纖維增強水泥基材料強度和微結構的影響因素研究

生兆亮，辛 欣，夏多田,2，程建軍,2，仇 靜

(1.石河子大學水利建筑工程學院，石河子 832003；2.新疆兵團高烈度寒區建筑抗震節能技術工程實驗室，石河子 832003)

0 引 言

纖維增強水泥基材料由水泥、細砂、纖維和外加劑組成，相比普通混凝土具有較高延性、較高韌性等特點，受到科研人員的廣泛關注[1-3]。不同的原材料和制備工藝等對PVA纖維增強水泥基材料性能影響的研究已經取得了一定的成果[4-6]。但是關于使用沙漠砂制備PVA纖維增強水泥基材料的報道尚不多見，并且在經過大規模工程建設后，砂資源處于短缺狀態，尋找新的建筑用砂資源任務迫在眉睫。

新疆地區的沙漠砂為超細砂，其粒徑適宜制備纖維增強水泥基材料。并且當前新疆仍以火力發電為主，每年都會產生大量粉煤灰等廢料，本著最大化利用當地沙漠砂資源和工業固廢資源的目標，本研究擬用沙漠砂替代目前纖維增強水泥基材料中的普通砂，用工業固廢粉煤灰替代水泥，制備一種新型纖維增強水泥基材料。采用單因素試驗方法，研究了纖維長度、纖維摻量、粉煤灰摻量和砂類別等因素對纖維增強水泥基材料力學性能的影響，并通過掃描電子顯微鏡(SEM)和壓汞試驗對微結構的影響機理進行了初步探索。

1 實 驗

1.1 原 料

PVA纖維采用日本Kuraray公司生產的可樂綸，纖維的具體參數見表1。水泥采用新疆天能水泥有限公司生產的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥。粉煤灰采用石河子市南熱電廠生產的Ⅰ級粉煤灰，粉煤灰的主要化學成分見表2。沙漠砂選用古爾班通古特沙漠邊緣的沙漠砂。河砂采用石河子本地河砂，石英砂為市售標準砂，使用孔徑為1.18 mm的標準篩篩除河砂和石英砂中粒徑大于1.18 mm的部分，采用的三種類別砂的篩分結果見表3。

表1 PVA纖維性能參數Table 1 PVA fiber performance parameters

表2 粉煤灰主要化學成分含量及燒失量(質量分數)Table 2 Main chemical composition and loss of fly ash(mass fraction) /%

表3 三種類別砂的篩分結果Table 3 Screening results for three types of sand /%

1.2 試驗配合比設計

以課題組前期研究配方為基準配合比，以基準配合比為基礎，考慮不同纖維長度、纖維摻量、粉煤灰摻量和砂類別設計單因素試驗。基本配合比方案見表4，單因素試驗方案見表5，其中纖維摻量為體積摻量，粉煤灰摻量為其與膠凝材料總質量的比值摻量。

表4 試驗基準配合比Table 4 Benchmark mix proportion /g

1.3 試塊尺寸及測試方法

立方體抗壓試驗和劈裂抗拉試驗的試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，軸心抗壓試驗的試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，抗折試驗的試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。每組三個試件，試件按表5配合比制作完成，放置在室內覆塑料膜養護至28 d后進行力學性能試驗、掃描電鏡試驗和壓汞試驗。

表5 單因素試驗方案Table 5 Single factor testing program

立方體抗壓試驗、軸心抗壓試驗和劈裂抗拉試驗方法參考GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》中相關規定，抗折試驗方法參考GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO)》中相關規定。

2 結果與討論

2.1 各因素對抗壓強度的影響

圖1為不同因素對抗壓強度的影響。由圖1(a)可知，隨著纖維長度的增加，軸心抗壓強度和立方體抗壓強度呈下降的趨勢，且隨著纖維長度的變化，強度值降低的幅度較小。

圖1 不同因素對抗壓強度的影響Fig.1 Effects of different factors on compressive strength

由圖1(b)可知，當纖維體積摻量由1%增加到2%時，軸心抗壓強度和立方體抗壓強度均呈明顯增長趨勢。相對于纖維摻量為1%時材料的立方體抗壓強度，當纖維摻量增加到1.5%和2%時，立方體抗壓強度分別增大了11.94%和19.46%。纖維的加入，類似于在基體內布置了大量亂向分布的短鋼筋，限制受壓時裂縫的延伸和發展，提高了材料的抗壓強度[7]。

由圖1(c)可知，隨著粉煤灰摻量的增加，軸心抗壓強度和立方體抗壓強度均呈現下降的趨勢。當粉煤灰摻量為66%時，立方體抗壓強度為43.79 MPa，當粉煤灰摻量增加到71%和76%時，立方體抗壓強度分別降低了3.83%和11.55%。過多的粉煤灰會引起抗壓強度的降低，因為粉煤灰的增多相對降低了膠凝材料中水泥的摻量。

由圖1(d)可知，對于軸心抗壓強度和立方體抗壓強度，在三種類別砂制備的材料中，河砂制備的材料的抗壓強度均最大，其次是石英砂制備的材料，沙漠砂制備的材料的抗壓強度最小。對于立方體抗壓強度，河砂制備的材料的抗壓強度為48.47 MPa，與之相比，石英砂和沙漠砂制備的材料的抗壓強度分別降低了9.63%和15.10%。

2.2 各因素對劈裂抗拉強度、抗折強度的影響

圖2為不同因素對劈裂抗拉強度、抗折強度的影響。由圖2(a)可知，纖維長度越大，材料的強度值越低。對于抗折強度，PVA-6 mm制備的材料的抗折強度為12.91 MPa，與之相比，PVA-9 mm和PVA-12 mm制備的材料的抗折強度分別降低了5.81%和10.07%。

圖2 不同因素對劈裂抗拉強度、抗折強度的影響Fig.2 Effect of different factors on splitting tensile strength and flexural strength

由圖2(b)可知，纖維摻量從1%增加到2%時，劈裂抗拉強度和抗折強度均呈現明顯的增長趨勢，纖維摻量從1%增加到1.5%和2%時，劈裂抗拉強度分別提高了21.39%和34.15%，抗折強度分別提高了14.42%和29.86%。纖維亂向分布于基體中阻止了微裂縫的產生與發展，試件開裂過程中，纖維的斷裂和拔出增強了材料的受拉力。

由圖2(c)可知，劈裂抗拉強度和抗折強度隨著粉煤灰摻量的增加都呈現出先增大再減小的趨勢。粉煤灰中含有的大量球形微粒會依附于PVA 纖維表面，減小了纖維與水泥漿體的化學粘結，使裂縫開展過程中更多的纖維緩慢的拔出而不是拔斷，纖維提供的拉力持續增加[8]。劈裂抗拉強度和抗折強度隨著粉煤灰摻量的增大再降低的原因有兩方面：一方面，粉煤灰摻量過大時，大摻量粉煤灰初期反應緩慢，導致材料基體強度過低；另一方面，過多的粉煤灰包裹著纖維，使得纖維和基體之間的粘結度大幅度降低，纖維沒有充分發揮出增強作用。

由圖2(d)可知，對于劈裂抗拉和抗折強度，河砂制備的材料的強度均最大，其次是沙漠砂制備的材料，石英砂制備的材料的強度均最小。石英砂制備的材料的劈裂抗拉強度為3.35 MPa，與之相比，沙漠砂制備的材料的劈裂抗拉強度提高了1.49%。石英砂制備的材料的抗折強度為10.41 MPa，與之相比，沙漠砂制備的材料的抗折強度提高了11.53%。

2.3 強度關系分析

針對混凝土劈裂抗拉強度與抗壓強度之間的換算關系式，國內外學者進行了大量研究并提出了相應的計算模型[9-10]，我國相關規范也給出了換算關系式[11-12]。同時由上述試驗結果可知，對于纖維增強水泥基材料，纖維長度組(A)和纖維摻量組(B)制備的材料，隨著纖維長度和纖維摻量的改變，抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度均呈現出相同的變化趨勢，根據抗壓強度的變化趨勢可以預測劈裂抗拉強度和抗折強度的變化。

對于粉煤灰摻量組(C)，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強度呈現不斷降低的趨勢，劈裂抗拉強度和抗折強度卻呈現先增加后降低的趨勢。對于砂類別組(D)，強度的變化趨勢也不一致，這說明抗壓強度和劈裂抗拉強度、抗折強度之間的關系需要進一步的研究并對造成這種差異性的原因進行分析。

2.4 差異性機理分析

關于粉煤灰摻量組(C)和砂類別組(D)的抗壓強度和劈裂抗拉強度、抗折強度相關性較差的原因，需要從微觀角度進一步探索。試驗從纖維-水泥基體界面這一方面來探究。使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀測劈裂抗拉試驗和抗折試驗后試件的斷面結果，如圖3所示。對于粉煤灰摻量組(C)，由圖3(a)可知，被拔出的纖維表面粘結著水泥基體塊，由圖3(b)可知，被拉斷的纖維端部變長變細出現分叉，且表面仍粘結著水泥基體塊。說明該配合比下纖維與水泥基體的化學粘結過大，同時纖維容易發生拉斷破壞。由圖3(c)可知，纖維基本上被整根拔出，很少出現纖維斷裂。圖3(d)為纖維拔出后留下的孔槽，孔洞周圍基體未大量脫落，說明基體與纖維的粘結度相對降低。水泥基體水化過程中金屬陽離子的存在會導致PVA纖維和水泥基體之間形成金屬氫氧化物層，粉煤灰的加入可以稀釋基體中Ca2+的濃度，從而降低纖維與水泥基體界面的水化程度，減少化學粘結[13]。由圖3(e)可知，未水化的粉煤灰微粒緊密吸附在纖維表面，過多的粉煤灰使得纖維和基體之間的粘結度過低，纖維在拔出過程中提供的拉力有限。

圖3 試件的微觀結構Fig.3 Microstructure of specimens

對于砂類別組(D)，由圖3(f)可知，纖維表面被刮削成絲狀撕裂的狀態，相比較河砂和沙漠砂，石英砂顆粒表面粗糙、棱角尖銳，纖維拔出過程中刮削程度可能更嚴重，使得纖維更容易被拉斷[14]。沙漠砂制備的材料的抗折強度、劈裂抗拉強度較石英砂高，也可能因為沙漠砂粒徑較小，攪拌過程中引入更多的空氣使試件內部結構出現許多微小孔，相對疏松的內部結構使得PVA纖維更容易從基體中拔出[15]。為驗證該解釋，對砂類別組(D)試件采用AUTOPORE 9500型全自動壓汞儀進行了壓汞試驗。三種類別砂的孔隙含量分布曲線見圖4。

圖4 三種類別砂孔隙含量分布曲線Fig.4 Distribution curves of pore content in three types of sand

文獻[16]中將混凝土砂漿中的孔分為4類：凝膠孔(<10 nm)、過渡孔(10～100 nm)、毛細孔(100～1 000 nm)、大孔(>1 000 nm)。參照該文獻孔分類標準整理后的壓汞試驗結果見表6。

表6 三種類別砂壓汞試驗結果總結Table 6 Summary of mercury compression test results for three types of sand

對于混凝土材料，一般認為大孔隙對抗壓強度的影響最大，PVA纖維的直徑為31 μm，本文認為中孔隙和大孔隙對纖維-水泥基體界面的影響最大。由表6可知，沙漠砂制備的材料，中孔隙和大孔隙累積體積占比均相對更大，說明纖維和水泥基體的界面上有更多的孔隙，降低了基體對纖維的包裹，使得纖維更容易拔出。對于三種類別砂制備的材料，按照孔隙率從小到大的順序為：沙漠砂制備的材料、河砂制備的材料、石英砂制備的材料。按照大孔隙累積體積占比從小到大的順序為：河砂制備的材料、石英砂制備的材料、沙漠砂制備的材料。

對于三種類別砂制備的材料，按照抗壓強度從大到小的順序為：河砂制備的材料、石英砂制備的材料、沙漠砂制備的材料。說明對于纖維增強水泥基材料，抗壓強度與孔隙率之間無線性關系，抗壓強度與大孔隙累積體積占比具有一定的線性關系。按劈裂抗拉和抗折強度從大到小的順序為：河砂制備的材料、沙漠砂制備的材料、石英砂制備的材料。對比可知，劈裂抗拉和抗折強度與孔隙率和大孔隙累積體積占比之間無線性關系。

3 結 論

(1)隨著纖維長度的變短和纖維摻量的增加，纖維增強水泥基材料的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度均呈現不斷增大的趨勢，且抗壓強度與劈裂抗拉強度、抗折強度之間具有較高的線性相關性。

(2)隨著粉煤灰摻量的增加，纖維增強水泥基材料的抗壓強度不斷降低，劈裂抗拉強度和抗折強度先增加后降低，適當的粉煤灰摻量會改善纖維-水泥基體的界面，使得纖維更好地發揮增強作用。

(3)與河砂和石英砂相比，使用沙漠砂制備纖維增強水泥基材料，材料的抗壓強度最小。使用沙漠砂制備的纖維增強水泥基材料，劈裂抗拉強度和抗折強度均大于使用石英砂制備的材料且均小于使用河砂制備的材料。