纤维改性水泥基材料冲击韧性对比试验研究

丛晓红 薛 斌 丛晓强 吴 宝

(1.河北建筑工程学院,河北 张家口 075000；2.赤峰锐邦建筑工程有限公司,内蒙古 赤峰 024000)

纤维改性水泥基材料冲击韧性对比试验研究

丛晓红1薛 斌1丛晓强2吴 宝1

(1.河北建筑工程学院,河北 张家口 075000；2.赤峰锐邦建筑工程有限公司,内蒙古 赤峰 024000)

水泥基材料使用量大、应用广泛，掺加纤维有助于提高其冲击韧性.选取玄武岩纤维、聚丙烯纤维以及碳纤维，采用落球法来进行冲击韧性对比试验研究.试验结果表明：纤维种类、掺量等因素均会影响改性效果.玄武岩纤维改性水泥基材料随掺量增加，其冲击韧性呈现波浪式上升趋势.碳纤维的改善作用起伏较大，在合适的纤维掺量条件下，可以起到很好的改善作用.聚丙烯纤维对水泥基材料冲击韧性的改善总体要优于玄武岩纤维和碳纤维，随掺量变化较有规律，最优掺量为1.0 g/L；聚丙烯纤维砂浆出现裂纹后，可以继续吸收冲击能量，延缓破坏.

水泥基材料；纤维；掺量；冲击韧性；落球法

0 前 言

以混凝土、砂浆为代表的水泥基材料至今仍是用量最大、应用最广泛的建筑材料，但其存在抗拉强度低、脆性大和易开裂的缺点.目前，国际上公认在水泥基材料中掺加纤维有助于克服水泥基材料的先天缺陷.本文选取玄武岩、聚丙烯和碳纤维作为研究对象，制作纤维砂浆，采用落球法进行试验，探索纤维对水泥基材料冲击韧性的影响，从而为改善水泥基材料韧性、增加材料承载能力总结规律.

1 试验部分

1.1 原材料

碳纤维：长度19 mm，抗拉强度1000 MPa，弹性模量100 Gpa，断裂伸长率15%.

玄武岩纤维：长度19 mm，抗拉强度2169 MPa，弹性模量129 Gpa，断裂伸长率1.68%.

聚丙烯纤维：长度19 mm，抗拉强度560 MPa，弹性模量5600 Mpa，断裂伸长率22.3%.

水泥：32.5级复合硅酸盐水泥.

细骨料：河砂，细度模数2.8.

减水剂：萘系，掺量1%.

1.2 配合比设计

水泥砂浆基体配比为水泥∶砂∶水=1∶3∶0.5，制备每个试件需用砂浆1.6 L,纤维的含量为别为0.5 g/L、0.75 g/L、1.0 g/L、1.25 g/L、1.5 g/L.

1.3 试样制备

将搅拌时间设定为4分钟，将水泥、砂、纤维放入搅拌机内，开动搅拌机，加水，进行搅拌.当进行到3分钟时，加入减水剂.将搅拌均匀的砂浆制成200 mm×200 mm×40 mm的试件，每组成型四个试件.24 h后脱模，在养护室内标准养护至28 d.

1.4 纤维砂浆冲击韧性测试

落球法主要由ACI544委员会提出，又称落重法.从养护室取出试件，擦净后检查外观，不得有明显缺损现象，将其放置于平整地面.在试件中心处做出标记，作为降落冲击点.将重0.7 kg的钢球从落距0.3 m的高度自由下落，冲击试件中心，每完成一次冲击即为一个循环.在冲击过程中，仔细观察试件表面，直到试件表面出现第一条裂缝时，记录下冲击次数，即初裂冲击次数.然后继续进行多个冲击循环，直至试件破坏，记录数据，即为终裂冲击次数.

图1 落球冲击试验 图2 试件破坏状况

2 试验结果与讨论

抗冲击性是纤维增强水泥基材料的一项重要的力学性能，由于纤维品种、性能、掺量的差异，可使水泥基材料的抗冲击性有不同程度的提高.

由图3可看出玄武岩纤维改性水泥砂浆随掺量增加，其抗冲击性能呈现波浪式上升趋势，其较优掺量为1.5 g/L；，碳纤维掺量较少时(0.5～0.75 g/L)，改性水泥砂浆抗冲击性能较好,但随着掺量的增加，其性能显著下降，后虽有少量回升，但仍停留在较低水平；对于聚丙烯改性水泥砂浆，随着纤维掺量的增加，曲线呈现先增加后下降的趋势，整体较有规律，较优掺量为1.0 g/L；总体上看，聚丙烯纤维对水泥砂浆抗冲击性的改善要优于玄武岩纤维和碳纤维.

图3 3种纤维砂浆抗冲击性能比较

出现上述实验结果的原因可能有以下几点：一是聚丙烯纤维的强度和弹性模量要低于玄武岩纤维和碳纤维，但其断裂伸长率较高，为22.3%，与相对较低抗拉强度及低弹性模量的水泥基材料结合使用，碳纤维和玄武岩纤维的优势没有充分发挥，反而是聚丙烯纤维借助较高的断裂伸长率，在砂浆试件开裂时发挥了较好的抑制作用.二是纤维的直径，在本实验中三种纤维均选择长度为19 mm，但聚丙烯纤维要细得多，这使得在相同体积的砂浆试件中，纤维分布的更为广泛.三是纤维的分散性，在试件破坏细部可见聚丙烯纤维，而碳纤维和玄武岩纤维则难觅踪影，掺量相同时也是如此，由此猜想由于材质和直径上的差异，玄武岩纤维和碳纤维出现了一定程度的集中，而不是在砂浆基体中均匀分散，这从二者较大的数据波动中可见一斑.

在试验过程中，碳纤维与玄武岩纤维水泥砂浆的破坏形式为开裂后立即破坏.而聚丙烯纤维改性水泥砂浆则是试件开裂较晚，先出现较小裂缝，试件裂缝处有纤维连接，而后经历了较长时间，承受了更多次的冲击荷载，在继续的冲击中才逐渐破坏，不同掺量下，聚丙烯纤维砂浆从产生裂缝到最终破坏均保有不同程度的抗冲击能力.图4为聚丙烯纤维改性砂浆试件完全破坏时的细部图，仍有纤维搭接在裂缝间，没有被完全拔出.而图5则显示了不同掺量下，聚丙烯纤维砂浆从开裂到最终破坏，其抗冲击次数上的差异，这种差异随掺量的增加呈逐渐扩大化.

图4 聚丙烯纤维改性砂浆试件破坏细部图 图5 聚丙烯纤维改性砂浆开裂与破坏对比

3 结 论

(1)纤维的加入确实可以提高水泥基材料的抗冲击性能，减少了其原始缺陷，不同纤维的增韧抗冲击作用效果不同.

(2)对于玄武岩纤维改性水泥基材料来说，玄武岩纤维改性水泥砂浆随掺量增加，其抗冲击性能呈现波浪式上升趋势，其较优掺量为1.5 g/L.

(3)碳纤维改性水泥砂浆抗冲击性能波动较大，随着纤维掺量的增加，其抗冲击效果曲线趋势为先增加后下降，之后缓慢上升，但其上升幅度有限.当纤维掺量在0.75 g/L时，其破坏时抗冲击次数达到峰值，当纤维掺量在1.0 g/L，其作用效果最差.

(4)当水泥基材料中添加聚丙烯纤维后，其抗冲击性能明显增加，并且作用效果优于玄武岩纤维和碳纤维.对于聚丙烯改性水泥砂浆，随着纤维掺量的增加，曲线呈现先增加后下降的趋势，整体较有规律，较优掺量为1.0 g/L.当其出现裂纹后不会马上破坏，可以继续吸收冲击能量，延缓最终破坏.

[1]沈荣熹，王璋水，等.新型纤维增强水泥基复合材料.中国建材工业出版社

[2]沈荣熹，崔琦，等.纤维增强水泥与纤维增强混凝土.化学工业出版社

[3]龚益，等.杜拉纤维在土建工程中的应用.北京:机械工业出版社，2002

[4]李建林.聚丙烯纤维对砂浆抗冲击性能的研究

[5]李艺，等.混杂纤维混凝土阻裂增韧及耐久性能.科学出版社

The Comparative Experimental Research on Impact Toughness of Fiber Modified Cement-based Material

CONGXiao-hong1,XUEBin1,CONGXiao-qiang2,WUBao1

(1.Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering;2.Chifeng Ruibang Construction Engineering Co.,Ltd.)

Cement-based material is widely used in construction，and fiber can improve its impact toughness.Basalt,polypropylene and carbon fiber for improving the impact toughness of cement-based materials are investigated and compared through ball-dropping test in this paper.The experimental results show that the type of fiber and the amount of content can affect the modification effect.The impact toughness of basalt fiber modified cement-based materials increases rippling with the increase of fiber content.The improvement of carbon fiber is not stable,and can play a very good role in the appropriate fiber content.The improvement of impact toughness of polypropylene fiber on cement-based material is better than that of basalt fiber and carbon fiber，changing regularly with the amount of the content and the optimal dosage is 1.0 g/L;polypropylene fiber mortar can continue to absorb the impact energy to delay damage after cracking.

cement-based materials；fibers；content；impact toughness；ball-dropping test

2014-11-23

张家口市科学技术研究与发展指导计划项目(1221004B)

丛晓红(1979-)，女，讲师，从事材料学研究.

TU 5

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