纤维对砂浆塑性抗拉强度影响研究

陈洪文

(中交一航局第一工程有限公司，天津300456)

水泥基材料发展至今已有近200年的历史，现已成为当今世界应用最广泛的人造建筑材料。但是水泥基材料本身固有的缺陷［1］—较低的抗拉、抗弯强度以及较差的抗裂性等限制了其优势的发挥。纤维相对于水泥基材料可以认为是一种高弹模材料，依靠其与基体之间的界面吸附粘结力、机械齿合力等，可增大材料抵抗塑性开裂的抗拉强度，延迟基体开裂，甚至不出现开裂［2］。本文通过试验测试纤维砂浆塑性抗拉强度，研究钢纤维和聚丙烯纤维对水泥砂浆塑性阶段抗拉强度的影响机理。

1 原材料与试验方法

本试验水泥采用中国水泥厂生产的海螺牌P.O42.5水泥。细骨料为中砂，细度模数为2.6。粗骨料为5mm～25mm连续级配石子。水为清洁饮用水。纤维使用聚丙烯纤维:长度1.2cm，直径12.7μm，密度0.91g/cm3，弹性模量3.5GPa，抗拉强度500 ～600MPa;钢纤维:长度35cm，密度7.8g/cm3，弹性模量210GPa，抗拉强度400～1100MPa。砂浆配合比如表1所示。

表1 水泥砂浆配合比 /kg

图1 马一平等测试水泥砂浆塑性抗拉强度装置示意图［3］

本文参考同济大学马一平等［3］人测试水泥砂浆塑性抗拉强度试验方法，装置如图1所示。本试验先使用八字模成型水泥砂浆，再将成型的各组试件连同模具置于统一的环境中养护。待接近2h(由各组加水拌合时间起)，拆除八字模。此时水泥浆体因已发生水化反应近2h，浆体变稠且拆模后不易变形。将塑性试件移至试验平台的玻璃板上，玻璃板已清洁并涂油以减小摩擦阻力。用水泥砂浆粘结强度试验用拉伸夹具约束住试件一半，另一半用两个直尺沿试件腰部固定住。在拉伸夹具上系上棉线，棉线另一端系上砂筐，棉线与试验台转角处置一光滑的圆柱形杆件作支撑过渡，以减少棉线与试验台的摩擦力，同时调整杆件高度以使棉线与拉伸夹具水平平行，以把砂筐的重力完全转化为对夹具的拉力。将砂子匀速倒入筐内，当试件断裂时，停止加砂，取下砂筐称量砂子和砂筐的总质量m1。然后再用拉伸夹具约束住另一半试件，将砂子匀速倒入砂筐，当这一半试件移动时取下砂筐，用台称称量此时砂子和砂筐的总质量m2。二者相减得到的(m1-m2)重量即为试件的拉荷载。测量砂浆断裂面积，用拉荷载除以断面面积即可得到砂浆的抗拉强度。

2 试验结果与分析

各组水泥砂浆塑性抗拉强度试验结果如表2和图2所示。由结果可见:(1)从加水时刻算起，存在一个以4h为分界的点。4h之前基准砂浆和纤维砂浆塑性抗拉强度均较低且发展缓慢;4h之后砂浆塑性抗拉强度快速增长。根据试验观察发现，4h对应的正好是砂浆由塑性到硬化的转变点，4h之前砂浆浆体在受力过程中发生明显变形，砂浆处于塑性阶段;4h之后砂浆浆体断面无明显延伸现象，浆体已硬化。

表2 各组水泥塑性抗拉强度

图2 各组水泥砂浆塑性抗拉强度与龄期关系

(2)在4h之前，纤维砂浆的抗拉强度高于基准砂浆;在4h之后，纤维砂浆的抗拉强度均低于基准砂浆，这对应着砂浆由塑性状态到硬化状态的变化过程。根据复合材料理论［4］，纤维砂浆的抗拉初裂强度由基体砂浆强度、纤维抗拉强度、纤维体积率和纤维有效系数决定。在图2中所示4h龄期之前，即水泥砂浆处于塑性阶段，砂浆基体抗拉强度很小，纤维的掺入一方面可提高砂浆的稠度，增加砂浆基体的黏结性;一方面纤维在砂浆基体中乱向分布，纤维与基体的界面粘结性能强于基体较小的抗拉强度，纤维承担了一部分拉应力，此时纤维的掺入提高了砂浆的抗拉强度［5］。随着龄期发展，水泥砂浆逐渐硬化，砂浆基体强度逐渐增大，纤维与基体之间的界面粘结性能也逐渐改善。因此在4h龄期之后，纤维水泥砂浆的抗拉强度的提高主要来自于基体强度的增长，纤维与基体的界面性能的改善速率弱于基体强度增长幅度。此时纤维成为复合材料中薄弱相，当纤维的增强效果弱于基体强度，纤维将导致水泥砂浆抗拉强度地下降。

(3)由图2可以看出，在4.5h之后水泥砂浆抗拉强度的增长幅度减缓，而纤维砂浆的增长幅度有所增长。这说明在经过基体强度快速增长后，纤维将重新对砂浆抗拉强度产生正面促进作用。而且随着纤维与基体界面性能地发展，破坏断面的纤维将不是全部被拔出，部分纤维在后期可能被拉断。

(4)比较2种纤维对水泥砂浆抗拉强度的影响可发现，在各个龄期，钢纤维对水泥砂浆抗拉强度的增强效果强于聚丙烯纤维。产生这种现象的主要原因是钢纤维抗拉强度和弹性模量均远高于聚丙烯纤维。同时通过计算可得，聚丙烯纤维和钢纤维在砂浆中的体积率分别为0.17%和0.77%，单位体积内钢纤维的数量明显多于聚丙烯纤维。根据复合材料理论，此时钢纤维因其具有较大的体积率而对水泥砂浆抗拉强度具有更大的促进作用。

3 结论

纤维对砂浆早期抗拉强度的影响过程表现为三个阶段:第一阶段是塑性阶段，纤维可提高砂浆的抗拉强度;第二阶段是砂浆初步硬化后，纤维的掺入降低了砂浆的抗拉强度;第三阶段是在硬化到一定程度后，纤维对砂浆抗拉强度的促进作用再次表现出来。纤维对砂浆早期塑性抗拉强度影响主要由砂浆基体抗拉强度以及纤维与基体界面粘结性能改善相对作用决定。在常用掺量下，由于钢纤维为具有更高抗拉强度和弹性模量以及体积率，钢纤维水泥砂浆在塑性阶段抗拉强度高于聚丙烯纤维水泥砂浆。

［1］ 姚武，封志辉.聚丙烯纤维对水泥砂浆干缩开裂的影响［J］.建筑材料学报，2006，9(3):357-360.

［2］ 姚武.钢纤维高强混凝土的力学性能研究［J］.新型建筑材料，1999(10):18-19.

［3］ 马一平，朱蓓蓉，谈慕华.水泥砂浆塑性抗拉强度与收缩开裂的关系［J］.建筑材料学报，2003，6(1):20-24.

［4］ 徐至钧.纤维混凝土技术及应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［5］ Parviz Soroushian，Siavosh Ravanbakhsh.Control of plastic shrinkage cracking with specialty cellulose fibers［J］.ACI Materials Journal，1998，95(4):429-435.