基于透明介质法的纤维增强混凝土中纤维取向角分布研究*

孙启龙 孙 雷 张丽哲 张家威 季 涛 高 强

南通大学纺织服装学院，江苏 南通 226019

基于透明介质法的纤维增强混凝土中纤维取向角分布研究*

孙启龙 孙 雷 张丽哲 张家威 季 涛 高 强

南通大学纺织服装学院，江苏 南通 226019

通过测试水泥净浆和不同质量分数卡波姆凝胶的表观黏度，发现质量分数为0.11%的卡波姆凝胶与水泥净浆具有相近的表观黏度，并以此作为透明介质模拟水泥净浆，研究浇筑方式对纤维增强混凝土中的纤维取向角分布的影响。结果表明：在相同浇筑条件下，纤维在质量分数为0.11%的卡波姆凝胶中的取向角分布与其在水泥净浆中较为相似，故质量分数为0.11%的卡波姆凝胶可用于模拟水泥净浆；浇筑后振动和分层浇筑都会使纤维取向角减小，并使纤维趋于水平分布，这有助于纤维发挥增强、增韧的作用。

纤维增强混凝土， 卡波姆凝胶， 透明介质， 表观黏度， 纤维取向角

水泥混凝土是目前用量最大的一种建筑材料，在各行业有着广泛的应用[1]。但它也存在诸多缺点，如在工程应用中脆性大、抗拉强度低、抗冲击性能低等[2-3]，因此，使用纤维材料改善混凝土的性能已成为一种重要的方法。纤维的掺入可起到阻裂、增强、增韧及提高耐久性等作用，其中，以钢纤维、碳纤维、玻璃纤维，特别是合成纤维为增强纤维的混凝土得到了快速发展。但若要使纤维充分发挥上述作用，则纤维在混凝土基体中必须具有良好的分布状态，否则不但不能充分发挥作用，还可能产生负面影响[4]。通常，纤维增强混凝土中纤维取向角分布模糊地以“三维乱向”加以描述[5]，这表明纤维增强混凝土中纤维的分布并没有得到充分的研究。

当前，有学者提出采用如X射线投射法、CT断层扫描三维重建法、水洗法等研究纤维增强混凝土中纤维取向角的分布。其中，X射线投射法主要依靠纤维在平面中的投影来分析纤维在试样中的分布状态[6]；CT断层扫描三维重建法先依靠CT设备中的X射线进行断层扫描，再利用截面图像进行三维重建，直观地观察钢纤维的分布，但分析合成纤维时误差较大[7]；水洗法利用水冲洗纤维新拌混凝土(即新制备的未凝固的混凝土)并收集纤维，干燥称重后通过比较单位体积试样中纤维含量来评价纤维的分散性[8]，但此法只能分析试样中纤维的含量，无法确定纤维取向度。综上所述，目前仍缺少一种直观的可以获取纤维在纤维增强混凝土中取向角分布的研究方法，特别是针对使用广泛的合成纤维。为此，本课题组研发了一种以透明介质模拟混凝土，将纤维可视化，研究混凝土中纤维取向角分布的方法。

1 试验部分

1.1 试验材料与装置

1.1.1 试验材料

卡波姆940树脂，白色粉末状，购自美国诺誉化工(上海)有限公司；三乙醇胺，分析纯，购自南通默克化学试剂有限公司；普通硅酸盐水泥；黑色锦纶单丝纤维，直径1 mm；蒸馏水。

1.1.2 主要试验装置

MCR102高级流变仪(安东帕公司)，用于测试卡波姆凝胶及水泥净浆的流变性能。测试时使用如图2所示的特殊转子，其特殊的结构可有效防止测试过程中水泥净浆中水泥颗粒的沉降，保证表观黏度测试结果的准确性。

图1 特殊转子

ZDT -1000混凝土振动台(浙江上虞风尚仪器公司)，振动频率2 860次/min，振幅0.3～0.6 mm，用于试样浇筑后振实成型。

1.2 卡波姆凝胶及水泥净浆的制备

称取适量卡波姆940树脂粉末，将其置入烧杯中，加入一定量的蒸馏水，利用磁力搅拌器对其进行搅拌。待卡波姆940树脂粉末完全溶解后，使用滴定管加入适量三乙醇胺直至溶液为中性即pH值为7，并继续使用玻璃棒搅拌得到透明介质——卡波姆凝胶。

本文分别配置了质量分数为0.10%、0.12%、0.14%及0.16%的卡波姆凝胶。同时，制备了水灰比(即水与水泥的质量比)为0.5的水泥净浆。

1.3 浇筑试验

模拟试验：将50根长度为20 mm的黑色锦纶单丝加入约1.67 L的卡波姆凝胶中，利用玻璃棒搅拌30 s后浇筑于外径为200 mm的PVC管中(浇筑高度可达60 mm)，并振动。因PVC管底部与一块透明有机玻璃板黏合，管内侧标有刻度线，故可通过有机玻璃观察卡波姆凝胶中黑色锦纶单丝的状况，并使用相机记录纤维在透明介质中的分布状态。所得浇筑试样如图2所示，图中橙色纤维是水平放置于有机玻璃底部的长度为20 mm的参照物。

图2 透明介质浇筑试样

水泥净浆试验：将50根长度为20 mm的黑色锦纶单丝加入0.80 L的水泥净浆(水灰比为0.5)中，按照同样的方法浇筑成试样。

本文为研究振动和浇筑方式对纤维分布的影响，分别采取了图3所示的3种浇筑方式。浇筑时，混有纤维的卡波姆凝胶或水泥净浆从正上方倒入PVC管中间位置；振动时，将装有卡波姆凝胶或水泥净浆的圆筒模具置于ZDT -1000混凝土振动台上振动30 s。

图3 3种浇筑方式

1.4 取向角测量

对于卡波姆凝胶中的纤维取向角，可通过图像分析并测量纤维在平面中的投影长度，计算纤维与平面的夹角；而对于水泥净浆中的纤维取向角，则利用水冲洗1 d龄期的混凝土块直至纤维露出表面，手工测量纤维取向角。

2 结果与分析

2.1 表观黏度

图4描述了卡波姆凝胶和水泥净浆于不同剪切速率下的表观黏度。

图4 水泥净浆和卡波姆凝胶于不同剪切速率下的表观黏度

从图4可以看出：随着转子剪切速率的增加，卡波姆凝胶的表观黏度相应减小；随着卡波姆凝胶质量分数的上升，表观黏度相应增加。且对比卡波姆凝胶和水泥净浆的表观黏度曲线可以看出，水泥净浆的表观黏度介于质量分数为0.10%和0.12%的卡波姆凝胶之间。后经确认，质量分数为0.11%的卡波姆凝胶与水灰比为0.5的水泥净浆的表观黏度非常接近，故下文选择使用质量分数为0.11%的卡波姆凝胶来研究纤维增强混凝土中纤维取向角分布，并与纤维在水泥净浆中的取向角进行对比。

2.2 纤维取向角分布

分别测量50根黑色锦纶单丝在卡波姆凝胶和水泥净浆中的纤维取向角，结果如图5所示。

(a) 浇筑方式1

(b) 浇筑方式2

(c) 浇筑方式3

由图5可得出，卡波姆凝胶和水泥净浆中的纤维取向角的分布状况较为相似，3种浇筑方式所得纤维取向角平均值归纳于表1。其中，浇筑方式②和浇筑方式③所得卡波姆凝胶和水泥净浆中纤维取向角的平均值较为接近，而没有振动环节的浇筑方式①受搅拌的影响较大，纤维取向存在较大随机性，所得卡波姆凝胶和水泥净浆中纤维取向角的平均值差异较大。此外，由表1还可看出，浇筑方式对纤维取向角的影响较大，浇筑后振动和分层浇筑都会减小纤维取向角，使纤维更倾向于水平分布，而正是这种分布有利于纤维在混凝土中发挥增强、增韧作用。

表1 不同浇筑方式下纤维取向角的平均值

项目浇筑方式①浇筑方式②浇筑方式③卡波姆凝胶水泥净浆卡波姆凝胶水泥净浆卡波姆凝胶水泥净浆取向角平均值/(°)25.121.817.817.214.713.0

3 结语

(1) 在水泥净浆和质量分数为0.11%的卡波姆凝胶中，纤维取向角的分布具有较高的相似性，所以质量分数为0.11%的卡波姆凝胶可作为透明介质用于模拟水泥净浆，研究纤维在纤维增强混凝土中的取向角分布；

(2) 浇筑后振动和分层浇筑都会使纤维增强混凝土中纤维取向角变小，并使纤维趋向于水平分布，这有助于纤维发挥增强、增韧的作用。

[1] 中国建筑材料联合会信息部.2011年水泥产量和产能统计分析报告[J].中国水泥，2012(3):10-12.

[2] 冯乃谦.高性能混凝土[M].北京:中国建筑工业出版社，1996：10-22.

[3] KANAKUBO T. Tensile characteristics evaluation method for ductile fiber-reinforced cementitious composites[J]. Journal of Advanced Concrete Technology, 2006,4(1):3-17.

[4] OZYURT N, MASON T O, SHAH S P. Correlation of fiber dispersion， rheology and mechanical performance of FRCs[J]. Cement & Concrete Composites, 2007,29(2):70-79.

[5] 谢建斌，何天淳，程赫明,等.纤维混凝土中纤维随机分布细观机理的研究[J].昆明理工大学学报(自然科学版),2002,27(3):97-101．

[6] CHERMANT J L, CHERNMAN L, COSTER M, et al. Some fields of applications of automatic image analysis in civil engineering[J]. Cement and Concrete Composites, 2001,23(2-3):157-169.

[7] KRAUSE M, HAUSHERR J M, BURGETH B, et al. Determination of the fiber orientation in composites using the structure tensor and local X-ray transform[J]. Journal of Material Science, 2010,45(4):888-896.

[8] ASTM C1229-94(2015). Standard test method for determination of glass fiber content in glass fiber reinforced concrete (GFRC) (Wash-Out Test)[S]. ASTM International， 2015.

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Research on fiber orientation angle distribution in fiber reinforced concrete based on transparent medium method

SunQilong,SunLei,ZhangLizhe,ZhangJiawei,JiTao,GaoQiang

School of Textile and Clothing， Nantong University, Nantong 226019, China

It was found that the 0.11 w.t.% carbomer gel had the similar apparent viscosity to that of the cement paste through investigating the apparent viscosity of the cement paste and carbomer gels with different mass ratio, and the 0.11 w.t.% carbomer gel was chosen to simulate the cement paste as the transparent medium, studying influence of casting methods on the fiber orientation angle distribution in fiber reinforced concrete. The results showed that the fiber orientation angle distribution in the 0.11 w.t.% carbomer gel was similar to that in the cement paste under the same casting process, so the 0.11 w.t.% carbomer gel could be used to simulate cement paste. And the vibration after casting and layer-by-layer casting could decrease the fiber orientation angle, make fibers horizontally arranged in the matrix, which contributed to fibers playing the role of reinforcing and toughening.

fiber reinforced concrete, carbomer gel, transparent medium, apparent viscosity, fiber orientation angle

*江苏省高校自然科学研究面上项目(15KJD430008)；南通大学交通运输专项项目(13ZJ009、13ZJ010)

2016-09-01

孙启龙，男，1983年生，副教授，研究方向为纤维混凝土

TU528.572

A

1004-7093(2016)11-0018-04