纤维水泥基复合材料弹性模量的试验测量方法

纤维水泥基复合材料弹性模量的试验测量方法

王子国，罗小均，刘辉

(吉首大学城乡资源与规划学院，湖南 张家界，4270000)

摘要：弹性模量是衡量混凝土材料性能的重要参数之一，其大小反映了抵抗弹性形变能力的强弱.对钢纤维增强混凝土和掺聚丙烯腈纤维的橡胶砂浆的弹性模量及抗压强度进行试验.试验结果表明，超短钢纤维混凝土的抗压强度和后期弹性模量较短钢纤维混凝土有明显提升，掺有聚丙烯腈纤维的橡胶砂浆的弹性模量降低明显，改善了橡胶砂浆的韧性和变形能力.

关键词：弹性模量；橡胶砂浆；钢纤维；混凝土；聚丙烯腈纤维

文章编号：1007-2985(2015)05-0068-03

收稿日期：2015-05-26

基金项目：吉首大学大学生研究性学习和创新性实验计划资助项目(2014103)；湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划资助项目(2014293)；国家大学生创新创业训练计划资助项目(201410531006)

作者简介：王子国(1982—)，男，湖南永州人，吉首大学城乡资源与规划学院教师，主要从事新型叠层复合材料及其预应力研究.

中图分类号：TU508文献标志码：B

DOI:10.3969/j.cnki.jdxb.2015.05.015

弹性模量是衡量混凝土材料性能的重要参数之一，其大小反映了混凝土抵抗弹性变形能力的强弱，也是计算混凝土结构变形、裂缝开展和温度应力所必须的参数之一[1-2].减轻建筑材料自重并提高其韧性一直是人们所关注的热点.钢纤维混凝土为改善混凝土的韧性开辟了道路，橡胶砂浆解决了自重大、废物重新利用的问题[3-7].钢纤维混凝土是将钢纤维掺入混凝土中形成的一种复合材料，与普通混凝土相比，具有抗压、抗弯、抗剪等特点，能够降低混凝土的脆性，改善其抗裂性能、韧性、冲击性以及耐久性能[8-9].目前国内关于对聚丙烯纤维在混凝土中的增强作用的研究较多，而聚丙烯腈纤维具有更高的弹性模量和抗拉强度，其对橡胶砂浆性能的影响有待进一步研究.笔者通过试验对钢纤维混凝土和橡胶砂浆的弹性模量以及不同龄期橡胶砂浆和加聚丙烯腈纤维的橡胶砂浆相关值进行测试，得到一系列结论，对于研究相关新型混凝土复合材料具有一定的借鉴价值.

1　试验材料

(1)胶凝材料.湖南省张家界市南方水泥有限公司生产的PO 42.5水泥，密度为3 100 kg/m3；湖南湘潭电厂提供的Ⅱ级粉煤灰，密度为2 400 kg/m3；湖南娄底涟源炼钢厂提供的矿渣微粉，密度为2 700 kg/m3.

(2)骨料.砂(本地河沙，细度模数2.60，表观密度2.639×103kg/m3)，细砂(细度模数1.86，表观密度2.622×103kg/m3)，粗骨料(采用张家界石灰岩碎石，表观密度2.727×103kg/m3)，橡胶粉(50目废弃轮胎橡胶粉，表观密度1.167×103kg/m3)，钢纤维(短钢纤维，长48 mm；超短钢纤维，长13 mm)，聚丙烯腈纤维(强度250~400 MPa,弹性模量3~8 GPa,密度1.17 g/cm3).

(3)外加剂.江苏苏博特聚羧酸系高效减水剂(质量分数17%).

2　试验方法

2.1 混凝土与橡胶砂浆配合

混凝土的试验室配合比见表1.其中DF组为短钢纤维，CF组为超短钢纤维，各组水胶比相同，均为0.28.橡胶砂浆配合比见表2，水胶比均为0.64.

表1　混凝土试验配合比( V=1 m 3)

表2　砂浆配合比( V=1 m 3)

2.2 试验内容

(1)根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)所采用的方法，测试混凝土在静力受压条件下的抗压强度及弹性模量.在试验过程中，测定混凝土立方体抗压强度时采用150 mm×150 mm×150 mm标准试件，每组3块，取3个试件的平均值作为混凝土立方体抗压强度.

以指定压应力(1/3轴心抗压强度)时的加荷割线弹性模量为混凝土的弹性模量，采用150 mm×150 mm×300 mm棱柱体标准试件，每组3个，取平均值作为试验结果.试件按标准养护28 d后，分别对DF和CF组钢纤维混凝土在50 d龄期的抗压强度和弹性模量进行测量分析.

(2)砂浆的弹性模量在实际工程中的应用不多，对其测定方法的研究比较少.砂浆的变形较大，强度相对较低，将千分表安装在试件上，测定其受压过程中的变形，误差较少.因此，目前对砂浆弹性模量的测定大都采用千分表法.测定砂浆弹性模量的标准试件为棱柱体，其尺寸为100 mm×100 mm×300 mm，加荷速度为0.5~1.5 kN/s，试验标距采用100 mm.每次试验制备6个试件，其中3个用于测定轴心抗压强度，另外3个用于测定弹性模量.试验仪器选用多功能力学试验机，磁性表座和千分表等.

3　试验结果与讨论

3.1 混凝土的抗压强度和弹性模量

混凝土各项测试试验结果如表3所示.

表3　混凝土各项测试试验结果

图1　混凝土弹性模量与养护时间的关系曲线

从表3可以看出：短钢纤维混凝土的抗压强度和弹性模量较基本混凝土分别高21.3%，10.1%.这主要由于短钢纤维在混凝土中的分布杂乱无章，阻碍裂缝开展，提高了混凝土的承载力和开裂后的延展性.超短钢纤维混凝土的抗压强度最高，较基本混凝土高30.5%，弹性模量高7.7%.究其原因，主要由于超短钢纤维克服了一般短钢纤维易结团的特点，其纤维的数目很多且分布广泛而均匀.同时由于超短钢纤维的边壁效应，能有更多的纤维与粗骨料界面相交，可以有效地阻止平行于界面的初裂缝的发展.在受压破坏过程中，基本混凝土呈现脆性破坏.2种钢纤维混凝土在受压破坏时有大量的裂缝呈现出来，但试件并不剥裂和破碎，整体性好，表现出了“藕断丝连”的现象.

由图1可以看出，在养护28 d时，相比短钢纤维混凝土，超短钢纤维混凝土的弹性模量稍低，但抗压强度较高.随着养护龄期的增长，超短钢纤维混凝土的抗压强度和弹性模量均比短钢纤维混凝土提高快，特别是弹性模量出现显著的增长，养护50 d时超短钢纤维混凝土的弹性模量比短钢纤维混凝土提高约11.6%.

3.2 橡胶砂浆的抗压强度和弹性模量

橡胶砂浆抗压强度和弹性模量试验结果如表4所示.橡胶砂浆和纤维橡胶砂浆试件在加载过程中均表现出沿中部鼓出、轴向压缩的试验现象，当达到极限荷载时，裂缝不明显，需要持续一段时间后裂缝才逐渐扩散.卸载后，试件出现一定程度上的形状和裂缝恢复，试件基本保持完整.

表4　橡胶砂浆抗压强度和弹性模量试验结果

由表4可以看出，加入聚丙烯腈纤维的橡胶砂浆与基准橡胶砂浆的抗压强度相当，但是弹性模量降低了6.9%.在试验过程中，掺聚丙烯腈纤维的橡胶砂浆裂缝出现较缓慢，说明三维乱向分布的有机纤维可以抑制较低外力作用下的裂缝开展，提高材料的韧性.纤维橡胶砂浆弹性模量的降低可以使砂浆的变形能力增强.在冲击作用下，可以通过中间层砂浆变形吸能，保持面层整体性.

4　结论

(1)钢纤维的掺入能明显提高混凝土的抗压强度和弹性模量，其中超短钢纤维对抗压强度和短钢纤维对弹性模量的增强效果最好.

(2)随着养护龄期的增长，相比短钢纤维混凝土，超短钢纤维混凝土的弹性模量和抗压强度提高更快.

(3)加入橡胶粉的砂浆实现了废物的重新利用，能够有效地减轻水泥基材料的自重，适合应用在需较大变形的层间吸能材料中.

(4)加入聚丙烯腈纤维的橡胶砂浆，由于三维分布的有机纤维限制了裂缝开展，大大提高了材料的韧性.

参考文献：

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Experimental Study on the Modulus of Elasticity of Fibers Reinforced

Cement-Based Composite Materials

WANG Ziguo,LUO Xiaojun,LIU Hui

(Department of Civil Engineering,College of Resources and Planning Sciences，

Jishou University，ZhangJiajie 427000，Hunan China)

Abstract:Experimental study was conducted to investigate the modulus of elasticity and compressive strength of the steel fiber reinforced concrete and the polyacrylonitrile fiber reinforced rubber mortar.Results showed that compared with the short steel fiber reinforced concrete，the micro steel fiber reinforced concrete had a higher compressive strength and post modulus of elasticity.The incorporation of polyacrylonitrile fiber into rubber mortar can reduce the modulus of elasticity of the rubber mortar but improve its toughness and deformability.

Key words:modulus of elasticity;rubber mortar;steel fiber;concrete;polyacrylonitrile fiber

(责任编辑陈炳权)