環保高性能纖維水泥基本力學性能研究

韓 煦

（黑龍江省生態環境廳，黑龍江 哈爾濱 150090）

近年來，各類水泥材料已廣泛應用于國家基礎建設，隨之而來，水泥材料在工程建設中也出現了較多問題，主要有兩方面：一是在極限荷載條件下的脆性破壞力強，例如建筑物中的脫落、破碎現象都與混凝土的低韌性有直接聯系。二是在正常工作狀態下，混凝土中的裂紋出現擴展現象，導致有害離子的浸入，引發混凝土被破壞。在實際施工過程中，混凝土的脆性和開裂是導致其無法充分發揮力學性能的原因。因此，水泥材料的結構耐久性、使用壽命、維護費用等都是影響水泥材料結構在工程施工中應用的決定性因素。研究學者們通過在水泥中增添新興的環保高性能纖維材質，實現了對普通水泥材料的脆性優化。但目前并沒有相關的理論研究證明環保高性能纖維水泥的各項基本力學性能的具體表現。針對這一問題，文章開展了對環保高性能纖維水泥基本力學性能研究。

1 環保高性能纖維水泥抗拉性能

環保高性能纖維水泥的最大基本力學性能是抗拉性能。圖1為摻入3%的環保高性能纖維水泥在單軸拉伸條件下典型應力與應變關系曲線圖。

圖1 環保高性能纖維水泥典型應力與應變關系曲線

由圖1中的各項數據可知，環保高性能纖維水泥在單軸拉伸的作用下，其應變可達10%，而普通混凝土在單軸拉伸的作用下應變未達到0.02%時就已經出現被破壞的現象。并且環保高性能纖維水泥試件在達到自身極限抗拉強度后產生的裂縫寬度最大為75μm，表示裂縫寬度極小，因此，抗拉性能更優于普通混凝土材料。

同時，在單軸拉伸過程中，環保高性能纖維水泥最開始的裂縫出現在最大初始缺陷位置上，而后續又根據缺陷尺寸，以從大到小的順序不斷產生新的裂縫，最后初始裂縫會貫通整個界面，形成一條更大的裂縫，而環保高性能纖維水泥試件的承載能力也隨之快速下降，再立刻恢復到基本水平，在裂縫中的纖維材料對整個試件起到橋接的作用，使環保高性能纖維水泥的傳力性并未因裂縫的形成而降低。通過重復進行單軸拉伸作用，環保高性能纖維水泥試件上會形成基本均勻分布的多條細密裂縫，且每條裂縫之間的寬度也大體相同。并且，多條裂縫的形成也使試件從宏觀角度的拉應變力增加了近百倍，裂縫內部的纖維材質提供的橋聯應力已不能滿足使試件內部產生新的裂縫，各裂縫均處于飽和狀態，以此再繼續增加其荷載，不會產生新的裂縫，只會將原本存在的裂縫寬度增加，直到試件中某一裂縫發生擴展現象，環保高性能纖維水泥中的纖維材料被拔出或扯斷，導致試件最終斷裂損壞。環保高性能纖維水泥中纖維材質的體積摻量可根據需要發生變化，纖維材質的體積摻量計算公式為：

公式1中，V表示環保高性能纖維水泥中纖維材質的體積摻量；表示緩沖因數；N表示臨界面上的摩擦應力；d表示纖維材質的橫截面直徑；l表示纖維材質的總長度；m表示纖維材質在到達最大橋接應力時產生的歸一化裂紋的張開寬度；W表示纖維材質在摩擦脫粘過程中產生的能量損失。公式1中，纖維材質的橋接應力與裂紋張開時的寬度m存在如下力學關系：

通過相關實驗也可證明，當纖維材質的體積摻量為3%時，環保高性能纖維水泥及其復合材料的極限拉應變可達到0.8%，是普通水泥材質及其復合材料的80倍。當水膠比為0.38時，環保高性能纖維水泥的極限拉應變會增加到最大，可達4.7%，并且對應其抗拉強度可達3.5MPa。

2 環保高性能纖維水泥抗壓性能

環保高性能纖維水泥的抗壓性能與高強度的混凝土材質相似。圖2為環保高性能纖維水泥抗壓強度與齡期之間的關系曲線圖。

圖2 環保高性能纖維水泥抗壓強度與齡期之間的關系

采用水灰比為0.47的環保高性能纖維水泥進行抗壓強度檢測。粉煤灰與水泥的質量比為2∶4，環保高性能纖維水泥中混有纖維材質的體積摻量為3%，環保高性能纖維水泥的尺寸選用64mm×142mm的圓柱體時，通過檢測，得到如圖2所示的檢測結果。通過圖2中的各項數據可知，環保高性能纖維水泥在前期的抗壓強度增加曲線升高幅度最大，在其23d時可達到48MPa，隨著齡期的增長，其抗壓強度的曲線增長趨勢逐漸緩慢，說明其抗壓強度增加變得遲緩，最終在100d時，其抗壓強度最高可達76MPa。

再對10d、30d和100d齡期的摻有粉煤灰的環保高性能纖維水泥材料進行抗壓強度檢測，采用水膠比為0.38、膠砂比為3.6的環保高性能纖維水泥試件，并保證其粉煤灰與水泥材質的質量比為2.3和3.4，水泥中纖維材質的平均長度為6mm，等效直徑為48μm，纖維材質體積摻量為1.52%，得到的檢測結果如表1所示。

表1 不同粉煤灰摻量對試件抗壓強度的影響

由表1中的數據可以看出，在10d、30d和100d齡期的環保高性能纖維水泥進行不同粉煤灰摻量檢測時，環保高性能纖維水泥的抗壓強度會隨著粉煤灰摻量的增加而降低，因此，環保高性能纖維水泥的抗壓強度與粉煤灰摻量之間存在一定的反比例關系，粉煤灰對于環保高性能纖維水泥的抗壓強度具有不利影響。

再對2d、4d、12d和24d齡期的環保高性能纖維水泥采用水膠比為0.38、膠砂比為2.48的環保高性能纖維水泥試件進行檢測。試件中粉煤灰與水泥材質的質量比為2.4，纖維材質的長度為15mm，等效直徑為42μm，纖維材質的體積摻量為1.58%。檢測結果表示，2d、4d、12d和24d齡期的抗壓強度分別可達到35.0MPa、41.8MPa、48.9MPa和54.9MPa。由該檢測結果可以看出，在2d齡期的環保高性能纖維水泥抗壓強度已能滿足橋梁建筑中橋面板的32MPa設計要求，有利于提升橋梁建設施工速度。

3 環保高性能纖維水泥彎曲性能

環保高性能纖維水泥的應變硬化現象，不僅存在于本文上述提出的單軸拉伸作用中，同時，也體現在其彎曲性能中，在四點彎曲作用下的環保高性能纖維水泥能夠表現出明顯的應變硬化現象。利用四點彎曲作用對混有鋼纖維材質的水泥和環保高性能纖維水泥的彎曲性能進行測試。采用水膠比為0.25，對鋼纖維材質水泥和環保高性能纖維水泥進行配制，其中鋼纖維材質的體積摻量為2.4%、環保高性能纖維材質的體積摻量為3.5%，根據相關的標準配制規定對其配制。由檢測結果可得，對于混有鋼纖維材質的水泥而言，彎曲應力在達到峰值之前會呈快速上升狀態，當達到峰值后便逐漸降低，峰值狀態下的跨中撓度為0.5mm；對于環保高性能纖維水泥而言，彎曲應變在達到峰值前以緩慢的速度上升，在這一過程中，環保高性能纖維水泥中逐漸產生了較多裂縫，峰值狀態下的跨中撓度為8.2mm。因此，通過檢測結果總結出，環保高性能纖維水泥的彎曲強度更大，是鋼纖維材質水泥彎曲強度的2.0倍。

再采用普通硅酸鹽水泥對水灰比為0.42、膠砂比為3.5的環保高性能纖維水泥進行檢測。保證環保高性能纖維水泥中纖維的長度為7.24mm和13.43mm，纖維材質體積摻量為3.58%，環保高性能纖維水泥的尺寸為46.2mm×46.2mm×203.4mm，得到的檢測結果如表2所示。

表2 環保高性能纖維水泥彎曲強度與韌性對照

表2中，A、B1和C表示標準的養護環境，B2表示處于水中的養護環境。韌性表示材料荷載與撓度曲線包絡的總面積。由表2中的數據可得出，環保高性能纖維水泥的彎曲強度在最早期的齡期時呈顯著降低的狀態，在水中養護可進一步提升中長齡期時環保高性能纖維水泥的彎曲強度，但對于短期齡期時不利。同時，纖維長度增加，環保高性能纖維水泥的韌性也會隨之增加，因此，長纖維材質對于環保高性能纖維水泥的韌性十分有利。環保高性能纖維水泥對齡期的變化不敏感。

通過對兩種水膠比的環保高性能纖維水泥材料四點彎曲的彎曲性能進行對比研究，采用43.4R普通硅酸鹽水泥，水膠比分別為0.36和0.58的水泥砂漿試件，其中，環保高性能纖維水泥的纖維材質長度為10mm，等效直徑為25μm，整體形狀為長直形，纖維材質的體積摻量為2.10%，研究結果得出，在50d齡期內，環保高性能纖維水泥的彎曲強度與水膠比之間存在一定的反比例關系，彎曲強度會隨著水膠比的增加而降低。

4 環保高性能纖維水泥斷裂性能

通過對普通材質水泥、鋼纖維材質水泥、環保高性能纖維水泥進行斷裂性能對比檢測，其中普通材質水泥與鋼纖維材質水泥的水灰比可達0.37，環保高性能纖維水泥的水灰比可達0.12；鋼纖維材質水泥中的纖維體積摻量可達2.3%，環保高性能纖維水泥的纖維體積摻量可達6.5%。通過檢測結果可得出，經過長達42d的養護，環保高性能纖維水泥的斷裂性能最高，是普通材質水泥的160倍，是鋼纖維材質水泥的7.9倍。

再對環保高性能纖維水泥進行四種不同纖維材質體積摻量的檢測，采用普通硅酸鹽水泥，其水灰比為0.38的環保高性能纖維水泥，纖維材質長度為10.8mm，等效直徑為24mm，形狀為矩形，纖維材質體積摻量分別設置為0.6%、1.2%、2.4%和4.8%。將環保高性能纖維水泥截取尺寸為450mm×483mm×40mm的矩形立方體。檢測結果表明，環保高性能纖維水泥中摻有纖維體積摻量分別為0.6%、1.2%、2.4%和4.8%時，其斷裂性能分別可達9.7kJ/m2、14.2kJ/m2、28.5kJ/m2、35.9kJ/m2。因此，由檢測結果可得，斷裂性能會隨著纖維材質體積摻量的增加而增加，且增長速度呈緩慢的上升趨勢。

再對四種纖維材質體積摻量的環保高性能纖維水泥斷裂性能進行研究，采用普通硅酸鹽水泥，對水膠比為0.28、膠砂比為1.2的環保高性能纖維水泥試件，試件中纖維材質的長度保證在14mm左右，等效直徑約為95μm，分別向其中摻加纖維材質體積摻量分別為0、0.85%、1.25%和2.50%，得到的研究結果如表3所示。

表3 不同纖維摻量對環保高性能纖維水泥斷裂性能的影響

由表3中的結果可看出，針對同種纖維材質的體積摻量，環保高性能纖維水泥的斷裂性能會隨著齡期的增加而增加。而對于同一齡期，環保高性能纖維水泥的斷裂性能會隨著纖維材質的體積摻量增加而增加。

5 結語

通過本文對環保高性能纖維水泥各項基本力學性能的研究得出，在相同水膠比、纖維材質體積摻量的條件下，環保高性能纖維水泥與普通材質水泥、鋼纖維材質水泥相比，抗拉性能、抗壓性能、彎曲性能和斷裂性能都具有明顯優勢。但由于研究能力有限，本文只針對小尺寸試件的力學性能進行研究，并未對相應配比的結構構件，例如梁、板、柱等結構進行研究。因此，今后還將更深入研究這一方面的問題。