不同纖維增強的水泥基復合材料極限力學性能比較研究

摘 要：為探究纖維增強水泥在不同類型材料配合比下的極限力學性能，分別在原始水泥基復合材料中添加摻量體積比為0.5%～2.0%的鋼纖維以及PVA纖維，制備出復合材料試件。分別對試件進行抗壓強度測試以及靜態拉伸測試。測試結果表明，纖維摻量與抗壓性能提升效果呈正相關。相較于單纖維水泥基復合材料，鋼纖維摻量為1.0%時，試件拉伸效果最為明顯，試件的抗壓強度提升百分比為77.1%，極限應變為2.6%。PVA纖維摻量為1.5%時，試件的拉伸效果最為明顯，試件的抗壓強度提升百分比為52.7%，極限應變為1.4%。纖維的加入可以有效提高水泥基復合材料的極限力學性能，鋼纖維以及PVA纖維的最佳摻入量分別

為1.0%以及1.5%。

關鍵詞：裝配式建筑；水泥基復合材料；鋼纖維；PVA；力學性能

中圖分類號：TQ172.79 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）10-0053-04

Comparative study on ultimate mechanical properties

of cement-based composites reinforced with different fibers

HU Guangrun，WANG Kaiku，FANG Xi，YAN Yuchao，ZENG Tianshu（Anhui Electric POWER Transmission and Transformation Co.，Ltd.，Hefei 231299，China）

Abstract：To investigate the ultimate mechanical properties of fiber-reinforced cement under different types of ma?terial mixing ratios，steel fibers and PVA fibers with a doping volume ratio of 0.5%～2.0% were added to the origi?nal cementitious composites，and the composite specimens were prepared. The compressive strength test and statictensile test were carried out on the specimens respectively. The test results show that the fiber dosage was positivelycorrelated with the improvement of compressive properties. Compared with single-fiber cementitious composites，thetensile effect of the specimens was most obvious at 1.0% steel fiber doping，with 77.1% compressive strength in?crease and 2.6% ultimate strain，while the tensile effect of the specimens was most obvious at 1.5% PVA fiber dop?ing，with 52.7% compressive strength increase and 1.4% ultimate strain. The addition of fibers can effectively im?prove the ultimate mechanical properties of cementitious composites，and the optimum dosage of steel fibers andPVA fibers are 1.0% and 1.5%，respectively.

Key words：assembled buildings；cementitious composites；steel fibers；PVA；mechanical properties

近年來，國內外學者針對纖維增強水泥基復合材料的極限力學性能進行了大量研究。如在常規的水泥材料中加入了鋼纖維以及PVA纖維，從而提高了水泥基材料的彎曲性能[1]。通過進行凍融循環試驗，對水泥基復合材料的加固效果進行了有效測試[2]。然而，目前對于裝配式建筑外墻板用纖維增強水泥基復合材料的極限力學性能研究仍需進一步深入和完善。

本文旨在研究裝配式建筑外墻板用纖維增強水泥基復合材料的極限力學性能，采用實驗測試、數值模擬和細觀結構分析等方法，探究材料的極限承載能力和破壞模式。通過調整纖維含量和分散性、優化界面特性等手段，提高材料的力學性能和耐久性。

1實驗準備

1. 1實驗材料

本次實驗選用的裝配式建筑外墻板用水泥為型號P.O42.5的普通硅酸鹽水泥，比表面積為381m2/kg。水泥內部氧化鈣的化學含量為59.3%；二氧化硅的化學含量為21.91%，穩定氧化鋁的含量為6.27%，剩余組成部分為氧化鐵以及少量的氧化鎂二氧化硅的總堿量為0.6%，活性指數為128，需水量比為106%，其中還含有濃度為0.015的氯化物。本次實驗所用到的粉煤灰等級為一級，顆粒細密程度為6.75%，密度為234.21 kg/m3。通過在普通硅酸鹽水泥中加入摻量體積比為2.5的粉煤灰，不僅可以有效提高水泥混合物的攪拌效果[3-5]，同時也能夠提高水泥基復合材料的耐久表現性[6-9]。

本次實驗所選用的鋼纖維直徑為0.175～0.35 mm的鍍銅鋼纖維，標準長度為12 mm，拉伸性能為3 000 MPa，密度為7.8 g/cm3，彈性模量為210 GP。本次實驗所選用的PVA纖維為RECA12×15的高強度纖維，密度為1.3 g/cm3，直徑為40?m，單位長度為12 mm，抗拉性能為1 560 MPa，纖維的初始伸長率為6.5%，彈性模量為41 GP，斷裂強度為315 Ibs，鋼纖維以及PVA纖維的具體實物如圖1所示[10-12]。

本實驗所用的減水劑為一種固體粉末狀物質，外觀呈白色或灰色，型號為Q8011-標準型。其顆粒度細小且分布均勻，易溶于水，可均勻分散在混凝土中[13]。使用時，將其與混凝土原材料一起加入攪拌機中，攪拌均勻即可，減水劑含固量為20%，引氣量低，密度為1.25 g/cm3。使用后，可顯著降低混凝土的坍落度損失，提高混凝土的流動性，改善混凝土的和易性，同時對混凝土的強度和耐久性也有明顯的提高。

1. 2材料配合比

為探究不同類型的纖維濃度對水泥基復合材料力學性能的影響效果，本次實驗通過對材料配合比進行設計，調整鋼纖維以及PVA纖維的摻量，從而得到不同密度的試件。試件具體配合比如表1所示。

本次實驗在原始硅酸鹽水泥中加入的纖維包括體積摻量在0.5%～2%的鋼纖維以及體積摻量在0.5%～2%的PVA纖維，分別探究2種纖維摻量下，水泥基復合材料在動態拉伸條件下以及靜態拉伸條件下的材料力學性能的變化情況[14]。為避免這種不確定性對本次實驗帶來的影響，本次實驗所采用的水灰比均為0.3。同時，基于裝配式建筑施工的技術要求，水泥基復合材料中的鋼纖維摻量如果超過了2.5%，在對泥漿進行攪拌時通常會出現纖維抱團的情況，從而影響后續的澆筑效果[15]。因此為提高漿體的流動性，本文將鋼纖維摻量控制在2%以內。

1. 3試件制作

每組配合比的試件均制作12個，共需制作96個試件，同時還需要制作8個單纖維水泥基復合材料試件。對此，本文采用拉伸試件制作模具，對實驗所需的試件進行批量制作。試件具體制作步驟如下[16]。

首先，為便于后續拆模，先在拉伸試件制作模具內部涂刷單層的脫模劑，然后將澆筑模具的不同部件進行組裝。根據表1中的試件材料配合比，分別對水泥、水、減水劑以及不同類型的纖維摻量進行稱量。然后先將水泥、水、硅灰倒入攪拌桶中，使用攪拌棒對其進行干拌，拌和時間需要保持在4 min以上，直到攪拌桶內部的拌和料密度呈現均勻分布的情況。然后分別加入鋼纖維以及PVA纖維，采用邊篩入邊攪拌的方式，對混合料體進行攪拌處理。待纖維全部篩入進攪拌桶之后，需要持續拌和5 min，從而保證纖維和水泥的充分融合，同時也能夠有效防止纖維在攪拌過程中出現抱團現象。在攪拌完成后，將混合料體灌注到拉伸試件制作模具中，對其進行澆筑處理。并將其放入到振動臺上，將混合料體內部的氣泡完全排除，從而保證澆筑的充分性。最后，將模具表面的泥漿進行抹平，并覆蓋一層塑料膜，防止水汽滲入，以26?的室溫養護至少1 d，然后對試件進行拆模，即可獲得本次實驗所需要的試件。

待試件養護完成后，在試件表面貼上標簽，并在試件底部安裝鋼片，從而起到加固作用。

2實驗過程

2. 1抗壓強度試驗

采用的試驗設備為萬能試驗機，型號為CMT-250，設備噸位為45 t。首先需要對萬能試驗機進行提前調試，從而保證該設備能夠滿足實際的測試需求。采用位移控制模式，對萬能試驗機的壓力進行加載，設置壓力加載速率為0.10 mm/min，加載時間為3 s。假設圓柱體試件的承壓面積為A，那么試件的具體抗壓強度計算公式如下所示。

式中：P代表試件的破壞荷載；f代表試件的抗壓強度c 。

2. 2拉伸試驗

同樣采用萬能試驗機，設定實驗設備的拉伸加載速率為0.1 mm/min，將其設為靜力拉伸條件。同理，設定動態拉伸試驗的加載速率分別為0.1、110、100 mm/min。假設試件的拉伸應力為σ1，試件的拉伸應變力為ε1，圓柱體試件的寬度為b，那么試件應力-應變曲線的具體計算公式如下所示。

式中：F代表萬能試驗機頂部傳感器測得的拉力1 大小；h代表圓柱體試件的厚度；L代表萬能試驗1 機底部引伸計測得的彈簧長度變化量；L代表試0 件拉伸裝置中彈簧與夾片的標距。通過上述公式，可以對圓柱體試件的應力大小以及應變情況進行計算，從而得到試件在不同拉伸條件下的應變性能響應情況。

3實驗結果與分析

3. 1試件破壞形態

本文以齡期為28 d的纖維增強水泥基復合材料試件的抗壓強度破壞圖為例，對試件的破壞形態進行分析，具體如圖2所示。

通過圖2可以看出，相對于單纖維水泥基復合材料試件，鋼纖維以及PVA纖維的加入均可以有效降低試件的破壞效果。而加入了不同摻量的鋼纖維以及PVA纖維后，試件的破壞時間得到了有效延緩；未加入纖維的水泥基復合材料試件在進行抗壓強度試驗時，試件會出現瞬間破壞的情況。由此可以證明，鋼纖維以及PVA纖維的加入，可以有效提高試件的荷載承受能力。

通過觀察不同摻量下的試件破壞程度可以看出，在加入相同類型的纖維時，摻量越高，試件的破壞程度越低。同時，在加入相同摻量的纖維時，PVA纖維增強水泥基復合材料試件的破壞程度要高于鋼纖維增強水泥基復合材料的試件破壞程度。

3. 2不同纖維摻量對試件抗壓強度的影響

在相同齡期條件下，不同纖維摻量下的試件抗壓強度測試結果如表2所示。

由表2可以看出，纖維的加入可以有效提高水泥基復合材料試件的抗壓強度。其中，對于鋼纖維，1.0%摻量的試件抗壓強度提升效果最為明顯，最高可提升77.1%；而對于PVA纖維，1.5%摻量的試件抗壓強度提升效果最為明顯，最高可提升52.7%。而2種不同類型的纖維在低摻量條件下，抗壓強度并未出現較為明顯的提升。總體來看，在相同齡期條件下，鋼纖維對于水泥基復合材料抗壓性能的提升效果要優于PVA纖維。在1.5%的摻量下，鋼纖維復合材料抗壓強度是PVA復合材料抗壓強度的2.14倍。

同時，為了使實驗結果更具有說服力，本次實驗通過調取不同纖維摻量試件的初裂應力以及極限應變值，繪制出應力-應變曲線。2組不同類型的水泥基復合材料的應力-應變曲線如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可知，應變值為0%時對應的值為初裂應力，應力峰值即為峰值拉伸應力，應變最大值即為極限應變。通過上述實驗結果可以看出，在靜態拉伸條件下，纖維摻量百分比越高，試件的應力-應變響應性能越好。由此可以證明2種纖維均可以對水泥基復合材料的抗拉強度以及延展性有著較好的提升效果。同時，曲線與坐標值所包圍的面積可以代表極限應變力。通過對極限應變力進行計算可以得出，對于鋼纖維復合材料來說，纖維摻量為1.0%時，試件的拉伸效果最為明顯，初裂應力為1.40，對應的極限應變可以達到2.6%。而對于PVA纖維復合材料來說，纖維摻量為1.5%時，試件的拉伸效果最為明顯，初裂應變為0.82時，試件的極限應變為1.4%。由此可以證明2組水泥基復合材料的最佳纖維摻量分別為1.0%以及1.5%。

4結語

在研究中，通過對比不同材料纖維摻量下，水泥基復合材料的抗壓強度以及拉伸性能，從而明確了2種材料的最佳纖維摻量。在今后的研究工作中，還需深入研究纖維增強水泥基復合材料的微觀結構和界面特性，探討其增強機制和破壞模式。通過精細的微觀結構分析和界面調控，優化材料的力學性能和耐久性。同時開展實際工程應用案例的調研和分析，總結纖維增強水泥基復合材料在裝配式建筑外墻板中的應用經驗。結合工程實踐，進一步完善材料的制備工藝和優化設計方案，為推動裝配式建筑的發展提供技術支持和示范引領。

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