聚丙烯腈纖維水泥砂漿的動態研究分析

(1.廣州大學 廣東 廣州510006；2.廣州南陽理工職業學院 廣東 廣州 510000)

聚丙烯腈纖維水泥砂漿的動態研究分析

秦書文1劉波2甘濤1

(1.廣州大學廣東廣州510006；2.廣州南陽理工職業學院廣東廣州510000)

為了增強混凝土結構表面水泥砂漿的抹灰層的動態拉伸性能，對M30等級的水泥砂漿，設計了3種摻量的聚丙烯腈纖維水泥砂漿。通過對3種摻量(體積摻量0.3%、0.4%、0.5%)的纖維水泥的動態壓縮試驗和動態劈裂實驗，分析不同摻量的動態力學性能的影響。對比實試驗結果知道：聚丙烯腈纖維水泥砂漿可以提高增韌效果，可以減少水泥砂漿的在高應變率作用下的飛散程度，增大吸能效果，從而減少對人員傷亡以及降低對人員傷亡的程度。

聚丙烯腈纖維;水泥砂漿;力學性能

當今社會，不論是高樓大廈還是基礎建設，主要材料是有水泥、砂、石子組成。已經普遍應用在各個結構中。結構構件的大量應用，也催生出水泥砂漿大量應用。同時也是組成混凝土的主要材料，抗壓強度或者拉伸性能強度提高是很多研究學者都關注的問題，研究學者通過添加各類纖維：像玻璃纖維、鋼纖維和聚丙烯纖維等等，但是對于聚丙烯腈纖維的摻入對混凝土力學性能的研究較少且不夠深入[1-2]，它們主要以素混凝土作為集體，摻入亂向分布的短切纖維作為增強體從而形成的復合材料[3]。

現在的結構不僅要受常規荷載，隨著人類社會的發展，現在的自然環境越來越變得惡劣，颶風、地震等等自然災害，特別是現在的天然氣爆炸事件逐年上升，以及恐怖襲擊等威脅的增加，還要考慮這些偶然的沖擊荷載。水泥砂漿抹灰層作為混凝土構件的保護層，在受到這些偶然沖擊荷載作用下，最先受到沖擊，再加上它的抗壓和抗拉強度都明顯低于混凝土構件，所以最先受到破環。在沖擊荷載作用下掉落或者飛出都會對人員造成傷亡。為了提高水泥砂漿拉伸性能，本文采用了聚丙烯腈纖維水泥砂漿，研究了它的動態壓縮以及動態劈裂性能。配制了3種體積含量的纖維(0.3%、0.4%、0.5%)，利用φ40mm分離式Hopkinson壓桿(SHPB)進行了動態壓縮和劈裂實驗。

一、試驗

(一)原材料及配合比

原材料：纖維為常州市天怡工程纖維有限公司生產的聚丙烯腈纖維，具體參數見下表1；水泥：廣州市石井水泥公司制造的石井牌P.O普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5R(旋窖，其中R：代表早強型)；砂：中砂，最大粒徑2mm；水：自來水；外加劑：萘系減水劑，減水率為35%；模具：φ38*20mm的有機玻璃模具。具體參數見下表2.四種纖維含量分別為：0kg/m3、3.54kg/m3、4.72kg/m3、5.90kg/m3。

表1 聚丙烯腈纖維基本力學性能指標

表2 水泥砂漿配合比kg/m3

(二)試件制備

為了讓纖維更加均勻的分布在水泥砂漿里，本試驗結合參考文獻[4-7]，通過多次的適配，最終確定纖維水泥砂漿拌制的流程：①先加水，再加水泥，拌制30s；②水泥和水攪拌均勻后加入砂，拌制時間60s；③最后加入纖維，纖維要均勻鋪撒在水泥砂漿表面，然后在攪拌，拌制時間80s。④入模。為了使纖維水泥砂漿攪拌的更加均勻采用的攪拌儀器是電動攪拌電鉆(水泥攪)。振搗方法采用順時針、有外邊緣向內的振搗方法，經人工振搗完成后，抹平外露面。放在實驗室24h后拆模，在標準條件下進行養護(溫度20±2℃，相對濕度超過95%的標準養護條件下進行養護28天)。

根據SHPB裝置桿的直徑φ40mm以及試驗要求，對其表面進行打磨，端面的平整度≦0.2mm，減少應力集中現象，是試件在撞擊過程中均勻受力。水泥砂漿在沖擊試驗的過程中離散性較大，為了獲取有效的數據，動態壓縮一組8個，動態劈裂一組5個。

(三)試驗方法

動態壓縮和劈裂試驗采用φ40mmSHPB進行，子彈長0.4m，入射桿長2m，投射桿長2m，桿材料為彈簧鋼，楊氏模量為210Gpa，彈性波的波速為5122m/s。為了減少摩擦效應，在試件的兩個端部涂抹凡士林，并在試件周圍用紙箱罩起來，以避免在高速撞擊下試塊崩濺對人和設備造成傷害。

二、試驗結果及分析

(一)動態壓縮結果

圖1、2、3、4是不同纖維摻量在不同撞擊速度下的動態壓縮試驗結果照片，摻量與速度見下表3.

表3纖維摻量及速度表格

圖1 纖維摻量為0

圖2 纖維摻量為0.3%

圖3 纖維摻量為0.4%

圖4 是纖維摻量為0.5%

破環特征分析：從上圖中可以知道不同的纖維含量，都有一個相同的破環特征，就是隨著沖擊速度的提升，試件的破環程度也在不斷地加大，試件在低速度的沖擊下，裂紋的發展是從中心向四周不斷地擴展，由低速度向高速度發展過程中，試件的也是由原來的大塊裝顆粒逐漸向小顆粒粉末發展。隨著纖維含量的提高，試件承受的能量也在逐漸加大，裂紋逐漸減少，大粒徑的顆粒的出現也逐漸增多，而且試件撞擊后的碎片，飛出去的半徑也越來越小。

(二)動態劈裂結果

圖5、6、7、8是不同纖維摻量在不同撞擊速度下的動態劈裂試驗結果照片，摻量與速度見下表4。

表4纖維摻量及速度表格

破環特征分析:從圖片中可以看出隨著纖維摻量的不斷提高，試塊承受的沖擊速度也越來越大，然而破環形態幾乎變化不大，這說明纖維的加入，可以提高說你砂漿試塊的拉伸性能，在試件受到沖擊作用下可以吸收一部分能量，從而較少試件的開裂。

三、結論

本文通過對4種不同含量的聚丙烯腈纖維水泥砂漿(0、0.3%、0.4%、0.5%)，在不同的撞擊速度動態壓縮和動態劈裂的研究性能，主要得出以下結論：

(1)添加聚丙烯腈纖維在動態壓縮過程中具有阻裂、吸能，降低碎片飛出去的能量，減少人員傷亡。

(2)對不同纖維摻量的動態劈裂，隨著纖維含量的提高，承受的撞擊速度也在不斷的提高，試件在劈裂過程中受到纖維的拉扯力，雖然試件開裂，在一定范圍內的撞擊速度，試件雖然開裂但不飛離。

[1]曲旭光,史保華,彭洪波.聚丙烯腈纖維混凝土性能試驗研究[J].混凝土,2009(4):81-82.

[2]張麗哲,石海強,季濤.聚丙烯腈纖維混凝土的抗壓與抗折性能試驗研究[J].南通大學學報:自然科學版,2012,11(3):39-42.

[3]沈榮熹，王璋水，崔玉忠.纖維增強水泥與纖維增強混凝土[M].北京:化學工業出版社，2006.

[4]朱林.UHMWPE纖維混凝土力學性能及抗侵徹能力研究[D].長沙：國防科學技術大學，2013.

[5]FISHER G.Deformation behavior of reinforced ECC flexural members under reversed cyclic loading conditions[D].Michigan:University of Michigan，2002.

[6]HAO Y，HAO H.Dynamic compressive behavior of spiral steel fiber reinforced concrete in split Hopkinson pressure bar tests[J].Construction and Building Materials，2013，48(48):521-532.

[7]MACA P，SOVJAK R，KONVALINKA P.Mix design of UHPFRC and its response to projectile impact[J].International Journal of Impact Engineering，2014，63:158-163.

秦書文(1990-)，男，漢族，河南省林州市，碩士研究生。