漿(水灰比為0.5)中，按照同樣的方法澆筑成試樣。

本文為研究振動和澆筑方式對纖維分布的影響，分別采取了圖3所示的3種澆筑方式。澆筑時，混有纖維的卡波姆凝膠或水泥凈漿從正上方倒入PVC管中間位置；振動時，將裝有卡波姆凝膠或水泥凈漿的圓筒模具置于ZDT -1000混凝土振動臺上振動30 s。

圖3 3種澆筑方式

1.4 取向角測量

對于卡波姆凝膠中的纖維取向角，可通過圖像分析并測量纖維在平面中的投影長度，計算纖維與平面的夾角；而對于水泥凈漿中的纖維取向角，則利用水沖洗1 d齡期的混凝土塊直至纖維露出表面，手工測量纖維取向角。

2 結果與分析

2.1 表觀黏度

圖4描述了卡波姆凝膠和水泥凈漿于不同剪切速率下的表觀黏度。

圖4 水泥凈漿和卡波姆凝膠于不同剪切速率下的表觀黏度

從圖4可以看出：隨著轉子剪切速率的增加，卡波姆凝膠的表觀黏度相應減小；隨著卡波姆凝膠質量分數的上升，表觀黏度相應增加。且對比卡波姆凝膠和水泥凈漿的表觀黏度曲線可以看出，水泥凈漿的表觀黏度介于質量分數為0.10%和0.12%的卡波姆凝膠之間。后經確認，質量分數為0.11%的卡波姆凝膠與水灰比為0.5的水泥凈漿的表觀黏度非常接近，故下文選擇使用質量分數為0.11%的卡波姆凝膠來研究纖維增強混凝土中纖維取向角分布，并與纖維在水泥凈漿中的取向角進行對比。

2.2 纖維取向角分布

分別測量50根黑色錦綸單絲在卡波姆凝膠和水泥凈漿中的纖維取向角，結果如圖5所示。

(a) 澆筑方式1

(b) 澆筑方式2

(c) 澆筑方式3

由圖5可得出，卡波姆凝膠和水泥凈漿中的纖維取向角的分布狀況較為相似，3種澆筑方式所得纖維取向角平均值歸納于表1。其中，澆筑方式②和澆筑方式③所得卡波姆凝膠和水泥凈漿中纖維取向角的平均值較為接近，而沒有振動環節的澆筑方式①受攪拌的影響較大，纖維取向存在較大隨機性，所得卡波姆凝膠和水泥凈漿中纖維取向角的平均值差異較大。此外，由表1還可看出，澆筑方式對纖維取向角的影響較大，澆筑后振動和分層澆筑都會減小纖維取向角，使纖維更傾向于水平分布，而正是這種分布有利于纖維在混凝土中發揮增強、增韌作用。

表1 不同澆筑方式下纖維取向角的平均值

項目澆筑方式①澆筑方式②澆筑方式③卡波姆凝膠水泥凈漿卡波姆凝膠水泥凈漿卡波姆凝膠水泥凈漿取向角平均值/(°)25.121.817.817.214.713.0

3 結語

(1) 在水泥凈漿和質量分數為0.11%的卡波姆凝膠中，纖維取向角的分布具有較高的相似性，所以質量分數為0.11%的卡波姆凝膠可作為透明介質用于模擬水泥凈漿，研究纖維在纖維增強混凝土中的取向角分布；

(2) 澆筑后振動和分層澆筑都會使纖維增強混凝土中纖維取向角變小，并使纖維趨向于水平分布，這有助于纖維發揮增強、增韌的作用。

[1] 中國建筑材料聯合會信息部.2011年水泥產量和產能統計分析報告[J].中國水泥，2012(3):10-12.

[2] 馮乃謙.高性能混凝土[M].北京:中國建筑工業出版社，1996：10-22.

[3] KANAKUBO T. Tensile characteristics evaluation method for ductile fiber-reinforced cementitious composites[J]. Journal of Advanced Concrete Technology, 2006,4(1):3-17.

[4] OZYURT N, MASON T O, SHAH S P. Correlation of fiber dispersion， rheology and mechanical performance of FRCs[J]. Cement & Concrete Composites, 2007,29(2):70-79.

[5] 謝建斌，何天淳，程赫明,等.纖維混凝土中纖維隨機分布細觀機理的研究[J].昆明理工大學學報(自然科學版),2002,27(3):97-101．

[6] CHERMANT J L, CHERNMAN L, COSTER M, et al. Some fields of applications of automatic image analysis in civil engineering[J]. Cement and Concrete Composites, 2001,23(2-3):157-169.

[7] KRAUSE M, HAUSHERR J M, BURGETH B, et al. Determination of the fiber orientation in composites using the structure tensor and local X-ray transform[J]. Journal of Material Science, 2010,45(4):888-896.

[8] ASTM C1229-94(2015). Standard test method for determination of glass fiber content in glass fiber reinforced concrete (GFRC) (Wash-Out Test)[S]. ASTM International， 2015.

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Research on fiber orientation angle distribution in fiber reinforced concrete based on transparent medium method

SunQilong,SunLei,ZhangLizhe,ZhangJiawei,JiTao,GaoQiang

School of Textile and Clothing， Nantong University, Nantong 226019, China

It was found that the 0.11 w.t.% carbomer gel had the similar apparent viscosity to that of the cement paste through investigating the apparent viscosity of the cement paste and carbomer gels with different mass ratio, and the 0.11 w.t.% carbomer gel was chosen to simulate the cement paste as the transparent medium, studying influence of casting methods on the fiber orientation angle distribution in fiber reinforced concrete. The results showed that the fiber orientation angle distribution in the 0.11 w.t.% carbomer gel was similar to that in the cement paste under the same casting process, so the 0.11 w.t.% carbomer gel could be used to simulate cement paste. And the vibration after casting and layer-by-layer casting could decrease the fiber orientation angle, make fibers horizontally arranged in the matrix, which contributed to fibers playing the role of reinforcing and toughening.

fiber reinforced concrete, carbomer gel, transparent medium, apparent viscosity, fiber orientation angle

*江蘇省高校自然科學研究面上項目(15KJD430008)；南通大學交通運輸專項項目(13ZJ009、13ZJ010)

2016-09-01

孫啟龍，男，1983年生，副教授，研究方向為纖維混凝土

TU528.572

A

1004-7093(2016)11-0018-04