多种纤维增强水泥基复合材料单轴抗拉性能对比研究

周小勇， 胡奇伟， 李　娜

(1.中国地质大学(武汉)， 湖北 武汉　430074；　2.文华学院, 湖北 武汉　430074)



多种纤维增强水泥基复合材料单轴抗拉性能对比研究

周小勇1， 胡奇伟1， 李娜2

(1.中国地质大学(武汉)， 湖北 武汉430074；2.文华学院, 湖北 武汉430074)

[摘要]采用相同水泥基配合比与不同纤维进行纤维增强水泥基复合材料单轴抗拉实验。试件采用200 mm×50 mm×20 mm的长方体状，用万能试验机进行拉伸实验。通过实验数据对比不同纤维条件下试件的开裂强度、延性、弹性模量、极限强度，试验结果表明：玄武岩纤维增强水泥基复合材料的开裂强度较高，聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料的延性、强度极限较高，聚丙烯增强水泥基复合材料的弹性模量较高。

[关键词]多种纤维； 水泥基复合材料； 拉伸特性对比

0前言

采用纤维增强水泥基复合材料的想法已经经历了很长时间的发展，一方面，由于纤维的桥接作用，在水泥基体硬化收缩和自由水挥发时，能阻止微裂缝的进一步扩展，从而提高了材料的抗渗能力。另一方面，材料中纤维与水泥基能一起承受外荷载，当基体产生初始裂缝后，横跨裂缝的纤维就会起到桥联的作用。常用工程纤维，有金属纤维、有机纤维、无机纤维3大类。

近年来，各国学者在纤维增强水泥基复合材料上，有了较深入的研究。澳大利亚Shaikh Faiz Uddin Ahmed[1]等于2009年对钢纤维和聚乙烯纤维(Polyvinyl Alcohol, PVA)增强水泥基复合材料进行了抗拉试验。试验结果表明，水胶比为0.27、PE纤维体积掺量为2.0%的纤维增强水泥基复合材料，极限拉应变最大为5.8%，其对应抗拉强度为2.7 MPa；钢纤维体积掺量为2.0%的钢纤维增强水泥基复合材料，极限抗拉强度最大可达到4.8 MPa，其对应极限拉应变为1%。

大连理工大学高淑玲[2]等于2007年采用4种不同纤维体积掺量(0、1%、1.5%与2%)的PVA纤维增强水泥基复合材料进行了拉伸性能研究。试验结果表明，纤维体积掺量为2%的PVA纤维增强水泥基复合材料的极限拉应变达到0.7%。

清华大学公成旭[3]等于2008年对不同水灰比和粉煤灰掺量的6个配合比的PVA纤维增强水泥基复合材料进行了单轴拉伸试验。试验研究表明，砂胶比为0.66、PVA纤维体积掺量为1.7%、粉煤灰掺量比为0.4，当水灰比为0.5时，极限拉应变达到最大，为1.7%，此时极限抗拉强度为2.5 MPa。复合材料在单轴拉伸荷载下均能实现应变硬化与多重开裂，最小和最大临界裂纹宽度分别为26 μm和90 μm。

大连理工大学徐世烺[4]等于2009年通过国产原材料，采用改进的直接拉伸试验方法进行材料拉伸性能研究。试验结果表明，采用国内原材料研制的复合材料的极限拉应变可稳定达到3%以上，在拉伸过程中具有明显的应变-硬化特性，并具有良好的裂缝宽度控制能力。

综上所述，前人在研究纤维增强水泥基复合材料的特性上已做出的相关研究，但少有横向比较各类纤维对水泥基的增强效应。本文拟通过设计实验，比较同等掺量、相近长度条件下聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维(Basalt Fiber, BF)、玄武岩纤维(Polypropylene Fiber,PP)增强水泥基复合材料在开裂强度、弹性模量、延性、极限强度这四个性能指标的异同，并给出其相应解释。

1实验概况

1.1原材料

1.1.1纤维

① 聚乙烯醇纤维。试验采用日本可乐丽公司生产单根长度12 mm的REC15KURALON K-П新型聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol, PVA)纤维，聚乙烯醇纤维也称维纶纤维，是以优质聚乙烯醇为原料，采用特定技术合成的纤维，具有强度高、耐磨、抗酸碱等特性，与水泥等基材具有良好的化学相容性。

② 玄武岩纤维。试验采用浙江石金玄武岩有限公司生产的单根长度12 mm的玄武岩(Basalt Fiber, BF)纤维(有关性能见表1)，由天然玄武岩矿石经1450～1500 ℃高温熔融后，通过铂锗合金拉丝漏板制成。外观为金褐色。由于原料的天然性，因此，玄武岩纤维具有很好的化学稳定性和热稳定性，且十分环保。

③ 聚丙烯纤维。试验采用南京派尼尔科技实业有限公司生产的单根8 mm的聚丙烯纤维(Polypropylene Fiber,PP)。PP具有较强的耐碱性，不受各种碱性基料水化产物的侵蚀；具良好的分散性，不团结，不成束，保证了纤维在基料中的均匀分布；具有较高的韧性和强度。

各纤维有关性能参数见表1和图1(图中单位刻度为1 mm)。

表1 纤维性能指标Table1 Propertiesoffiber纤维种类长度/mm直径/μm长径比抗拉强度/MPaPVA12180.671620BF12280.433000PP8350.23400伸长率/%抗拉弹性模量/GPa密度/(g·cm-3)7.0431.303.2902.464040.91

(a) PVA

(b) BF

(c) PP

图1纤维图片

Figure 1The image of fiber

1.1.2基材

基材的主要成分为水泥、砂、粉煤灰、水、减水剂。

水泥采用普通硅酸盐水泥，标号42.5；二级粉煤灰，45 μm方孔筛余量在12%～25%；减水剂选用聚羧酸高性能减水剂(中交二航武汉港湾新材料有限公司生产)；砂为标准砂，经过筛分析实验得到，粒径控制在200 μm左右；试验用水采用城市桶装饮用水，符合《混凝土拌合水用水标准》。

1.1.3配比

试验用配合比为： 采用3种不同的配合比进行初始试验，通过控制水泥与粉煤灰的比例来调整，基体材料配合比如下所示，采用PVA纤维进行试验。

① 水胶比为： 0.39

② 水泥与粉煤灰的质量比例分别为： 4.5∶5.5、4∶6、3∶7

③ 纤维的体掺量为：2%

在试验中每个配比对应3块试件。试件养护7 d后进行抗拉试验，记录每组数据。在同一个配比的3个数据取性能居中的数据与其他组进行对比，试验结果如表2所示。

表2 试验结果Table2 Thetestresults编号基体开裂强度/MPa延性/%弹性模量/MPa强度极限/MPa55%FA2.473.3622033.3560%FA2.614.0420143.6470%FA2.046.5517003.20

由表2可知: 当水泥和粉煤灰的质量比例为3∶7(即70%FA，粉煤灰含量为70%)时，由于粉煤灰的含量相对较高，水泥基体强度较弱，采用PVA纤维的试件表面的多裂缝特征更加明显，平均延性达到6.55%。因此采用水泥与粉煤灰的质量比例3∶7，水胶比为0.39和纤维体掺量2%这一较优配比进行后续的实验，比较3种纤维水泥基复合材料性能的异同。

1.2试件成型和养护

试件的搅拌均采用Model JJ-5型搅拌机。具体过程如下：

① 制备水泥基体。按照已经确定的配比，称量好各部分材料，做好实验准备。将水泥、粉煤灰和细砂缓慢加入搅拌锅中，采用慢速干拌2 min，加入称量好的水，匀速加入搅拌锅。再缓缓加入减水剂，并持续搅拌3～5 min，得到均质的流动基体。

② 添加纤维。加入过程要缓慢，防止纤维出现成团聚集的现象，影响试件性能。待纤维完全加入基体后，加快搅拌速度，搅拌4～6 min。

③ 浇筑振捣和养护。试件模具采用专门定制的有机玻璃器具，浇筑前先在模具中喷洒脱模剂，再将已制备好的纤维混凝土放到模具中，然后再进行振捣，密实。尽量保证混凝土表面平整，防止夹持过程中出现应力集中现象。再放入养护箱中养护(温度(20±1)℃，湿度大于等于95%)，养护24 h后拆模。放入水中(温度(20±1)℃)养护至7 d龄期，取出试件编号后进行拉伸试验(见图2)。

1.3拉伸试验过程

拉伸试验所用仪器采用美国MTS万能试验机，采用0.1 mm/min的加载速度进行加载。在试件放入万能试验机时，在试件不光滑端放入塑料板，并调节试验机夹具的初始加持力，防止试验机夹持力过大,引起试件的局部断裂，影响后续实验。图3为试件单轴拉伸试验过程。

图2　试件Figure 2　Specimen

图3　单轴抗拉实验过程Figure 3　Uniaxial tensile experiment process

2实验结果及其分析

2.1实验结果

试件经过7 d的养护，进行单轴抗拉试验。对数据整理后得出实验结果，如图4与图5所示。

2.1.1PVA纤维水泥基复合材料试验结果

PVA对应的试件7 d单轴抗拉应力-应变曲线图，如图4(a)所示。

根据纤维增韧效应和裂缝开展模式，试件自开始受力至最终破坏，过程大致可以分为三个阶段：

第一阶段： 线弹性阶段。该区段内水泥基体与PVA纤维一起承受外部荷载(荷载主要由基体承担)，材料变形服从胡克定律，属于线弹性变形。当位移达到该区段的最大的时候，基体开裂，出现初裂缝。

第二阶段： 应变硬化阶段。当基体开裂，出现第一条裂缝后，荷载由基体传递到纤维，由于纤维的桥联作用，再由纤维把力再传递到为未开裂的基体上，引起新裂缝的产生。由此反复，使得试件加载区间出现大量细密裂缝，基体裂缝宽度在90 μm左右(如图5(a)所示，图中单位刻度为90 μm)，荷载和位移都在增加，呈现应变硬化的现象。

图4　水泥基复合材料单轴抗拉应力-应变曲线Figure 4　The stress-strain curve of fiber reinforced cementitious composite under uniaxial tensile

(a) PVA

(b) PP

(c) BF

图5试件破坏主裂缝

Figure 5The main cracks of specimen

第三阶段： 软化阶段。随着位移的增加，试件内的应力逐渐减小，当位移达到一定程度后，基体不再产生新的裂缝，沿试件内最薄弱的一条裂缝扩展，试件承载力急剧下降，直至试件完全破坏。

2.1.2聚丙烯纤维水泥基复合材料试验结果

PP纤维试件7 d单轴抗拉应力-应变曲线图，如图4(b)所示。

第一阶段： 线弹性阶段。该区段内水泥基体与PP一起承受外部荷载(荷载主要基体承担)，材料变形服从胡克定律，属于线弹性变形。当试件位移达到荷载最大时，基体开裂，出现初始裂缝。

第二阶段： 软化阶段。随着试件表面单裂缝的扩展，水泥基体承担荷载的比例不断降低，纤维承担的荷载比例不断增长。当试件两端位移的继续增大，单裂缝不断扩展，纤维承担的荷载越来越大直到完全由纤维承担，应力-应变曲线也逐渐趋于平缓。

在试验中发现，当纤维的延性达到1%以上的时候，基体的裂缝宽度达到1 mm(如图5(b)所示，图中单位刻度为90 μm)，如果继续加载，由于纤维自身弹性模量较大，基体裂缝将进一步的扩大。当基体完全断裂后纤维仍未断开，PP纤维承担全部荷载，说明纤维自身延性较好。因此，在本次试验中，当基体的裂缝超过1 mm的时候，即认为纤维混凝土完全破坏。

2.1.3玄武岩纤维水泥基复合材料试验结果

BF纤维水泥基复合材料7 d单轴抗拉应力应变曲线图，如图4(c)所示。

第一阶段： BF纤维水泥基复合材料试件的荷载随着位移的增加逐渐增大，直到试件开裂前，呈现出线弹性变形的特征。

第二阶段： 开裂后，试件的强度很快降低，达到完全破坏。

玄武岩纤维起到的作用相对于其他2种纤维并不明显，并未出现应变硬化的现象。图5(c)为玄武岩纤维水泥基复合材料最终破坏时出现主裂缝(图中单位刻度为90 μm)。由于玄武岩纤维在搅拌过程中，易成团，不易分散，导致实验结果离散性很大。图6 (c)中可以看到试件表面只能看到较少的纤维出露。因此4块玄武岩纤维水泥基复合材料试件的抗拉实验结果差异性较大。在后续实验对比分析中，将剔除不理想的实验结果，再取其平均值与其他两种纤维水泥基复合材料对比。

(a) PVA

(b) PP(c) BF

图6试件主断裂截面图

Figure 6The main fault section specimen

2.2实验结果分析

通过实验发现PVA、BF、PP共3种纤维对于水泥基体的抗拉性能具有明显的改善效果。本文通过对比弹性模量、开裂强度、强度极限、延性来评价3种纤维对水泥基的抗拉性能的改善效果。实验结果进行分析整理，剔除每组实验中非正常值，再取其平均值，得到图7中应力-应变曲线和表3中的试验数据。

图7　单轴抗拉应力-应变曲线对比Figure 7　Uniaxial tensile stress-strain curve comparison

表3 3种纤维增强水泥基复合材料的参数对比Table3 Comparisonofthreekindsoffiberreinforcedcon-creteparameters编号基体开裂强度/MPa延性/%弹性模量/MPa强度极限/MPaPVA1.956.5517003.07PP0.491.0091510.49BF2.580.4423942.95

从开裂强度的角度来看，FBF=2.58 MPa>FPVA=1.95 MPa>FPP=0.49 MPa。其中，PVA纤维试件的开裂强度为由弹性阶段转入塑形阶段的分界点；BF纤维试件和PP纤维试件的开裂强度为试件弹性阶段与软化阶段的分界点。

从极限强度的角度来看，fPVA=3.07 MPa>fBF=2.95 MPa>fPP=0.49 MPa。PVA纤维试件与BF纤维试件的极限强度较大，2种材料的极限承载力较强。从图7的对比中可以看出: PVA纤维试件的强度极限较高在于PVA纤维水泥基复合材料的塑形性能较好和PVA纤维较高的抗拉强度。基体开裂后，由于纤维的桥联作用以及PVA较高的抗拉强度f=1620 MPa，基体表面不断出现新的裂缝，通过开裂不段消耗能量，充分发挥了PVA的高抗拉特性。尽管BF也具有较高的抗拉强度f=3000 MPa，BF纤维混凝土自身初始开裂强度较高，单裂缝扩展的过程中当桥联纤维断裂后试件进入软化阶段，导致BF纤维试件极限强度较PVA纤维试件低。PP纤维试件开裂强度较低，纤维自身抗拉强度f=400 MPa，因此PP纤维试件的极限强度最低。

从延性的角度看，εPVA=6.55%>εPP=1%>εBF=0.44%。从实验结果分析，由于PVA纤维试件具有应变硬化和多裂缝开展的特征，试件极限拉伸应变较大，具有良好的延性。而BF纤维试件与PP纤维试件的延性增加是由基体开裂的单裂缝不断扩展形成的，随着单裂缝的宽度与深度不断扩展，试件很快出现破坏。

3结论

① 通过3种初始配比进行试验表明：当基体中水泥与粉煤灰的质量比为3∶7时，PVA纤维试件表面的多裂缝特征更加明显，延性较大，平均延性达到6.55%；

② 通过单轴拉伸试验比较了PVA纤维、BF纤维、PP纤维对水泥基体的增强作用，发现PVA增强水泥基复合材料的整体性能较好，具有明显的应变硬化和多裂缝开展的特征，其延性与强度极限优于其他两种纤维。玄武岩纤维增强水泥基复合材料的开裂强度较高，聚丙烯增强水泥基复合材料的弹性模量较高。

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The Comparative Study of Various Fiber Reinforced Cementitious Composite Based on Uniaxial Tensile Properties

ZHOU Xiaoyong1, HU Qiwei1, LI Na2

(1.China University of Geoscience, Wuhan, Hubei 430074, China;2.Wenhua College ,Wuhan,Hubei 430074, China)

[Abstract]Under the condition of the same cement mixing ratio and different fiber content, the fiber reinforced cementitious composite worked through uniaxial tensile text. The test specimen size was a cuboid, 200 mm×50 mm×20 mm. The tensile test was performed by a universal test machine. With the help of the experimental data, researchers compared the cracking strength, ductility, elastic modulus, ultimate strength of the specimen under different fiber content. Then got the conclusion that the cracking strength of basalt fiber reinforced cementitious composite is higher, the ductility and ultimate strength of polyvinyl alcohol fiber reinforced cementitious composite is better, the polypropylene fiber reinforced cementitious composite perform better in modulus of elasticity.

[Key words]various fiber; fiber reinforced cementitious composite; tensile properties comparison

[收稿日期]2015-02-02

[基金项目]湖北省面上基金(2013CFB187)

[作者简介]周小勇(1978-)，男，湖南衡阳人，博士，讲师，主要研究方向：高性能复合材料及其工程应用，工程结构数值分析。

[中图分类号]TU 528; U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0089-06