超韌水泥基復合材料力學性能試驗研究

趙剛 李暾

（1中交鐵道設計研究總院有限公司，北京 100088；2中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075）

0 引言

普通混凝土由于其原材料分布廣、成本低、抗壓強度高、拌合物具有一定的可塑性等優點，使其成為一種用途最廣、而且非常重要的工程材料。但是，混凝土固有的脆性、受荷后容易開裂等缺點限制了它的進一步擴大應用。在水泥基材中添加長徑比適宜、均勻分布的纖維是增強韌性，控制裂縫發展的有效方法。

目前的纖維增強水泥基復合材料主要有兩類，但是都有其自身的缺陷。11 Fiber Reinforced Cementitious Composites，簡記為FRC。雖然能夠改變混凝土的脆性，但是其纖維摻量過高，需要高頻振動才能密實，施工工藝復雜，限制其推廣應用；22 Engineered Cementitious Composites，簡記為ECC，雖然具有優異的力學性能和良好的耐久性，但是其力學性能不穩定，而且ECC所用的纖維為國外生產，使得ECC造價偏高，不適合工程的大量應用。因此，研發一種低摻量、價格低廉的國產纖維增強水泥基復合材料很有必要。

1 原材料選擇

1.1 基體材料的選擇

水泥：冀東牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。

粉煤灰：采用Ⅱ級粉煤灰，比表面積為655m2/kg，密度為2.43g/m3。

石英砂：采用70～140目石英砂。

水：西安市生活飲用水。

外加劑：增稠劑、減水劑。

1.2 纖維的選擇

一般情況下，超韌水泥基復合材料在纖維的選取上要符合下列要求：

1）高抗拉強度。纖維的抗拉強度至少要為基材的100倍以上；

2）高楊氏模量。纖維的楊氏模量比基材大的越多，則在荷載的作用下纖維發揮的作用越大；

3）高變形能力。纖維的極限延伸率需比基材高10倍以上，但是也不能高太多，否則會造成纖維過早從基材中脫離，纖維的作用未能完全發揮；

4）低泊松比。纖維的泊松比應小于0.40；

5）高粘結強度。基材與纖維的界面粘結強度需超過1MPa；

6）適宜的長徑比。纖維摻入基體中要起到明顯的增韌效果需其長度與直徑的比大于臨界值；

7）纖維體積摻量確定。纖維在基材中的摻量需滿足下例兩個條件

其中：Efc—復合材料的楊氏模量；

εu m—水泥基材的極限應變值；

σu f—纖維的抗拉強度；

Vf—纖維的體積率；

Vm—水泥基材的體積率；

σu m—水泥基材的抗拉強度；

因此，試驗選取的纖維參數見表1。

表1 纖維材料性能

2 攪拌工藝

攪拌工藝直接影響纖維在基體中的分散性，進而影響到纖維增強水泥基復合材料的力學性能，本文通過對比幾種不同的攪拌工藝，最后確定如下工藝為最優攪拌方法。設置到手動攪拌，開動攪拌機干拌5分鐘，等其混合均勻后加水濕拌5分鐘，接著將纖維和外加劑均勻的添加到攪拌鍋中，攪拌5分鐘后將葉片和鍋壁上的漿體刮入料斗內繼續攪拌10分鐘，使其攪拌均勻。

3 流動度測試

流動度是衡量水泥基材料和易性、流動性的一個重要指標。當水灰比不變時，其值的大小取決于水泥的質量、細度等特性，也就是說水泥的水化需水量越大，則剩余用于保證流動性的水量就越少，流動度就越低。流動度用水泥基材料在流動桌上鋪開的正交兩個方向的平均直徑（mm）表示，是控制水泥基復合材料性能的一種簡單而實用的指數。本實驗測試的纖維摻量分別為1.6%、2%、2.3%的聚丙烯纖維增水泥基復合材料流動度分別190mm、180mm、165mm，而且粘聚性和保水性均順次降低。這可以用沈榮熹及Krenchel等人總結的纖維在單位體積中的根數N、表面積FSS及纖維的平均間距之間的相互作用解釋，公式如下：

式中：

N—單位體積中纖維的根數；

lf—每根纖維長度（mm）；

Vf—纖維體積率；

Af—每根纖維的橫截面；

FSS—單位體積復合材料中纖維的表面積；

df—纖維的直徑；

S—纖維平均中心間距。

這是由于纖維的無序分布，形成空間網絡結構，將水泥漿體包裹在其中，限制了漿體流動進而影響其整體的流動性。同時，纖維加入的越多，單位體積中纖維的根數就越多、比表面積也就越大，需包裹纖維表面所用的水泥漿就要越多，因此，隨著纖維摻入基體中數量的增加，其流動度逐漸降低的。因此，纖維的摻量必須控制在界限摻量范圍之內。

4 抗壓強度測試

采用立方體試件，每組3個試件，試件各邊長均為70.7mm。立方體抗壓強度計算公式如下：

式中：fm cu,—立方體試件抗壓強度（MPa）；

Nu—破壞荷載（KN）；

A—承壓面積（mm2）。

表2 抗壓強度測試結果

圖1 抗壓破壞形態對比

圖1左側為普通混凝土抗壓破壞形態，右側為聚丙烯纖維增強水泥基復合材料抗壓破壞形態。由圖可以看出，普通混凝土試件在達到峰值荷載后，先出現細小裂縫，逐步擴大，最后破裂，響聲很大，呈脆性破壞。聚丙烯纖維增強水泥基復合材料在荷載達到峰值荷載時，沒有明顯的裂縫，然而在繼續加載后，由于纖維的作用，變形繼續增加，施加的外部荷載能夠保持在某一數值而不是突然下降，同時在荷載施加的過程中會發出吱吱的被壓碎的聲音，最后多條裂縫逐漸變寬，承載能力下降。同時，聚丙烯纖維增強水泥基復合材料的抗壓曲線有完整的上升段和下降段，而普通混凝土卻沒有測試出下降段，主要是因為試驗機的剛度不足，在普通混凝土達到最大荷載破壞后，試驗機的支撐鋼柱突然回縮將試塊壓壞，因此測試不出混凝土的下降段，但是聚丙烯纖維增強水泥基復合材料達到最大荷載后，出現細小裂縫并逐步擴大，但跨越裂縫的纖維能夠阻止其一直開裂，而且在其相鄰的薄弱地方出現新的裂縫，繼續承受荷載，包括支撐鋼柱突然回縮的荷載，因此，聚丙烯纖維增強水泥基復合材料能夠在普通的試驗機上測出完整的荷載-歷程曲線。

5 抗彎性能測試

試驗選用薄板進行抗彎試驗，薄板尺寸為400mm×100mm×15mm，試驗一共制作兩組試件，第一組為聚丙烯纖維增強水泥基復合材料，纖維體積率分別為1.6%、2%、2.3%，第二組為玄武巖纖維增強水泥基復合材料，纖維體積率分別為1.6%、2%、2.3%。

1）抗彎性能測試試件加載（示意見圖2）。

2）實驗結果

由上圖可以看出，纖維體積率為1.6%、2.0%、2.3%的玄武巖纖維增強水泥基復合材料的的撓度分別為8.1mm、8.6mm、9.2mm。纖維體積率為1.6%、2.0%、2.3%的聚丙烯纖維增強水泥基復合材料的的撓度分別為29.2mm、35.6mm、31.2mm。這是由于當纖維的體積率在界限體積率范圍內時，隨著纖維摻量的提高，纖維橋聯作用就越充分，基體材料出現裂縫后，荷載由基材轉為橫跨裂縫的纖維承受，與裂縫相交的纖維越多，纖維所發揮的拉拔力越大，基體的裂縫開展就會被抑制，而在其相鄰處開裂，即“多縫開裂”。由于“多縫開裂”的形成，復合材料的抗彎韌性就會大大的提高。但是聚丙烯纖維的增韌效果要比玄武巖纖維好，這是因為實驗所用玄武巖纖維為國內生產的某廠纖維，雖然經過特殊處理，但是纖維仍是束狀，當纖維加入到水泥基體材料中后，攪拌過程中并不能把呈束的纖維分散為單絲狀，這對試件硬化后的各項力學性能產生不利影響。而本實驗中所用的國內某型號的聚丙烯纖維表面經過了特殊處理，其實驗結果表明，經過特殊處理的聚丙烯纖維其分散性及與水泥基之間的粘結性能夠完全滿足配制超高韌性水泥基復合材料的要求，并且其合理的纖維體積配筋率為2%。

圖2 四點抗彎加載實驗

圖3 四點抗彎實驗結果

3）超韌水泥基復合材料多縫開裂模型

與普通混凝土一裂即斷的破壞形態相比，超韌水泥基復合材料表現出超高的韌性。大概可以分為四個階段：1）彈性階段：此范圍內纖維與基體共同承受荷載，但前者承力的比例顯著低于后者，當基體材料出現第一條裂縫時此階段結束，這時應力達到開裂強度點；2）多縫開裂及開展階段：第一條裂縫出現后，由于纖維的橋梁作用，基體材料將應力傳遞給纖維，纖維承力后再由纖維將應力傳遞給相鄰未開裂的基體，纖維與基體間應力的往復傳遞使得試件產生大量的細密裂縫，位移和荷載都能持續增加，當基體中不再有新的裂縫出現時，該范圍結束；3）裂縫開展階段：新的裂縫不會在此階段出現，在荷載基本不變的情況下細密裂縫逐步開展，因而試件的跨中撓度繼續增大，表現出很高的韌性，試件從某一最薄弱裂縫處迅速開始破壞時此階段結束。4）局部破壞階段：這時最薄弱處的裂縫迅速開展，承載力急劇下降，試件破裂面上纖維大多拔出，此階段結束，試件破壞。

6 結語

本文通過國產原材料成功研制出了四點抗彎撓度達35.6mm的超高韌性纖維增強水泥基復合材料，大大降低了超韌水泥基復合材料的造價，其大量推廣應用后具有重要的經濟效益和社會意義。